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CAD在机械设计中的应用研究

2019/5/15    来源:《中国科技博览》    作者:牟效飞      
关键字:CAD技术  机械设计  
本文首先从概念、功能、优点方面介绍了CAD技术,其次对CAD技术在机械设计中的具体应用进行了研究,最后分析了其发展趋势以供参考。

    近年来,CAD技术以其简单、快捷、精度高、存储方便等优点在机械领域得到了广泛应用,这使得机械工程设计中单调机械的工作大幅度减少,设计人员的创造性思维得到了前所未有的发挥,并取得了丰硕的成果和巨大的经济效益。CAD技术在把握现代机械工程设计技术领域的新动向、开发和使用新方法新技术、改革传统设计模式方面,发挥着不可替代的作用。CAD技术将会成为现代机械工程设计领域中最具活力的发展方向。

1 CAD技术概述

    1.1 CAD技术的概念

    CAD技术是一种计算机软件技术,全称为ComputerAidedDesign,即计算机的辅助设计。CAD技术主要是利用计算机来对机械制图中的计算、制图、分析、模拟及文件编辑等环节进行操作,相关设计人员需要利用计算机来对整个机械产品的设计来进行控制,通过分析,最终对机械产品的图纸进行科学设计,并输出满意的机械产品图纸。

    1.2 CAD技术的功能

    第一,科学的计算与分析功能。CAD技术能够对产品进行常规和优化设计,能对可靠性、有限元、动态分析及数字仿真模拟等进行科学计算。

    第二,图形处理功能。如二维交互图形技术、三维几何造型、图形仿真模拟及其图形输入输出功能等。

    第三,数据管理与交换功能。如CAD技术可以对数据库进行管理,不同的CAD系统间可以进行数据交换和接口等。

    第四,其他功能。如进行文档制作,编辑及文字处理功能,软件设计功能和网络功能等。

    1.3 CAD技术的优点

    第一,缩短了机械设计周期。利用CAD技术进行机械设计能够易于解决复杂的几何造型问题。它可以由简单几何实体,通过布尔运算等功能,组合出各种复杂的几何实体,并能自动生成相贯线和截交线,很大程度上减轻了设计工作量,缩短了机械设计周期,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,只需要把其中的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,这样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。

    第二,便于设计成果的修改。利用CAD技术软件对设计的信息化数据进行存储,能够随时对相关的设计成果进行修改,大幅度提高了工作效率,减少了重复劳动,节约了劳动成本,使设计师的工作精力能够集中在创新和改善机械产品的性能方面。

2 CAD技术在机械设计中的具体应用

    2.1 多维几何绘图

    机械设计过程中要处理的信息一般包含图形和数据2种。其中,绘图的工作量较大,约占70%左右。随着CAD技术的发展,CAD各种绘图软件的功能也越来越强大。CAD绘图软件的主要功能有:交互式绘图、图形编辑、标准尺寸、文字、填充剖面、调用图块、区分层次以及实现图形交换等,利用CAD绘图软件就可以将机械设计图稿做到精准。

    2.2 模具集成制造

    随着科技发展,制造业的生产技术不断提高,从过去的普通机床到现在的数控机床,从传统的人工设计和绘图到现在的CAD技术,机械制造业逐步走向了信息化。与此同时,模具CAD/CAM技术、模具激光快速成型技术等,也基本包含了整个现代机械制造技术。一个较为完整的CAD/CAM系统是由三维绘图、图形编辑、数控加工、曲面造型、动态显示、仿真模拟、图形编辑以及有限元分析等这些模块组成的,这些模块以工程数据库为基础,而实体造型是工程数据的主要来源。

    2.3 零件与装配图实体生成

    基于CAD技术的三维建模方法有三种:线框模型、表面模型、实体模型。绝大多数拥有实体模型的CAD软件之中,基本上都包含了一些基本的体系,以供机械设计者选用,减少基础劳动,提高设计效率。如在常用的CAD之中,就包括了立方体、圆柱体、球体、环状体、楔形体与圆锥体等6种基本的体系,通过运用上述6种基本的体系就能够完成一些简单的零件的建模以及相应的结构分析。而对于一些较为复杂的零件,将其分解成一些基本体之后,同样能够运用三维实体造型对其进行布尔运算,计算得出零件的具体三维模型。

3 CAD技术在机械设计中的发展趋势

    近几年,CAD技术得到了大力普及,在机械设计中的作用日益突出。随着科学技术的快速发展,CAD技术还会向着智能化、集成化及规范化等方向发展,使其在机械设计中的作用越来越凸显。

    3.1 智能化

    现阶段人们对智能化的概念并不陌生,在机械设计领域,CAD技术也逐步呈现出了智能化的发展趋势,尤其是机械产品的数学参数确定、造型机构等方面体现的更加明显。CAD制图设计软件不仅为人们提供了一种绘图的工具,也不需要将所有的点线面数据存储在一起,而是对其内部的联系有了一个更为清晰的认识。特征和参数的引入使得CAD软件成为用户更加便利的助手。与此同时,CAD软件更大程度地把工程数据概念集成到数据模型中,从而为机械设计带来更大的便捷。但是从整体情况上看,当前与CAD技术相关的一些软件还只是解决了机械产品的几何造型问题,却没有能够对后续知识和技术进行有效分析,比如在CAD技术的具体应用中,未能对CAPP与加工技术进行深入分析,因而在今后的发展中工作人员还要加强对该方面内容的研究。

    3.2 集成化

    集成化是当今CAD技术发展的又一大趋势。CAD技术不是孤立的。首先,它集计算机软硬件、数据库、外围设备、图形学、网络及各个应用领域的技术于一体。同时,它又不断和CAM(计算机辅助制造)、LAPP(计算机辅助工艺流程规划)、MIS(管理信息系统)、PDM(产品数据管理)以及MRP(制造资源管理)等系统相结合。由于互联网的发展,使得这些设想得以实现。如何在互联网体系上构建CAD/CAM集成化系统将会是人们追踪的热点。特别是在全球经济一体化的背景下,并行工程、异地设计制造等概念的发展和应用,基于网络、基于网站的协同设计制造系统大受青睐。现在已有一些标准,如解决异构系统平台的XML和XML-3D,以及解决三维图形、图像在互联网上传输共享的VRML标准相继出台,已经为我们在互联网的构架下,建立一个协同设计和协同工作的环境打下了基础。

    3.3 规范化

    规范化的趋势体现在:数据模型的规范化、数据交换格式的标准化和CAD资源的规范化等。数据模型应采用STEP标准体系。随着STEP标准体系的逐步完善,它的创建几何数据、工程数据模型的思想将作为新一代CAD系统的开发指南。仅仅依靠以前的一些标准接口已经无法满足CAD数据交换的要求。目前,参数化特征模型的传输还是一个世界难题,在STEP标准基础上,相信这一点能有所突破。

4 结语

    CAD技术在现代的机械设计中发挥着越来越重要的作用。它具有多功能特点,能够缩短设计周期,便于设计成果修改。CAD技术主要应用在多维几何绘图、模具集成制造、零件与装配图实体生成方面。未来CAD技术在机械设计领域将朝着智能化、集成化、规范化方向发展,使机械设计提高到全新的水平,为机械设计提供强有力的支持。

责任编辑:程玥
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