葛 昊 邢更力 劉 輝

（公安部第一研究所，北京 100048）

CAD在機械工程設(shè)計中的應(yīng)用分析

葛 昊 邢更力 劉 輝

（公安部第一研究所，北京 100048）

隨著現(xiàn)代化信息水平的不斷提高及社會經(jīng)濟發(fā)展的快速增長，計算機輔助技術(shù)（CAD）在機械工程設(shè)計中應(yīng)用較為廣泛，逐漸代替了傳統(tǒng)化機械工程設(shè)計行業(yè)。信息化世界的快速發(fā)展，帶動著CAD三維技術(shù)朝向更加成熟與標準化的技術(shù)水準方向邁進。因此，正確把握CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢與應(yīng)用前景，對我國的機械工程設(shè)計工作具有深遠的現(xiàn)實意義。本文針對CAD技術(shù)的基本概念、系統(tǒng)組成、設(shè)計理念以及應(yīng)用發(fā)展提出研究性意見，以便日后對機械CAD在安防監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用起到一定的參考價值。

機械工程設(shè)計 CAD三維技術(shù) 安防監(jiān)控領(lǐng)域

引言

CAD是計算機輔助設(shè)計的簡稱，是指工程設(shè)計人員利用計算機以及圖形設(shè)備等工具進行的設(shè)計工作。傳統(tǒng)的工程設(shè)計要求工作人員親自設(shè)計草圖，最終采用定稿后的工作圖對工程進行設(shè)計施工。然而，隨著計算機應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展提高，CAD技術(shù)完全可以擺脫人力畫圖，自動生成設(shè)計圖形原稿，使設(shè)計人員快速判斷與修改設(shè)計圖，利用計算機操作實現(xiàn)對設(shè)計圖形的編輯、放縮、平移以及旋轉(zhuǎn)等加工步驟，從而精確得到工程設(shè)計的實圖分析?，F(xiàn)代化CAD技術(shù)能夠體現(xiàn)自動化設(shè)計理念與方法，提高工程的設(shè)計質(zhì)量，縮短設(shè)計周期，最終實現(xiàn)集成化、智能化以及網(wǎng)絡(luò)化整合的信息化管理系統(tǒng)。

1 CAD系統(tǒng)工作流程及在機械工程設(shè)計中的應(yīng)用研究

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新，CAD技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)自動繪圖功能，而且在機械設(shè)計制造中與計算機輔助工藝規(guī)程設(shè)計、數(shù)控自動編程共同形成一門綜合性應(yīng)用研究技術(shù)，形成CAD技術(shù)集成化系統(tǒng)流程。

CAD技術(shù)在機械工程技術(shù)中的應(yīng)用主要表現(xiàn)為：二維制圖、參數(shù)設(shè)計、工程設(shè)計分析、圖形及符號庫、三維立體造型以及文檔設(shè)計或生成報表。其中，二維制圖的出現(xiàn)代替了傳統(tǒng)的專業(yè)繪圖技術(shù)，也是CAD技術(shù)中最為普遍的應(yīng)用；參數(shù)設(shè)計是指根據(jù)機械零部件的適用尺寸建立圖形程序庫，調(diào)用參數(shù)賦以一組新的尺寸參數(shù)，即生成一個新的零件圖形；常見的工程設(shè)計分析有優(yōu)化設(shè)計、運動學(xué)及動力學(xué)分析以及有限元分析等，細分某個具體設(shè)計對象的方法要依靠自身的特性去分析，如設(shè)計注塑模型時要進行塑流分析、冷卻及變形分析等；圖形及符號庫專門用來儲存大量簡單的圖形及符號，需要時可隨時調(diào)出使用，圖形及符號經(jīng)編輯、修改后可以插入其他圖形中，方便制圖與設(shè)計；三維立體造型采用實體造型設(shè)計機械工程的零部件，經(jīng)過消隱、著色等計算機網(wǎng)絡(luò)處理，顯示出真實的結(jié)構(gòu)形狀，可構(gòu)造延伸為零件裝配以及運動仿真，便于日后觀察有無干涉反應(yīng)等。在CAD技術(shù)設(shè)計過程中，需要用到專門的計算機軟件，為某種設(shè)計屬性制成文檔形式或者生成輸出報表，以及通過直方圖、折線圖、餅圖或者各種曲線圖形來表達某種參數(shù)，從而達到設(shè)計要求。

2 CAD三維技術(shù)在機械工程設(shè)計中的實際應(yīng)用

2.1 發(fā)揮創(chuàng)新設(shè)計模式

傳統(tǒng)設(shè)計理念多傾向于仿型設(shè)計和改型設(shè)計，通過改變某些參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸，根據(jù)現(xiàn)有信息資料，設(shè)計出產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)。因此，設(shè)計理念從一開始就按照常規(guī)設(shè)計，使得產(chǎn)品受限于原有模式，不能實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。CAD三維技術(shù)的應(yīng)用則使機械設(shè)計理論更加充分、準確地體現(xiàn)創(chuàng)新型設(shè)計效果，利用專家系統(tǒng)和現(xiàn)代化科技新理論，建立多種模型對比理念，激發(fā)設(shè)計人員的思路延伸，從而得到具有高科技含量的產(chǎn)品。本文給出幾種CAD技術(shù)在機械工程的設(shè)計模型以供參考，如圖1所示。

圖1 機械零件三維立體剖面圖

2.2 虛擬樣機碰撞參數(shù)測試

利用CAD軟件在機械系統(tǒng)動力學(xué)進行虛擬樣機模型建立的過程中，參數(shù)設(shè)置是一項非常重要的測試環(huán)節(jié)。在機械運動中，虛擬樣機的接觸分為碰撞接觸和持續(xù)接觸。兩種碰撞模型分別采用碰撞函數(shù)模型和泊松模型等描述。接觸力的數(shù)值采用罰函數(shù)法計算得出。罰函數(shù)值是指當物體發(fā)生碰撞接觸時，受力面引入法向接觸力；罰函數(shù)值的大小隨滲透量和物體剛度增大而增大，存在正比例關(guān)系。物體在碰撞接觸時會產(chǎn)生法向力和摩擦力，一般實際應(yīng)用中會忽略接觸摩擦，并根據(jù)Coulomb摩擦定律計算切向摩擦力。

下面給出參數(shù)的基本模型。

選取虛擬樣機碰撞函數(shù)模型。由Dubosky彈簧-阻尼接觸鉸理論，得出法向力參數(shù)公式：

式（1）中，k代表罰因子（接觸剛度）；g代表碰撞接觸物體的滲透量；e代表非線性系數(shù)；c代表阻尼系數(shù)，即：

式（2）代表三次多項式逼近海維賽階梯函數(shù)；g代表在某一時刻碰撞接觸面的滲透量；D選取設(shè)定的最大滲透量；C為阻尼系數(shù)的全值，根據(jù)材料的特性可以選定其大小標準。

式（1）中，k的取值會影響動力學(xué)的變化特征。當k趨近于無窮大時，碰撞接觸物體之間符合非穿透條件，但是k取值過大會產(chǎn)生動力學(xué)方程病態(tài)，最終無法求解方程。因此，k值與e值通常會根據(jù)接觸物體的材料剛度和幾何形狀來確定。

泊松模型得出的法向力參數(shù)公式如下：

式（3）后兩項分別表示碰撞物體接觸開始與結(jié)束的滲透速度。由于k值過大會產(chǎn)生方程病態(tài)，因此在迭代計算中引入拉格朗日乘子，則式（3）可改寫為：

j代表碰撞接觸過程中的迭代次數(shù)，且滿足：

2.3 碰撞參數(shù)優(yōu)化測試比較

利用參數(shù)分析對虛擬樣機的碰撞力作出分析，得出虛擬樣機碰撞力的波形和峰值與實際測得碰撞力的波形極為相似。兩種碰撞力的數(shù)值分析如表1所示。

表1 CAD設(shè)計參數(shù)調(diào)整數(shù)據(jù)表

通過ADAMS給出銅與鋼的碰撞參數(shù)值以及在實驗中與虛擬樣機得出的兩組碰撞參數(shù)值，即在虛擬樣機建立模型中設(shè)置銅與鋼的碰撞參數(shù)。參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 銅與鋼的碰撞參數(shù)值表

本文主要設(shè)計建立碰撞參數(shù)測試系統(tǒng)，并通過SQP優(yōu)化測試、虛擬樣機的對比試驗以及利用ADAMS軟件未標明銅與鋼的碰撞參數(shù)測試，發(fā)現(xiàn)了更加精確的碰撞參數(shù)。

3 CAD在機械工程設(shè)計中的應(yīng)用特點

CAD三維機械設(shè)計不僅能夠體現(xiàn)產(chǎn)品對象的形狀、大小以及位置關(guān)系等幾何特征，還可以向設(shè)計者傳遞產(chǎn)品對象的顏色、體積、慣性矩等信息來源，從而對產(chǎn)品形象進行數(shù)學(xué)化描述和物理型模擬，最終使設(shè)計者的表達意圖完美呈現(xiàn)。

3.1 類似于人的思維模型

CAD機械制圖的產(chǎn)生，使得機械工程設(shè)計人員更加專注于產(chǎn)品設(shè)計本身，而不是將重點關(guān)注在表示結(jié)構(gòu)圖形。一般設(shè)計師在設(shè)計圖形結(jié)構(gòu)時先構(gòu)思后表達，在腦海中直觀反映出三維產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。因此，表達出的幾何圖形自然符合三維實體模型。CAD三維技術(shù)設(shè)計出來的立體圖形結(jié)構(gòu)較為直觀、易于理解，有利于促進設(shè)計師的創(chuàng)新理念，延伸設(shè)計的多向空間思維，同時方便與他人進行溝通交流。

3.2 縮短機械工程設(shè)計周期

CAD三維機械設(shè)計在解決復(fù)雜幾何立體圖形建構(gòu)問題方面，具有重要的發(fā)展意義。通過布爾運算，將簡單的幾何實體隨意組合成各種復(fù)雜的幾何實體，在計算機輔助作用下，自動生成相貫線和截交線，縮減設(shè)計工作量，縮減了1/3機械設(shè)計周期，大幅提升設(shè)計與生產(chǎn)效率。CAD三維技術(shù)能通過快速重建結(jié)構(gòu)，得到各種全新的機械設(shè)計產(chǎn)品，縮短了機械工程設(shè)計的周期。CAD三維技術(shù)系統(tǒng)在開發(fā)設(shè)計新型機械的過程中，只需對部分零件結(jié)構(gòu)進行重構(gòu)與制造，而大部分零件結(jié)構(gòu)將沿用以往信息進行設(shè)計構(gòu)造，使得機械工程制造的效率足足提高了3至5倍。

3.3 便于修改、設(shè)計零件結(jié)構(gòu)

機械工程設(shè)計本身是一項極為復(fù)雜的零件構(gòu)造系統(tǒng)。利用CAD三維技術(shù)，方便在裝配環(huán)境以及相鄰零件位置形狀中設(shè)計新零件，既方便快捷，又能夠保證新零件與相鄰零件的結(jié)構(gòu)相匹配，從而避免設(shè)計出的零部件與所要求的零件不相符合。為了保證零件在設(shè)計與制造過程中的合格率，需要利用CAD三維技術(shù)的輔助設(shè)計。比如，利用裝配環(huán)境中的箱體形狀快速精確地設(shè)計出符合要求的箱蓋。機械零件的裝配環(huán)境中還需要用到查找與修改。零件環(huán)境中設(shè)置有查找器，利用資源查找器可以在完成機械零件的設(shè)計造型時出現(xiàn)所有指示命令，點擊命令即可清楚了解制造的每一步驟，同時可以實現(xiàn)將零件制造的全過程通過動畫形式形象展示在人的面前，一目了然。修改零件只需要點擊資源查找器中的對應(yīng)按鈕，在裝配環(huán)境中也可以實現(xiàn)修改命令，即點擊要修改的零件結(jié)構(gòu)，就能夠進入裝配環(huán)境對零件進行修改。

3.4 直觀體現(xiàn)裝配零件結(jié)構(gòu)

機械工程裝配零件過程也必須用到CAD技術(shù)才能確保設(shè)計的正確完整性。裝配零件的過程需要根據(jù)資源查找器中的裝配路徑，實時監(jiān)測零件之間的裝配關(guān)系是否正確或者發(fā)生干涉。如果查找器顯示的路徑正常，可以對裝配零件進行靜干涉的檢查；若出現(xiàn)干涉的情況，以可及時修改零件，保證機械工程設(shè)計的正確性。此外，外部零件能夠進行隱藏，只顯示內(nèi)部的裝配結(jié)構(gòu)，同時可以進行運動仿真，清楚觀察到機械的運動全過程，有利于保證機械設(shè)計的完整性。利用CAD技術(shù)可以直接在計算機上對零件進行虛擬加工，同時檢測零件在加工過程中是否存在干涉和質(zhì)量上的問題，從而節(jié)約試驗資本支出。機械設(shè)計需要綜合觀察模型的運動路徑，判斷是否按照一定的運動行程演示活動，或者在靜態(tài)情況不發(fā)生干涉時檢測是否在運動過程中發(fā)生碰撞。發(fā)現(xiàn)有異常的運動軌跡，及時作出處理和修改，從而避免機械工程產(chǎn)品在生產(chǎn)出實體后才發(fā)現(xiàn)問題而浪費資源的現(xiàn)象。

4 CAD技術(shù)在我國工程設(shè)計領(lǐng)域的發(fā)展前景

4.1 圖形交互技術(shù)

CAD已經(jīng)成為設(shè)計辦公軟件的主要創(chuàng)新工具，不僅能夠為設(shè)計者提供廣闊的思路，解放認識上的束縛，情境引入到創(chuàng)造性活動中，而且成為設(shè)計者的專業(yè)小幫手，如智能化圖標菜單、動態(tài)導(dǎo)航器等，方便了我們的生活應(yīng)用。隨著信息化水平的不斷提高與體系的完整，五筆輸入法、語言識別功能以及特征手勢建模等新型技術(shù)，正豐富、改變著人類世界的生活。

4.2 智能化操作

智能化CAD操作技術(shù)服務(wù)于人類的控制活動，是一項體現(xiàn)高智能化的人類創(chuàng)造性活動，同時也是高速發(fā)展經(jīng)濟社會的必然方向。智能化操作水平以信息化、知識化理念為載體，及時向設(shè)計者提供精確的數(shù)據(jù)分析，并達到一定的技術(shù)幫助。智能化操作還體現(xiàn)在理解設(shè)計者的設(shè)計意圖、自動檢測設(shè)計失誤狀況、智能化回答問題以及提出解決方案并進行推理等?，F(xiàn)代化設(shè)計水準以創(chuàng)新為核心概念，如何把創(chuàng)新應(yīng)用融入到CAD技術(shù)，是一項具有深遠意義的操作技能。因此，采用智能化系統(tǒng)去優(yōu)化新產(chǎn)品、工程、系統(tǒng)的設(shè)計理念，才能符合現(xiàn)代化要求的創(chuàng)新理念。

4.3 虛擬現(xiàn)實操作

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是指設(shè)計人員在虛擬環(huán)境中創(chuàng)造新產(chǎn)品，利用人機工程學(xué)原理對設(shè)計產(chǎn)品進行效果檢驗，在虛擬世界中可以直接操作產(chǎn)品對象并檢驗使用效果是否舒適，對于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的干涉與運動碰撞問題可以及時發(fā)現(xiàn)并修改處理。建立虛擬原理體驗和虛擬樣機，可以全方位觀察設(shè)計新產(chǎn)品的外形與構(gòu)造，從而建立全面的評價體系。虛擬制造、虛擬工廠以及動態(tài)企業(yè)聯(lián)盟，是CAD技術(shù)在電子商業(yè)時代的一個重要體現(xiàn)。虛擬制造是指利用虛擬的原型來代替實體對其加工、測試、仿真、分析，從而真實而有效地評價其操作性能、可裝配性以及控制成本等。任何虛擬制造都可以實現(xiàn)在真實產(chǎn)品制造前解決異常情況，降低錯誤率，從而降低制造成本。

4.4 實現(xiàn)安防監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著機械工程的設(shè)計理念不斷趨于完善化，安全防護以及監(jiān)控技術(shù)成為機械制造業(yè)在激烈的市場競爭中健康穩(wěn)定發(fā)展的積極因素。因此，機械CAD技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展極大地促進了安全防護功能的性質(zhì)體驗。CAD系統(tǒng)功能的強化轉(zhuǎn)變有利于安防監(jiān)控設(shè)施的實地應(yīng)用以及實時監(jiān)控，強大的科學(xué)計算功能使產(chǎn)品歸于常規(guī)設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計以及可靠性設(shè)計，精確的數(shù)據(jù)流與數(shù)字仿真模擬技術(shù)均在安防監(jiān)控領(lǐng)域應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。

5 結(jié)語

CAD技術(shù)的快速發(fā)展和多維方向延伸，對我國機械制造以及安防監(jiān)控工程領(lǐng)域有著重要的發(fā)展意義。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及概念設(shè)計貫穿產(chǎn)品的整個生命周期，對其設(shè)計理念、技術(shù)創(chuàng)新均發(fā)揮了重要作用。利用基于網(wǎng)絡(luò)的CAD集成技術(shù)，全方位體現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計理念以及制造發(fā)展，已經(jīng)成為機械工程設(shè)計的主要發(fā)展趨勢。可見，先進的設(shè)計理念與手段是機械工程制造業(yè)在激烈市場競爭處于不敗之地的必要保證。協(xié)調(diào)好設(shè)計理念、制造施工以及生產(chǎn)管理之間的合作關(guān)系，在現(xiàn)實世界中構(gòu)建以CAD技術(shù)為主的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計管理、協(xié)同設(shè)計理念的模型，才能提升工作效率，帶動企業(yè)經(jīng)濟效益及社會效益的增長。

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Application of CAD in Mechanical Engineering Design

GE Hao, XING Gengli, LIU Hui
(The First Research Institute of Ministry of Public Security, Beijing 100048)

With the continuous improvement of modern information level and the rapid growth of social and economic development, computer-aided technology (CAD) has been widely used in mechanical engineering design, and gradually replaced the traditional mechanical engineering design industry. The rapid development of information-based world, led to three-dimensional CAD technology towards a more mature and standardized technology direction. Therefore, the correct grasp of the development trend of CAD technology and application prospects of China’s mechanical engineering design has far-reaching practical significance. In this paper, CAD technology for the basic concepts, system components, design concepts and application development of research advice in order to the future of mechanical CAD in the field of security monitoring applications play a certain reference value.

mechanical engineering design, CAD threedimensional technology, security monitoring field