試論機械CAD技術的應用及發展趨勢

徐汛

[摘? ? ? ? ? ?要]? 通過分析CAD技術的特點、發展歷程及CAD技術的標準件庫及零件號標注，對CAD技術在機械方面的應用進行了分析，包括二維工程圖繪制和三維實體建模和產品性能分析和結構優化，并通過一款轉速器改型產品作為案例對CAD技術的應用實施情況進行具體說明，同時提出機械CAD技術今后應向智能化、集成化、綠色化方向發展。

[關? ? 鍵? ?詞]? CAD技術;機械;應用;三維;案例

[中圖分類號]? F416.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）35-0280-04

一、引言

當前，在我國機械設計及制造領域，CAD（computer aided design）技術得到有效重視、應用，對傳統設計模式、方法造成一定影響[1]。在機械制造中，CAD技術應用價值很強，能將機械制造質量有效提高，能方便進行裝配、修改[2]。采用CAD技術，在機械制造過程中可對機械產品設計模式進行優化，使機械設計更先進，從而使機械制造質量得到提高[3]。目前使用CAD技術對機械構件進行設計的企業很多，CAD技術可確保機械制造一致性[4]。在機械制造設計階段，通過CAD技術可準確描述機械產品實際規格，并實現描述連續性，在實際制造、生產過程中，能更好把握細節，對提升機械產品質量非常重要，因CAD技術自身技術優勢，其在諸多行業中應用廣泛[5]。作為現代化機械制造、機械設計新發展趨勢，CAD技術在先進應用方式及現代化技術方面有一定的革新[6]。在機械制造及機械設計方面，應用CAD技術具有廣闊發展空間?；诖?，本文探究了機械CAD技術的應用，同時對其發展趨勢進行分析。

二、CAD技術簡介及發展

（一）CAD技術簡介

CAD技術是通過CAD軟件、計算機分析、計算并仿真“產品”設計的過程，優化產品結構性能，同時對其進行繪圖，將設計者所具有的形象思維、創造性思維、綜合判斷與分析、經驗知識同計算機檢索信息能力及其強大記憶進行結合，高速精確計算大量信息，并對其進行處理，顯著提高產品的質量和生產效率，降低生產成本[7]。CAD當中綜合應用了多個學科，實現了繪圖、設計、工程分析、建模等一體化進程[8]。CAD技術的廣泛應用，可將產品設計周期縮短，從而可將產品設計質量及工作效率提高，將設計成本降低，提高企業技術創新能力及市場快速反應能力，對企業產品進入國際市場參與競爭有利[9]。CAD技術各項技能主要通過計算機各項操作及功能完成，應用功能包括計算功能、圖像處理功能等。通過這些功能，可實現新產品設計研發，在很大程度上CAD技術促進設計工作的有效應用及創新[10]。

（二）CAD技術發展

現階段，第四代CAD技術已經發展成熟，三維建模逐漸開始取代手工繪制二維工程圖，其中包含多元化的先進設計理念，包含許多設計過程[11]。在CAD系統快速發展期，以EDS公司的UGNX系統及PTC公司的PRO/E為代表，在CAD系統中，出現了基于約束參數化及變量化方法及特征建模方法，二者相互融合共同發展，進一步加快了CAD系統的現代化發展進程。該系統統一了內部數據結構，可實現CAD/CAM信息集成，使CAD系統應用范圍得到進一步的擴展。圖1為使用CAD/CAM技術制作的凸輪模型。

現階段所使用的是第四代CAD系統，在設計系統逐漸生成了一種多元化設計的思想和方法[12]。由于系統環境的復雜程度較高，CAD系統能夠實現產品自動化設計理念，其中涉及多元化的技術理念，大大提高了設計周期和運行成本。在現代機械模具設計及制造中，CAD/CAE/CAM技術發揮著非常重要的作用，能夠構建產品三維模型，在CAD/CAE軟件的基礎上設計機械模具，分析并優化處理模具結構，并在CAM軟件的基礎上生成并仿真磨具加工軌跡。圖2為運用CAD/CAE/CAM技術制作的機殼三維圖。

三、CAD技術的標準件庫及零件號標注

（一）標準件庫

在機械設計過程中使用CAD進行繪制，需要繪制大量的裝配圖和零件圖。這些零件在視圖中各具有相同形狀，差別是各部分尺寸大小。如果在CAD繪制過程中按線逐條進行，此時需要嚴格確定結構尺寸，同時也會花費巨大的時間成本，運行效率非常低，因此，進行標準件庫的建立是CAD系統非常重要的組成部分[13]。在現有機械工廠中，通過調查統計所有零件，發現其中標準件約占到約50%，典型變型零件約占40%。通常，在開發設計產品時，通常多采用典型變型零件及標準件，這樣可將產品成本降低，并且能夠獲得高質量的零件產品，實現產品優質的性能和質量。

（二）零件號標注

一般來說，編輯零件號、標注零件號是構成零件號標注系統的主要內容，前者主要包括零件號的插入、修改、對齊、刪除等，同時又可以分為無后效、有后效兩組，后者能夠對被操作標號進行改變，自動修改其余同類標號序列，前者不會影響其他標號過程。圖3為零件號標注系統功能結構圖。

四、CAD技術在產品設計中的應用

（一）二維工程圖繪制和三維實體建模

現階段，企業多將CAD技術應用在繪制二維工程圖的過程中，也就是在計算機上完成繪圖板的手工繪制工作。實際上，CAD系統就是“甩開圖板”的一個過程，并電子圖板進行替代，總的來說，工程圖的繪制規范性和整潔性顯然更高，同時提高了工作效率。但依舊沒有打破產品設計的傳統局限，在設計產品的過程中依舊是按照設計人員的主觀經驗開展的，沒有發揮CAD技術的輔助設計功能。企業所使用的三維實體建模是CAD技術當中比較常見的一種方式，實際上也是二維繪制的應用類型，沒有從根本上打破傳統繪制的局限性。設計人員實際上就是對零件造型進行設計。建?？梢缘玫疆a品物理特性，或三維模型進行模擬裝配。而不是對產品所有屬性進行全面、精確表達，因此也不能對產品性能進行全面分析。對信息集成化等較高層次CAD技術應用需進一步進行全面、精確表達，從而提高企業競爭力。

參考文獻：

[1]田健平.機械CAD與機械制圖的結合在機械制造中的應用[J].建筑工程技術與設計，2014（31）：1159.

[2]Lin X，Zhu K P，Wang Q G. “Anisotropic diffusion map based spectral embedding for 3D CAD model retrieval”，14th IEEE inter-national conference on industrial informatics，2016（19）.

[3]秦闖，劉戰強，葉洪濤，等.基于UG二次開發技術的CAD/CAE/CAM軟件集成方法研究[J].機床與液壓，2015，43（9）：141-143.

[4]Xu C，Zhang S，Huang B，et al. NC process reuse oriented effective subpart retrieval approach of 3D CAD models[J].Computers in Industry，2017（90）：1-16.

[5]杜勇，辛舟，趙士杰，等.基于參數化的CAD/CAE摩擦焊機主軸箱多目標優化[J].組合機床與自動化加工技術，2014（5）：62-65.

[6]周圍.面向機械結構形態的三維CAD模型信息處理[D].武漢：武漢紡織大學，2018.

[7]Kim H，Cha M，Mun D. Shape distribution-based retrieval of 3D CAD models at different levels of detail[J].Multimedia Tools & Applications，2017，76（14）：15867-15884.

[8]黃瑞，張樹生，白曉亮.三維CAD模型檢索驅動的快速數控編程方法[J].機械工程學報，2014，50（3）：191-198.

[9]鞏倫慶.基于CAD與CAE技術的汽車造型設計研究及軟件開發[D].西安：西安理工大學，2017.

[10]Liu Y J，Luo X，Joneja A，et al. User-adaptive sketch-based 3-D CAD model retrieval[J].IEEE Transactions on Automation Science and Engineering，2013，10（3）：783-795.

[11]Zhu K P，Lin X，Li K X，et al.Compressive sensing and sparse decomposition in precision machining process monitoring：from theory to applications[J].Mechatronics，2015（31）：3-15.

[12]王善濤，劉日良.基于UG的螺桿CAD/CAM系統研宄與開發[J].組合機床與自動化加工技術，2018（2）：119-124.

[13]何政軍.基于實例的注塑模具CAD/CAE/CAM技術研究與應用[D].北京：華北電力大學，2014.

[14]鄭興睿.CAD/CAM在高精密復雜模具設計與制造中的應用[D].昆明：昆明理工大學，2013.

[15]王善濤.基于UG的螺桿CAD/CAM技術研究[D].濟南：山東大學，2017.

[16]王波.基于CAD/CAM軟件的模具設計與制造[J].機械制造與自動化，2015（2）：35-39.

[17]任天娟.基于CAD/CAE/CAM一體化技術的注塑模具設計制造研究[D].西安：長安大學，2016.

◎編輯 馬燕萍