机械工程前沿

2016年9月

CAD技术展望

王金龙 M010215118

摘要： CAD 的出现使得工程设计人员从繁重的手工绘图中解放出来，把更多

的精力和时间投入到产品的开发中去。利用计算机绘图软件进行工程设计，可以显著缩短企

业产品生产和设计周期，节省人力、物 力、财力，提高工作效率以及设计质量。目前，CAD 主要限于分析、计算和绘图功能，是设计后期的重要工作。如何构思设计本身，向设计的前

沿渗透是 CAD 发展方向之一。 目前， CAD 软件也比较多,有 Auto-CAD、 UG、CAXA、PROE 等。大多数的软件都是触类旁通的，其实只要学精一种设计软件就足够了。现在相关 的机械行业以及服装等行业，都选择了某些设计软件作为自己公司的基础软件，CAD 的运用已经融入到了我们的生活的方方面面。在现在这个竞争日益激烈的社会，所以，作为一名优秀的现代机械设计人员，基本的CAD 技术也是必备的武器之一。

关键词： 工程设计;绘图功能;构思设计

CAD Technology Outlook

Abstract: The emergence of CAD, make engineering design personnel from heavy manual drawing liberate, take more time and energy into the product development. Using computer drawing software engineering design, can greatly shorten the enterprise products production and design cycle, save human, material and financial resources, improve work efficiency and quality of design. At present, CAD mainly limited to analysis, calculation and drawing function, it is design later important work. How to design in itself, to design the forefront of penetration is one of CAD development direction. At present, CAD software is more also, Auto - CAD, UG, PROE CAXA, etc. Most of the software are one of, in fact as long as learn pure a design software is enough. Now related machinery industry and garment industry, all chose some design software as their companies based software, CAD use has been integrated into the our every aspect of life. In this increasingly competitive society, so, as an excellent modern mechanical design personnel, basic

CAD technology is one of the necessary weapon.

Key words: engineering design; drawing function; conception design

1 前沿

CAD(Computer Aided Design)是计算机辅助设计的英文缩写，是利用计算机强大的图 形

处理能力和数值计算能力，辅助工程技术人员进行工程或产品的设计与分析，达到理想 的目的，并取得创新成果的一种技术。产品设计是决定产品命运的研究，是非常重要的环 节，产品的设计工作决定着产品 75%的成本。目前，CAD 系统已由最初的仅具数值计算和图 形处理功能的 CAD 系统发展成为结合人工智能技术的智能 CAD 系统。21 世纪，CAD 技术将具 备新的特征和发展方向，以提高新时代制造业对市场变化和小批量、多品种要求的迅速响 应能力。以智能 CAD 为代表的现代设计技术、智能活动是由设计专家系统完成。这种系统 能够模拟某一领域内专家设计的过程，采用单一知识领域的符号推理技术，解决单一领域 内的特定问题。该系统把人工智能技术和优化、有限元、计算机绘图等技术结合起来，尽可能多地使计算机参与方案决策、性能分析等常规设计过程，借助计算机的支持，设计效率有了大大地提高。 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 CAD 技术在机械设计中的应用

零件与装配图的实体生成。零件的实体建模。CAD 的三维建模方法有三种,即线框模 型、

表面模型和实体模型。在许多具有实体建模功能的 CAD 软件中,都有一些基本体系。如 在

AutoCAD 的三维实体造型模块中,系统提供了六种基本体系,即立方体、球体、圆柱体、 圆锥体、环状体和楔形体。对简单的零件,可通过对其进行结构分析,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。对于有些复杂的零件,往往难以分解成若干个基本体,使组合或分解后产生的 基本体过多,导致成型困难。所以,仅有基本体系还不能完全满足机器零件三维实体造型的 要求。为此,可在二维几何元素构造中先定义零件的截面轮廓,然后在三维实体造型中通过 拉伸或旋转得到新的“基本体”,进而通过交、并、差等得到所需要零件的三维实体造型。实体装配图的生成。在零件实体构造完成后,利用机器运动分析过程中的资料,在运动的某一位置,按各零件所在的坐标进行“装配”,这一过程可用 CAD 软件的三维编辑功能实现。 CAD/CAM 的集成制造。 随着科学技术的不断发展,制造行业的生产技术不断提高,从普通机床到数控机床和加工中心,从人工设计和制图到 CAD/CAM/CAE,制造业正向数字化和计算机化方向发展。同时,模具 CAD/CAM 技术等,几乎覆盖了整个现代制造技术。一个完整的CAD/CAM 软件系统是由多个功能模块组成的。如三维绘图、图形编辑、曲面造型、仿真模 拟、数控加工、有限元分析、动态显示等。这些模块应以工程数据库为基础,进行统一管理, 而实体造型是工程数据的主要来源之一。 机械 CAE 软件的应用。机械 CAE 系统的主要功能是: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 技术在解决造型问题后,才能由 CAE 解决设计的合理性、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等。

3 CAD 技术在机械设计中的特点

通过实际应用三维 CAD 系统软件,我体会到三维 CAD 系统软件比二维CAD在机械设计 过程中具有更大的优势。零件的装配 装配可视化

3.1 使零件的装配可视化

在装配过程中,资源查找器中的装配路径查找器记录了零件之间的装配关系,若装配不 正确即予以显示,另外,零件还可以隐藏,在隐藏了外部零件的时候,可清楚地看到内部的装配结构。整个机器装配模型完成后还能进行运动演示,对于有一定运动行程要求的,可检验 行程是否达到要求,及时对设计进行更改,避免了产品生产后才发现需要修改甚至报废。 零件的设计更容易

3.2 使零件的设计更容易

使用三维 CAD 系统,可以装配环境中设计新零件,也可以利用相邻零件的位置及形状来 设计新零件,既方便又快捷,避免了单独设计零件导致装配的失败。资源查找器中的零件回放

还可以把零件造型的过程通过动画演示出来,使人一目了然。

3.3 缩短了机械设计周期

采用三维 CAD 技术,机械设计时间缩短了近 1/3,大幅度地提高了设计和生产效率。在用三维 CAD 系统进行新机械的开发设计时,只需对其中部分零部件进行重新设计和制造,而大 部分零部件的设计都将继承以往的信息,使机械设计的效率提高了3~5倍。同时,三维 CAD 系统具有高度变型设计能力,能够通过快速重构,得到一种全新的机械产品。

3.4 提高了产品的技术含量和质量

由于机械产品与信息技术相融合,同时采用 CAD 组织生产,机械产品设计有了新发展。

三维 CAD 技术采用先进的设计方法,如优化、有限元受力分析、产品的虚拟设计、运动方针 和优化设计等,保证了产品的设计质量。同时,大型企业数控加工手段完善,再采用 CAD/ CAM 进行机械零件加工,一致性很好,保证了产品的质量。

4 CAD 发展方向

4.1 图形交互技术

CAD 软件是产品创新的好工具,容易学习，容易上手。一个友好的、智能化的工作环境 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。因此,智能化图标 菜单、“拖放式”造型、动态导航器等一系列人性化的功能，为设计师提供了方便。此 外，笔

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

CAD/CAM 系统应用逐步深入,逐渐提出智能化需求.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，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。

虚拟制造在工业发达国家，已得到了不同程度的研究和应用。在这一领域，美国处于 国际研究的前沿。随着我国加人 WTO，世界著名跨国集团公司入驻中国，使基于网络的远 程虚拟制造技术逐步趋于成熟，异地设计、远程制造将为整个社会的前进和发展带来一次 新的技术革命。基于产品的数字化模型，应用先进的系统建模和仿真优化技术，虚拟制造 实现了从产品的设计、加工、制造到检验全过程的动态模拟，并对企业的运作进行了合理 的决策与最优控制。虚拟制造以产品的“软”模型取代了实物样机，通过对模型的模拟测 试进行产品评估，能够以较低的生产成本获得较高的设计质量，缩短了产品的发布周期， 提高了企业生产效率。企业的生产因为虚拟制造技术的应用而具有了高度的柔性化和快速 的市场反应能力，因而市场竞争能力大大增强。作为一种先进的制造模式，虚拟制造的应 用范围必然会不断扩大，给更多的企业带来更大的收益。虚拟制造是以计算机仿真、建模 技术和并行工程技术为支持，

利用计算机设计虚拟产品模型，在产品的实际加工之前对产 品的性能、可制造性进行评价，

同时对生产的全过程进行仿真，以达到产品生产的最优目 标。

参考文献:

[1] 刘朝儒主编.机械制图.高等教育出版社.

[2] 荣涵锐.新编机械设计 CAD技术基础〔M〕.北京:机械工业出版社,2002.

[3] 徐建平,盛和太.精通 AutoCAD2005[M].北京:清华大学出版社,2004.

[4] 葛海霞,刘村.AutoCAD2004/2005 辅助设计[M].上海:上海科学普及出版社,2004.

[5] 齐月静,胡仁喜,等.AutoCAD2005 机械设计及实例解析[M].北京:机械出版社,2005.

[6] 三维数字化技术项目式标准案例课程 UG案例教材

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/97cec87226284b73f242336c1eb91a37f11132a6.html