论CAD在机械设计中的应用

1、论 CAD 在 机 械 设 计 中 的 应 用 摘 要：目前，CAD技术突飞猛进的发展，为机械制造业提供了强大的技术 支持。从CAD的概念及应用、CAD技术在机械设计中的优点、CAD技术 在机械设计中的不足和CAD技术的发展趋势四个方面对这个问题进行了论 述，提出了一些思考。关键词：CAD ;机械设计；应用第一章计算机辅助设计（CAD ）的研究现状及发展趋势1.1CAD技术简介CAD技术是随着电子技术和计算机技术的发展而逐步发展起来的，它具 有工程及产品的分析计算、几何建模、仿真与试验、绘制图形、工程数据库 管理和生成设计文件等功能。进二十年来，由于计算机硬件性能的不断提高， CAD技术有了大

2、规模的发展，目前CAD计算已经应用于许多行业，如机械、 汽车、飞机、船舶、电子、轻工、建筑、化工、纺织及服装等。CAD技术应用于机械类产品设计的比例最大，机械CAD在整个工程CAD中占有比较 重要的位置。1.2CAD软件现状、主要分类，及各自的主要特色CAD是工程技术人员以计算机为工具，对产品和工程进行设计、绘图、分 析和编写技术文档等设计活动的总称。根据模型的不同，CAD系统一般可分为二维CAD系统和三维CAD系统：二维CAD系统一般将产品和工程设计图纸看成是“点、线、园、弧、文本” 等几何元素的集合，所依赖的数学模型是几何模型。目前使用最多的是 Autodesk 公司的 AutoCAD 软

3、件。三维 CAD 系统的核心是产品的三维模型，这种三维模型包含了更多的实际 结构特征，使用户在采用三维 CAD 造型工具进行产品结构设计时，更能反 映时间产品的构造或加工制造过程。目前使用最多的有 PTC 公司的 Pro/Engineer软件；EDS公司的UGH软件；Solidwords软件；UG公司的 SolidEdge 软件。根据产品结构，产生方式和组织管理形式不同，企业对 CAD 软件的功能又 有四方面不同需求：一、计算机二维绘图功能： “甩掉图版”把科技人员从繁琐的手工绘图周昂 解放出来，其是 CAD 应用的主要目标，也是 CAD 技术的最重要功能。二、计算机辅助工业设计（ CAPP

4、）功能：进行工艺设计，工艺设计任务管 理，材料定额管理等功能，实现工艺过程标准化，保证获得高质量的工艺规 程，提高企业工艺编制的效率和标准化。三、三维设计，装配设计，曲面设计，钣金设计，有限元设计，机构运动仿 真，注塑分析，数控加工等三维 CAD ，CAM 功能，可以解决企业的三维设 计，虚拟设计与装配，机构运动分析，应力应变分析，钣金件的展开和排样 等困难，使企业走向真正的 CAD 设计。四、产品数据管理 PDM 。复杂产品的设计和开发，不仅要考虑产品设计开 发结果，而且必须考虑产品设计开发过程的管理与控制。管理产品生命周期 的所有数据（包括图纸技术文档） 以及产品开发的工艺过程， 使 CA

5、D 、CAPP 、 CAM 等系统实现的数据共享，使产品设计工作规范化保持一致性，保证图 纸、工艺卡、加工代码、技术资料等的安全性。1.3CAD 发展方向 当前工业企业正面临着市场全球化、制造国际化和品种需求多样化的新挑 战，各企业间围绕着时间、质量和成本的竞争越来越激烈。由此出现了一系 列先进制造技术、系统和新的生产管理方法。如并行工程、及时生产、精良 生产、敏捷制造和虚拟现实技术等， 所有这些先进制造技术和系统都与 CAD 系统的发展与应用密切相关。目前 CAD 系统的发展趋势抓主要体现在以下 几方面：CAD 系统应用面向产品的全过程：在产品的全过程中，要求产品的信息能 在产品生命周期的不

6、同环节方便地转换， 有助于产品开发人员在设计阶段能 全方位地考虑产品的成本、质量、进度及用户需求。CAD 系统应满足并行设计的要求：并行工程的关键是用并行设计方法代替 串行设计方法。产品在设计过程中可以容易地被分解为不同的模块，分别由 不同设计人员分工进行设计，然后通过计算机网络进行组装和集成。在产品 的开发过程中，使开发组成员易于实现半结构化通信，同时不同的设计层具 有不同的管理使用权限。对产品建立统一的数据模型后进行动态管理。CAD 系统应满足灵活的虚拟现实技术：设计人员可在虚拟现实中创造新的 产品模型，并检查设计效果，可以及早看到新产品的外形，以使从多方面观 察和评审所设计的产品； 可以

7、运用虚拟工具任意改变产品的外形而无需耗费 材料及占用加工设备， 这种方法可尽早地发现在产品研制过程的最初阶段出 现的设计缺陷如结构空间的干涉等问题，以保证设计的准确性。 CAD 系统 要具有很好的可移植性和自组织性；在 CAD 系统中，用户可以根据自己的 需要随时加入运行文件和模块，还可重新装配各个模块中的子模块，或者按 照自己的要求修改系统中的不足之处， 而这种修改不会影响这个 CAD 系统。CAD系统要具有很好的集成性：CAD与CAPP、CAM的集成已成为工程领域中急需解决的问题。一般可以通过两个途径来解决：一是通过接口，将现 有的各自独立的 CAD、CAPP和CAM系统连接起来；二是开发

8、集成的 CAD/CAPP/CAM 系统。智能CAD系统：智能CAD是一种新型的高层次计算机辅助设计方法和技术。 它将人工智能的理论和技术与 CAD相结合，使计算机具有支持人类专家的 设计思维、推理决策及模拟人的思维方法与智能行为的能力，从而把设计自 动化推向更好的层次，这种智能性具体表现为：（1）智能地支持设计人员，而且是人机接口也是智能的。系统必须懂得设计人员的意图，能够检测失误， 回答问题，提出建议方案等。（2）具有推理能力，使不熟悉的设计人员也能 做出好的设计来。在未来的几十年里，CAD技术将在建模技术、软件组件集成智能化方面进 一步发展，因而也必将在机械工程设计的各个领域发挥越来越重要

9、的作用。 第二章CAD技术在机械设计中的优点1.1符合人的思维过程机械设计师在设计时总是先构思后表达，由于脑海中构思出的产品形状 是三维的，因而直接建立反映产品真实几何形状的三维实体模型自然是理想 的表达方式。这可使机械设计师更加专注于产品设计本身，而不是产品的图 形表示，符合机械设计师的创新意识，有利于设计的连续进行。由于CAD三维设计得到的三维立体图具有直观、易于理解等特点，不仅能促进机械设 计师的思维深入，有利于设计的扩展，而且也便于与他人进行交流。1.2缩短了机械设计周期CAD三维机械设计有利于解决复杂的几何造型问题。它可以由简单几何实体通过布尔运算等功能组合出各种复杂的几何实体，并能

10、自动生成相贯线和截交线，大大减轻了设计工作量，缩短机械设计周期近1/3，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 3-5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。1.3零件设计和修改非常方便使用三维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。比如 可以在装配环境中根据箱

11、体的形状及其他的配合要求快速准确地设计出所 需要的箱盖来。零件环境中有查找器，在完成机械零件造型时，资源查找器同时列出了 完成该零件的所有命令，点击这些命令就可以很清楚地了解完成该零件的每 个步骤，并利用资源查找器中的零件回放把零件造型的全过程通过动画连续 地演示出来，使人一目了然。修改零件时，也可以点击资源查找器中相对应 的命令来完成，更方便地是在装配环境中也可以进行零件的修改，即点击要 修改的零件就可以进入零件环境来完成零件的修改。1.4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

12、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。同时还可以进行运动仿 真，能清楚地看到机器运动的全过程。直接在计算机上对设计出的零件进行 虚拟加工和装配试验，检查零件加工工艺性和装配质量（有

13、否干涉、松动等）， 从而减少昂贵的产品试验模型费用。1.5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。三维机械设计不仅可以方便地描述对象的形状、大小和位置等几何特 征，而且还可以赋予设计对象以颜色、纹理、体积、重心、惯性矩等多种信 息，达到对设计对象几何形状确切的数学描述和工作状态的物理模拟，从而 更充分、准确、全面

14、、真实地表达设计者的意图。第三章CAD技术在机械设计中的不足（1）把CAD技术作为取代图板的绘图工具，并未实现真正的设计。目前有些单位用CAD三维软件做出的三维模型仅为效果图，并没有用在整 体空间设计和受力分析，还停留在平面设计上，只是把用手工出图转变为计 算机出图的现状。当然计算机出图有很多的优点，例如美观、规范、修改容 易、存档方便等。但是如果只停留在这个阶段，就失去CAD的作用，因为CAD是辅助设计，不是辅助绘图。（2）精通CAD技术的设计人员不足。三维 CAD技术是一个复杂多变 的系统，并不是每个设计人员都能掌握得很好，大部分人员没有受过专门的 训练，对它的功能了解不够，他们完成的设计

15、很可能不够完善。第四章CAD技术的发展趋势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，CAD三维技术正向规范化、智能化、集成化的方向发展。（1）规范化。规范化（标准化）的趋势体现在几个方面：数据模型的规范化 （标准化）、 数据交换格式的标准化和CAD资源的规范化等。数据模型应采用 STEP标 准体系。随着STEP标准体系的逐步完善，它对于几何数据、工程数据模型 的思想将作为新一代 CAD系统的开发指南。靠以前的一些标准接口已经无 法完全满足CAD数据交换的要求。目前，参数化特征模型的传输还是一个 世界难题，在STEP标准基础上，相信这一点能有所突破。（2）智能化。特征造型和参数设

16、计的采用即是智能化方面的进步。软件不仅仅是提供一些绘制的工具由人们去使用，也不再将占线面数据存储在一起，而忽略其 内在联系。特征和参数的引入使得软件似乎成为人类（用户）一个更聪明的助 手。CAD软件应该更大限度地将工程数据概念集成到数据模型中，例如目 前，CAD软件的特征模型主要是解决零件几何造型的问题，而对于后续分 析、CAPP和加工的需要还考虑得不够。（3）集成化。集成化是当今CAD技术发展的又一大趋势。CAD技术不是孤立的。首 先，它集成了计算机软硬件、数据库、外围设备、图形学、网络及各个应用 领域的技术。同时，它又不断和 CAM（计算机辅助制造）、CAPP（计算机辅助 工艺流程规划）、

17、MIS （管理信息系统）、PDM（产品数据管理）以及MRP（制造 资源管理）等系统相集成。由于In ter net的发展，使得这些设想得以实现。如 何构造在In ternet体系上的CAD/CAM集成化系统将会是人们追踪的热点。 特别是在全球经济一体化的背景下，并行工程、异地设计制造等概念的发展 和应用，基于网络、基于 WEB的协同设计制造系统大受青睐。现在已有一 些标准，如解决异构系统平台的 XML和XML-3D，以及解决三维图形、图 像在互联网上传输共享的 VRML标准相继出台，已经为我们在互联网的构 架下，建立协同设计和协同工作的环境打下了基础。第五章结论本文通过对CAD技术发展的介绍突飞猛进的发展，为机械制造业提供 了强大的技术支持。从CAD的概念及应用、CAD技术在机械设计中的优点、 CAD技术在机械设计中的不足和 CAD技术的发展趋势四个方面对这个问题 进行了论述，提出了一些思考。参考文献1 董超.Auto CAD三维制图在机械设计中的应用.试验技术与试验 机，2004, (3).:2 赵志.Auto CAD在机械设计中的应用.同煤科技，2007, (4).:3 张夕琴.CAD/CAE技术在机械设计中的应用.装备制造技术，2007,(12).:4刁燕，罗华，计算机辅助设计讲义，四川大学锦江学院，2008.8:5孙恒，陈作模，葛文杰，机械