CAD技術(shù)在機械設計和加工中的作用和運用

　　CAD誕生于60年代，是美國麻省理工大學提出了交互式圖形學的研究計劃，由于當時硬件設施的昂貴，只有美國通用汽車公司和美國波音航空公司使用自行開發(fā)的交互式繪圖系統(tǒng)。下面是小編給大家整理的關(guān)于CAD技術(shù)在機械設計和加工中的作用和運用，歡迎閱讀！

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　　1.CAD技術(shù)的概念

　　CAD（Computer Aided Design）技術(shù)，即計算機輔助設計技術(shù)，是指利用計算機軟件和硬件系統(tǒng)對產(chǎn)品進行設計、繪圖、輔助工程分析及技術(shù)文檔編制等應用技術(shù)的總稱。CAD技術(shù)是一種集計算機科學技術(shù)和工程設計方法為一體的計算機應用技術(shù)，其誕生于20世紀50年代，并隨著計算機技術(shù)及電子技術(shù)的發(fā)展不斷發(fā)展革新。

　　CAD技術(shù)已被廣泛應用于交通、航天、機械、化工、電子以及建筑等多個領(lǐng)域，用來解決產(chǎn)品設計、生產(chǎn)成本及周期等方面的相關(guān)問題，大幅提升了這些行業(yè)的生產(chǎn)效率。CAD技術(shù)在機械設計和加工中的應用解決了傳統(tǒng)設計和加工方式的誤差大、效率低等問題，使其產(chǎn)品在生產(chǎn)速度和生產(chǎn)質(zhì)量上都實現(xiàn)了更新?lián)Q代。因此，CAD技術(shù)已成為現(xiàn)代機械設計和加工中一個重要組成部分。

　　2.CAD技術(shù)在機械設計和加工中的作用

　　CAD技術(shù)在機械設計和加工中的作用主要有以下幾個方面：

　　（1）實現(xiàn)設計數(shù)字化。

　　采用CAD技術(shù)，可以通過計算機的二維圖形繪制、三維實體建模，人機交互和機械模擬仿真等功能，實現(xiàn)機械設計過程的數(shù)字化。通過對產(chǎn)品的數(shù)字化設計，可以檢驗零件設計形狀和位置，充分保證零件間的精確結(jié)合，大大降低設計誤差。利用建模組合及模擬仿真，還可以提前檢驗機械部件的裝配問題。利用數(shù)字化的部件可以透視到零部件的內(nèi)部，觀察部件的裝配關(guān)系， 檢驗各部件是否已達到設計要求，迅速找出裝配中可能發(fā)生的問題，大幅降低產(chǎn)品的設計報廢率。

　　（2）縮短設計周期。

　　在機械產(chǎn)品的傳統(tǒng)設計過程中，如果對某部件尺寸進行修改，需要重新將所有部件匹配為新的尺寸，從而導致整個機械產(chǎn)品的改型。而借助CAD技術(shù)可以大幅縮短這個過程，例如，將某零件的尺寸從150mm改為300mm,僅需要在機械設計軟件上改變尺寸，其他相關(guān)零件也會相應自動調(diào)整尺寸。因此，CAD技術(shù)可以將機械設計效率提高3~5倍，大幅縮短了機械設計周期。

　�。�3）提高產(chǎn)品質(zhì)量和品質(zhì)。

　　借助CAD技術(shù)，可以采用圖形優(yōu)化、有限元受力分析等技術(shù)手段對機械設計進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并將機械制造技術(shù)與信息技術(shù)相融合，在生產(chǎn)過程中引入了與CAD設計方法相結(jié)合的CIMS組織生產(chǎn)方式，進一步提高了產(chǎn)品的整體設計質(zhì)量和品質(zhì)。

　　（4）激發(fā)創(chuàng)新設計。

　　在傳統(tǒng)的機械設計過程中，機械產(chǎn)品的修改困難且成本過高，導致機械產(chǎn)品多是常規(guī)設計，而創(chuàng)新類產(chǎn)品較少，嚴重限制了機械產(chǎn)品設計上的實質(zhì)性創(chuàng)新。而借助CAD技術(shù)，可以在常規(guī)設計數(shù)字模型上大膽嘗試新理論和新技術(shù)，設計出逼真的創(chuàng)新產(chǎn)品，充分激發(fā)設計人員的創(chuàng)新靈感，帶來全新的創(chuàng)新設計。

　　3.CAD技術(shù)在機械設計和加工中的應用

　　（1）機械設計和輔助繪圖。

　　用于機械設計的三維CAD系統(tǒng)具有十分強大的設計功能，可以通過其重構(gòu)功能快速得到一種全新的設計，也可以在特定的裝配環(huán)境中設計新零件，即利用相鄰零件的形狀及位置王靜錦西工業(yè)學校 遼寧葫蘆島 125001設計新零件，既方便、快捷，又避免了單獨設計零件可能導致的裝配失敗，大大提升了設計人員的工作效率，并加強了設計的標準化。在傳統(tǒng)的機械設計過程中，手工繪圖的工作量非常大，而且準確性和美觀性不高。利用CAD軟件自帶的豐富圖形庫與功能完備的繪圖命令，可以很容易地繪制出高質(zhì)量的機械工程圖，大大減輕了繪圖人員的勞動強度。計算機輔助繪圖大幅提高了機械制圖的質(zhì)量和效率。

　�。�2）零件與裝配圖建模。

　　三維CAD系統(tǒng)有線框模型、表面模型和實體模型三種建模形式，可用于機械產(chǎn)品零件和裝配圖的實體建模。利用CAD軟件中的基本體系和布爾運算，可以完成簡單結(jié)構(gòu)零件的三維實體建模。而對于結(jié)構(gòu)復雜的零件，可先用二維幾何元素構(gòu)造大致形狀，再對其進行拉伸或旋轉(zhuǎn)等操作實現(xiàn)造型，最后通過計算獲得三維實體模型。當機械產(chǎn)品零件的實體建模完成后，設計人員就可以通過CAD軟件的三維編輯功能對零件模型進行“裝配”,整合出機械裝配圖。

　　（3）設計檢驗。

　　利用CAD系統(tǒng)軟件的零件回放功能，可以通過動畫播放的形式，清晰直觀地演示機械產(chǎn)品的零部件裝配情況。在發(fā)現(xiàn)零部件結(jié)構(gòu)或功能上的不合理之處后，可以利用資源查找器對整個機械產(chǎn)品中的某一個零件進行修改，避免零件錯誤導致整個機械產(chǎn)品的裝配失敗。在進行新機械產(chǎn)品的設計時，這種零部件設計的自動化檢驗方法，可以大幅提高機械零部件之間的適配準確性，防止新產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題，從而保證了設計的可行性，并且提高了設計效率。

　　（4）工程分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

　　對機械產(chǎn)品的力學性能分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，是機械設計和加工過程中必不可少的環(huán)節(jié)。隨著有限元分析和動力學分析等現(xiàn)代分析方法的發(fā)展，CAD技術(shù)在工程分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能上得到了充分拓展。很多CAD軟件已具備了與ANSYS等有限元分析軟件的接口，設計人員可直接將產(chǎn)品的三維實體模型導入至有限元分析軟件中，對產(chǎn)品模型進行工程分析，并根據(jù)結(jié)果進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。另外，還可以利用機械CAE軟件，對設計的動態(tài)特性、碰撞問題、運動特性、結(jié)構(gòu)合理性以及材料強度等方面進行工程分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

　　（5）模具設計與制造。

　　隨著制造業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的革新，機械制造加工已從傳統(tǒng)機床發(fā)展為加工中心和數(shù)控機床，模具CAD/CAM技術(shù)及模具激光快速成型技術(shù)的使用越來越廣泛。利用CAD技術(shù)設計實體模具時，要盡量避免內(nèi)腔、凹、凸模及加強助等潛在干擾因素，先繪制出數(shù)控刀具的路徑，再檢查加工過程的可行性。要特別注意的是，在設計沖壓零件表面時，必須使用專用的曲面設計軟件，只有這樣才能保證沖壓零件表面和模具表面的一致。

　�。�6）逆向轉(zhuǎn)換設計。

　　借助CAD技術(shù)，可以通過多種方法實現(xiàn)產(chǎn)品的逆向轉(zhuǎn)換設計�？赏ㄟ^CAD制圖軟件的坐標測量方法，將實物轉(zhuǎn)化成虛擬模型；也可以利用數(shù)據(jù)繪制網(wǎng)格對點進行模擬，進而得到連續(xù)曲面，再通過對曲面的修復得到實物模型，或利用SCAN-TOOLS技術(shù)對生成的曲面進行裁剪、延伸等操作，將曲面轉(zhuǎn)換為實體；還可以利用相關(guān)軟件進行參數(shù)化設計來完成模型重建。

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　　1、機械工程設計與CAD技術(shù)概述

　　機械工程設計是機械工程的重要組成部分，要明確了解機械工程設計，首先，要對機械工程有清晰的認知。從社會實踐活動角度進行分析，所謂的機械工程具體指的是一項以增加生產(chǎn)、提高勞動生產(chǎn)率、提高生產(chǎn)的經(jīng)濟性，即以提高人類的利益為目標研制和發(fā)展新的機械產(chǎn)品的綜合項目。機械工程設計具體指的是為了滿足生產(chǎn)實踐需要進行的機械設備具體設計。從現(xiàn)實分析來看，機械工程設計對機械工程的具體實施有顯著的影響，所以強調(diào)設計有突出的現(xiàn)實意義。

　　CAD在目前的設計制圖中有突出的應用，而所謂的CAD，具體指的是在設計人員進行設計時利用計算機或者是圖形設備輔助完成設計工作。對目前工程和產(chǎn)品做具體的設計分析會發(fā)現(xiàn)，在設計過程中會涉及大量的計算，同時，還會有設計圖片或者是其他數(shù)據(jù)信息的存儲需要，計算機可以幫助計算，也可以進行數(shù)據(jù)存儲。

　　利用計算機的計算結(jié)果進行設計分析和完善，設計方案的優(yōu)化效果會顯著地提升。就現(xiàn)實中的設計分析來看，設計中出現(xiàn)的各種信息，具體如圖片、文字、數(shù)據(jù)等都可以在計算機的內(nèi)部存儲或者是外部存儲中進行存放，基于存儲進行快速的檢索，設計信息能夠被迅速地利用。比如，在某產(chǎn)品設計時，設計人員可以直接從存儲中進行產(chǎn)品草圖的檢索，然后，基于自身設計產(chǎn)品的參數(shù)等進行修改和完善，這樣，整個設計工作的實效性會有顯著的提升。簡而言之，CAD在設計實踐中的有效利用可以實現(xiàn)設計工作的規(guī)范化和專業(yè)化進步，可以實現(xiàn)設計的效率提升。

　　2、機械設計行業(yè)使用CAD的優(yōu)勢分析

　　就目前的機械工程設計分析來看，較多企業(yè)在設計實踐中使用到了CAD技術(shù)，對該技術(shù)的具體應用做分析發(fā)現(xiàn)其具有以下四個方面的突出優(yōu)勢。

　　第一是在設計實踐中，利用CAD技術(shù)后，零件設計更加方便。從目前的案例設計實踐分析來看，CAD技術(shù)的具體利用不僅可以完成裝配環(huán)境下的新零件設計，還可以利用裝配環(huán)境下不同零件的相互關(guān)系實現(xiàn)新零件的設計，這樣，整個設計工作的效率有了顯著的提升，便捷性也有了明顯的提升。

　　統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，采用CAD技術(shù)進行零件的具體設計，有效地規(guī)避了零件單獨設計導致的裝配失敗問題。第二是在設計中，利用CAD技術(shù)實現(xiàn)了裝配零件的直觀性顯示。在裝配零件時，如果是傳統(tǒng)的裝配方法，需要對不同的零件進行配裝，這會導致工作量的加大，整個工作效率會受到影響。

　　在利用CAD技術(shù)后，裝配零件時可以利用資源查找器進行相關(guān)零件的查找，這樣，零件以及零件的相互關(guān)系會更加的明確，具體的裝配過程會更加的快捷。

　　此外，在裝配中，零件還可以進行隱藏，所以，在外部零件被隱藏后，內(nèi)部的裝配結(jié)構(gòu)會更加清晰地展現(xiàn)出來，基于裝配模型對具體的裝配工作進行運動演示，并對運動過程進行監(jiān)管，確定其達標效果，這樣可以為具體的設計更改提供參考，以此達到設計質(zhì)量提升的目的。

　　第三是利用CAD技術(shù)可以有效地縮短設計的周期，實現(xiàn)設計效率的提升。從目前的資料統(tǒng)計來看，在機械工程設計實踐中利用CAD技術(shù)，整個設計周期會縮短1/3。利用CAD技術(shù)進行具體的機械設計，只需要對其中的零部件進行重新的設計和改造，而具體的零部件設計會集成以往的信息，這有效地節(jié)省了數(shù)據(jù)計算和論證的時間，所以機械設計的效率會有大幅度的提升。目前的數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，在設計中，利用CAD技術(shù)，設計效率會提升3～5倍。

　　再者，CAD系統(tǒng)具有比較強的高度變型計算能力，可以快速實現(xiàn)設計要求。第四是利用CAD技術(shù)進行機械產(chǎn)品的設計，產(chǎn)品的技術(shù)含量以及質(zhì)量會有顯著性的提升。

　　從目前的設計實踐來看，CAD在具體設計時會利用到較為先進的方法，就現(xiàn)在的設計分析來看，其使用的方法有有限元受力分析法、產(chǎn)品的虛擬設計法等，這些方法的具體使用明顯地提高了產(chǎn)品設計的質(zhì)量。同時，大型企業(yè)數(shù)控加工手段完善，再采用CAD/CAPP/CAM進行機械零件加工，一致性較好，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

　　3、機械工程設計中的CAD技術(shù)應用分析

　　在目前的機械工程設計中，CAD技術(shù)的應用比較廣泛，具體的應用表現(xiàn)在如下幾個方面。首先，是利用CAD技術(shù)進行機械設計繪圖。

　　繪圖是機械設計中比較關(guān)鍵的部分，而CAD技術(shù)的具體應用也多體現(xiàn)在繪圖方面。從現(xiàn)實分析來看，CAD技術(shù)具有非常強大的繪圖功能，工程師可以利用CAD技術(shù)進行，手繪沒有辦法設計的構(gòu)想和需求設計，甚至有的工程師會利用CAD技術(shù)繪制不可思議的作品。對CAD技術(shù)應用基礎上的機械繪圖進行分析發(fā)現(xiàn)，零件尺寸不合規(guī)范的情況基本不會發(fā)生，而且隨著CAD技術(shù)研究的深入，其在數(shù)據(jù)精度控制方面的效果越來越突出，所以，利用CAD技術(shù)繪制的機械圖精準度有了進一步的提升。

　　其次，是利用CAD技術(shù)繼續(xù)擰設計建模。從現(xiàn)實分析來看，如果要設計新的機械零部件，需要在產(chǎn)品生產(chǎn)之前進行建模，以此實現(xiàn)對零部件的具體分析和討論。

　　對CAD技術(shù)的建模做具體的分析發(fā)現(xiàn)，其主要有兩種方式，分別是機械線框建模和實體建模。建模需要有準確豐富的數(shù)據(jù)，CAD系統(tǒng)存儲的大量數(shù)據(jù)會成為建模的有效參考，如此一來，建模的科學性和合理性會更加突出，而基于建模的分析結(jié)果也可以很好地指導實踐工作。

　　最后，是利用CAD技術(shù)完成對機械工程設計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和可行性分析。從目前的資料統(tǒng)計來看，利用CAD技術(shù)可以實現(xiàn)對機械零件的結(jié)構(gòu)分析和力學分析。

　　從現(xiàn)實分析來看，零部件的結(jié)構(gòu)問題或者是受力問題，即使微小也會對零件的具體應用產(chǎn)生影響，所以在設計實踐中，利用CAD技術(shù)對具體的零部件結(jié)構(gòu)和受力進行檢測分析，實現(xiàn)相應優(yōu)化，這樣，零部件的設計整體效果會進一步提升。