孟源(太原理工大學(xué),山西太原 030024)

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CAD技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

孟源
(太原理工大學(xué),山西太原 030024)

【摘 要】伴隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與進(jìn)步,CAD技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用變得更加普及,對(duì)于機(jī)械工程設(shè)計(jì)工作來(lái)說(shuō)也變得更加重要。CAD技術(shù)為機(jī)械工程設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了極大的便捷,有效提升了機(jī)械工程設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的效率。文章主要就CAD技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行探析,以期能夠?qū)AD技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用起到一定的積極作用。

【關(guān)鍵詞】CAD技術(shù) CAD軟件 機(jī)械工程設(shè)計(jì)

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展CAD技術(shù)已經(jīng)逐漸普及應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。其標(biāo)準(zhǔn)化、集成化與智能化的優(yōu)勢(shì)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)行業(yè)、建筑行業(yè)、電子行業(yè)等得到了廣泛的應(yīng)用,并且取得了不俗的效果,實(shí)現(xiàn)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。CAD技術(shù)將機(jī)械工程設(shè)計(jì)人員從海量的工作中解放出來(lái),讓其能夠充分挖掘自身的發(fā)散性與創(chuàng)造性思維。整體來(lái)看,CAD技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中能夠有效提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的質(zhì)量。

1 CAD技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.1 提升產(chǎn)品質(zhì)量

CAD技術(shù)的使用從本質(zhì)上轉(zhuǎn)變了機(jī)械零件設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的質(zhì)量問(wèn)題,使用現(xiàn)金的技術(shù)來(lái)對(duì)零件的設(shè)計(jì)水平進(jìn)行了足夠的保障。CAD技術(shù)的應(yīng)用能夠有效提升零件設(shè)計(jì)檔次水平,突破傳統(tǒng)零件設(shè)計(jì)方式思維。例如,CAD技術(shù)能夠優(yōu)化產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)過(guò)程,改善有限元的受力分析、提升運(yùn)動(dòng)仿真的科學(xué)性等等。機(jī)械零件其本身就是與信息技術(shù)有著密切的聯(lián)想,而CAD技術(shù)提升了零件的科技含量。在現(xiàn)代CAD技術(shù)的支持下,機(jī)械工程設(shè)計(jì)水平得到了巨大的改善[1]。

CAD技術(shù)的應(yīng)用更多的保證了機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量。伴隨著數(shù)據(jù)控制技術(shù)與加工手段的不斷成熟與發(fā)展,CAD技術(shù)在進(jìn)行零件加工的時(shí)候,可以更好讓模型與零件統(tǒng)一起來(lái),以保障機(jī)械零件的生產(chǎn)質(zhì)量。并且,CAD技術(shù)還能夠提升機(jī)械設(shè)計(jì)的創(chuàng)新含量。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)更加注重實(shí)踐,框住了人們開(kāi)發(fā)創(chuàng)造的思維,而CAD技術(shù)卻能夠全面提升零件設(shè)計(jì)的立體效果,使得設(shè)計(jì)人員的思維更加靈活,讓設(shè)計(jì)者能夠運(yùn)用更加創(chuàng)新的思維開(kāi)發(fā)出更多的新產(chǎn)品、CAD技術(shù)是機(jī)械設(shè)計(jì)信息化的基礎(chǔ)。只有CAD技術(shù)利用三維構(gòu)圖將零件設(shè)計(jì)出來(lái),就可以展現(xiàn)例題效果,以便讓設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)初期就發(fā)現(xiàn)零件的缺陷,以便能夠及時(shí)修改調(diào)整,這樣一來(lái)不僅大大提升了設(shè)計(jì)效率,還全面提高了零件的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1.2 縮短設(shè)計(jì)時(shí)間

CAD技術(shù)有效優(yōu)化了傳統(tǒng)繪圖過(guò)程中存在的各種缺陷,實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的參數(shù)話。通過(guò)CAD技術(shù)建立起來(lái)的三維模型可以進(jìn)行實(shí)體的尺寸調(diào)整、結(jié)構(gòu)改變,進(jìn)而使之能夠達(dá)到理想中的最佳效果。

(1)當(dāng)零件的尺寸與性狀發(fā)生改變的時(shí)候,與其他相關(guān)的結(jié)構(gòu)等因素也會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的改變。這樣一來(lái)利用三維技術(shù)就能夠有效降低設(shè)計(jì)零件的工作量,有效的縮短設(shè)計(jì)周期,改善設(shè)計(jì)與生產(chǎn)效率[2]。

(2)CAD技術(shù)還能夠詳細(xì)記錄在裝配過(guò)程中各個(gè)零件之間的關(guān)系,因此可以根據(jù)其相鄰的零件的形狀、性能與位置來(lái)進(jìn)行略微的挑戰(zhàn)與改善,從而減低由于零件之間不匹配所造成的問(wèn)題。

(3)CAD技術(shù)利用三維技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)階段的模擬裝配、模擬運(yùn)轉(zhuǎn),進(jìn)而讓設(shè)計(jì)過(guò)程更加接近真實(shí)的情況。這樣利用三維技術(shù)就能夠有效降低設(shè)計(jì)零件的工作量,減少設(shè)計(jì)周期,提升設(shè)計(jì)效率。

1.3 推動(dòng)技術(shù)集成

伴隨著CAD技術(shù)的不斷成熟,機(jī)械制造行業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備與器械也已經(jīng)從傳統(tǒng)的普通機(jī)床逐漸轉(zhuǎn)向使用數(shù)字化控制機(jī)床。機(jī)械設(shè)備的零件設(shè)計(jì)與生產(chǎn)變得更加集中。CAD/CAM系統(tǒng)是融合三維繪圖、圖形編輯、動(dòng)態(tài)顯示、仿真模擬等功能為一體的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的集成使用能夠有效改善傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工作中工作人員以CAD技術(shù)設(shè)計(jì)的零件進(jìn)行數(shù)控而使得CAD與CAM中有兩套相同的零件數(shù)據(jù),從而導(dǎo)致工作上出現(xiàn)混亂。CAD與CAM的集成能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的數(shù)字與集成化,讓零件的設(shè)計(jì)工作與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)縫完美對(duì)接[3]。

2 CAD技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

CAD技術(shù)應(yīng)該是利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要技術(shù),CAD技術(shù)中的CAE 計(jì)算機(jī)輔助工程(Computer-Aided Engineering)技術(shù)所能夠?qū)崿F(xiàn)的功能不僅僅替代設(shè)計(jì)人員體力勞動(dòng)的過(guò)程。在開(kāi)展產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程中,產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員首先應(yīng)該對(duì)產(chǎn)品的性能與結(jié)構(gòu)開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析,同時(shí)將產(chǎn)品的形體與性能設(shè)計(jì)相結(jié)合,利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品各個(gè)元素的優(yōu)化。

2.2 二維繪圖與三維造型

CAD技術(shù)形成的初始階段由于受到了計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度與圖形功能的限制只能夠開(kāi)展簡(jiǎn)單的二維圖形繪制,CAD技術(shù)難以完全的將設(shè)計(jì)師的意志完整的表現(xiàn)出來(lái)。然而當(dāng)前CAD技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了飛躍的發(fā)展,從最初的計(jì)算機(jī)輔助繪圖發(fā)展成為了真正意義上的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),能夠?qū)崿F(xiàn)最為實(shí)用的功能。根據(jù)相關(guān)報(bào)道調(diào)查可以得知,當(dāng)前在機(jī)械行業(yè)中應(yīng)用十分普及的C A D繪圖軟件包括AutoCAD、CAXA 電子圖板、開(kāi)目 CAD、機(jī)械設(shè)計(jì)師 CAD、InteCAD、PCCAD 等。表1為設(shè)計(jì)師所應(yīng)用CAD技術(shù)來(lái)進(jìn)行繪圖與設(shè)計(jì)的時(shí)間長(zhǎng)短。

通過(guò)觀察表1并且分析可與得知大多數(shù)設(shè)計(jì)人員的內(nèi)心沒(méi)有充分意識(shí)到CAD技術(shù)的重要作用。在更多的設(shè)計(jì)師心中CAD技術(shù)僅僅只適用于畫(huà)圖的軟件,并無(wú)法有效的進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)。但是從實(shí)際情況來(lái)看在應(yīng)用CAD技術(shù)后不管是繪圖質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化、設(shè)計(jì)與生產(chǎn)效率等均相對(duì)于傳統(tǒng)繪圖時(shí)代有質(zhì)的改變與飛越。尤其是在圖紙修改與相關(guān)變型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠有效的縮短設(shè)計(jì)時(shí)間[4]。

CAD技術(shù)另外一個(gè)重要作用進(jìn)行實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體造型,目前應(yīng)用的比較廣泛的CAD軟件包括:CAXA電子圖板、Pro/E、SolidWorks、UG、CATIA、Inventor/M DT、MDA2000、I —DEAS、XTMCAD —3D等。但是當(dāng)前情況應(yīng)用下的三維實(shí)體造型依然處于局限的單個(gè)零件設(shè)計(jì)等方面。

表1 設(shè)計(jì)師應(yīng)用CAD技術(shù)的時(shí)間

建立三維實(shí)體模型僅僅可以實(shí)現(xiàn)掌握產(chǎn)品質(zhì)量大小、獲知產(chǎn)品慣性矩大小等各種物理量。計(jì)算機(jī)能夠完成的工作仍然比較簡(jiǎn)易化,僅僅只能夠減輕工作人員的體力勞動(dòng),并不能實(shí)現(xiàn)的完全智能化。

3 CAD技術(shù)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用策略

3.1 選擇合適的CAD軟件系統(tǒng)

所選擇的CAD軟件應(yīng)該滿足企業(yè)自身發(fā)展需求,在選擇CAD軟件的時(shí)候要注重綜合性能的比較。不僅僅要選擇功能強(qiáng)大齊全,商品化程度高、運(yùn)行安全穩(wěn)定的CAD軟件,更加要注意CAD軟件所實(shí)現(xiàn)的功能能否滿足企業(yè)自身產(chǎn)品設(shè)計(jì)的實(shí)際需求。要關(guān)注軟件的文件轉(zhuǎn)換接口[5]。有很多企業(yè)在發(fā)展的過(guò)程中不僅僅要摒棄大量普及型的二維繪圖軟件,同時(shí)還要配備更多先進(jìn)的三維設(shè)計(jì)軟件以滿足CAD、CAM等一體化的需求。因此,企業(yè)在選購(gòu)二維繪圖軟件的時(shí)候要兼顧其具有齊全的文件轉(zhuǎn)換接口,例如ICES、DXF等,從而滿足微機(jī)信息與工作站信息之間的傳遞與接收。

3.2 明確CAD發(fā)展趨勢(shì)

3.2.1 規(guī)范化

數(shù)據(jù)模型的規(guī)范化、數(shù)據(jù)交換格式的規(guī)范化以及CAD資源的規(guī)范化。數(shù)據(jù)模型應(yīng)該使用STEP標(biāo)準(zhǔn)體系,而伴隨著STEP標(biāo)準(zhǔn)體系的不斷完善與成熟,其將給幾何數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)模型帶來(lái)全新的CAD開(kāi)發(fā)導(dǎo)向。依靠傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)接口已經(jīng)無(wú)法全部滿足CAD交換數(shù)據(jù)的需求,因此在未來(lái)CAD發(fā)展趨勢(shì)中相信數(shù)據(jù)交換格式的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化將會(huì)有質(zhì)的突破。而CAD資源主要就是指各類標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)庫(kù),其是由各國(guó)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)而制定的,是機(jī)械工程設(shè)計(jì)中重要的參考依據(jù)。

3.2.2 智能化

特殊的造型與參數(shù)設(shè)計(jì)就是CAD技術(shù)應(yīng)用智能化的進(jìn)步與成熟。軟件再也不僅僅是提供繪制工具給人們使用了,也不再將占線面數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一起,從而導(dǎo)致忽視其內(nèi)在的聯(lián)想。特征與參數(shù)的使用將會(huì)使得軟件更為使用者更加智能化的助手。CAD軟件應(yīng)該成為一種簡(jiǎn)易的使用軟件,更加限速的將工程數(shù)據(jù)概念集中到數(shù)據(jù)模型當(dāng)中[6]。例如,CAD軟件特征模型主要是用于改善零件幾何造型的問(wèn)題,相對(duì)于后續(xù)的分析、加工等需求,其考慮明顯不足。

3.2.3 集成化

CAD技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的重要方向之一就是實(shí)現(xiàn)集成化。CAD技術(shù)并不是孤立的,其與其他技術(shù)或方面有著密切的聯(lián)想。首先,CAD技術(shù)集成了計(jì)算機(jī)軟硬件、數(shù)據(jù)庫(kù)、外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)等各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)。并且,CAD技術(shù)與CAM技術(shù)、CAPP技術(shù)、MIS技術(shù)等系統(tǒng)之間有著融合與集成的關(guān)系。鑒于Internet的發(fā)展與成熟,這些設(shè)想目標(biāo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。怎樣在基于Internet體系中實(shí)現(xiàn)CAD以及CAM的集成系統(tǒng)成為了人們未來(lái)關(guān)注的焦點(diǎn)。尤其是在國(guó)際經(jīng)濟(jì)一體化的環(huán)境下,并行工程、異地設(shè)計(jì)制造等理念的發(fā)展與使用,基于網(wǎng)絡(luò)、Web的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)廣受歡迎。目前已經(jīng)有一些標(biāo)準(zhǔn)如果改善異構(gòu)系統(tǒng)平臺(tái)的XML和XML-3D,并且改善三維圖像等在互聯(lián)網(wǎng)傳輸狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)不斷壯大的情況下機(jī)械制造行業(yè)也將會(huì)迎來(lái)新的發(fā)展高峰。中國(guó)制造行業(yè)怎樣提升自主創(chuàng)新能力與挖掘創(chuàng)新意識(shí)成為了重要的難點(diǎn)。CAD技術(shù)就是解決這一問(wèn)題的重要因素。在今后的發(fā)展過(guò)程中,CAD技術(shù)將會(huì)成為轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)機(jī)械工程設(shè)計(jì)工作的重要工具,推動(dòng)我國(guó)機(jī)械工程設(shè)計(jì)更好更快的發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介:孟源(1993—),男,漢族,山西朔州人,學(xué)生,國(guó)內(nèi)太原理工大學(xué)本科2年,英國(guó)University of Hertfordshire,本科final year,太原理工大學(xué),已經(jīng)完成機(jī)械工程設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化專業(yè)前兩年:University of Hardfordshire的Mechanical Engineering 專業(yè)。