CAD技術在機械制造領域的應用分析

PAGE10PAGE10CAD技術在機械制造領域的應用分析摘要CAD技術的發(fā)展極大地加快了產品設計的速度，使得產品設計更加高效，并且一定程度上也提高了產品設計的安全性以及對產品的細節(jié)把控也更加詳盡。本文主要從CAD技術在機械設計中的應用展開，首先分析了CAD技術的概念原理以及基本的使用場景，接下來對CAD技術在機械制造中的主要應用進行了分析，提出了將CAD技術和機械制圖結合的重要性，重點說明了CAD技術和其他的計算機輔助設計軟件結合使用的重要性。文章最后通過CAD技術在機械制造中的實際例子進行了介紹。關鍵詞：計算機輔助設計；CAD技術；機械設計制造；應用

目錄TOC\o"1-3"\h\u2512摘要 124770Abstract 220893前言 52665第1章CAD概述 6144881.1CAD技術是什么 6297621.2CAD的技術優(yōu)勢 616080第2章CAD技術在機械制造中的應用 7138072.1零件與裝配圖的生成 776562.2CAD/CAM的模具集成制造 7186682.3機械CAE軟件的應用 8323282.4零件的三維模型繪制與模擬演示 823922第3章CAD技術和機械制圖結合 968883.1機械制圖與機械CAD結合的重要性 919443.2機械制圖與機械CAD有效結合 9288003.2.1原理與技術結合 936573.2.2設計人員自身要求 1015135第4章CAD技術在機械制造中的應用實例 11130544.1機械制造車間工藝流程CAD系統(tǒng) 11239164.1.1CAD模型的存儲 11164954.1.2系統(tǒng)的主要功能 12264144.2CAD與CAE技術結合實例 12244624.2.1氣動機械爪的優(yōu)化設計分析 12237504.2.2優(yōu)化設計的目的 15280384.2.3應用在數(shù)控加工系統(tǒng)中 15122224.2.4CAD技術與數(shù)控加工 1588604.2.5CAD技術是如何應用在數(shù)控加工中的 1663074.3數(shù)控加工生產 1664284.3.1后處理技術以及數(shù)控程序的生成 17175914.3.2CAD技術對數(shù)控車床加工技術系統(tǒng)的影響 17319364.4CAD軟件加工實例研究 177753結論 1811822參考文獻 19

前言CAD是計算機輔助設計的簡稱，它的發(fā)展經歷了如下的幾個階段：最初的準備階段，1952年在一次關于MIT的大會上，首次提出了計算機輔助設計的概念。進入研發(fā)階段，最早是美國的麻省理工大學的博士研究生I.E.Sutherland在1962年發(fā)表了“Sketchpad人機交互圖形系統(tǒng)”的論文，這篇論文是第一次提出了計算機輔助圖形學的概念。提出了交互技術，分層存儲的數(shù)據結構新思想，實現(xiàn)了人機結合的設計方法。技術商品化階段，20世紀70年代，二維技術發(fā)展到三維技術，開發(fā)CAD技術的軟件公司開始層出不窮。高速發(fā)展階段，20世紀80年代開始，CAD技術進入了高速發(fā)展階段。隨著科學技術的迅速發(fā)展，計算機的成本大幅度下降，計算機硬件和軟件的功能在提高的同時價格不升反降。CAD軟件的使用可以極大程度上提高工程師的工作效率，大大較少了設計難度，同時增加了設計的靈活性，因此CAD軟件在機械制造業(yè)中有著舉足輕重的意義。本文主要研究了CAD技術在機械制造中的應用，本文主要對CAD技術的概念進行了簡單的介紹，并針對CAD技術的優(yōu)勢提出了見解。從產品設計中對CAD軟件的使用過程展開，提出了幾點CAD技術的應用過程，有建立零件圖以及最終可以通過裝配實現(xiàn)生成裝配圖，以及CAD技術和CAE技術相結合等方面進行了闡述。主要針對CAD技術和機械制圖的有機結合的方法展開討論。最后闡述了幾個CAD技術的應用實例，如繪制車間工作流程系統(tǒng)、與CAE技術相結合實現(xiàn)更快速的有限元分析以及CAD技術在數(shù)控加工過程的應用等方面。第1章CAD概述1.1CAD技術是什么CAD是三個英文首字母的縮寫，一些人理解的CAD就是簡單的平面制圖，實際上CAD也包括三維制圖，就是可以通過計算機來實現(xiàn)對于圖形的輔助設計操作。使用CAD軟件可以大大提高在工程設計中的效率，同時CAD軟件還可以和很多不同的計算機仿真軟件進行結合從而實現(xiàn)一體化的設計。1.2CAD的技術優(yōu)勢（1）輔助設計機械設計的最初階段都是沒有各種輔助設備，工程師都是要通過在腦海中進行構思來設計圖的，因此那個時候作為工程師是需要很高的三維思維能力以及基礎的專業(yè)知識的，但是隨著各種輔助技術的發(fā)展，工程師的門檻變的很低。機械工程師可以通過計算機輔助軟件進行圖紙的繪制，設計機械產品，同時，許多工程師也利用三維CAD技術建模，展示出零件的實體形狀，輔助工程師進行設計，為工程師提供更多想象空間，促進思維能力的提升。除此之外，CAD技術相比傳統(tǒng)的繪圖技術在速度以及準確性上的優(yōu)勢是非常明顯的，可以極大程度上減少時間上的浪費，提高產品的設計質量。（2）方便修改傳統(tǒng)的機械設計中，繪圖是通過人手進行的，也就是說繪制的周期以及對出現(xiàn)錯誤的修改都是非常麻煩的，但是如果可以通過計算機輔助設計，對圖形進行修改就可以做到快速、方便、無消耗等優(yōu)勢，相對于傳統(tǒng)的機械繪圖的優(yōu)勢是巨大的。第2章CAD技術在機械制造中的應用2.1零件與裝配圖的生成CAD軟件可以實現(xiàn)實體建模，一般來說，CAD軟件是有三種建模的方法：線框模型、實體模型和表面模型。很多主攻二維設計的軟件也是可以進行三維圖形的繪制的，比如在AutoCAD軟件中就可以對很多的簡單實體進行繪制，如簡單的立方體、圓錐體以及球體等。通過簡單圖形的排列組合可以組合出各種想要的圖形結構，如布爾求和，球差等運算，通過這些基礎的操作我們就可以得到想要的三維圖形了。在機械設計中通常對于一些復雜的圖形是很難通過簡單地進行布爾運算直接得到最終的實體的，而是通過不斷的細分成一個個更小的零件，通過小的零件進行組合成實體，這些小的零件可以稱之為基實體，通過基實體的不斷組合就可以最終得到我們想要的三維實體，也就是工程上的實體，這個過程簡答的說就是實體的裝配過程。也是可以通過CAD軟件進行實現(xiàn)的。2.2CAD/CAM的模具集成制造隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，我國的計算機仿真的水平也得到了很大的提升。在繪制圖紙方面發(fā)展從手繪到了如今的CAD、CAM、CAE技術，機械制造行業(yè)隨著這些技術的發(fā)展也得到了迅速的提升。在仿真領域也逐漸發(fā)展到了機電一體化仿真。同時，模具的CAD/CAM技術、模具激光快速成型技術（RPM）等，完全覆蓋了現(xiàn)代整個制造技術。由多個功能模塊組成的完整的CAD/CAM軟件系統(tǒng)，如圖形編輯、三維繪圖、曲面造型、數(shù)控加工、仿真模擬、動態(tài)顯示、有限元分析等。這些模塊以工程數(shù)據庫為基礎，進行統(tǒng)一管理。2.3機械CAE軟件的應用目前市面上主流的CAE軟件有很多，CAE軟件的主要功能是對結構機械進行優(yōu)化設計，一般是可以和CAD軟件結合起來使用的，使用CAD軟件進行三維圖的建模，然后再將建模好的圖形導入到CAE軟件中使用，可以很好直接在CAE軟件中建模操作。CAE軟件的主要功能也是在于結構上的優(yōu)化，工程上的數(shù)值分析，以及可以實現(xiàn)各種運動學上的仿真操作。同時CAD技術在造型問題解決后，才能由CAE解決設計的強度、剛度、壽命、材料、結構合理性、運動特性、干涉、碰撞問題和動態(tài)特性等。2.4零件的三維模型繪制與模擬演示三維實體圖形在CAD制造中有十分重大的意義，通過實體建?？梢宰屇切┛床欢S草圖的人直接可以看明白我們繪制的圖形的意義何在。對于三維圖形的演示使得機械設計的最終呈現(xiàn)結果可以跨行業(yè)進行交流。在傳統(tǒng)的機械設計中，實現(xiàn)簡單的演示操作是很難的，但是實現(xiàn)了三維圖的繪制之后一切都會變得很簡答。

第3章CAD技術和機械制圖結合3.1機械制圖與機械CAD結合的重要性在機械制造領域中，機械制作圖作為一種重要的語言方式，高精度的機械制作圖具有很強的作用價值，設計人員根據機械機構、尺寸、運行原理制圖，再結合機械CAD技術，提高繪圖的效率性，降低誤差，最大程度上確保圖樣的質量與品質。對于機械制造行業(yè)的從業(yè)人員來說，機械制圖屬于基礎功底。繪制機械制作圖需要注意幾點：一是設計人員在了解其運行原理的前提下，必須對機械物體的結構、尺寸做精準的測量。如果對實物測量不準確，不僅影響整個設計效果，而且很大可能上影響機械制造的進程。二是在繪制圖樣之前，相關操作人員必須熟練掌握繪圖工具的技巧與技能，有利提高工作效率和積極性。由此把機械制造圖與機械CAD相聯(lián)結，既可以優(yōu)化整個繪圖流程，還可以提供技術人員的工作效率，進行促進技術人員的工作積極性，提高圖樣的精準度，促進機械制造行業(yè)的水平，充分展示圖樣的作用和價值。3.2機械制圖與機械CAD有效結合3.2.1原理與技術結合機械制造需要嚴謹?shù)臄?shù)據才能正常制作運轉，這意味著繪制機械制圖是一項繁瑣而復雜的工作。尤其是機械CAD技術中，涵蓋著大量的手工繪圖知識與技巧。也就是說，技術人員必須深刻理解并掌握繪圖的原理、繪圖園林、投影變化理論知識等，但僅有這些理論知識是遠遠不夠的，還需要相關從業(yè)技術人員發(fā)揮自己的空間想象能力與思維能力，按照機械特征，選擇合適的繪圖方式，以此提高繪制圖樣的效率和品質。機械制造圖原理和機械CAD技術的有效結合，從事人員需要熟練掌握CAD技能，提高對復雜圖形的處理能力，從而從整體上提高實力水平，最終達到促進整個機械制造行業(yè)制造水平的目的。3.2.2設計人員自身要求目前，在機械繪制行業(yè)中，機械制造繪圖主要依賴于手工繪圖，因此，重視設計人員的自身繪圖功底是至關重要的，一個優(yōu)秀高級的機械技術人員，擁有繪圖原理知識是基本，還應當具備較強的空間是想象能力與思維能力，數(shù)據分析處理能力等。此外，從本質上來說，使用CAD技術是應用計算機的過程，所以技術人員還應當提高計算機運用水平，尤其是在實際的CAD技術軟件的使用技能上，突破傳統(tǒng)的繪圖理念，在一定的過程中，摒棄傳統(tǒng)的鉛筆手工繪制，充分發(fā)揮計算機水平的高效性與繪圖的精準性，使自己最大程度上適應計算機的使用，由此提高繪制圖樣的效率與準確性。通過CAD繪圖軟件的輔助，可以有效的將圖紙轉換為二、三維圖樣，所以，在聯(lián)合機械制作圖與機械CAD技術過程中，應該在遵守機械制作圖原則的大前提下，再對制作圖進行優(yōu)化處理。

第4章CAD技術在機械制造中的應用實例4.1機械制造車間工藝流程CAD系統(tǒng)目前的車間系統(tǒng)的管理存在很多問題，尤其是在于對其模型化的研究不足的問題，針對這些問題可以使用CAD模型的方法進行描述。在機械產品的設計制造的過程中，通常是包含著多個不同的工序的，不同的工序有的內容多，有的內容少，并且不同的工序之間的關系也是不同的，有的是并行關系，有的則是串行關系。對于機械設計制造過程而言，工藝流程就是非常重要的組成部分，同時也是將復雜的問題簡單化的重要渠道。圖1機械制造工業(yè)的cad模型4.1.1CAD模型的存儲對于一個CAD系統(tǒng)中，由于對工藝流程的相應程度普遍來說的要求都是比較高的，所以這就要求這個CAD系統(tǒng)中要包含大量的信息，來進行輔助設計。一般來說對于一個CAD系統(tǒng)的整體數(shù)據進行集中的存儲會采取以下方案。系統(tǒng)是基于CNET中面對對象的設計思路的，首先是要定義一個接口，這個接口中包含著大量的信息，有ITEMCOILR等，定義了工序節(jié)點、連接節(jié)點以及不同的IPaintItem接口。因此工藝流程圖就可以通過泛函的集合來進行表示。通過數(shù)據表來建立不同的數(shù)量關系。其中就包括有工序信息表、檢驗信息表以及不良記錄信息表等?；谏鲜龅腃AD模型庫的方法就可以建立一個完整的CAD存儲系統(tǒng)，建立起從產品到工藝流程圖再到工序最后到工序的相關信息的一種數(shù)據讀取模式。4.1.2系統(tǒng)的主要功能車間工藝流程CAD系統(tǒng)主要就是可以實現(xiàn)車間工藝流程的可視化，通過可視化可以將整個工藝流程變得更加簡單易行，所以我們通過CAD的簡潔性以及可拓展性實現(xiàn)主體的可視化。4.2CAD與CAE技術結合實例通過CAD軟件建立一個工業(yè)平行氣爪的三維模型，主要是分析氣爪在收到一定的壓力的時候，呈現(xiàn)出的應力應變情況，通過CAE軟件的分析來對其結構進行優(yōu)化設計。本次結合實例是進行工業(yè)平行氣爪的優(yōu)化設計，通過CAE軟件的分析，得出可以進行結構性優(yōu)化的地方，實現(xiàn)優(yōu)化的目的。4.2.1氣動機械爪的優(yōu)化設計分析（1）有限元優(yōu)化分析的目的在設計中由于很多的部件都是由不同的零件進行組合優(yōu)化構成的。所以在設計的過程中為了達到更好的使用效果，進一步減少使用的材料就需要對整體結構進行優(yōu)化設計。其中應力分析是優(yōu)化設計過程中非常重要的一個部分。在某些應力集中的部位進行材料的加強以及在某些沒有必要的結構上節(jié)省材料。（2）優(yōu)化設計的方案使用ANSYS軟件進行力學分析，根據實際的工作需要選取合適的有限元分析。來達到目的。其中對于本次設計的使用材料選擇的是鋁合金材料。使用solidworks對三維圖進行繪制后將文件導入有限元分析軟件ANSYS中。（1）將設計好的部分進行有限元的網格劃分：網格劃分是有限元分析中的十分關鍵的部分，本次設計采用的是四面體的劃分網格的方法。劃分好網格后可以得到下圖：圖2手抓模型網格劃分圖（2）施加約束條件：本次設計的寬闊氣動機械手的有限元分析的約束條件，由于其上部的法蘭盤是固定的，使用的是8個螺孔進行固定。雙夾板是采用摩擦力對工件進行固定操作的，所以在設置約束的時候是對兩側的夾板施加垂直向外的力進行約束，這樣就完成了整個對約束條件的設計：圖3手抓模型載荷約束添加圖從圖中分析可以知道，應變變化最大的位置是爪鉤的位置，可以發(fā)現(xiàn)這樣是符合設計要求的。并且爪葉的實際變形量要比圖中的要小，圖中是放大后的效果圖。爪鉤在工作的時候受力最大的地方是在于三腳架相連的位置?？梢杂猛瑯拥姆椒▽ψャ^進行有限元分析，根據工況條件，施加的是100N的向下的壓力，其添加好載荷以及約束之后的抓鉤圖如下圖所示：圖4爪鉤約束施加結果分析：圖5有限元分析結果根據對材料的分析，可以知道在最大的工況下對于抓鉤的應力大小是符合設計要求的。4.2.2優(yōu)化設計的目的根據上文的分析，可以知道，本文對于氣動機械爪的材料選擇上是符合設計要求的，本次設計遵循輕量化的設計理念，減少對于材料的使用。從上文的有限元分析模型中不難看出，材料的強度是遠遠大于設計的要求的，所以為了節(jié)省材料上的使用可以在零件上進行開孔的設計來達到設計要求。通過使用有限元分析可以很好的實現(xiàn)分析了設計模型的強度是否符合設計要求。在符合設計要求的情況下對夾板的結構進行了有限元分析，優(yōu)化設計。4.2.3應用在數(shù)控加工系統(tǒng)中Cad技術目前已經大量的應用在數(shù)控加工中，CAD以及CAM軟件也已經成為了我國數(shù)控加工的主要使用軟件。這是由于CAD，CAM軟件有著很強大的基礎功能并且也可以實現(xiàn)聯(lián)合使用，涉及到設計中的各個環(huán)節(jié)，并且顯示的效果也更加逼真與直觀。4.2.4CAD技術與數(shù)控加工對于數(shù)控加工而言，主要是通過數(shù)字技術進行控制，通過數(shù)字技術來組成控制系統(tǒng)，并通過數(shù)字控制來實現(xiàn)整個加工過程的數(shù)字化以及可視化。數(shù)控系統(tǒng)主要是采用了自動化控制，通過CAD軟件輸出的數(shù)據也可以直接應用在數(shù)控加工中尤其是在3D打印等領域?，F(xiàn)行的行業(yè)發(fā)展速度飛快并且機械制造的發(fā)展可能性也是隨著數(shù)控技術的引入變得越來越大。圖6優(yōu)化的后的手抓模型4.2.5CAD技術是如何應用在數(shù)控加工中的首先是在集合建模的過程中，簡單的說CAD軟件的建模的過程就是在模擬加工生產，是將整個加工的過程進行了一個數(shù)字化的表示。CAD幾何建模一般可以分為三維建模及二維建模，可以將DXF形式的文件按照一定比例進行處理操作，從而可以直接應用在數(shù)控加工中。4.3數(shù)控加工生產數(shù)控加工生產是CAD的子程序提供的各種不同的數(shù)據，在這個基礎上完成的零件加工以及處理的過程。數(shù)控技術工藝主要是可以通過CAC技術來實現(xiàn)對于零件的加工生產，從而可以完成各個不同的加工工序，實現(xiàn)快速的加工生產。4.3.1后處理技術以及數(shù)控程序的生成后處理是任何加工軟件都要進行考慮的，是一個必不可少的處理過程。數(shù)控加工后處理的主要特點就是在于其可以通過處理后的參數(shù)按照一定的數(shù)據值來生產相應的代碼，從而實現(xiàn)可以為后處理的過程保駕護航。4.3.2CAD技術對數(shù)控車床加工技術系統(tǒng)的影響首先是在零件的插補過程是通過數(shù)控技術實現(xiàn)的，可以在起點和終點布置多個逼近函數(shù)，從而在不同的函數(shù)中找到那個最能描述實際情況的路徑，使用選擇的方式可以大大提高零件的加工效率以及零件的加工靈活性。4.4CAD軟件加工實例研究使用目前市面上主流的建模軟件CAXA軟件加工實體，在加工的過程中首先可以得到一個二維的圖，通過對二維圖的拉伸旋轉等操作就可以得到實際上想要的三維圖。

結論本文主要研究了CAD技術在機械制造中的應用，本文第一部分，對CAD技術的研究背景以及使用CAD技術的意義作了簡單的介紹。并提出了CAD技術在哪些方面還可以進