CAD在机械设计中的应用

CAD在机械设计中的应用摘要：ICAD技术主要研究3方面问题：设计知识的表示与建模方法、知识利用和ICAD体系结构。方案设计（或称概念设计）与支持变型设计的装配建模、三维CAD/ICAD关键技术，是ICAD技术中的三个重要环节。关键词：CAD/ICAD变形设计三维CAD机械设计引言随着工业技术的发展和激烈的市场竞争，产品更新换代越来越快，产品的设计周期越来越短，现代CAD技术也在沿着信息集成——过程集成——企业集成的道路发展。传统的CAD技术以计算为基础，处理符号推理（方案设计、评价、决策、结构设计等）工作很困难，在机械设计工作中符号推理有着举足轻重的地位，因此必须引入人工智能方法，采用专家系统技术，发展智能CAD（IntelligentCAD，ICAD）技术，以适应创造性设计的要求。ICAD是一种由多个智能体（或称专家系统）与多种CAD功能模块有机集成的支持产品设计的复杂系统。基于以上认识，结合近年我校机械设计课程体系、课程内容以及立体化教学模式的改革和重点课程建设，在近两届学生机械设计课程设计和毕业设计实践中，笔者主要从机械设计课程设计的设计方法和手段的改进等方面进行了大胆的改革与实践，逐步实施了从手工绘图到二维AutoCAD的应用最终到变形CAD/ICAD（三维CAD）的过渡，在学生中起到了积极的作用，在提高学生的设计能力和综合素质方面收到了较好的效果。在机械设计中引入ICAD技术，可以解决机械企业中重复性设计多、信息资源利用率低的难题，缩短产品开发周期，具有巨大的经济效益和应用前景。下面分析目前支持概念设计与变型设计的CAD理论、方法和存在问题及三维CAD/ICAD关键技术。1产品概念设计及关键技术概念设计是从产品开发需求到功能原理解的映射过程。为完成从需求到概念产品解的设计过程，产品概念设计要通过需求分析(RA)——需求形式化（RF）——辨别、抽象问题（IP）——过程分解（PD）——功能分解（FD）——子功能分解（SFD）——功能元分解（FED）——原理解答搜索（SS）——原理解答组合（SC）——方案评价（PE）等一系列推理步骤，得到概念产品方案（CP）。计算机对概念设计阶段进行支持，主要包括以下几项关键技术：1.1产品信息建模和功能推理技术现有的CAD信息建模技术中，几何信息占有统治地位。随着信息建模技术的发展，这种现象在逐渐发生变化。在支持概念设计的建模技术中，功能信息应代替几何信息占主导地位。因为几何信息的构筑对象是零件，信息只能隶属于零件，而功能往往表示两个以上零件相互作用的结果。为了与后续设计过程相兼容，几何信息在概念设计阶段的产品信息建模中也必不可少。在概念设计阶段的集成产品信息模型综合了功能、几何和设计意图建模技术。其结构体系如图1。[图片]为方便设计修改和变形设计，在概念设计阶段产品信息建模中还要考虑到设计意图建模。设计意图记录了设计人员的思维过程，包括功能到功能的分解、功能到结构的转化和结构约束求解过程，描述了满足设计需求的几何形状和技术参数是如何产生和确定的。1.2设计全过程的集成设计是一个渐进和反复的过程，对于支持设计全过程的CAD系统应具有以下特征：①要支持Top-down设计方式，就必须以概念设计得到的草图为基础进行后续设计。在后续设计中，前一步设计方案将成为约束来控制后续设计的进行。②设计意图在一定程度上反映了设计对象的整个历史过程，因此设计意图信息在设计过程中的继承使设计人员随时针对某个零件或结构调整其设计意图，从而方便修改和再设计。③要支持Top-down设计方式，面向装配的建模技术是必需的，为支持从概念设计到详细设计的全过程，不同设计过程的几何建模技术应互相兼容。2支持变形设计的CAD理论和方法变形设计是关于设计方法和过程的一种分类定义，是指提取已存在的设计和设计计划、作特定的修改以产生一个和原设计相似的新产品。Pahl和Beitz最早将设计分为初次设计(originaldesugn)、适应设计(adaptivedesign)和变型设计(variantdesign)，并指出在实际的设计工作中大约70%属于适应性设计和变型设计。变型设计如此重要，要求CAD系统能够支持这种设计方法，但目前CAD系统对这种设计方法的支持程度还十分有限，因而有关变型设计的理论和方法成为CAD技术研究的一个重点。目前支持变型设计的理论和方法主要有：2.1基于装配模型的变型设计理论目前的CAD系统建立产品几何模型是从零件建模开始的，这种方法难以表达产品的功能信息、装配信息和设计意图。装配建模旨在建立完整的描述产品装配信息的数据模型，不仅表达零件几何信息，还可以通过零件之间的装配关系反映产品的功能要求和设计者的设计意图。常用的描述零件之间装配关系的数据模型有两种：关系模型和层次模型。装配模型比较符合人们的自然设计过程，是一种良好的变型设计方法。近年来国内外对装配模型及建模方法进行了深入的研究，但目前还未形成完整的理论体系和实用的建模手段。2.2模块化变型设计模块化设计是以功能分析为基础，通过功能相同而用途不同的各模块组合实现各种基型产品和变型产品。模块化设计可以使产品设计制造周期大大缩短，使产品具有更大的灵活性和适应性，使产品具有很强的市场竞争力。模块化设计是建立在模块的定义和组织管理基础上的，对特定的产品模块的划分、模块与模块之间的装配关系是预先确定的，不能随意改变，因而限定了其使用范围。2.3基于特征的变型设计理论特征设计是面向产品设计和制造的全过程，以几何模型为基础并包括零件设计、生产过程所需的各种信息的一种产品模型方案。它允许设计者通过组合常见形体（如槽、筋、凸台、键槽等）来完成产品的设计，而不是抽象的点、线、面。系统提供用不同属性值实例化特征的能力，一般常用的形状特征由系统特征库提供，许多系统还可由用户自定义特征扩展特征库。特征技术的发展给产品变型设计提供了一种手段，用户通过对一系列特征的实例化和特征自动维护达到产品变型设计的目的。特征技术存在的问题：①用户设计使必须采用系统预定义的特征设计产品，使概念设计、技术设计完全受加工方法的限制；②特征设计用于变型设计时，一般和参数化相结合，但特征间的交互作用对特征的影响和设计过程特征有效性的维护，是这种方法的致命缺陷。2.4基于参数设计和变量设计的变型设计参数设计一般是指设计对象的结构形状比较定型，可用一组参数来约定尺寸关系。生产中常用的系列化、标准化设计就是属于这种类型。变量设计是设计对象的修改需要更大的自由度，通过求解一组约束方程来确定产品的尺寸和形状。参数设计和变量设计适用于产品的初始设计和定型设计，使产品设计图纸可随某些结构尺寸的修改和环境变化而自动修改。在变量设计中需着重考虑的是约束满足（ConstraintSatisfactionProblem，CPS），设计一个高效的约束求解器是变量设计的难点。2.5基于实例推理技术的变型设计理论国内外基于实例推理技术（Case-basedreasoning，CBR）研究分为两类：一类是设计支持系统，该系统是一个浏览器，提供给用户众多实例，按新的设计要求自动选取一些实例供用户选择，实例修改由用户和系统交互完成。另一类是自动设计系统，希望找到自动修改实例的方法。以上变型设计理论和方法均不同程度地解决了变型设计中一些重要问题，达到了一定的要求。有待进一步解决的问题：研究能够表达设计意图、支持产品设计全过程的产品数据管理技术；提供对已有产品资源的有效组织和管理手段和多层次的变形方法，充分利用企业现有资源；研究有效的支持变型设计的人机协作环境。3机械设计实践的现状和存在的问题目前，CAD技术主要以二维绘图软件AutoCAD为代表，在机械设计实践中只是教会学生操作和绘制简单的零件图，而用AutoCAD绘制装配图以及进行有关的工程分析是非常不便且很难实现的。为此，为了能够方便地绘制装配图，在机械设计实践教学和毕业设计中逐步地采用了ICAD、开设CAD等二维绘图软件作为绘图工具，辅助完成零部件设计。图2所示为用AutoCAD绘制的齿轮轴的二维装配图。随着技术的发展，CAD技术正从二维CAD向三维ICAD过渡，有相当一部分CAD应用较早的企业已完成了从二维CAD向三维ICAD转换，并取得了巨大的经济效益和社会效益。企业需要掌握三维CAD/ICAD技术的专业人才，掌握三维CAD/ICAD技术已成为工科院校毕业生最基本的要求。因此，在机械设计实践教学中采用三维CAD/ICAD技术，已成为我们现在机械设计实践教学改革的重要内容和亟待解决的问题。[图片]4三维CAD/ICAD关键技术三维ICAD造型技术也称建模技术，它是CAD技术的核心。三维ICAD以三维造型设计为基础，只要形成了三维模型，各种二维视图唾手可得。三维CAD/ICAD技术在产品的三维造型、虚拟状配、工程图生成、动态干涉检验、机构运动分析和动态仿真、有限元分析等方面带来了革命性得突破，提高了设计效率和设计质量。三维设计的真正意义不仅仅在于设计模型本身，而是设计出模型的后处理工作。它的基本思路如图所3所示。三维CAD/ICAD技术主要包括以下内容：三维造型/三维设计、计算机辅助工程分析、机构运动分析/仿真、装配干涉检验、三维转二维、图样档案管理等。利用这种全过程的三维CAD/ICAD系统完成设计以后，不仅使设计对象的几何形状和性能满足要求，而且使各方面的指标（强度、刚度、重量和成本等）都达到最佳状态，这是计算机辅助设计和辅助工程分析的根本目的。结论CAD系统必须支持产品的设计全过程，解决概念设计模型和结构设计模型兼容性和互补性，为大量存在的变型设计提供支持。在机械设计中引入ICAD技术，不仅要支持三维设计信息