CAD在机械行业的应用

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CAD在机械行业的应用

作者：宁波蓝天电脑培训学校，时间：2014 1226

机械工程中CAD的应用

摘要：在机械工程是较早应用计算机技术的领域之一，近20年计算机技术取得了飞速的发展，已经深入到机械工程的各个分支和学科。今天，计算机CAD技术已经逐渐步入成熟阶段，设计人员可以利用CAD技术设计图纸，进行元件内外空间三维效果的预览，以及三维演示动画及虚拟现实技术、防真技术等更为复杂的设计服务。AutoCAD 2002以其强大的辅助图形设计和三维实体造型功能必将改变传统的绘图方式，使的绘图工作变得更轻松而高效。关键词：CAD技术;机械设计。
一 CAD技术的发展
CAD(Computer Aided Design)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。AutoCAD是由美国Autodesk公司于二十世纪八十年代初为微机上应用CAD技术而开发的绘图程序软件包，经过不断的完美，现已经成为国际上广为流行的绘图工具。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-puter Aided Manufacturing，CAM）和产品数据管理技术（Product Data Management，PDM）及计算机集成制造系统（Computer Itegrated manufacturing system，CIMS）集于一体。AutoCAD的发展过程可分为初级阶段、发展阶段、高级发展阶段、完善阶段和进一步完善阶段五个阶段。
在初级阶段里AutoCAD更新了五个版本。
1982年11月，首次推出了AutoCAD 1.0版本；
1983年4月，推出了AutoCAD 1.2版本；
1983年8月，推出了AutoCAD 1.3版本；
1983年10月，推出了AutoCAD 1.4版本；
1984年10月，推出了AutoCAD 2.0版本。
在发展阶段里，AutoCAD更新了以下版本。
1985年5月，推出了AutoCAD 2.17版本和2.18版本；
1986年6月，推出了AutoCAD 2.5版本。
1987年9月后，陆续推出了AutoCAD 9.0版本和9.03版本。
在高级发展阶段里，AutoCAD经历了三个版本，使AutoCAD的高级协助设计功能逐步完善。它们是1988年8月推出的AutoCAD 10.0版本、1990年推出的11.0版本和1992年推出的12.0版本。
在完善阶段中，AutoCAD经历了三个版本，逐步由DOS平台转向Windows平台。
1996年6月，AutoCAD R13版本问世；
1998年1月，推出了划时代的AutoCAD R14版本；
1999年1月，AutoCAD公司推出了AutoCAD 2000版本。
在进一步完善阶段中，AutoCAD经历了两个版本，功能逐渐加强。
2001年9月Autodesk公司向用户发布了AutoCAD 2002版本。
2003年5月，Autodesk公司推出AutoCAD 2004。
2004年和2005年，Autodesk公司分别推出了AutoCAD 2005和AutoCAD 2006。
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）(Intelligent CAD)。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。
二、三维CAD技术在机械设计中的优点       　
当前市场上有关建筑绘图的书籍和教学光盘有很多，为我们学习软件提供了有利的环境。但是并不是说书籍上和教学光盘上介绍的方法就是最好的，在掌握AutoCAD 2002的基本绘图命令和编辑命令后，我们就可以结合建筑绘图的特点，总结出一些比较快捷的绘图方法。比如说在预留门窗洞时，有的书籍和光盘上介绍的方法是在绘制好轴线后，再使用多线绘制墙体，然后炸开墙体，并在需要插入门窗的位置对墙体进行修剪，从而留下门窗的位置。使用这样的方法，不仅比较繁琐，容易出错，而且日后不易修改。笔者建议使用如下的方法来预留门窗洞，在绘制好轴线时，先使用断开命令在轴线的适当位置进行打断，然后绘制墙体，这时绘制好的墙体就没有多余部分，不需要进行修剪，从而方便地插入门窗块，而且这种方法并没有炸开墙体，以后修改非常方便。再比如说在绘制轴号时，有的书籍和教学光盘上介绍的方法是先绘制好一个轴线圈，并在轴线圈内填入轴线号，然后拷贝这一个绘制好的轴线圈和轴线文字到其它轴线，最后修改轴线文字，从而完成轴线绘制。使用这样的方法同样让人感到非常繁琐，因此笔者建议使用如下的方法来绘制，首先定义四个带有属性的块，它们的插入点分别对应于轴线的上、下、左和右，块的属性中描述好轴线文字的大小和位置等信息，我们在绘图时就可以方便地调用这些块，完成轴线的绘制。我们还可以将这些带有属性的块保存在模板文件中，使绘图变的更加简单易行。
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CAD CIMS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。
三 CAD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。
四、CAD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。得以传递.在人和产品的互动过程中满足用户潜意识的渴望.实现产品的情感价值。
五、零件图实例演示
<1>要求
1、设置相关图层以及图层特性，图中的文字、尺寸、符号、视图轮廓线、剖面线、中心线等，要放在单独的图层内。
2、设置相关的尺寸样式、文字样式等，并对各视图精确标注尺寸、公差和技术要求。
3、数字与汉字的字体统一为“gbeitc.shx，gbcbig.shx”和“gbenor.shx，gbcbig.shx”。
4、在标注零件图粗糙度时，需要以属性块的形式进行标注。
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六、总结
通过对CAD 进行增强功能的开发性尝试，能够提高绘图速度和设计效率，使图表现准确、美观，提高设计质量。由于资料的多变化性，决定了在功能开发和应用上有无限的开发潜力，如果我们努力发掘， CAD 软件会不断得到补充和完善，这对提高图纸设计的效率具有较好的应用价值。　我国开展CAD/CAM技术应用工作并不算晚；通过引进，不少企业的软、硬件条件与国外相比也相差不大。但是，国内的CAD/CAM应用与国外先进水平相比存在较大的差距。原因是：
(1)原有经济体制的弊端。采用CAD/CAM技术投资大，有较大风险，效益回报有一定的滞后期，导2.2产品数据交换标准建立统一的产品数据交换标准是实现CAD/CAM技术集成化的必要条件。复杂机械产品的生产需要不同企业、部门的分工协作完成。由于产品信息是在不同的地点、不同的计算机和不同的CAD/CAM系统中产生，造成同一转机械启停机及正常运行时的特性，可分为转速上升、转速下降、转速不变、转速变化等。负荷状态可分为满载、空载、部分载荷、载荷骤增和骤减等。
（2）管理上的缺陷。由于条块分割，重复引进，企业相互之间缺乏必要的交流和协作，影响了CAD/CAM技术效益的发挥。
（3）人才培养的不足。福特等企业之所以CAD/CAM技术应用得好，是因为得益于几十年来一直大力开展CAD/CAM应用而积淀下来的宝贵经验以及培养出了一支高水平的技术队伍。现在国内既懂计算机软、硬件，又有丰富专业知识的人才奇缺，而这恰是企业最为宝贵的财富。在图案设计过程中，建筑CAD 软件的应用和使用较为普及。各种图纸CAD 软件无论是微机版还是局域网的，给设计工作带来了极大的方便。但是从目前的使用角度而言，各种CAD 软件仍有一些不够理想的地方，有待于在功能方面的进一步开发和扩充。我们在配合设计人员使用多种建筑CAD软件进行建筑设计的过程中，了解到这种需要，并针对设计的实际需要对所用软件进行一定的功能扩充开发。通过这些对现行CAD 软件的功能增强开发总结出一般性的方法和思路。
七、结束语：
随着CAD在机械设计中的广泛应用，对于一个机械设计人员来说不会AutoCAD是不行的，但即使会了速度不快在实际应用中也是不行的。因此应用着必须要提高自己的绘图速度，当然前提是要熟悉AutoCAD 2002中基本操作命令和快捷图标的使用，并通过大量绘图来练习基本操作命令。
参考文献：
《机械设计基础》主编黄森彬高等教育出版社
《AutouCAD2004/2005辅助设计》主编: 葛海霞刘村   出版社: 上海科学出版社
《新编机械设计CAD技术基础》作者: 荣涵锐出版社: 机械工业出版社