计算机辅助设计论文：计算机三维辅助软件在机械设计中的应用

计算机辅助设计论文：计算机三维辅助软件在机械设计中的应用摘要：介绍了三维CAD在机械设计中的显著优势，并对目前国内企业机械产品开发过程三维CAD系统应用现状和存在问题进行了分析。从产品开发的实际需求和产品特点与软件功能出发，对企业应用三维CAD过程提出了改进方案，最后介绍了三维CAD技术发展的趋势。关键词：三维CAD；机械设计；应用1三维设计软件现状及其应用产品设计是决定产品外形和产品功能，同时也是决定产品质量最重要的环节，产品的设计工作对产品的成本也起到至关重要的作用。随着计算机的不断发展，CAD技术即计算机辅助设计已成为设计人员不可缺少的工具。CAD技术正从二维CAD向三维CAD过渡。三维设计软件具有工程及产品的分析计算、几何建模、仿真与试验、绘制图形，工程数据库的管理，生成设计文件等功能。三维CAD技术诞生以来，已广泛地应用于机械、电子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等领域，产品的设计效率得以迅速提高。我国CAD技术的研究、开发和推广已取得较大进展，产品设计已全面完成二维CAD技术的普及，结束了手工绘图的历史，对减轻人工劳动强度、提高经济效益起到了明显的作用。有相当一部分CAD应用较早的企业已完成了从二维CAD向三维CAD转换，并取得了巨大的经济效益和社会效益。随着市场经济的逐步深入，市场竞争日趋激烈，加强自身的设计能力是提高企业对市场变化和小批量、多品种要求的迅速响应能力的关键。2三维设计软件的优势2.1CAD技术应用在机械设计的多个方面2.1.1零件的实体建模设计软件为三维建模提供了多种工具，包括最基本的几何造型如球体、圆柱等，对简单的零件，可通过对其结构进行分析，将其分解成若干基本体，对基本体进行三维实体造型，之后再对其进行交、并、差等布尔运算，便可得出零件的三维实体模型。对于较复杂的图形，软件提供了草图工具，设计人员可以通过它先勾勒出截面，再拉伸出较复杂的几何形体。为了满足人们不断提高的审美要求，目前主要流行的几款三维设计软件基本上都提供面片模块，该模块为设计人员提供了非常方便的曲面设计工具。对于具有大块曲面的零件，设计师可以方便地对单个面或片体进行变形处理，以达到需要的曲面。2.1.2产品造型修改简便企业生产的产品往往是按系列区分，各系列中每一代产品与上一代产品之间的区别较小，也许只是增加了一个功能部件或是产品造型尺寸上有所改动。三维CAD可以方便地修改一些参数就能达到设计师更改造型的目的。三维CAD在建模中一般使用参数化建模，整个建模的步骤和产品的外型尺寸被参数化，这些参数是与产品的造型直接关联的。若要对尺寸或造型进行局部的更改，只需要更改相关参数，整个造型将被自动更新。这样不仅大大减少了设计人员的工作量，还保证了产品外造型的延续性。2.1.3生成实体装配图实体装配不仅能让设计人员直观地看到各零件装配后的状态，还可以测量各零件之间的空间大小，方便零件的布置。在装配完成后，零件可以被隐藏或设置成半透明的状态，方便设计人员观察内部结构。此外，在装配状态下，软件提供的标准件库，也方便了设计人员对标准件型号的选择。装配状态下的干涉分析也是常用的功能，计算机通过计算各装配零件的体积的大小和位置来确定是否有相交的部分，并确定各零件是否干涉，自动生成分析报告，明确指出互相干涉零件的名称和干涉的尺寸。方便设计师修改产品设计尺寸。2.2模具CAD/CAM的集成制造随着科学技术的不断发展，为了减轻人工劳动强度，提高产品的精度，制造行业装备从普通机床逐步到数控机床和加工中心，同时，模具CAD/CAM技术、模具激光快速成型技术（RPM）等，几乎应用到整个制造行业。这些数控加工装备基本都具有与各三维设计软件的接口。当产品模型在三维CAD软件中完成后，再由CAD软件模拟出加工刀具路径，随后生成数控语言，通过接口输入数控设备中，再由数控设备按照模拟出的加工路径加工产品。2.3机械CAE功能应用CAE是三维CAD软件的重要模块，CAE功能包括工程数值分析、结构优化设计、强度设计评价与寿命预估、动力学、运动学仿真等。CAD技术在建模模块完成产品造型后，才能由CAE模块针对设计的合理性、强度、刚度、寿命、材料、结构合理性、运动特性、干涉、碰撞问题和动态特性进行分析。CAE技术在我国也得到了广泛应用，以汽车制造业为例，国内多家主车厂和汽车设计公司在使用三维CAD软件完成新车型的设计后，进行CAE分析，如干涉检查、钣金成型分析、塑料件拔模角分析、车身强度刚度的测试，在车窗、车门、雨刮器等运动部件上广泛采用CAE模块中的运动仿真功能，计算出零件的运动轨迹，以及零部件在运动中的状态，为设计人员提供直观的参考。这些分析工作大大提高了新车型的可靠度，缩短了新车型的开发周期，减少了返工，节约了研发成本。采用三维CAD技术，机械设计时间缩短了近1/3。同时，三维CAD系统具有高度变型设计能力，能通过快速重构，得到一种全新的机械产品，大大提高了工作效率。3三维设计软件在我国的应用趋势及存在的问题3.1三维设计软件在我国应用趋势在过去的10多年间我国一直是生产大国，然而生产环节是整个经济过程中耗费最多、污染最多、利润相对较小的一个环节。随着中国制造行业的不断壮大，越来越多的产品要从中国制造转向中国创造，不断增强我国企业在国际市场上的竞争力。借助各种计算机设计工具，是提高我国创造能力的重要方法。现代装备制造业的产品结构复杂，一般是由多个部件组成的大型设备。因而这样的设计不再是为了生产某一个零部件，而要考虑到产品整体的造型和结构，仅凭二维设计技术是不够的，三维必不可少。先进的设计能力才能产生先进的制造企业。从长远看，从二维到三维是设计软件一个不可逆转的趋势。充分挖掘三维设计软件中的功能，把这些功能应用到实际设计中，并作为生产加工的依据，是我国制造业发展的必由之路。3.2我国三维设计软件在应用中的问题我国三维设计软件的应用始于20世纪80年代，发展迅速，已取得了良好的经济效益。少数大型企业，如一汽、二汽等，已经建立起比较完整的三维CAD设计和制造系统，其应用水平也接近国际先进水平。许多中小企业也运用了三维CAD技术，在保证产品质量、提高劳动效率等方面取得了显著的经济效益。但总的来说，国内在三维机械设计软件应用的深度和广度方面与国外先进水平相比还有很大差距。主要原因在于：3.2.1未能真正实现辅助设计很多使用企业并未实现真正的辅助设计，目前很多单位用CAD软件可以做出三维模型，但仅仅是为了做三维效果图，并未真正实现运用三维CAD软件进行整体空间设计和受力分析，还停留在平面图设计方面。他们只是做到用计算机出图，只停留在这个阶段，就失去了其应有的作用，因为CAD是辅助设计，不是辅助绘图。特别是三维CAD软件中的CAE功能在各企业间应用得就更少了。以汽车行业为例，虽然现在汽车企业普遍认识到，CAE功能可以进行产品的性能与安全可靠性分析，并对产品未来的工作状态和运行行为进行虚拟运行模拟，及早发现设计缺陷，实现优化设计。但对于如何有效开展CAE的工作就没有明确的认识。首先，汽车行业相关企业的领导层要充分认识CAE的作用和难度，再次企业还要努力建立自己的CAE分析标准。目前，我国汽车CAE应用中的最大问题就在于我们的企业没有自己的标准或者标准不完善，换句话说，就算做了CAE分析，也无法有效地评价分析结果。标准的解决途径有2个：一是自己通过试验和仿真相互校核，建立相关产品的评价标准；二是利用相关行业已有的经验来辅助建立自己的CAE分析标准。由此可见，CAE分析标准的建立相当不易，需要做大量的工作，并且要结合试验结果。然而，这个过程是必须要建立的。3.2.2精通CAD技术的设计人员缺乏三维CAD系统是一个复杂、多样的系统，并不是每个设计人员都能很好地掌握，更何况大部分设计人员并没有接受过CAD的应用培训，对CAD的多数功能知之甚少，他们完成的设计很可能就存在一些缺陷。世界著名的汽车制造商福特、通用、戴姆勒-克莱斯勒等企业之所以CAD/CAM技术应用得好，是因为得益于几十年来一直大力开展CAD/CAM应用而积淀下来的宝贵经验以及培养出了一支高水平的技术队伍。现在国内既懂计算机软、硬件，又有丰富专业知识的人才匮乏，而这恰是企业最为宝贵的财富。为了留住人才，各企业也做出了很大的努力，但整个行业还是缺乏培养人才的氛围，部分企业还是没有意识到自己培养出的人才比在市场上招聘的人才更了解自己的企业，也是企业发展的中坚力量。改变这一点还需要付出大量的努力，需要经历一个长期的过程。4CAD前沿技术计算机辅助设计软件已经给人们的设计工作提供了很大的便利，但其自身仍在不断的完善之中，同时也在向着以下几个方向发展：4.1图形交互技术一个直观的、智能化的工作界面可以开拓设计师的思路，解放大脑，让他把精力集中到创造性的工作中。CAD软件是产品创新的工具，务求易学好用，复杂的功能操作简单，简单的功能能够实现自动化。因此，智能化图标菜单、实时生成的造型、动态提示指引等一系列人性化的功能，为设计师提供了方便。此外，触摸输入法草图识别、语言识别和特征手势建模等新技术也正在研究之中。4.2智能CAD技术随着人们一定程度上掌握创造性活动的规律，逐渐对计算机辅助设计软件提出智能化需求。设计是一个含有高度智能的人类创造性活动，智能CAD/CAM是发展的必然方向。智能设计在运用知识化、信息化的基础上，建立基于知识的设计仓库，及时准确地向设计师提供产品开发所需的知识和帮助，智能地支持设计人员，同时捕获和理解设计人员意图、自动检测失误，回答问题、提出建议方案等。并具有推理功能，使设计新手也能做出好的设计来。现代设计的核心是创新设计，人们正试图把创新技法和人工智能技术相结合应用到CAD技术中，用智能设计、智能制造系统去创造性指导解决新产品、新工程和新系统的设计制造，这样才能使我们的产品、工程和系统有创造性。4.3虚拟现实技术虚拟现实技术在CAD中已开始应用，设计人员在虚拟世界中创造新产品，可以从人机工程学角度检查设计效果，可直接操作模拟对象，检验操作是否舒适、方便，及早发现产品结构空间布局中的干涉和运动机构的碰撞等问题，及早看到新产品的外形，从多方面评价所设计的产品。虚拟产品建模就是指建立产品虚拟原理或虚拟样机的过程。虚拟制造用虚拟原型取代物理原型进行加工、测试、仿真和分析，以评价其性能，可制造性、可装配性、可维护性和成本、外观等，基于虚拟样机的试验仿真分析，可以在真实产品制造之前发现并解决问题，从而降低产品成本。虚拟制造、虚拟工厂、动态企业联盟将成为CAD技术在电子商务时代继续发展的一个重要方向。另外，随着协同技术、网络技术、概念设计面向产品的整个生命周期设计理论和技术的成熟和发展，利用基于网络CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技术，实现真正的全数字化设计和制造，已成为机械设计制造业的发展趋势。[参考文献][1]陈定方，倪笃明.机械CAD与专家系统[M].北京：中国标准出版社，2002[2]魏生民.机械CAD/CAM.武汉：武汉理工大学出版社，2001[3]段清.CAD技术在机械工程设计中的发展与应用[J].山西科技，2005（5）[4]张佑生，王雷刚.智能CAD方法及应用.合肥工业大学学报，1999（8）.[5]刘芒果.机械CAD三维设计的应用研究.煤矿机械，2005（9）.