论机械设计中ＣＡＤ技术的应用

摘要：本文在阐述CAD技术在机械产品设计中应用的基础上，总结了CAD技术在机械设计中的优点，并分析了常见的机械设计中的CAD技术，最后对机械设计中CAD技术的发展进行了展望。

关键词：机械设计；CAD；应用

机械设计作为一个具有几百年历史的技术领域，也在世界科技进步的大潮中获得了新生。各种设计技术、计算技术、设计工具乃至新材料、新工艺在机械设计与制造中的应用，使机械工程设计过程中单调机械的工作大幅度持续减少，设计人员的创造性思维得到前所未有的解放。与此同时，传统的理论体系、方法体系也受到强烈的冲击。CAD技术是先进制造技术的重要组成部分，是计算机技术在工程设计、机械制造等领域中最有影响的一项高新应用技术。CAD系统的发展和应用使传统的产品设计方法与生产模式发生了深刻的变化，已经产生并必然继续产生巨大的社会经济效益。

1 CAD技术在机械产品设计中的应用

CAD技术作为机械工程设计中最具活力的技术手段，它主要应用于机械设计的以下诸方面：几何建模、工程分析(如结构分析中的应力／应变计算、动态特性、热传导特性分析等)、设计审查与评价(如公差分配审查、干涉检查、运动仿真等)、计算机辅助绘图、工程数据库的建立及其操作、工程设计信息的处理、检索和交换等。目前来看，在机械产品设计中，CAD技术的应用主要集中在计算机二维绘图和三维实体造型和性能分析、结构优化2个方面。

一方面，从CAD技术产生的初期只能进行一些简单的二维图形绘制到如今CAD技术质的飞跃，已经由形成之初的计算机辅助绘图，发展成为了真正意义上的计算机辅助设计。目前在机械行业中应用比较广泛的二维CAD绘图软件依次是：AUTOCAD、CAXA电子图板、开目CAD、机械设计师CAD、PCCAD等。现在设计人员已经开始具有有效地、全面地进行计算机辅助设计的思想观念。同时，目前多数企业的图形CAD系统通过不断的摸索和应用，总的设计效率得到了一定程度的提高。另外，他们也逐渐认识到了图形分析、图纸资料的共享、信息集成化等较高层次的CAD技术应用的重要性。

另一方面，在机械产品的设计中，借助CAD技术，产品的性能设计和结构优化设计技术能得到充分的施展，即CAE计算机辅助工程技术，而不仅仅是代替简单而重复的人工劳动。在进行产品设计过程中，产品设计人员可以进行产品的性能分析设计和结构优化设计，并将产品的形体设计与产品性能设计结合起来，运用相关计算机辅助设计技术实现对产品各主要零部件的动、静态分析和结构形体等的优化。

尽管CAD技术具有其独特的优越性，但是目前为止，机械人员利用CAD技术进行产品设计的效率和质量还停留在一个初级的水平，需要得到不断的实践和总结。

2 CAD技术在机械设计中的优点

通过实际运用三维CAD系统软件，体会到三维CAD系统软件比二维CAD系统软件具有更高效率、更快速度、更低成本的优势。具体表现在以下几点：

2.1 缩短了机械设计周期

使用三维CAD系统软件，可以在装配环境中设计新零件；也可以利用相邻零件的位置及形状来设计新零件，既方便又快捷，还可保证新零件与相邻零件的精确配合，避免了单独设计零件出现错误而导致装配的失败。总之，采用三维CAD技术，缩短了机械设计周期，大幅度地提高了设计和生产效率。在用三维CAD系统进行新机械的开发设计时，只需对其中部分零部件进行重新设计和制造，而大部分零部件的设计都将继承以往的信息，使机械设计的效率提高了3倍～5倍。同时，三维CAD系统具有高度变型设计能力，能够通过快速重构，得到一种全新的机械产品。

2.2 在装配环境中装配零件方便直观

运用不同的装配关系可以把各个机械零件装配起来。在装配过程中，资源查找器中的装配路径查找器记录了零件之间的装配关系，若装配不正确或发生干涉，查找器即予以显示，同时可对零件的装配进行静干涉的检查，如果发现干涉就可及时对零件等进行修改，以保证设计的正确性。另外，零件还可以隐藏，在隐藏了外部零件后，可清楚地看到内部的装配结构。在整个机器或某个部件装配模型完成后还能进行运动演示，对于有一定运动行程要求的，可检验行程是否达到要求，对于在静态下不发生干涉而在运动中出现碰撞的也可检验出来，从而及时对设计进行更改，保证设计的正确性，避免了机械产品生产后才发现问题需要修改甚至报废。

2.3 提高机械产品的技术含量和质量

由于机械产品与信息技术相融合，同时采用了CAD设计方法和CIMS组织生产，使机械产品设计有了新发展。三维CAD技术采用先进的设计方法，如优化、有限元受力分析等，保证了产品的设计质量。同时，大型企业数控加工手段较完善，再采用CAD／CAPP／CAM进行机械零件加工，一致性很好，保证了产品的质量。

3 常见的机械设计中的CAD技术

CAD技术在机械设计中的应用主要集中在零件与装配图的实体生成、CAD／CAM、CAE软件的应用。CAD技术彻底更新了设计手段和设计方法，摆脱了传统设计模式的束缚，引进了现代设计观念，促进了机械制造业的高速发展。

首先，就零件与装配图的实体生成而言，CAD的三维建模方法有三种，即线框模型、表面模型和实体模型。在许多具有实体建模功能的CAD软件中，都有一些基本体系。如在AUTOCAD的三维实体造型模块中，系统提供了六种基本体系，即立方体、球体、圆柱体、锥体、环状体和楔形体。对简单的零件，可通过对其进行结构分析，将其分解成若干基本体，对基本体进行三维实体造型，之后再对其进行交、并、差等布尔运算，便可得出零件的三维实体模型。另外，在零件实体构造完成后，利用机器运动分析过程中的资料，在运动的某一位置，按各零件所在的坐标进行“装配”，这一过程可用CAD软件的三维编辑功能实现。

其次，模具CAD／CAM的集成制造。随着科学技术的不断发展，制造行业的生产技术不断提高，从普通机床到数控机床和加工中心，从人工设计和制图到CAD／CAM／CAE，制造业正向数字化和计算机化方向发展。同时，模具CAD／CAM技术、模具激光快速成型技术等，几乎覆盖了整个现代制造技术。一个完整的CAD／CAM软件系统是由多个功能模块组成的。如三维绘图、图形编辑、曲面造型、仿真模拟、数控加工、有限元分析、动态显示等。这些模块应以工程数据库为基础，进行统一管理，而实体造型是工程数据的主要来源之一。

再者，机械CAE软件的应用。机械CAE系统的主要功能是：工程数值分析、结构优化设计、强度设计评价与寿命预估、动力学／运动学仿真等。CAD技术在解决造型问题后，才能由CAE解决设计的合理性、强度、刚度、寿命、材料、结构合理性、运动特性、干涉、碰撞问题和动态特性等。

4 机械设计中CAD技术的发展

三维CAD系统使人们能够直接由思维中的三维模型开始设计，有了表达全部集合参数和设计构想的可能，使整体设计过程能够在三维模型中分析与研究，并能使用统一的数据，因而能够更好地完善其设计思想，从而使设计方案理想化。在三维的CAD产品设计中，可以建立充分而完整的统一数据库，并以此为基础，对整体设计或部件进行各类分析。从长远的观点看，三维CAD技术必然会替代二维绘图。随着计算机性能的提高，网络通讯的普及化、信息处理的智能化、多媒体技术的实用化，CAD三维技术正向着开放、集成、智能和标准化的方向发展。正确把握CAD技术的发展趋势，对我国CAD软件行业的开发及企业正确规划自身的CAD应用系统，都有深远的意义。

可以预见，随着近年来人工智能、知识库数据库技术、信息集成与交换技术的飞速发展和信息交换标准的拟定、发展与完善，CAD技术正在向智能化、信息集成化、信息交换接口标准化方向发展，它在机械设计过程中的应用也趋于向设计早期深入。

参考文献

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