三维CAD软件在机械设计与制造中的应用分析

蔡志勇

【摘 要】在计算机辅助设计中，交互技术是必不可少的。交互式CAD系统，指用户在使用CAD系统算机系统进行设计时，人和机器可以及时地交换信息。随着计算机性能的提高，CAD三维技术不断的被开发和应用，我国的CAD三维技术在高精机械设计领域正向着集成、技能、和标准化方向发展。

【关键词】三维CAD；机械设计与制造；应用

一、CAD技术概述

CAD技术主要应用于高精度机械设计中，是利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。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；由計算机自动产生的设计结果，可以快速作出图形，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。

采用交互式系统，人们可以边构思、边打样、边修改，随时可从图形终端屏幕上看到每一步操作的显示结果，非常直观。图形变换的主要功能是把用户坐标系和图形输出设备的坐标系联系起来；对图形作平移、旋转、缩放、透视变换；通过矩阵运算来实现图形变换.计算机设计自动化计算机自身的CAD，目的是实现计算机在进行机械设自身设计和研制过程的自动化或半自动化。研究内容包括功能设计自动化和组装设计自动化，涉及计算机硬件描述语言、系统级模拟、自动逻辑综合、逻辑模拟、微程序设计自动化、自动逻辑划分、自动布局布线，以及相应的交互图形系统和工程数据库系统。集成电路有时也列入计算机设计自动化的范围。

二、机械设计中CAD技术应用的优点

通过实际应用三维CAD系统软件机械设计过程中具有更大的优势具体表现在以下几点：

第一、零件设计更加方便使用CAD技术可以在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。如果设计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，可以迅速查找失败的原因进行纠正和改进。

第二、装配零件更加直观，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。也可以在机械设计过程中隐藏了外部零件之后更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。

第三、缩短了机械设计周期，采用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。在运用CAD技术进行新机械设计开发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35倍。同时CAD技术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。

三、CAD技术在机械设计中的应用现状

1、零件的实体建模

设计软件为三维建模提供了多种工具，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桌，再拉伸出较复杂的几何形体，并且可以根据设计师的设计意图任意修改几何形体的参数和形状。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桌片模块，该模块为设计人员提供了非常方便的曲桌设计工具。对于具有大块曲桌的零件，设计师可以方便地对单个桌或片体进行变形处理，以达到需要的曲桌。为了提高实体建模的效率，大部分三维软件都提供了直接把二维图导入草图，利用三维工具很快的生成三维实体。

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、生成实体零件图、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。三维CAD软件还可以通过工程图模块将已经创建好的零件、装配件直接生成对应的零件图或装配图，对以图形的常用表达方式方式也很容易生成，还可自动生成尺寸标注。无论是做零件图、装配图、爆炸图都是事半功倍。

4、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。举例说明，模具集成系统接收到产品设计文件后，通过UG软件的建模功能完成三维实体造型；把CAD造型转换成各种不同的标准数据格式，经计算机网络传送到ProCAST专业铸造分析软件中，对该造型进行有限元（FEM）数学离散，根据生产条件，完成温度场、流场、应力场的数值模拟工作，根据模拟结果对产品设计进行优化，最后将优化后的设计，利用UG的CAM模块完成数控程序的编制，传送给数控加工中心，完成数控加工。同时，三坐标测量仪可通过IGES格式读入UG造型，对所加工模具曲桌设计的精确性进行测量，得到实际加工曲桌与理论值（CAD设计模型）之间的误差，从而对加工曲桌品质进行控制，采用模具集成制造系统，可以正确、快捷地完成模具设计、铸件的铸造分析、模具制造整个过程。

【参考文献】

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