ＣＡＤ技术与现代机械设计

ＣＡＤ技术与现代机械设计摘要：随着我国科学技术不断的发展，机械工程设计的传统方法已经逐渐被CAD技术取代，CAD技术的出现和发展使机械工程设计有了重大发展和突破。本文从CAD技术与现代机械设计的概念与特点出发，重点介绍了CAD技术在机械设计中的应用及其发展过程和趋势，最后对CAD技术目前的研究开发热点进行了简单的介绍，对于把握现代机械工程设计技术领域的新动向、开发和使用新方法新技术、改革传统设计模式，具有一定的意义。愿今后的机械工程设计中CAD技术应用得更深更广，甚至进一步推动我国经济迅速发展。关键词：CAD技术；机械设计制造；发展；应用目录一、CAD技术与现代机械设计的相关简介（一）CAD技术与现代机械设计的概念………11、CAD技术的概念…………12、现代机械设计的概念……………………1（二）现代机械工业的相关介绍………………21、机械工业的现状…………22、机械工业的发展要求……………………2二、CAD技术在现代机械设计中的应用（一）CAD技术在现代机械设计中的具体应用………………31、计算机辅助绘图…………32、计算机辅助建模…………43、工程分析以及结构优化…………………5（二）CAD技术在现代机械设计中的应用技巧………………6三、CAD技术在现代机械设计中的发展（一）CAD技术的发展过程……………………6（二）CAD技术应用的发展趋势………………71、CAD技术的标准化发展…………………72、CAD技术的集成化发展…………………73、CAD技术的智能化发展…………………74、CAD技术的虚拟化发展…………………85、CAD技术的网络化发展…………………8（三）CAD技术的研究开发热点………………81、计算机辅助概念设计……………………82、计算机支持的协同设计…………………103、信息存储、管理和检索…………………11四、结语…………11参考文献………………………12致谢……………13第8页ＣＡＤ技术与现代机械设计科学技术在社会化大生产进步和发展过程让人们越来越明确科学技术是第一生产力这个道理，其中的计算机技术是不可或缺的一部分。目前计算机已经十分普及，甚至成为社会各行各业的必备工具。在其中的工业生产中，计算机辅助设计、计算机自动控制、计算机信息管理等技术发挥了重要作用。一、CAD技术与现代机械设计的相关简介（一）CAD技术与现代机械设计的概念1、CAD技术的概念CAD英文全称Computer Aided Design，就是上面提到的计算机辅助设计，是在计算机技术的基础上发展起来的与机械设计相结合的技术。计算机辅助设计通俗的说就是把计算机当作辅助工具，运用计算机中的CAD软件完成产品的设计绘图等工作。在这个过程中，结合设计人员的经验总结和创造性思维以及计算机在计算、模拟、优化和绘图方面的优势能力，各尽其用。最后产品设计品质得到提升，产品的开发周期大大缩短，产品的生产成本也相应的降低，提升了产品的经济效益和社会效益，为机械行业的发展提供了良好的保障基础。2、现代机械设计的概念机械设计（machinedesign）按照使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力能传递、各部件的外观尺寸等进行了分析和计算，并将其转化为详细的描绘以作为制作依据的工作过程[1]。传统的设计技术是将基础建立在平时的经验总结上，依据物理力学和高等数学中的公式、图表或者行业设计手册，通过类比等方法进行设计，所设计的产品功能或者结构变化很小，这样的设计目前已经无法满足产品功能和市场需求。而目前计算机技术、网络技术得到了飞速的进步，设计方法也与时俱进。现代化的机械设计方法本质上就是引入科学的方法到机械设计中并加以运用，采用新的机械设计概念和方法对设计结果进行分析优化，使设计的过程更加效率、准确以及标准化。（二）现代机械工业的相关介绍1、机械工业的现状70年来，我国发展取得了让世界瞩目的成绩，整体状态发生了历史性的变化。我国机械工业也伴随着新中国的前进的步伐，在党的正确路线和政策尤其是在改革开放和中国特色社会主义理论的指导下，经历了40年的跨越式发展，靠着自力更生、不懈奋斗的精神，保持了平稳健康发展的目标，也经历了调整大力发展、产业结构高级化、向高质量发展的转变。旧中国的机械工业基础非常薄弱，在新中国成立一百多年前，只有沿江沿海地区才能生产少量的简单产品。中华人民共和国成立之初，前苏联协助我国将一个比较完整的机械工业体系建立了起来。在这个基础上中国机械工业不断进步和发展，经过70年的不懈努力，目前的产业体系已经非常完备且种类齐全，产品品种丰富、技术实力和配套水平不断提高。完成了从小零件到大设备，从修配到制造，从一般产品到高端产品，从制造单一独立设备到制造大型先进成套设备的覆盖。当前阶段我国机械工业已占全国工业体系的20％以上，对国民经济的贡献率居全国工业领域前列。建国70年来，机械工业大力优化了产业结构，逐步提高了生产集中度，目前的产业结构已经基本能够满足社会和广大人民的需求。工业中的重点产业在我国经济社会建设中，发挥着强大的支撑作用，各个行政区域的国民经济发展良好，东西部产业平衡协调发展良好。2、机械工业的发展要求习近平总书记在庆祝改革开放40周年大会上坚决贯彻创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，推进经济建设、政治建设、文化建设、社会建设、生态文明建设布局、协调推进全面建成小康社会、全面深化改革、全面依法治国、全面从严治党战略布局，推动高质量发展，促进新型工业化、信息化、城镇化、农业现代化同步发展，加快建设现代化经济体系，努力实现更高质高效、公平、可持续的发展。坚持以调整经济结构，使要素实现最优配置为主线，积极转变发展方式、优化经济结构、转换增长势头，积极扩大内需，实施区域协调发展战略。要坚持创新是第一动力、人才是第一资源的理念，实施创新驱动发展战略，完善国家创新体系，加快关键核心技术自主创新，打造经济社会发展新引擎。我们必须把发展放在首位，不断增强我国综合国力。改革开放40年的实践启示我们：解放和发展社会生产力，增强社会主义国家的综合国力，是社会主义的本质要求和根本任务。只有牢牢把握经济建设这个中心，毫不动摇坚持发展是硬道理、发展应该是科学发展和高质量发展的战略思想，促进经济社会持续健康发展，才能全面增强我国经济实力、科技实力、国防实力、综合国力，才能为坚持和发展中国特色社会主义、实现中华民族伟大复兴奠定坚实物质基础。坚持信息化和工业化的高层次的深度结合、智能化转型，坚持开放升级、协调发展，注重结构调整、短板改造、品质提升、效益增加、稳定增长，加快推动产业转型升级，促进全行业高质量发展，实现机械行业转型升级的强劲发展。二、CAD技术在现代机械设计中的应用（一）CAD技术在现代机械设计中的具体应用CAD技术的应用作为现代机械工程设计中最主要也最重要的设计手段，主要体现在计算机辅助绘图、计算机辅助建模、工程分析以及结构优化等方面[2]。1、计算机辅助绘图传统的手工绘图是用尺子圆规等手工工具在纸上作画，由于制图人员的能力高低和使用工具的好坏导致图纸存在一定程度的误差，因此影响制作产品的质量，造成经济损失。而利用CAD软件中绘图辅助工具，可以实现精准绘制。例如对象捕捉命令，不用借助尺规等工具就可以很方便快捷地找出节点、切点、中点等特殊点。传统的手工绘图对于一些工程图样中重复的零部件也必须花费同样的时间进行绘制，而采用CAD的复制或图块功能可以只需要绘制一次，下一个直接粘贴或者调用图块就可以完成，大大提高了工作效率，减少了无意义的重复工作。机械制图有一系列严格的规定，经常需要反复修改，手工绘图的纸张经过多次修改必然会污染图纸，美观性大大降低。而利用CAD软件修改绘图的错误可以直接使用删除或者撤销的命令，不用再为出现绘图失误而头疼，完成绘图以后电脑打印出来的图纸清晰、美观。将CAD技术和机械制图原理互相融合，企业就可以建立一套标准的机械设计制图标准。在利用CAD技术之前，机械设计制造人员首先应将传统手工绘图知识和CAD技术中的各种命令相结合，才能具有初步的机械制图能力；其次是机械设计制造人员应具备分析复杂图形的能力和三维空间想象能力。这样才可以将机械制图中的手工绘图知识应用到CAD技术中，使其发挥应有的作用。将CAD技术与机械制图互相融合，提高机械设计与制造制图的一致性。机械制造中的机械制图模块是实现机械设计产品高效率的关键。机械设计人员在设计实践中应具备优秀的相关知识理论和专业技能，融会贯通制图原理和CAD技术，使企业机械产品的生产和制造图纸电子化。同时平衡好机械制图和CAD技术的应用，严格按照图纸设计的有关规范、标准和手工图纸的机械设计方法进行机械设计，保证设计产品的品质，结合CAD计算机应用技术，实现产品设计应用和机械制造企业未来发展的要求。实现企业机械设计制造制图的标准化就是优化好CAD技术与机械制图两种模式的融合，结合机械制图的绘图手段、绘图工作原理和其它方面的绘图技巧。由于机械制造企业的产品具有自身的独特性，如果相关模块在实际结合应用中没有得到较好的平衡和优化，就很难在机械产品设计中体现出其优势和作用。因此，设计人员应不断学习提高自身对机械制图和机械设计的相关知识以及熟练应用CAD技术的技能，才能保证机械制图设计的品质和产品的一致性。首先机械制造企业应根据产品开发的需要对设计人员进行相关绘图知识和CAD软件更新内容的培训，使机械产品设计人员根据自身特点进一步掌握CAD软件中与绘图相关功能的应用规则。其次机械制造企业为产品设计人员提供了一个良好的工作环境。在良好的工作环境下，使设计人员的复杂图形分析能力和三维空间想象能力得到延伸，从而实现了两个模块的合理优化，产品设计和制造更具有创新性。2、计算机辅助建模CAD技术提供了强大的三维绘图功能，利用三维CAD软件辅助建立一个有颜色、光影的立体画面，逼真的展现出设计人员脑海中的结果，使得一些二维平面图形无法准确简单表达的东西用计算机显示器直观的展现。比传统的二维图纸更符合人的思维和视觉习惯，比如购买产品的客户可能不具备设计人员所具有的机械知识，但是通过显示器上的立体画面就可以很清楚的获悉产品的外观和构造，有利于设计上的沟通和修改。三维建模在机械工程设计人员进行产品升级和设计时也能提供有力的帮助，尤其是在产品组装的时候，三维建模相比传统设计的优势就显现出来了。在三维建模技术缺失的时候，设计人员只能靠自己的空间想象能力，在脑海中构建自己的设计模型，这样的设计难免会出现差错和失误，而有可能直到产品的组装阶段，人们才会发现原始设计存在的疏漏和隐患，严重影响产品的设计质量和设计效率，这些问题可以在运用CAD技术中的三维建模功能后得到解决。设计人员只需要把已建立的产品模型组装在一起，就可以找出其不合理的功能或者结构，将其及时修正，即提高了设计效率，也保证了设计品质。在CAD技术的三维建模中，有多种工具可以实现产品零件的实体造型，通过对零件结构的分析，将零件拆分成若干个结构，利用三维技术实现这些结构的实体造型，并利用布尔运算对它进行分析，从而绘制出产品零件的三维实体模型。对于较复杂的零件，可以使用三维CAD软件中的草图绘制工具。设计人员可以先绘制出产品零件的截面图，在CAD中通过抽壳、拉伸、变形等工具绘制出更为复杂的几何图形，然后根据产品的相关数据，任意修改几何形体的参数和形状，从而实现和零件相一致的实体模型。例如，在法兰产品的设计中，设计人员可以把原始的二维CAD图形导入到CAD软件中的三维草图中，然后利用变形、拉伸等工具方便快捷地生成三维实体，提高了绘图效率。3、工程分析以及结构优化产品的力学性能分析和结构优化是优化设计中不可或缺的内容。随着有限元分析、动力学分析等现代设计方法的发展，CAD技术在工程分析和结构优化中得到了拓展。目前，许多CAD软件都提供了与Ansys等有限元分析软件的接口。用户可以直接将三维CAD技术建立的产品模型导入到有限元分析软件中，对给定载荷下的产品模型进行工程分析[3]。然后根据工程分析的结果，对产品的结构进行优化。这种分析和优化方法在复杂结构产品的优化设计过程中具有非常大的优势。机械制造企业生产的产品主要是按系列分类，而且每个系列的新开发的产品和替代产品之间没有实质性的变化，可能仅仅只是添加了一个功能部件或者只是变更了产品的结构尺寸。利用CAD技术可以非常方便地修改一些参数使产品得到优化升级。CAD技术在建模过程中一般都采用参数化的方式，带参数的产品设计使得整个建模步骤和产品尺寸直接关系到产品上，当产品设计中的尺寸或结构发生局部变化时，一般会对产品设计建模中的相关参数进行修改，从而改变和更新整个产品。这样产品的形状和结构就不需要进行改变和重新设计，从而大大减少了设计人员的工作量，产品设计的效率得到了提高。（二）CAD技术在现代机械设计中的应用技巧在机械设计和制造过程中，现有的机械产品实体建模方法有多种模型，包括常见的球面模型和立方体模型。在机械零件的设计和生成过程中，一个模型结构的设计过于单一，需要将多个模型结构结合起来综合分析和设计，才能有效地实现实体生成，获得满意的设计效果。伴随着计算机科学技术不断发展和进步，在机械设计和制造过程中传统的手工绘图已经被现代的CAD软件辅助绘图方式所替代。在机械零部件的制造过程中，传统的单一设计模式也转变为现代的统一模具设计，实现了各种机械产品生产的标准化和统一化，提高了产品设计效率，有效地降低了设计成本。因此，要重视数据技术在CAD技术中的应用，实现产品设计与制造的标准化、统一化。三、CAD技术在现代机械设计中的发展（一）CAD技术的发展过程CAD技术最早诞生于上世纪的50、60年代，CAD技术这么多年的发展从开始的简单的二维绘图向三维实体绘图转变。回顾CAD技术的发展过程，基本上可以分为四次CAD技术革命[4]。第一次技术革命产生于20世纪70年代中期，当时飞机和汽车工业发展迅速，飞机和汽车的零部件有很多都设计成自由曲面，这时第一代CAD系统显得捉襟见肘，只能完成简单的线框造型的CAD无法满足设计要求。因此，CAD系统的开发人员必须让新的CAD系统具备处理曲线曲面的能力，这是CAD系统的第一次技术革命——三维曲线曲面造型的实现。第二次技术革命产生于20世纪80年代，当时CAD系统只能显示模型的表面特征，其内部结构和特征等却无法表达，无法满足机械产品仿真分析的需求。1979年，SDRC公司为此发布了I-DEAS软件，这是CAD系统的第二次技术革命——内部特征的实现。第三次技术革命产生于20世纪80年代中期，美国参数技术公司完成了ProE软件的开发，使参数化实体造型设计方法成为现实，这是CAD系统的第三次技术革命——参数化和数据集成技术。第四次技术革命产生于20世纪90年代，SDRC公司在总结了参数化设计技术的经验和不足的基础上提出了变量化技术，并将其应用与I-DEASMasterseries软件中，这是CAD系统的第四次技术革命——独特的数据计算概念。（二）CAD技术应用的发展趋势CAD技术经过不断的改进和创新，功能也渐渐得到完善。在未来的发展过程中，为了顺应时代的发展的潮流，CAD技术的发展向标准化、智能化、集成化以及虚拟化转变。1、CAD技术的标准化发展平时常见的CAD软件有AutoCAD、SOLIDWORKS、CAXA等。它们各个软件利用自身独特的优势吸引各级用户群体，但软件之间不能很好的兼容，对机械工程设计领域的内部交流造成了阻碍，也影响了开发和共享CAD技术资源，针对这种情况，要想有所突破就要实现CAD软件的数据模型和资源格式标准化的交换，使用不同软件的用户可以互相交流机械工程设计相关的技巧或问题，促进行业技术水平的提升[5]。2、CAD技术的集成化发展目前在机械工程设计中，各种各样的高新技术得到应用，在社会各界不断发展的背景下，CAD集成的概念和内容也在发展。70年代中后期出现了初期集成系统，但在数据交换和共享方面存在问题。80年代中期出现了改进型集成系统，采用了统一的数据结构，相比初期的系统有了很大的改进。目前正在研究中的是数据驱动型集成系统，采用产品数据表达与交换标准的产品模型，该信息结构具有一致性。系统分为三层：底层为数据管理层，中间层为基本功能层，最上面一层为应用系统层。这个系统可以完成从设计、分析到加个的过程。从目前CAD技术发展来看，CAD技术的集成化发展可以有效提升工作效率。3、CAD技术的智能化发展CAD技术的智能化是未来必经之路，实现CAD技术的智能化，使计算机拥有设计人员解决问题的相似能力，这种智能CAD系统可以使操作人员不用具备专业的相关知识，可以减少失误概率。当前阶段，将人工智能技术应用到CAD软件中，把设计知识总结转化到系统工程中，然后通过自动优化设计，及时修改其存在的疏漏和差错，是当前相关领域科研的研究热点。4、CAD技术的虚拟化发展所谓虚拟技术，就是设计人员在虚拟环境中创造产品，并用模拟操作的形式对产品的质量、结构等方面进行测试。虚拟技术最大的特点之一就是不再需要对原始产品进行测试和评价，而是对模拟模型进行测试和优化。虚拟技术的应用解决了机械工程设计中存在的许多问题，减少了不必要的浪费，降低了工程建设成本。目前，CAD技术已经采用了新技术，虚拟技术就是其中之一。随着虚拟技术的发展，该技术在不远的未来会得到更加广泛的应用。5、CAD技术的网络化发展随着本地制造成本日益增加，异地制造的需求也不断增多。网络技术的出现打破了空间的制约，为实现异地制造提供了可能。在这种背景下，CAD技术的网络化趋势是必然的。CAD技术的网络化主要有两个优点:一是CAD技术的网络化使企业设计人员快捷方便的沟通，节约产品开发设计的时间，满足机械工程设计企业的需求;二是CAD技术的网络化能够通过网络进行企业之间的交流合作，实现企业网络化制造，节约了企业的运营成本，同时还提高了产品研发的速度，对保证产品质量方面也起到了重要作用。（三）CAD技术的研究开发热点1、计算机辅助概念设计目前的计算机辅助设计(简称CACD)软件在设计、制造方面已经有了比较成熟的应用，但是这些软件都是在设计方案基本确定的情况下才开始进行的。这就需要设计人员具备丰富的设计经验，了解产品的制造和工艺过程，才能成功进行初步的概念设计。然而由于市场需求的反馈的滞后，整个设计过程需要不断的修改迭代。为了保证开发出具有竞争力的创新产品，短时间内要求进行初步的设计评价需要计算机辅助概念设计的支持。CACD技术及系统的研究是根据产品设计的理论、方法建立一个智能开放的设计平台，用于提升沟通质量，提高产品概念设计的质量，加快开发速度，减少开发费用。目前CACD技术要解决的主要问题之一就是研究概念设计方法学。当前已经有的很多CAD系统重点放在设计表达上，存在着一定的限制，仅仅成为一个在设计方案基本确定后的绘图工具，而不是辅助设计工具。一个好的CAD系统不是某一个单一的技术可以完成的，需要集成先进的软件和硬件，软件方面需要将理论研究成果和完善的用户界面互相结合，需要进一步开发。开始开始功能设计功能设计功能评价功能评价修改结果评价结果修改结果评价结果 输出结果输出结果停止停止图1普通的CACD过程开始开始问题功能设计问题功能设计物理定律功能评价物理定律功能评价输出最后设计法则评价结果输出最后设计法则评价结果 以前设计修改设计修改设计以前设计修改设计修改设计停止停止图2智能CACD的模型2、计算机支持的协同设计CAD技术需要一个开放的、分布的、集成化的工作环境，由封闭转为开放的方向发展，为了取得协同的环境，就需要是CAD网络化。在同一单位中，各部门需要使用网络连接不同的计算机，使各人员能够互相交流信息。设计工作是一种典型的团队工作。团队成员既有分工，又有协作。因此一个团队的工作由两个部分组成：一部分是个体工作，需要团队成员各自完成分工的任务；另一部分是协同工作。团队成员可能来自不同的领域，学历或经历的不同不可避免的会出现各种矛盾冲突，需要进行沟通协调。以前的CAD系统只能提供各自分工任务的完成，而成员之间出现矛盾问题，计算机没有办法去解决，这些问题需要一起通过面对面交流或某种通讯工具来讨论和解决。但这些方法并不具有时效性，无法实时沟通讨论。因此一个复杂的设计任务必然会有分歧，这也是设计工作会出现不断重复和修改的主要原因。 顾客需求顾客需求快速设计产品流程设计工程分析快速设计产品流程设计工程分析集成共享集成共享工作空间生产规划概念建模生产规划概念建模管理控制集成制造产品规划管理控制集成制造产品规划CSCW和通信支持CSCW和通信支持图3典型的集成产品设计与开发系统计算机支持的协同设计是计算机支持的协同工作（ComputerSupportedCooperativeWork-CSCW）技术在设计领域的应用。设计团队成员可以借助计算机网络技术，建立协同工作的环境，改善信息交流的方式，消除时间和空间的隔阂，发现成员之间的矛盾和冲突，及时地加以协调和解决，减少甚至避免设计重复，从而进一步提高设计工作的效率和质量[6]。CSCW技术在美国应用更为广泛,波音-777飞机在研制过程中就实现了无纸化生产。不管是设计还是制造过程都经过计算机信息系统的统一管理，各个部门和工种之间的可以协同工作,执行共同的任务，从而大大提高了工作效率和产品质量。协同设计系统目前的状态是局域网已经达到实用阶段，异步工作模式下的远程协同设计很少出现问题，但在远程实时工作模式的时候，尤其是工作在公网的时候远程协同设计问题还处于实验阶段，整个协同设计系