计算机辅助机械设计在机械设计应用中的优势

倪玲

随着科学技术的不段发展，越来越多的新技术开始在各个领域中被使用。然而在机械设计领域也不例外。目前，计算机辅助机械设计在机械设计中应用非常广泛，为机械设计提供了许多便利。随 着 计 算 机 技 术 的不 断 提 高，计 算 机 图 形 学、计算 机 虚 拟 技 术、计算机多媒体技术的深入发展，计算机辅助设计学科应运而生。它极大地满足了现代艺术设计对计算机辅助设计的需求，成为艺术设计领域教学研究的热点。计算机辅助设计顾名思义就是在计算机及相兲的计算机技术下，进行艺术设计领域的各类创造性活动，它是以计算机技术为前提的现代科技信息时代下产物，与传统的艺术设计相比，在设计思路、设计方法、表现手段方面都发了根本性的变化。计算机辅助设计是艺术设计中的技术支持，由于艺术设计是一门综合性很强的学科，因此计算机辅助设计也涉及到了多媒体、图形学、虚拟技术等多个部分。

一、计算机辅助机械设计和机械设计的概念

（一）计算机辅助机械设计的概念

计算机辅助设计（CAD-Computer Aided Design）是指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；由计算机自动产生的设计结果，可以快速作出图形显示出来，使设计人员及时对设计作出判断和修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。

CAD是工程技术人员以计算机为工具，对产品和工程进行设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。根据模型的不同，CAD系统一般可分为二维CAD系统和三维CAD系统。

（二）机械设计的概念

机械设计（machine design），根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。

二、计算机辅助设计（CAD）的概况

（一）计算机辅助二维设计

二维CAD系统一般将产品和工程设计图纸看成是“点、线、圆、弧、文本……”等几何元素的集合，所依赖的数学模型是几何模型。目前使用最多的是Autodesk 公司的AutoCAD软件。

计算机辅助二维设计主要表现在视觉传达设计，染织服装设计、商业摄影等领域。我们可以利用Photoshop、Paint 等软件对我们制作的图片作品进行修饰润色，对我们拍摄的照片进行艺术处理，美不再是奢侈的，人人都可以享受艺术带来的惊人魅力。经过绘制处理的图再通过CorelDRAW、Photoshop 进行版式设计，展示在公众的面前，成为街头随处可见的艺术品，在它们面前一切平面艺术创作都成为可能。

（二）计算机辅助三维设计

三维CAD系统的核心是产品的三维模型，这种三维模型包含了更多的实际结构特征，使用户在采用三维CAD造型工具进行产品结构设计时，更能反映时间产品的构造或加工制造过程。目前使用最多的有PTC公司的Pro∕Engineer软件；EDS公司的UGH软件；Solidworks公司的Solidworks软件；UG公司的SolidEdge軟件。

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。有全国计算机等级考试 备考资料 计算机一级考试 计算机二级考试 计算机三级考试 计算机四级考试相当一部分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。

计算机辅助三维设计主要体现在建筑设计，环境艺术设计、工业设计、舞台设计等领域。利用计算机设计师可以模拟出自己想要设计的东西，包括外观、结构、形态等多方面。环境艺术专业和舞台设计专业的设计师可以通过SketchUp、3ds max、Photoshop 等软件为自己设计的方案模拟出接近真实的场景尺度模型，制作完成几乎可以以假乱真的工程、舞台效果图，同时利用动画技术制作动画场景，能够更直观的看到设计的最终效果。工业设计专业的设计师也可以通过犀牛、PRO/E、UG 等软件模拟出各种产品变化万千的造型，包括曲面、球面等手绘很难绘制的复杂形态，大大提高了产品设计师的设计水平。

（三）企业对CAD需求

根据产品结构，生产方式和组织管理形式不同，企业对CAD软件的功能又有四方面不同需求：

1.算机二维绘图功能：“甩掉图板”把科技人员从繁琐的手工绘图中解放出来，其是CAD应用的主要目标，也是CAD技术的最主要功能。

2.计算机辅助工艺设计（CAPP）功能：进行工艺设计，工艺设计任务管理，材料定额管量等功能，实现工艺过程标化，保证获得高质量的工艺规程，提高企业工艺编制的效率和标准化。

3.三维设计，装配设计，曲面设计，钣金设计，有限元设计，机构运动仿真，注塑分析，数控加工等三维CAD，CAM功能，可以解决企业的三维设计，虚拟设计与装配，机构运动分析，应力应变分析，钣金件的展开和排样等困难，使企业走向真正的CAD设计。

4.产品数据管理PDM。复杂产品的设计和开发，不仅要考虑产品设计开发结果。而且必须考虑产品设计开发过程的管量与控制.管量产品生命周期的所有数据（包括图纸技术文档）以及产品开发互联网会议PPT资料大全技术大会产品经理大会 网络营销大会 交互体验大会的工艺过程，使CAD、CAPP、CAM等系统实现的数据共享，使产品设计工作规范化保持一致性，保证图纸，工艺卡，加工代码，技术资料等的安全性。

三、计算机辅助设计（CAD）的三维设计的优势

（一）CAD技术应用在机械设计的多个方面

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、差等布尔運算，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.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。

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。

（二）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。

（三）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。

参考文献

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[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]王建华，毕万全。机械制图与计算机绘图.北京：国防工业出版社.2012.

（作者身份证号码：320982198511207228）