如何在机械设计中合理运用CAD技术

　　摘要：

　　近年来，随着科学技术的不断进步，CAD技术也得到了飞速发展。CAD技术以其自身的诸多优点成为了机械产品设计中不可或缺的组成部分。本文首先从机械设计的要求入手，并对CAD技术进行概述，进而分析了CAD技术在机械设计中的具体优点及其对机械设计的影响，最后总结出在机械设计中CAD技术的具体应用。

　　关键词：机械设计;CAD技术;设计效率;产品质量;绘图

　　机械制造业作为我国国民经济的支柱产业之一，其产品的设计与开发占据着十分重要的地位。近年来，随着科学技术的不断发展，CAD技术也日趋完善。CAD技术从根本上转变了传统的手工绘图、计算繁重的工作方式，大大的缩短了机械产品的设计周期，降低了生产成本。基于此现状，本文就如何在机械设计中合理运用CAD技术展开探讨，仅供借鉴参考。

　　一、机械设计的要求

　　机械的种类较为繁多，但不论何种机械，其设计的基本要求都大体相同。具体可概括为以下几个方面：其一，需满足预定功能。具体是指机械设计能够按照预期的技术要求执行各种职能，如，工作部分的平稳性、运动形式、精度、速度、传递的功率等;其二，需满足经济性。机械的经济性主要指的是设计和制造成本低、使用效率高、能源消耗少、管理维护方便等;其三，需满足工艺要求。在进行机械设计时要尽可能减少零件的数量，并采用标准件，以便于组装和维修;其四，需满足各种特殊要求。如生产食品、药品的机械必须具备防止产品污染的功能。

　　二、CAD技术概述

　　CAD是Computer Aided Design的英文缩写，译成中文就是计算机辅助设计的意思。CAD主要是利用计算机的图形处理以及数值计算能力，来辅助技术人员进行某些工程或产品的设计和分析，从而使设计达到理想效果的一种技术。

　　CAD技术诞生于上个世纪50年代，伴随着计算机技术和电子技术的发展而逐步发展起来，目前已经被广泛地应用于我国的各个领域当中，如机械、建筑、电子、化工、航天以及交通等。通过CAD技术的应用，使各领域内产品的设计效率都有了大幅度提高。

　　三、CAD技术在机械设计中的具体优点及其对机械设计的影响

　　(一)具体优点

　　1.减轻工作量，缩短了设计周期。通过使用CAD技术进行机械设计，将原本复杂的几何造型变得简单，从而减轻了机械设计人员的工作强度，并且能够使机械设计的周期缩短近三分之一的时间，不仅提高了设计效率，同时也提高了生产效率。

　　2.便于零件设计。CAD技术既能够在具体的装配过程中，设计新的零件，也可以根据相邻零件的位置及形状设计新零件，并且还确保了新零件与相邻零件之间的精确配合，从而避免了由于单独设计零件错误而致使装配失败的情况发生。

　　3.便于零件修改。在装配环境中如果想修改零件时，只需点击资源查找器中的相关命令进入到零件修改环境中，就可以完成零件修改，使零件修改的过程变得简单、方便。

　　4.零件装配过程更加直观。CAD系统的资源查找器能够在装配的过程中记录各个零件之间的装配关系，如果装配有误便可以显示出来，同时，还能够通过隐藏外部零件，更清楚的观察到内部的装配结构。另外，模型在装配完成后，还可以进行运动演示，以此来检验形成是否符合设计要求，如不符合可及时进行修改，这样在很大程度上降低了产品的报废率。

　　5.提高产品的技术含量和质量。通过CAD技术先进的设计方法，如有限元分析、优化等，能够有效地确保机械产品的设计质量。另外，随着各种数控加工手段的不断完善，在合理运用CAD/CAPP/CAM进行零件加工时，能使零件达到较好的一致性，从而进一步保证了机械产品的质量。

　　(二)CAD技术对机械设计的影响

　　CAD技术不仅从根本上改变了机械设计的质量，而且还克服了传统机械设计中的诸多弊端，从而使机械产品的设计有了质的飞跃。CAD技术对机械设计的主要影响可归纳为以下几点：其一，CAD技术更强调设计理论。由于机械设计本身也属于工程设计的范畴，因此，其具有较强的工程性及理论性。在传统的机械设计中，通常都比较偏重于经验，设计方法多数是以仿照、类比以及改型设计为主，严重忽视了设计的创新性。而运用CAD技术进行机械设计，不仅能够代替设计人员繁重的手工设计、计算和绘图，并且更加符合机械设计与原理、设计体系的要求;其二，使机械设计的创新性得以充分发挥。在传统的机械设计中，以仿型和改型设计居多，这样的设计往往只需要借鉴参考历史资料，并改变所需设计产品的某些结构尺寸即可，这样的设计过程在开始时就跳过了创新构思的阶段，从而使设计出来产品严重缺乏创新性。而运用CAD技术中的专家系统进行机械设计，则可以建立多种机构，并进行对比，以此来达到创新的目的。另外，由于CAD技术在设计时具有较强的立体感和逼真的效果，更能够激发设计者的新颖构思，使设计出来的新产品更具有高科技含量;其三，为实现制造过程全面信息化奠定基础。由于CAD的信息处理技术将整个设计过程全部计算机化，并且设计好的产品在具体加工制造前，还可以通过三维设计技术发现产品设计中的缺陷和不足，并在正式加工前进行及时的改良，不仅缩短了设计时间，而且极大地提高了设计质量。

　　四、机械设计中CAD技术的具体应用

　　(一)零件实体建模

　　根据目前的CAD技术，可将CAD的建模方式大致归纳为以下几种：

　　1.线框建模。主要作用是代替原有的手工绘图，通过逐点、逐线进行具体构造，能够生成任意视点或视向的轴测图和透视图。线框建模的特点是操作简单，并且由于该建模方式只有点和线的信息，因此，所耗用的资源相对较小。到这种建模方式具有二义性。

　　2.表面建模。不仅具有点和线的信息，同时还具有面的信息，能够实现表面积计算、消隐、二曲面求交、有限元网格划分、数控刀具轨迹生成等，并且还能够构造曲面物体。

　　3.实体建模。是机械设计的基础，不但具备所有点、线、面、体的几何信息，而且还具备拓扑信息。实体建模能够有效地实现刀具轨迹的生成、有限元分析、消隐、剖切等。

　　在进行机械设计时，其零件主要可分为两种，一种是简单的零件，另一种是复杂的零件。如果是简单的零件，可先对其进行结构分析，将之分解成若干个基本体，并在此基础上对分解后的基本体进行三维实体造型，然后通过布尔运算即可得出该零件的三维实体模型;如果是比较复杂的零件，想要将其分解成若干个基本体往往比较困难，即便能够分解，也会因为基本体的组合过多，从而难以成型。因此，必须先对零件的截面轮廓进行定义，然后利用三维实体造型对零件进行拉伸或旋转，以此来得到新的基本体，在经过交、并、差等计算，即可获得所需零件的三维实体造型。

　　(二)零件装配图的生成

　　CAD的三维编辑功能可以实现零件装配图的生成。当零件的实体构造完成后，通过对机器运动过程中的有关资料进行分析，并在运动的某个位置，根据零件所处位置的坐标，即可进行装配。

　　(三)多维几何绘图

　　在进行机械设计时，主要处理的信息可以涵盖为图形和数据两方面。其中，绘图的工作量较大，约占70%左右。目前，随着CAD技术的不断发展，使CAD各种绘图软件的功能也日趋强大。CAD绘图软件的主要功能包括：交互式绘图、图形编辑、标准的尺寸、文字以及填充剖面、调用图块、区分层次以及实现图形交换等。

　　(四)模具集成制造

　　随着科技的发展，制造业的生产技术也随之不断提高，从以往的普通机床到现在数控机床、从传统的手工设计和绘图到现在CAD技术，制造业逐步走向了计算机和数字化的时代。与此同时，模具CAD/CAM技术和RPM技术等，也基本覆盖了大部分的现代制造技术。一个较为完整的CAD/CAM系统是由三维绘图、数控加工、动态显示、仿真模拟、图形编辑、有限元分析以及图形编辑等功能模块组成的。

　　(五)机械CAE的应用

　　机械CAE系统具备结构优化设计、工程数值分析、寿命评估以及强度设计评价等功能。运用CAD技术解决造型问题后，便可由机械CAE解决设计的若干问题，如设计的合理性、寿命、刚度、强度、运动特性以及动态特性等。

　　结论：

　　总而言之，合理运用CAD技术，对推进我国机械制造业的发展起着至关重要的作用。一个好的设计就代表着将有一个好的产品诞生，企业想要在市场竞争如此激烈的环境中得以发展，就必须要有好的产品作为保证。因此，必须重视CAD技术在机械设计中的运用。

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