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ＣＡＤ技术应用于现代机械设计研究论文
ＣＡＤ技术应用于现代机械设计研究论文 摘要：在机械设计中引入CAD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。关键词：机械设计；
CAD技术 1CAD技术的发展 CAD(ComputerAidedDesign)是计算机辅助设计的英文缩写，是利用计算机 强大的图形处理能力和数值计算能力，辅助工程技术人员进行工程或产品的设计 与分析，达到理想的目的，并取得创新成果的一种技术。自1950年计算机辅助设 计（CAD）技术诞生以来，已广泛地应用于机械、电子、建筑、化工、航空航天 以及能源交通等领域，产品的设计效率飞速地提高。现已将计算机辅助制造技术 （Com-puterAidedManufacturing，CAM）和产品数据管理技术 （ProductDataManagement，PDM）及计算机集成制造系统 （ComputerItegratedmanufacturingsystem，CIMS）集于一体。
产品设计是决定产品命运的研究，也是最重要的环节，产品的设计工作决 定着产品75%的成本。目前，CAD系统已由最初的仅具数值计算和图形处理功能 的CAD系统发展成为结合人工智能技术的智能CAD系统（ICAD）(IntelligentCAD)。
21世纪，ICAD技术将具备新的特征和发展方向，以提高新时代制造业对市场变 化和小批量、多品种要求的迅速响应能力。
以智能CAD（ICAD）为代表的现代设计技术、智能活动是由设计专家系 统完成。这种系统能够模拟某一领域内专家设计的过程，采用单一知识领域的符 号推理技术，解决单一领域内的特定问题。该系统把人工智能技术和优化、有限 元、计算机绘图等技术结合起来，尽可能多地使计算机参与方案决策、性能分析 等常规设计过程，借助计算机的支持，设计效率有了大大地提高。
2三维CAD技术在机械设计中的优点 通过实际应用三维CAD系统软件,笔者体会到三维CAD系统软件比二维 CAD在机械设计过程中具有更大的优势,具体表现在以下几点: 2.1零件设计更加方便使用三维CAD系统,可以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,避免了单独设计零件导致装配的失败。资 源查找器中的零件回放还可以把零件造型的过程通过动画演示出来,使人一目了 然。
2.2装配零件更加直观 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,若装配不正确即予以显示,另外,零件还可以隐藏,在隐藏了外部零件的时候,可 清楚地看到内部的装配结构。整个机器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,及时对设计进行更改,避免了 产品生产后才发现需要修改甚至报废。
2.3缩短了机械设计周期 采用三维CAD技术,机械设计时间缩短了近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。
2.4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CADCIMS组织生产,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、 产品的虚拟设计、运动方针和优化设计等,保证了产品的设计质量。同时,大型企 业数控加工手段完善,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。
3CAD技术在机械设计中的应用 3.1零件与装配图的实体生成 3.1.1零件的实体建模。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、圆锥体、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。
对于有些复杂的零件,往往难以分解成若干个基本体,使组合或分解后产生 的基本体过多,导致成型困难。所以,仅有基本体系还不能完全满足机器零件三维 实体造型的要求。为此,可在二维几何元素构造中先定义零件的截面轮廓,然后在 三维实体造型中通过拉伸或旋转得到新的“基本体”,进而通过交、并、差等得到 所需要零件的三维实体造型。
3.1.2实体装配图的生成。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。
3.2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(RPM)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。
3.3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。
4CAD前沿技术与发展趋势 4.1图形交互技术 CAD软件是产品创新的工具,务求易学好用,得心应手。一个友好的、智能 化的工作环境可以开拓设计师的思路，解放大脑，让他把精力集中到创造性的工作中。因此,智能化图标菜单、“拖放式”造型、动态导航器等一系列人性化的功 能，为设计师提供了方便。此外，笔输入法草图识别、语言识别和特征手势建模 等新技术 也正在研究之中。
4.2智能CAD技术 CAD/CAM系统应用逐步深入,逐渐提出智能化需求.设计是一个含有高度 智能的人类创造性活动。智能CAD/CAM是发展的必然方向。智能设计在运用知 识化、信息化的基础上，建立基于知识的设计仓库,及时准确地向设计师提供产 品开发所需的知识和帮助,智能地支持设计人员，同时捕获和理解设计人员意图、 自动检测失误，回答问题、提出建议方案等。并具有推理功能,使设计新手也能 做出好的设计来,现代设计的核心是创新设计,人们正试图把创新技法和人工智能 技术相结合应用到CAD技术中,用智能设计、智能制造系统去创造性指导解决新 产品、新工程和新系统的设计制造,这样才能使我们的产品、工程和系统有创造 性。
4.3虚拟现实技术 虚拟现实技术在CAD中已开始应用,设计人员在虚拟世界中创造新产品,可 以从人机工程学角度检查设计效果,可直接操作模拟对象,检验操作是否舒适、方 便,及早发现产品结构空间布局中的干涉和运动机构的碰撞等问题,及早看到新产 品的外形,从多方面评价所设计的产品.虚拟产品建模就是指建立产品虚拟原理或 虚拟样机的过程.虚拟制造用虚拟原型取代物理原型进行加工、测试、仿真和分 析,以评价其性能,可制造性、可装配性、可维护性和成本、外观等,基于虚拟样机 的试验仿真分析,可以在真实产品制造之前发现并解决问题,从而降低产品成本. 虚拟制造、虚拟工厂、动态企业联盟将成为CAD技术在电子商务时代继续发展的 一个重要方向.另外,随着协同技术、网络技术、概念设计面向产品的整个生命周 期设计理论和技术的成熟和发展,利用基于网络的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集 成技术,实现真正的全数字化设计和制造,已成为机械设计制造业的发展趋势。
