CAD技术在机械工程设计中的应用

郑 健

（鲁南技师学院，山东 临沂 276001）

引言

CAD技术的出现与发展为机械工程设计提供了新的思路，也为设计人员提供了专业设计平台。因此，机械工程设计人员应提高对CAD技术的重视程度，利用CAD技术优化细节设计、控制设计误差，从而推动机械制造行业的发展。

1 CAD与机械工程设计概述

1.1 CAD技术与CAD系统

CAD技术即计算机辅助设计，指的是利用计算机与图形设备进行设计。CAD技术出现于二十世纪六十年代，而我国CAD技术起源于国外CAD平台技术的二次开发。CAD技术当中的基本技术包括交互技术、曲面造型技术、图形变换技术以及实体造型技术。交互技术可实现设计人员与计算机系统之间的信息交互，帮助设计人员更改设计图纸。曲面造型技术指的是对线条的曲面造型进行研究，以满足异形设计需求。图形变换技术可以将用户坐标系与图形输出设备的坐标系结合起来，对图形进行平移、缩放、旋转或透视变换。实体造型技术可以将设计图纸转变为实体造型[1]。在设计过程中应用CAD技术，可有效减少数据运算量、减少误差，因此，CAD技术在设计中占据着重要地位。

CAD系统主要由软件与硬件共同构成，其中，硬件包括计算机以及图形设备，而图形设备又包括显示器、输入设备以及输出设备。软件由操作系统与应用软件构成，操作系统包括Linux、UNIX等工作站操作系统以及Windows等PC机操作系统，应用软件包括AutoCAD、CAXA电子图板等二维CAD系统与Solid-Edge、Inventor等三维CAD系统。

1.2 机械工程设计

机械工程是利用物理定律对机械系统进行分析、设计、制造以及维修的工程学科。机械工程将自然科学与技术科学结合起来，可以为机械开发、运行以及维修提供指导。机械工程设计即根据用户需求与产品规划方案进行机械产品的设计，具有复杂性、标准性等特点，对设计质量的要求相对较高。

2 CAD技术在机械工程设计中的优势

2.1 有利于提高机械工程设计的数字化水平

在机械工程设计中应用CAD技术可以实现数字化设计与控制，提高设计效率。利用CAD技术进行设计，可以将数据元素转变为图形元素，也可以将图形元素转变为数据元素，应用CAD技术可以提高数据处理效率，为机械工程设计提供更多的数据信息。

2.2 有利于缩短机械工程的设计时间

在传统的设计工作中，设计人员需要通过手绘等方式绘制图纸，并进行大量计算，在一定程度上降低了设计效率。而应用CAD技术可进行辅助绘图，提高数据处理效率，缩短机械工程设计的时间。同时，设计人员运用CAD技术可以随时更改设计细节，不需要重新绘制设计图纸，可有效节约设计时间[2]。此外，应用CAD技术可以提高变型设计能力，加快设计速度。

2.3 有利于提高机械工程的设计质量

在进行机械工程设计时，可以利用CAD技术进行参数的计算与调整，增强设计的准确性。也可以进行模型建构，对设计图纸进行优化。CAD技术结合了结构优化以及力学体系等内容，可以提升机械工程的设计质量。

3 CAD技术在机械工程设计中的具体应用

3.1 在辅助绘图中的应用

绘图是设计工作的关键环节，而传统的人工绘图不仅会消耗大量的时间，也会影响到图纸的精准性。如在设计过程中设计人员无法充分展现机械结构细节，导致后续生产出现问题。而应用CAD技术可以进行计算机辅助绘图，增强图纸的准确性。因此，设计人员需要提高对CAD技术的重视程度，并充分发挥其计算机辅助绘图功能的作用，降低绘图难度。常用的计算机辅助绘图软件有AutoCAD、CAXA电子图板等，设计人员可以利用这些软件进行绘图，提高绘制效率。其中，AutoCAD具有图形绘制、图形编辑、图形转换和数据交换等多重功能，可以进行用户定制与二次开发，也可以为多种硬件设备与操作平台提供支持。设计人员可以利用AutoCAD软件进行平面绘图，创建直线、曲线、多边形等基本图形，并利用正交、捕捉追踪、极轴追踪等功能捕捉几何对象中的特殊点，利用该软件进行图形的移动、旋转、延长、拉伸与缩放，并对图形的尺寸、文字等各个方面进行调整，利用该软件进行三维绘图，并构建机械产品模型。

3.2 在优化设计中的应用

在CAD技术与机械工程设计不断融合的过程中，CAE技术应运而生。CAE技术可以计算复杂工程与产品结构的刚度、强度、动力响应和三维多体接触等参数，并对机械工程结构性能进行优化设计。常用的CAE软件有专用CAE软件与通用CAE软件。其中，专用CAE软件是针对特定工程或产品进行性能分析与优化的软件，而通用CAE软件是针对不同工程与产品的力学性能以及物理性能对工程进行优化设计的软件。CAE软件的关键在于有限元方法，可以对结构进行离散化处理并根据变形协调条件进行求解。在机械工程设计中应用CAE软件具有多重优势，可以完善设计功能、增强机械工程设计的合理性、降低设计成本、缩短设计周期、通过优化设计明确最佳设计方案。

3.3 在机械工程建模中的应用

模型建构是机械工程设计的关键环节，对设计质量会产生较大影响。但模型建构难度相对较大，如果不采用先进的技术手段可能会降低建模的准确性。在机械工程设计中应用CAD技术，可以通过相关软件构建三维模型，降低模型建构难度。同时，CAD技术的建模体系较为完善，不仅包括立方体、球体、圆锥体，也包括圆柱体、楔形体以及环状体等建模体系，基本可以满足机械工程建模需求。设计人员在构建三维模型时只需要选择合适的建模体系，进行分解与组装即可。在应用CAD技术时，设计人员应输入设计参数并构建表面模型、线框模型与实体模型，展现设计效果。此外，设计人员利用三维建模功能可以进行弹性设计。在建模过程中，设计人员可以根据实际情况，直接利用CAD技术进行数据调整，增强模型的精准性。

3.4 在CAD/CAM模具集成制造中的应用

应用CAD技术可以提升机床性能，优化机械工程设计。设计人员可以利用CAD技术提升数控机床的智能化与数字化水平，并对设计工作进行严格监督。设计人员也可以利用CAD/CAM技术进行仿真模拟与数控加工，提高模具制造的集成化程度。

3.5 在工程结构设计中的应用

设计人员可以利用CAD技术分析机械产品零部件的结构与力学情况，及时调整零件结构与受力，提升产品的整体性能。

4 CAD技术在机械工程设计中的发展方向

CAD技术是机械工程设计中的关键，可以为工程建模、工程分析和设计审查提供技术支持。但机械工程设计是动态变化的，人们对机械工程设计的要求也是不断变化的，因此，需要进一步完善CAD技术，促进CAD技术向标准化、集成化、智能化、网络化以及自动化方向发展。

4.1 标准化

当前，常用的CAD软件功能较为丰富，使用价值也比较高，但兼容性相对较差，会对数据共享造成影响。在这种情况下，应对CAD软件数据模型以及交换资源格式化标准进行深入研究，不断完善STEP标准体系，从而使CAD技术向标准化方向发展。

4.2 集成化

在机械制造行业不断发展的过程中，设计手段逐渐向多样化方向发展。同时，机械工程设计当中存在大量的非结构化信息，如产品样品图像、工程图样等，若想科学管理这些数据信息，就需要进行集成化管理。因此，为了充分发挥CAD技术在机械工程设计中的作用，需要提升CAD技术的集成化水平，即对CAD、CAM以及CAPP等技术进行集成，从而实现工艺分析、产品设计等各道工序的集成。同时，设计人员也需要利用CAD软件研究机械产品的力学特点，对设计工艺进行集成，提高设计质量。

4.3 智能化

智能化时代，若想突出CAD技术的优势、提升机械工程设计质量，需要促进CAD技术向智能化方向发展。技术人员要充分发挥人工智能技术在CAD技术中的作用。在CAD技术中应用人工智能技术以提升CAD软件的创造力，因此，可以通过利用基于约束满足的设计、基于范例推理的设计以及专家系统，提升CAD技术的智能化水平。同时，可以利用基于神经网络的设计方案推导系统，解决设计条件描述不充分等问题，利用针对机械工程设计的模糊评判方法与多解性模糊设计，进行智能化设计。设计人员要根据相关需求制定设计计划，并利用CAD软件创新设计手段，使设计工艺更具有智能化的特点。

4.4 网络化

在网络技术不断发展的过程中，推动CAD技术向网络化方向发展具有重要意义。技术人员要充分发挥互联网技术在CAD技术中的作用，增强二维图纸的传输效率。并在网络协作模式的基础上，保障机械产品设计质量，降低设计成本。

4.5 自动化

信息化时代，不仅需要提升CAD技术的智能化与网络化水平，也需要提升机械工程设计的自动化程度。技术人员应进一步研究CAD技术的自动绘图功能、自动分析功能和自动建模功能，提升技术的自动化水平，降低机械工程设计对人工的依赖。

5 结语

在机械工程设计中应用CAD技术可以提升设计的数字化水平、缩短设计时间、提高设计质量。设计人员应灵活应用CAD技术，不断更新设计理念，完善机械工程设计的内容。同时，技术人员也需要对CAD技术进行深入研究，促进CAD技术向标准化、集成化、智能化、网络化以及自动化方向发展。