計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)論文：計(jì)算機(jī)三維輔助軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)論文：計(jì)算機(jī)三維輔助軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用摘要：介紹了三維CAD在機(jī)械設(shè)計(jì)中的顯著優(yōu)勢(shì)，并對(duì)目前國(guó)內(nèi)企業(yè)機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程三維CAD系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀和存在問(wèn)題進(jìn)行了分析。從產(chǎn)品開發(fā)的實(shí)際需求和產(chǎn)品特點(diǎn)與軟件功能出發(fā)，對(duì)企業(yè)應(yīng)用三維CAD過(guò)程提出了改進(jìn)方案，最后介紹了三維CAD技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：三維CAD；機(jī)械設(shè)計(jì)；應(yīng)用1三維設(shè)計(jì)軟件現(xiàn)狀及其應(yīng)用產(chǎn)品設(shè)計(jì)是決定產(chǎn)品外形和產(chǎn)品功能，同時(shí)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(jì)工作對(duì)產(chǎn)品的成本也起到至關(guān)重要的作用。隨著計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，CAD技術(shù)即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已成為設(shè)計(jì)人員不可缺少的工具。CAD技術(shù)正從二維CAD向三維CAD過(guò)渡。三維

2、設(shè)計(jì)軟件具有工程及產(chǎn)品的分析計(jì)算、幾何建模、仿真與試驗(yàn)、繪制圖形，工程數(shù)據(jù)庫(kù)的管理，生成設(shè)計(jì)文件等功能。三維CAD技術(shù)誕生以來(lái)，已廣泛地應(yīng)用于機(jī)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(jì)效率得以迅速提高。我國(guó)CAD技術(shù)的研究、開發(fā)和推廣已取得較大進(jìn)展，產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(duì)減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度、提高經(jīng)濟(jì)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(jì)效益和社會(huì)效益。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的逐步深入，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，加強(qiáng)自身的設(shè)計(jì)能力是提高企業(yè)對(duì)市場(chǎng)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(jì)軟件的優(yōu)勢(shì)2.1 CAD技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)的多個(gè)方面2.1.1零件的實(shí)體建模設(shè)計(jì)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(duì)簡(jiǎn)單的零件，可通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，將其分解成若干基本體，對(duì)基本體進(jìn)行三維實(shí)體造型，之后再對(duì)其進(jìn)行交、并、差等布爾運(yùn)算，便可得出零件的三維實(shí)體模型。對(duì)于較復(fù)雜的圖形，軟件提供了草圖工具，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)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(jì)軟件基本上都提供面片模塊，該模塊為設(shè)計(jì)人員提供了非常方便的曲面設(shè)計(jì)工具。對(duì)于具有大塊曲面的零件，設(shè)計(jì)師可以方便地對(duì)單個(gè)面或片體進(jìn)行變

4、形處理，以達(dá)到需要的曲面。2.1.2產(chǎn)品造型修改簡(jiǎn)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(gè)功能部件或是產(chǎn)品造型尺寸上有所改動(dòng)。三維CAD可以方便地修改一些參數(shù)就能達(dá)到設(shè)計(jì)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(gè)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(duì)尺寸或造型進(jìn)行局部的更改，只需要更改相關(guān)參數(shù)，整個(gè)造型將被自動(dòng)更新。這樣不僅大大減少了設(shè)計(jì)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(shí)體裝配圖實(shí)體裝配不僅能讓設(shè)計(jì)人員直觀地看到各零件裝配后的狀態(tài)，還可以測(cè)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(jì)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(zhǔn)件庫(kù)，也方便了設(shè)計(jì)人員對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件型號(hào)的選擇。裝配狀態(tài)下的干涉分析也是常用的功能，計(jì)算機(jī)通過(guò)計(jì)算各裝配零件的體積的大小和位置來(lái)確定是否有相交的部分，并確定各零件是否干涉，自動(dòng)生成分析報(bào)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(jì)師修改產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品的精度，制造行業(yè)裝備從普通機(jī)床逐步到數(shù)控機(jī)床和加工中心，同時(shí)，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(gè)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(jì)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(yǔ)言，通過(guò)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(jī)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(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)與壽命預(yù)估、動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)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(duì)設(shè)計(jì)的合理性、強(qiáng)度、剛度、壽命、材料、結(jié)構(gòu)合理性、運(yùn)動(dòng)特性、干涉、碰撞問(wèn)題和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。CAE技術(shù)在我國(guó)也得到了廣泛應(yīng)用，以汽車制造業(yè)為例，國(guó)內(nèi)多家主車廠和汽車設(shè)計(jì)公司在使

7、用三維CAD軟件完成新車型的設(shè)計(jì)后，進(jìn)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(qiáng)度剛度的測(cè)試，在車窗、車門、雨刮器等運(yùn)動(dòng)部件上廣泛采用CAE模塊中的運(yùn)動(dòng)仿真功能，計(jì)算出零件的運(yùn)動(dòng)軌跡，以及零部件在運(yùn)動(dòng)中的狀態(tài)，為設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)間縮短了近1/3。同時(shí)，三維CAD系統(tǒng)具有高度變型設(shè)計(jì)能力，能通過(guò)快速重構(gòu)，得到一種全新的機(jī)械產(chǎn)品，大大提高了工作效率。3三維設(shè)計(jì)軟件在我國(guó)的應(yīng)用趨勢(shì)及存在的問(wèn)題3.1三維設(shè)計(jì)軟件在我國(guó)應(yīng)用趨勢(shì)在過(guò)去的10多年間我國(guó)一直是

8、生產(chǎn)大國(guó)，然而生產(chǎn)環(huán)節(jié)是整個(gè)經(jīng)濟(jì)過(guò)程中耗費(fèi)最多、污染最多、利潤(rùn)相對(duì)較小的一個(gè)環(huán)節(jié)。隨著中國(guó)制造行業(yè)的不斷壯大，越來(lái)越多的產(chǎn)品要從中國(guó)制造轉(zhuǎn)向中國(guó)創(chuàng)造，不斷增強(qiáng)我國(guó)企業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。借助各種計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)工具，是提高我國(guó)創(chuàng)造能力的重要方法。現(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(gè)部件組成的大型設(shè)備。因而這樣的設(shè)計(jì)不再是為了生產(chǎn)某一個(gè)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(jì)技術(shù)是不夠的，三維必不可少。先進(jìn)的設(shè)計(jì)能力才能產(chǎn)生先進(jìn)的制造企業(yè)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，從二維到三維是設(shè)計(jì)軟件一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。充分挖掘三維設(shè)計(jì)軟件中的功能，把這些功能應(yīng)用到實(shí)際設(shè)計(jì)中，并作為生產(chǎn)加工的依據(jù)，是我國(guó)制造業(yè)

9、發(fā)展的必由之路。3.2我國(guó)三維設(shè)計(jì)軟件在應(yīng)用中的問(wèn)題我國(guó)三維設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代，發(fā)展迅速，已取得了良好的經(jīng)濟(jì)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(jì)和制造系統(tǒng)，其應(yīng)用水平也接近國(guó)際先進(jìn)水平。許多中小企業(yè)也運(yùn)用了三維CAD技術(shù)，在保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)效率等方面取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。但總的來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)在三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用的深度和廣度方面與國(guó)外先進(jìn)水平相比還有很大差距。主要原因在于：3.2.1未能真正實(shí)現(xiàn)輔助設(shè)計(jì)很多使用企業(yè)并未實(shí)現(xiàn)真正的輔助設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)運(yùn)用三維CAD軟件進(jìn)行整體

10、空間設(shè)計(jì)和受力分析，還停留在平面圖設(shè)計(jì)方面。他們只是做到用計(jì)算機(jī)出圖，只停留在這個(gè)階段，就失去了其應(yīng)有的作用，因?yàn)镃AD是輔助設(shè)計(jì)，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(rèn)識(shí)到，CAE功能可以進(jìn)行產(chǎn)品的性能與安全可靠性分析，并對(duì)產(chǎn)品未來(lái)的工作狀態(tài)和運(yùn)行行為進(jìn)行虛擬運(yùn)行模擬，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。但對(duì)于如何有效開展CAE的工作就沒(méi)有明確的認(rèn)識(shí)。首先，汽車行業(yè)相關(guān)企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)層要充分認(rèn)識(shí)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(zhǔn)。目前，我國(guó)汽車CAE應(yīng)用中的最大問(wèn)題就在于我們的企業(yè)沒(méi)有自己的標(biāo)準(zhǔn)或者標(biāo)

11、準(zhǔn)不完善，換句話說(shuō)，就算做了CAE分析，也無(wú)法有效地評(píng)價(jià)分析結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)的解決途徑有2個(gè)：一是自己通過(guò)試驗(yàn)和仿真相互校核，建立相關(guān)產(chǎn)品的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；二是利用相關(guān)行業(yè)已有的經(jīng)驗(yàn)來(lái)輔助建立自己的CAE分析標(biāo)準(zhǔn)。由此可見，CAE分析標(biāo)準(zhǔn)的建立相當(dāng)不易，需要做大量的工作，并且要結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果。然而，這個(gè)過(guò)程是必須要建立的。3.2.2精通CAD技術(shù)的設(shè)計(jì)人員缺乏三維CAD系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜、多樣的系統(tǒng)，并不是每個(gè)設(shè)計(jì)人員都能很好地掌握，更何況大部分設(shè)計(jì)人員并沒(méi)有接受過(guò)CAD的應(yīng)用培訓(xùn)，對(duì)CAD的多數(shù)功能知之甚少，他們完成的設(shè)計(jì)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?yàn)榈靡嬗趲资陙?lái)一直大力開展CAD/CAM應(yīng)用而積淀下來(lái)的寶貴經(jīng)驗(yàn)以及培養(yǎng)出了一支高水平的技術(shù)隊(duì)伍?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)既懂計(jì)算機(jī)軟、硬件，又有豐富專業(yè)知識(shí)的人才匱乏，而這恰是企業(yè)最為寶貴的財(cái)富。為了留住人才，各企業(yè)也做出了很大的努力，但整個(gè)行業(yè)還是缺乏培養(yǎng)人才的氛圍，部分企業(yè)還是沒(méi)有意識(shí)到自己培養(yǎng)出的人才比在市場(chǎng)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(jiān)力量。改變這一點(diǎn)還需要付出大量的努力，需要經(jīng)歷一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。4 CAD前沿技術(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件已經(jīng)給人們的設(shè)計(jì)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(shí)也在向著以下幾個(gè)方向發(fā)展：4.1圖形交互技術(shù)一個(gè)直觀的

13、、智能化的工作界面可以開拓設(shè)計(jì)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(jiǎn)單，簡(jiǎn)單的功能能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化。因此，智能化圖標(biāo)菜單、實(shí)時(shí)生成的造型、動(dòng)態(tài)提示指引等一系列人性化的功能，為設(shè)計(jì)師提供了方便。此外，觸摸輸入法草圖識(shí)別、語(yǔ)言識(shí)別和特征手勢(shì)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(dòng)的規(guī)律，逐漸對(duì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件提出智能化需求。設(shè)計(jì)是一個(gè)含有高度智能的人類創(chuàng)造性活動(dòng)，智能CAD/CAM是發(fā)展的必然方向。智能設(shè)計(jì)在運(yùn)用知識(shí)化、信息化的基礎(chǔ)上，建立基于知識(shí)的設(shè)計(jì)倉(cāng)庫(kù)，及時(shí)準(zhǔn)確地向設(shè)計(jì)師提供產(chǎn)品開

14、發(fā)所需的知識(shí)和幫助，智能地支持設(shè)計(jì)人員，同時(shí)捕獲和理解設(shè)計(jì)人員意圖、自動(dòng)檢測(cè)失誤，回答問(wèn)題、提出建議方案等。并具有推理功能，使設(shè)計(jì)新手也能做出好的設(shè)計(jì)來(lái)。現(xiàn)代設(shè)計(jì)的核心是創(chuàng)新設(shè)計(jì)，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(jì)、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(jì)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(shí)技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在CAD中已開始應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員在虛擬世界中創(chuàng)造新產(chǎn)品，可以從人機(jī)工程學(xué)角度檢查設(shè)計(jì)效果，可直接操作模擬對(duì)象，檢驗(yàn)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(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的碰撞等問(wèn)題，及早看到新產(chǎn)品的外形，從多方面評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)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(jī)的過(guò)程。虛擬制造用虛擬原型取代物理原型進(jìn)行加工、測(cè)試、仿真和分析，以評(píng)價(jià)其性能，可制造性、可裝配性、可維護(hù)性和成本、外觀等，基于虛擬樣機(jī)的試驗(yàn)仿真分析，可以在真實(shí)產(chǎn)品制造之前發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，從而降低產(chǎn)品成本。虛擬制造、虛擬工廠、動(dòng)態(tài)企業(yè)聯(lián)盟將成為CAD技術(shù)在電子商務(wù)時(shí)代繼續(xù)發(fā)展的一個(gè)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(jì)面向產(chǎn)品的整個(gè)生命周期設(shè)計(jì)理論和技術(shù)的成熟和發(fā)展，利用基于網(wǎng)絡(luò)CA