计算机辅助设计技术在机械设计中的应用探讨.doc

计算机辅助设计技术在机械设计中的应用摘要:计算机辅助设计的出现为机械制造行业带来了新的革命，不仅改善了产品设计的精度，还缩短了产品开发周期，从而创造出高效、安全的产品。本文从计算机辅助设计的发展状况说明计算机辅助设计的重要性；再以逆向工程技术中CAD 的应用、汽车覆盖件模具的设计为例，探讨计算机辅助设计在机械设计中的应用情况。关键词:计算机辅助设计；应用；机械设计1 计算机辅助设计的发展及重要性 机械设计是机械工程的重要组成部分，是机器生产的前提，同时也是决定机械性能的最主要因素，一部机器的质量及工作性能的好坏很大程度上取决于设计质量，狭义的机械设计仅指技术性的设计过程，广义的机械设计是指设计者根据使用要求和现有的条件，对机械的工作原理、结构、刚度和强度、各个零部件的材料和形状尺寸、以及润滑方法、力和能量的传递方式等进行分析、构思和计算，并将其形成具体的描述以作为机械制造依据的工作过程。这不仅是一个创造性的工作，同时也是建立在丰富的成功经验基础上的工作，只有将两者结合起来，才能设计出高质量的机器。机械设计的所有步骤几乎都需要计算机的帮助。图形的编辑、修改，大量数据的计算和比较，对零部件动力、强度等方面的精确测试，都需要相应的计算机软件的支持。除了这些繁琐的工作可由计算机替代外，设计者还可以利用计算机进行虚拟样机的构建，也就是根据图纸，在计算机上制造一个模拟样机，对它的工作性能、受力情况、热度等各方面进行验证，根据出现的状况修改原设计，从而达到完善的程度。随着计算机技术的发展，计算机正在越来越广泛地应用于机械设计的各个方面以及各种各样的机械设计中，它在提高机械设计的质量和转化为实际制造的效率方面，发挥着重要作用。计算机辅助设计便是伴随着计算机技术的发展而出现，并广泛应用于多种学科的一种方法。计算机辅助设计又被称作“CAD”，是由计算机帮助设计人员完成机械设计中的计算、制图、模拟等工作，并在不断修改和反复验证的基础上，输出满意的设计结果和最后的产品图纸的一门技术。20 世纪60 年代初，麻省理工学院的一名研究生发表了题为人机对话图形通信系统的论文，首次提出了交互技术及计算机和图形符号的存储采用分层的思想，为CAD 技术的确立提供了理论支撑。随着这一理论的不断完善，众多行业的领军人物开始认识到计算机辅助技术的重大作用，并投入重金研发。美国的IBM公司开发了以大型机为基础的CAD 系统，该系统具有绘图、数控编制等功能，之后有关计算机辅助设计的研制与开发接踵而至，通用汽车公司研制出了用于汽车设计的DAC- 1 系统，洛克希飞机公司研发的CADAM系统，适用于不同阶段的飞机设计。这时的计算机辅助设计系统都是在大型机或超级小型机的基础上开发的，购买这套系统通常需要上百万美元，因而这一系统只在经济实力比较雄厚、规模较大的航空、汽车、轮船、石油等行业应用。在20 世纪70 年代初出现了柔性制造系统FMS，“柔性”意为在使用计算机制造产品的过程中，制造系统会根据所编程序中指令的变换而改变加工过程，这种适应性以及加工的灵活性被称为“柔性”。我国对FMS 的定义为：柔性制造系统是由数控加工设备、物料储运装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统，包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速调整，适用于多品种、中小批量的生产。随着计算机技术、通讯技术等的发展，CAD 技术也日益走向完善，比如80 年代出现的由超大规模集成电路制成的微处理器和存储器件，使得CAD 技术在中小企业逐渐普及，从飞机、汽车到服装、建筑、出版等行业都开始采用CAD 技术。如今，计算机辅助设计技术已在机械制造业得到广泛应用，而且现在的CAD 应用系统可以将机械设计中的绘图、分析、数据处理、仿真、加工修改等一系列环节集于一身，大大缩短了设计时间，提高了设计效率和质量，降低了生产成本与制造周期。CAD 的常用软件有很多，但由ParametricTechnology 公司推出的Pro/Engineer 产品，在目前三维造型软件领域中占有重要地位，引领着CAD 技术的新潮流。2 逆向工程中CAD 的应用逆向工程是一种消化、吸收先进设计的重要手段。技术的自主研发固然重要，但研发成本却是相当高昂的，而且研发过程还受到科技人员的素质、国家财政的投入、现有条件等各方面因素的影响，因而一项新技术的产生通常需要几年甚至十几年的时间，这对于技术条件及设备相对落后的发展中国家而言是不可想象的。因而，充分利用他国的科技成果，在消化、吸收的基础上再进行创新不失为一种加快科技发展的重要手段。日本在二战结束后的重新崛起，很大程度上是因为他大规模引进美国、英国等欧洲发达国家的先进技术，并做了很好地消化吸收，从而转化为本国生产力的一部分。逆向工程就是在只有产品或实物模型的条件下，在了解产品原设计的基础上，逆向重构产品零部件的CAD 模型，已达到设计创新的目的。以前的“逆向工程”技术的研究和应用都集中在实物方面，即在拆解原有产品的过程中，重建产品实物模型，以实现新产品的制造。随着现在机械制造技术的发展，可以通过坐标测量设备、通用的CAD 软件等方法，把实物样件转化为CAD 模型，综合利用CAM（计算机辅助制造）、CIMS（计算机集成制造系统） 等技术对其进行处理和再设计。Pro/Engineer软件中SCAN- TOOLS 是一个专用的逆向设计模块，可以通过数据点构造网格曲线，并对点云进行拟合，以得到光滑、连续的曲面，再对曲面进行交互修改，从而得到与实物一致的CAD 模型。SCAN- TOOLS与Pro/SURFACE 配合使用，可以在曲面生成后，通过切割、裁剪、延伸等工作，将曲面转换为实体，再利用Pro/Engineer 软件基于特征的参数化设计功能，完成模型的二次设计，实现CAD模型的重建。3 汽车覆盖件模具设计中的CAD 应用汽车覆盖件模具设计不仅影响到汽车车型，也是汽车个性化和更新换代的标志。然而在现实的汽车覆盖件模具设计中，经常发生设计人员的设计与制造、工艺人员的工作相冲突的情况，也就是设计者的设计不能很好地进入生产、制造环节，甚至还会进行返工、再设计，这不仅增加了设计成本，拖延了生产时间，还可能造成失去市场竞争力的严重后果。为避免这种情况的发生，应尽量在设计环节排除这些问题。汽车覆盖件模具的设计过程一般包括：根据市场需求进行模具概念设计；对模具的结构、热度、工艺问题等进行分析并画出图纸；根据图纸进行CAD模具结构造型设计；将CAD 造型铸造为实物，如有矛盾或不当之处，再返回CAD 设计。CAD 造型设计是整个设计的关键环节，此处出现问题将会影响后期的汽车生产，因而必须要做好CAD 的造型设计。比如对某款汽车的车门做一些设计上的更新，首先需要获得车门零件的几何模型，然后运用三坐标测量机对零件的结构进行分析，再使用特定的测量方法采集数据，运用相关测量设备对数据进行处理，最后再利用Pro/Engineer 软件进行模型重建，通过Pro/Engineer 的模具设计及数控加工功能，迅速完成汽车车门的模具设计及零件的NC 加工。4 结语机算机辅助设计技术在确保机械设计的精度、处理机械设计中的大量数据、绘制复杂图形等方面发挥着重要作用，但这些计算机辅助设计的技术大都产自欧美等发达国家，我国自主研发的较少，加之对引进他国的技术没有完全消化，致使我国的机械制造业水平同国外相比，还存在较大差距，仅以目前的矿山机械设备为例，我国的输送机特性研究只有理论，还没有成熟的安全设计方法。因而，应加强计算机辅助设计的自主研发能力，为我国的机械设计提供必要的技术支撑，从而提