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CAD技術(shù)在機械設(shè)計和加工中的作用和運用
1.引言
隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，CAD技術(shù)的應(yīng)用范圍還在不斷擴大，已被應(yīng)用在輔助設(shè)計與繪圖、產(chǎn)品設(shè)計檢驗、工程分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化、模具設(shè)計與制作以及逆向轉(zhuǎn)換設(shè)計等多個方面[1].CAD技術(shù)在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時，也大幅提高了企業(yè)的設(shè)計和生產(chǎn)效率，成為機械制造企業(yè)提升市場競爭力的重要手段。因此，進行CAD技術(shù)在機械設(shè)計與加工中的應(yīng)用研究，對提升我國機械制造水平，促進機械制造企業(yè)快速發(fā)展具有十分重要的意義。
2.CAD技術(shù)的概念
CAD（Computer Aided Design）技術(shù)，即計算機輔助設(shè)計技術(shù)，是指利用計算機軟件和硬件系統(tǒng)對產(chǎn)品進行設(shè)計、繪圖、輔助工程分析及技術(shù)文檔編制等應(yīng)用技術(shù)的總稱。CAD技術(shù)是一種集計算機科學(xué)技術(shù)和工程設(shè)計方法為一體的計算機應(yīng)用技術(shù)，其誕生于20世紀(jì)50年代，并隨著計算機技術(shù)及電子技術(shù)的發(fā)展不斷發(fā)展革新。CAD技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于交通、航天、機械、化工、電子以及建筑等多個領(lǐng)域，用來解決產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)成本及周期等方面的相關(guān)問題，大幅提升了這些行業(yè)的生產(chǎn)效率。CAD技術(shù)在機械設(shè)計和加工中的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)設(shè)計和加工方式的誤差大、效率低等問題，使其產(chǎn)品在生產(chǎn)速度和生產(chǎn)質(zhì)量上都實現(xiàn)了更新?lián)Q代。因此，CAD技術(shù)已成為現(xiàn)代機械設(shè)計和加工中一個重要組成部分。
3.CAD技術(shù)在機械設(shè)計和加工中的作用
CAD技術(shù)在機械設(shè)計和加工中的作用主要有以下幾個方面：
�。�1）實現(xiàn)設(shè)計數(shù)字化。采用CAD技術(shù)，可以通過計算機的二維圖形繪制、三維實體建模，人機交互和機械模擬仿真等功能，實現(xiàn)機械設(shè)計過程的數(shù)字化。通過對產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計，可以檢驗零件設(shè)計形狀和位置，充分保證零件間的精確結(jié)合，大大降低設(shè)計誤差。利用建模組合及模擬仿真，還可以提前檢驗機械部件的裝配問題。利用數(shù)字化的部件可以透視到零部件的內(nèi)部，觀察部件的裝配關(guān)系， 檢驗各部件是否已達到設(shè)計要求，迅速找出裝配中可能發(fā)生的問題，大幅降低產(chǎn)品的設(shè)計報廢率。
�。�2）縮短設(shè)計周期。在機械產(chǎn)品的傳統(tǒng)設(shè)計過程中，如果對某部件尺寸進行修改，需要重新將所有部件匹配為新的尺寸，從而導(dǎo)致整個機械產(chǎn)品的改型。而借助CAD技術(shù)可以大幅縮短這個過程，例如，將某零件的尺寸從150mm改為300mm,僅需要在機械設(shè)計軟件上改變尺寸，其他相關(guān)零件也會相應(yīng)自動調(diào)整尺寸。因此，CAD技術(shù)可以將機械設(shè)計效率提高3~5倍，大幅縮短了機械設(shè)計周期。
�。�3）提高產(chǎn)品質(zhì)量和品質(zhì)。借助CAD技術(shù)，可以采用圖形優(yōu)化、有限元受力分析等技術(shù)手段對機械設(shè)計進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并將機械制造技術(shù)與信息技術(shù)相融合，在生產(chǎn)過程中引入了與CAD設(shè)計方法相結(jié)合的CIMS組織生產(chǎn)方式，進一步提高了產(chǎn)品的整體設(shè)計質(zhì)量和品質(zhì)。
�。�4）激發(fā)創(chuàng)新設(shè)計。在傳統(tǒng)的機械設(shè)計過程中，機械產(chǎn)品的修改困難且成本過高，導(dǎo)致機械產(chǎn)品多是常規(guī)設(shè)計，而創(chuàng)新類產(chǎn)品較少，嚴重限制了機械產(chǎn)品設(shè)計上的實質(zhì)性創(chuàng)新。而借助CAD技術(shù)，可以在常規(guī)設(shè)計數(shù)字模型上大膽嘗試新理論和新技術(shù)，設(shè)計出逼真的創(chuàng)新產(chǎn)品，充分激發(fā)設(shè)計人員的創(chuàng)新靈感，帶來全新的創(chuàng)新設(shè)計。
4.CAD技術(shù)在機械設(shè)計和加工中的應(yīng)用
�。�1）機械設(shè)計和輔助繪圖。用于機械設(shè)計的三維CAD系統(tǒng)具有十分強大的設(shè)計功能，可以通過其重構(gòu)功能快速得到一種全新的設(shè)計，也可以在特定的裝配環(huán)境中設(shè)計新零件，即利用相鄰零件的形狀及位置王靜錦西工業(yè)學(xué)校 遼寧葫蘆島 125001設(shè)計新零件，既方便、快捷，又避免了單獨設(shè)計零件可能導(dǎo)致的裝配失敗，大大提升了設(shè)計人員的工作效率，并加強了設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化。在傳統(tǒng)的機械設(shè)計過程中，手工繪圖的工作量非常大，而且準(zhǔn)確性和美觀性不高。利用CAD軟件自帶的豐富圖形庫與功能完備的繪圖命令，可以很容易地繪制出高質(zhì)量的機械工程圖，大大減輕了繪圖人員的勞動強度。計算機輔助繪圖大幅提高了機械制圖的質(zhì)量和效率。
（2）零件與裝配圖建模。三維CAD系統(tǒng)有線框模型、表面模型和實體模型三種建模形式，可用于機械產(chǎn)品零件和裝配圖的實體建模。利用CAD軟件中的基本體系和布爾運算，可以完成簡單結(jié)構(gòu)零件的三維實體建模。而對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，可先用二維幾何元素構(gòu)造大致形狀，再對其進行拉伸或旋轉(zhuǎn)等操作實現(xiàn)造型，最后通過計算獲得三維實體模型。當(dāng)機械產(chǎn)品零件的實體建模完成后，設(shè)計人員就可以通過CAD軟件的三維編輯功能對零件模型進行“裝配”,整合出機械裝配圖。
（3）設(shè)計檢驗。利用CAD系統(tǒng)軟件的零件回放功能，可以通過動畫播放的形式，清晰直觀地演示機械產(chǎn)品的零部件裝配情況。在發(fā)現(xiàn)零部件結(jié)構(gòu)或功能上的不合理之處后，可以利用資源查找器對整個機械產(chǎn)品中的某一個零件進行修改，避免零件錯誤導(dǎo)致整個機械產(chǎn)品的裝配失敗。在進行新機械產(chǎn)品的設(shè)計時，這種零部件設(shè)計的自動化檢驗方法，可以大幅提高機械零部件之間的適配準(zhǔn)確性，防止新產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題，從而保證了設(shè)計的可行性，并且提高了設(shè)計效率。
�。�4）工程分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。對機械產(chǎn)品的力學(xué)性能分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，是機械設(shè)計和加工過程中必不可少的環(huán)節(jié)。隨著有限元分析和動力學(xué)分析等現(xiàn)代分析方法的發(fā)展，CAD技術(shù)在工程分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能上得到了充分拓展。很多CAD軟件已具備了與ANSYS等有限元分析軟件的接口，設(shè)計人員可直接將產(chǎn)品的三維實體模型導(dǎo)入至有限元分析軟件中，對產(chǎn)品模型進行工程分析，并根據(jù)結(jié)果進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。另外，還可以利用機械CAE軟件，對設(shè)計的動態(tài)特性、碰撞問題、運動特性、結(jié)構(gòu)合理性以及材料強度等方面進行工程分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
�。�5）模具設(shè)計與制造。隨著制造業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的革新，機械制造加工已從傳統(tǒng)機床發(fā)展為加工中心和數(shù)控機床，模具CAD/CAM技術(shù)及模具激光快速成型技術(shù)的使用越來越廣泛。利用CAD技術(shù)設(shè)計實體模具時，要盡量避免內(nèi)腔、凹、凸模及加強助等潛在干擾因素，先繪制出數(shù)控刀具的路徑，再檢查加工過程的可行性。要特別注意的是，在設(shè)計沖壓零件表面時，必須使用專用的曲面設(shè)計軟件，只有這樣才能保證沖壓零件表面和模具表面的一致。
�。�6）逆向轉(zhuǎn)換設(shè)計。借助CAD技術(shù)，可以通過多種方法實現(xiàn)產(chǎn)品的逆向轉(zhuǎn)換設(shè)計�？赏ㄟ^CAD制圖軟件的坐標(biāo)測量方法，將實物轉(zhuǎn)化成虛擬模型；也可以利用數(shù)據(jù)繪制網(wǎng)格對點進行模擬，進而得到連續(xù)曲面，再通過對曲面的修復(fù)得到實物模型，或利用SCAN-TOOLS技術(shù)對生成的曲面進行裁剪、延伸等操作，將曲面轉(zhuǎn)換為實體；還可以利用相關(guān)軟件進行參數(shù)化設(shè)計來完成模型重建。
5.結(jié)束語
CAD技術(shù)已經(jīng)給機械設(shè)計和加工行業(yè)帶來了一次技術(shù)革命，推動機械制造業(yè)進入了一個新的發(fā)展階段。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，CAD技術(shù)還將不斷革新和更加完善，向著系統(tǒng)集成化和智能化方向發(fā)展，為機械產(chǎn)品的規(guī)�；a(chǎn)提供更強有力支持，推動機械制造領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)展創(chuàng)新。目前，我國機械設(shè)計和加工領(lǐng)域的CAD技術(shù)應(yīng)用水平已經(jīng)取得了很大進步，但和國際先進水平相比仍有很大差距，這就需要我們加大CAD技術(shù)的應(yīng)用研究力度，進一步促進我國機械制造業(yè)的發(fā)展和壯大。
參考文獻
[1]徐小龍。淺析CAD在機械設(shè)計中的應(yīng)用[J].魅力中國，2011（14）。
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