計算機輔助設(shè)計論文：計算機三維輔助軟件在機械設(shè)計中的應(yīng)用

1、計算機輔助設(shè)計論文：計算機三維輔助軟件在機械設(shè)計中的應(yīng)用摘要：介紹了三維CAD在機械設(shè)計中的顯著優(yōu)勢，并對目前國內(nèi)企業(yè)機械產(chǎn)品開發(fā)過程三維CAD系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀和存在問題進行了分析。從產(chǎn)品開發(fā)的實際需求和產(chǎn)品特點與軟件功能出發(fā)，對企業(yè)應(yīng)用三維CAD過程提出了改進方案，最后介紹了三維CAD技術(shù)發(fā)展的趨勢。關(guān)鍵詞：三維CAD；機械設(shè)計；應(yīng)用1三維設(shè)計軟件現(xiàn)狀及其應(yīng)用產(chǎn)品設(shè)計是決定產(chǎn)品外形和產(chǎn)品功能，同時也是決定產(chǎn)品質(zhì)量最重要的環(huán)節(jié)，產(chǎn)品的設(shè)計工作對產(chǎn)品的成本也起到至關(guān)重要的作用。隨著計算機的不斷發(fā)展，CAD技術(shù)即計算機輔助設(shè)計已成為設(shè)計人員不可缺少的工具。CAD技術(shù)正從二維CAD向三維CAD過渡。三維

2、設(shè)計軟件具有工程及產(chǎn)品的分析計算、幾何建模、仿真與試驗、繪制圖形，工程數(shù)據(jù)庫的管理，生成設(shè)計文件等功能。三維CAD技術(shù)誕生以來，已廣泛地應(yīng)用于機械、電子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等領(lǐng)域，產(chǎn)品的設(shè)計效率得以迅速提高。我國CAD技術(shù)的研究、開發(fā)和推廣已取得較大進展，產(chǎn)品設(shè)計已全面完成二維CAD技術(shù)的普及，結(jié)束了手工繪圖的歷史，對減輕人工勞動強度、提高經(jīng)濟效益起到了明顯的作用。有相當(dāng)一部分CAD應(yīng)用較早的企業(yè)已完成了從二維CAD向三維CAD轉(zhuǎn)換，并取得了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。隨著市場經(jīng)濟的逐步深入，市場競爭日趨激烈，加強自身的設(shè)計能力是提高企業(yè)對市場變化和小批量、多品種要求的迅速響應(yīng)能力

3、的關(guān)鍵。2三維設(shè)計軟件的優(yōu)勢2.1 CAD技術(shù)應(yīng)用在機械設(shè)計的多個方面2.1.1零件的實體建模設(shè)計軟件為三維建模提供了多種工具，包括最基本的幾何造型如球體、圓柱等，對簡單的零件，可通過對其結(jié)構(gòu)進行分析，將其分解成若干基本體，對基本體進行三維實體造型，之后再對其進行交、并、差等布爾運算，便可得出零件的三維實體模型。對于較復(fù)雜的圖形，軟件提供了草圖工具，設(shè)計人員可以通過它先勾勒出截面，再拉伸出較復(fù)雜的幾何形體。為了滿足人們不斷提高的審美要求，目前主要流行的幾款三維設(shè)計軟件基本上都提供面片模塊，該模塊為設(shè)計人員提供了非常方便的曲面設(shè)計工具。對于具有大塊曲面的零件，設(shè)計師可以方便地對單個面或片體進行變

4、形處理，以達到需要的曲面。2.1.2產(chǎn)品造型修改簡便企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品往往是按系列區(qū)分，各系列中每一代產(chǎn)品與上一代產(chǎn)品之間的區(qū)別較小，也許只是增加了一個功能部件或是產(chǎn)品造型尺寸上有所改動。三維CAD可以方便地修改一些參數(shù)就能達到設(shè)計師更改造型的目的。三維CAD在建模中一般使用參數(shù)化建模，整個建模的步驟和產(chǎn)品的外型尺寸被參數(shù)化，這些參數(shù)是與產(chǎn)品的造型直接關(guān)聯(lián)的。若要對尺寸或造型進行局部的更改，只需要更改相關(guān)參數(shù)，整個造型將被自動更新。這樣不僅大大減少了設(shè)計人員的工作量，還保證了產(chǎn)品外造型的延續(xù)性。2.1.3生成實體裝配圖實體裝配不僅能讓設(shè)計人員直觀地看到各零件裝配后的狀態(tài)，還可以測量各零件之間的空間

5、大小，方便零件的布置。在裝配完成后，零件可以被隱藏或設(shè)置成半透明的狀態(tài)，方便設(shè)計人員觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)。此外，在裝配狀態(tài)下，軟件提供的標(biāo)準件庫，也方便了設(shè)計人員對標(biāo)準件型號的選擇。裝配狀態(tài)下的干涉分析也是常用的功能，計算機通過計算各裝配零件的體積的大小和位置來確定是否有相交的部分，并確定各零件是否干涉，自動生成分析報告，明確指出互相干涉零件的名稱和干涉的尺寸。方便設(shè)計師修改產(chǎn)品設(shè)計尺寸。2.2模具CAD/CAM的集成制造隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，為了減輕人工勞動強度，提高產(chǎn)品的精度，制造行業(yè)裝備從普通機床逐步到數(shù)控機床和加工中心，同時，模具CAD/CAM技術(shù)、模具激光快速成型技術(shù)（RPM）等，幾乎應(yīng)用

6、到整個制造行業(yè)。這些數(shù)控加工裝備基本都具有與各三維設(shè)計軟件的接口。當(dāng)產(chǎn)品模型在三維CAD軟件中完成后，再由CAD軟件模擬出加工刀具路徑，隨后生成數(shù)控語言，通過接口輸入數(shù)控設(shè)備中，再由數(shù)控設(shè)備按照模擬出的加工路徑加工產(chǎn)品。2.3機械CAE功能應(yīng)用CAE是三維CAD軟件的重要模塊，CAE功能包括工程數(shù)值分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、強度設(shè)計評價與壽命預(yù)估、動力學(xué)、運動學(xué)仿真等。CAD技術(shù)在建模模塊完成產(chǎn)品造型后，才能由CAE模塊針對設(shè)計的合理性、強度、剛度、壽命、材料、結(jié)構(gòu)合理性、運動特性、干涉、碰撞問題和動態(tài)特性進行分析。CAE技術(shù)在我國也得到了廣泛應(yīng)用，以汽車制造業(yè)為例，國內(nèi)多家主車廠和汽車設(shè)計公司在使

7、用三維CAD軟件完成新車型的設(shè)計后，進行CAE分析，如干涉檢查、鈑金成型分析、塑料件拔模角分析、車身強度剛度的測試，在車窗、車門、雨刮器等運動部件上廣泛采用CAE模塊中的運動仿真功能，計算出零件的運動軌跡，以及零部件在運動中的狀態(tài)，為設(shè)計人員提供直觀的參考。這些分析工作大大提高了新車型的可靠度，縮短了新車型的開發(fā)周期，減少了返工，節(jié)約了研發(fā)成本。采用三維CAD技術(shù)，機械設(shè)計時間縮短了近1/3。同時，三維CAD系統(tǒng)具有高度變型設(shè)計能力，能通過快速重構(gòu)，得到一種全新的機械產(chǎn)品，大大提高了工作效率。3三維設(shè)計軟件在我國的應(yīng)用趨勢及存在的問題3.1三維設(shè)計軟件在我國應(yīng)用趨勢在過去的10多年間我國一直是

8、生產(chǎn)大國，然而生產(chǎn)環(huán)節(jié)是整個經(jīng)濟過程中耗費最多、污染最多、利潤相對較小的一個環(huán)節(jié)。隨著中國制造行業(yè)的不斷壯大，越來越多的產(chǎn)品要從中國制造轉(zhuǎn)向中國創(chuàng)造，不斷增強我國企業(yè)在國際市場上的競爭力。借助各種計算機設(shè)計工具，是提高我國創(chuàng)造能力的重要方法?，F(xiàn)代裝備制造業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般是由多個部件組成的大型設(shè)備。因而這樣的設(shè)計不再是為了生產(chǎn)某一個零部件，而要考慮到產(chǎn)品整體的造型和結(jié)構(gòu)，僅憑二維設(shè)計技術(shù)是不夠的，三維必不可少。先進的設(shè)計能力才能產(chǎn)生先進的制造企業(yè)。從長遠看，從二維到三維是設(shè)計軟件一個不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。充分挖掘三維設(shè)計軟件中的功能，把這些功能應(yīng)用到實際設(shè)計中，并作為生產(chǎn)加工的依據(jù)，是我國制造業(yè)

9、發(fā)展的必由之路。3.2我國三維設(shè)計軟件在應(yīng)用中的問題我國三維設(shè)計軟件的應(yīng)用始于20世紀80年代，發(fā)展迅速，已取得了良好的經(jīng)濟效益。少數(shù)大型企業(yè)，如一汽、二汽等，已經(jīng)建立起比較完整的三維CAD設(shè)計和制造系統(tǒng)，其應(yīng)用水平也接近國際先進水平。許多中小企業(yè)也運用了三維CAD技術(shù)，在保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動效率等方面取得了顯著的經(jīng)濟效益。但總的來說，國內(nèi)在三維機械設(shè)計軟件應(yīng)用的深度和廣度方面與國外先進水平相比還有很大差距。主要原因在于：3.2.1未能真正實現(xiàn)輔助設(shè)計很多使用企業(yè)并未實現(xiàn)真正的輔助設(shè)計，目前很多單位用CAD軟件可以做出三維模型，但僅僅是為了做三維效果圖，并未真正實現(xiàn)運用三維CAD軟件進行整體

10、空間設(shè)計和受力分析，還停留在平面圖設(shè)計方面。他們只是做到用計算機出圖，只停留在這個階段，就失去了其應(yīng)有的作用，因為CAD是輔助設(shè)計，不是輔助繪圖。特別是三維CAD軟件中的CAE功能在各企業(yè)間應(yīng)用得就更少了。以汽車行業(yè)為例，雖然現(xiàn)在汽車企業(yè)普遍認識到，CAE功能可以進行產(chǎn)品的性能與安全可靠性分析，并對產(chǎn)品未來的工作狀態(tài)和運行行為進行虛擬運行模擬，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。但對于如何有效開展CAE的工作就沒有明確的認識。首先，汽車行業(yè)相關(guān)企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)層要充分認識CAE的作用和難度，再次企業(yè)還要努力建立自己的CAE分析標(biāo)準。目前，我國汽車CAE應(yīng)用中的最大問題就在于我們的企業(yè)沒有自己的標(biāo)準或者標(biāo)

11、準不完善，換句話說，就算做了CAE分析，也無法有效地評價分析結(jié)果。標(biāo)準的解決途徑有2個：一是自己通過試驗和仿真相互校核，建立相關(guān)產(chǎn)品的評價標(biāo)準；二是利用相關(guān)行業(yè)已有的經(jīng)驗來輔助建立自己的CAE分析標(biāo)準。由此可見，CAE分析標(biāo)準的建立相當(dāng)不易，需要做大量的工作，并且要結(jié)合試驗結(jié)果。然而，這個過程是必須要建立的。3.2.2精通CAD技術(shù)的設(shè)計人員缺乏三維CAD系統(tǒng)是一個復(fù)雜、多樣的系統(tǒng)，并不是每個設(shè)計人員都能很好地掌握，更何況大部分設(shè)計人員并沒有接受過CAD的應(yīng)用培訓(xùn)，對CAD的多數(shù)功能知之甚少，他們完成的設(shè)計很可能就存在一些缺陷。世界著名的汽車制造商福特、通用、戴姆勒-克萊斯勒等企業(yè)之所以CAD

12、/CAM技術(shù)應(yīng)用得好，是因為得益于幾十年來一直大力開展CAD/CAM應(yīng)用而積淀下來的寶貴經(jīng)驗以及培養(yǎng)出了一支高水平的技術(shù)隊伍?，F(xiàn)在國內(nèi)既懂計算機軟、硬件，又有豐富專業(yè)知識的人才匱乏，而這恰是企業(yè)最為寶貴的財富。為了留住人才，各企業(yè)也做出了很大的努力，但整個行業(yè)還是缺乏培養(yǎng)人才的氛圍，部分企業(yè)還是沒有意識到自己培養(yǎng)出的人才比在市場上招聘的人才更了解自己的企業(yè)，也是企業(yè)發(fā)展的中堅力量。改變這一點還需要付出大量的努力，需要經(jīng)歷一個長期的過程。4 CAD前沿技術(shù)計算機輔助設(shè)計軟件已經(jīng)給人們的設(shè)計工作提供了很大的便利，但其自身仍在不斷的完善之中，同時也在向著以下幾個方向發(fā)展：4.1圖形交互技術(shù)一個直觀的

13、、智能化的工作界面可以開拓設(shè)計師的思路，解放大腦，讓他把精力集中到創(chuàng)造性的工作中。CAD軟件是產(chǎn)品創(chuàng)新的工具，務(wù)求易學(xué)好用，復(fù)雜的功能操作簡單，簡單的功能能夠?qū)崿F(xiàn)自動化。因此，智能化圖標(biāo)菜單、實時生成的造型、動態(tài)提示指引等一系列人性化的功能，為設(shè)計師提供了方便。此外，觸摸輸入法草圖識別、語言識別和特征手勢建模等新技術(shù)也正在研究之中。4.2智能CAD技術(shù)隨著人們一定程度上掌握創(chuàng)造性活動的規(guī)律，逐漸對計算機輔助設(shè)計軟件提出智能化需求。設(shè)計是一個含有高度智能的人類創(chuàng)造性活動，智能CAD/CAM是發(fā)展的必然方向。智能設(shè)計在運用知識化、信息化的基礎(chǔ)上，建立基于知識的設(shè)計倉庫，及時準確地向設(shè)計師提供產(chǎn)品開

14、發(fā)所需的知識和幫助，智能地支持設(shè)計人員，同時捕獲和理解設(shè)計人員意圖、自動檢測失誤，回答問題、提出建議方案等。并具有推理功能，使設(shè)計新手也能做出好的設(shè)計來。現(xiàn)代設(shè)計的核心是創(chuàng)新設(shè)計，人們正試圖把創(chuàng)新技法和人工智能技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到CAD技術(shù)中，用智能設(shè)計、智能制造系統(tǒng)去創(chuàng)造性指導(dǎo)解決新產(chǎn)品、新工程和新系統(tǒng)的設(shè)計制造，這樣才能使我們的產(chǎn)品、工程和系統(tǒng)有創(chuàng)造性。4.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在CAD中已開始應(yīng)用，設(shè)計人員在虛擬世界中創(chuàng)造新產(chǎn)品，可以從人機工程學(xué)角度檢查設(shè)計效果，可直接操作模擬對象，檢驗操作是否舒適、方便，及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)空間布局中的干涉和運動機構(gòu)的碰撞等問題，及早看到新產(chǎn)品的外形，從多方面評價所設(shè)計的產(chǎn)品。虛擬產(chǎn)品建模就是指建立產(chǎn)品虛擬原理或虛擬樣機的過程。虛擬制造用虛擬原型取代物理原型進行加工、測試、仿真和分析，以評價其性能，可制造性、可裝配性、可維護性和成本、外觀等，基于虛擬樣機的試驗仿真分析，可以在真實產(chǎn)品制造之前發(fā)現(xiàn)并解決問題，從而降低產(chǎn)品成本。虛擬制造、虛擬工廠、動態(tài)企業(yè)聯(lián)盟將成為CAD技術(shù)在電子商務(wù)時代繼續(xù)發(fā)展的一個重要方向。另外，隨著協(xié)同技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、概念設(shè)計面向產(chǎn)品的整個生命周期設(shè)計理論和技術(shù)的成熟和發(fā)展，利用基于網(wǎng)絡(luò)CA