CAD技術(shù)在機械設(shè)計中的應(yīng)用

李汾娟

(蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學院，江蘇蘇州215000)

摘要：CAD技術(shù)的飛速發(fā)展對機械設(shè)計產(chǎn)生了巨大的影響，不僅縮短設(shè)計周期、降低成本，而且提高了機械產(chǎn)品質(zhì)量，使設(shè)計變更方便與快捷。以煤礦機械設(shè)計為例，淺析CAD技術(shù)優(yōu)勢在設(shè)計方案確定、三維建模與渲染，以及CAD/CAE/CAM相結(jié)合的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:CAD機械設(shè)計應(yīng)用帶傳動

中圖分類號：TH122文獻標識碼：A

作者簡介：李汾娟(1983-)，女，遼寧鐵嶺人，講師/工程師，主要從事計算機輔助設(shè)計與制造研究。

收稿日期：2015-04-07

Introduction to the application of CAD technology in mechanical design

LI Fenjuan

Abstract:The rapid development of CAD technology has had a huge impact on mechanical design, which not only shortens the design cycle, reduces costs, improves the quality of mechanical products, but also makes the design changes easily and fast. Taking coal mine machinery for example，this paper discuss the advantages of the specific application CAD technology in areas including the determination of design,3D modeling and rendering,as well as integrated application of CAD/CAE/CAM.

Keywords:CAD；mechanical design；application；belt transmission

0引言

現(xiàn)代設(shè)計是以產(chǎn)品為總目標的一系列種類繁多的現(xiàn)代設(shè)計方法和技術(shù)的綜合運用。由于計算機具有運算速度快、數(shù)據(jù)處理準確、存儲量大等特點，成為現(xiàn)代工程設(shè)計中分析、計算、綜合、決策、數(shù)據(jù)處理、圖形處理和與現(xiàn)代設(shè)計方法結(jié)合的不可替代的重要工具。這種人機交互式的設(shè)計方法，就是計算機輔助設(shè)計(Computer Aided Design, CAD) 。CAD技術(shù)的飛速發(fā)展對機械設(shè)計產(chǎn)生了巨大的影響，設(shè)計效率得到了極大的提高。

1CAD技術(shù)在機械設(shè)計中的優(yōu)勢

1.1設(shè)計周期縮短、耗費降低

傳統(tǒng)的機械設(shè)計方法是以實踐經(jīng)驗為基礎(chǔ)，依據(jù)力學和數(shù)學建立的理論公式和經(jīng)驗公式，運用數(shù)表、圖形和手冊等技術(shù)資料，進行方案擬定、設(shè)計計算、繪圖和編寫設(shè)計說明書 。因而，傳統(tǒng)設(shè)計往往需要人工資料檢索、計算和手工繪圖，歷時長、耗費大。CAD技術(shù)讓設(shè)計人員擺脫繁瑣的資料檢索與計算，通過計算機的高速運算，縮短設(shè)計進程；同時，CAD技術(shù)支撐圖形程序庫處理，完成圖形的自動生成，大大減輕設(shè)計人員的繪圖工作量。

1.2設(shè)計變更方便、快捷

設(shè)計變更在企業(yè)中是非常普遍的。設(shè)計企業(yè)會根據(jù)客戶需求，對原設(shè)計內(nèi)容進行修改、完善、優(yōu)化。設(shè)計變更通常包括增減工程內(nèi)容、改變使用功能、修改工藝技術(shù)等內(nèi)容，其中由于設(shè)計的錯誤和遺漏原因而需要設(shè)計變更的情況，CAD技術(shù)可以快速解決。例如，對零件設(shè)計而言，參數(shù)化設(shè)計有利于快速實現(xiàn)尺寸修改；基于虛擬裝配模塊，查看修改后的零件是否與原組建中其他零部件存在干涉，保證裝配的精確度。

1.3助于提高機械產(chǎn)品質(zhì)量

CAD技術(shù)向標準化、集成化和智能化方向發(fā)展，一些標準的圖形接口軟件和圖形功能相繼推出，將CAD技術(shù)拓展，結(jié)合計算機輔助工程(Computer Aided Engineering, CAE)求解分析復雜工程和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)力學性能，優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能；利用計算機輔助制造(Computer Aided Manufacturing, CAM)進行生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)置、控制和操作，實現(xiàn)仿真加工，優(yōu)化加工工藝過程。CAD/CAE/CAM技術(shù)的融合，有助于更好的保證機械產(chǎn)品的質(zhì)量。

2CAD技術(shù)優(yōu)勢在煤礦機械設(shè)計中具體應(yīng)用的探討

煤礦機械可分為露天煤礦機械和井下煤礦機械。帶式輸送機具有長距離、大運量等優(yōu)點，在露天煤礦機械中較為廣泛應(yīng)用。皮帶傳動是帶式輸送機的重要組成部分，筆者將以帶式輸送機中皮帶傳動設(shè)計為例，探索CAD技術(shù)優(yōu)勢在機械設(shè)計中的具體應(yīng)用。

2.1基于CAD技術(shù)的設(shè)計方案信息確定

設(shè)計人員利用CAD技術(shù)不斷的從工程數(shù)據(jù)信息庫中檢索設(shè)計資料，調(diào)用設(shè)計程序庫的設(shè)計計算程序進行計算，確定設(shè)計方案和主要設(shè)計參數(shù)；利用圖形程序庫處理和構(gòu)造設(shè)計圖形；將設(shè)計方案和設(shè)計圖形存儲到數(shù)據(jù)庫中，完成設(shè)計方案信息的確定與輸出。

帶式輸送機帶傳動設(shè)計中，要求工作環(huán)境溫度一般-25~+40℃，連續(xù)單向運轉(zhuǎn)，載荷較平穩(wěn)，使用壽命至少5年，三班制工作，技術(shù)參數(shù)如表1。

表1

主要技術(shù)參數(shù)

利用CAD技術(shù)確定設(shè)計方案與圖形繪制，過程如下：1)設(shè)定參數(shù)。從工程數(shù)據(jù)庫中檢索設(shè)計資料設(shè)置工況如圖1；2)設(shè)計計算與修改。系統(tǒng)計算出一系列可行性方案供設(shè)計人員參考，設(shè)計人員根據(jù)經(jīng)驗選擇、修改與調(diào)整，最終確定最優(yōu)方案如圖2；3)校核計算與輸出結(jié)果。調(diào)用設(shè)計程序庫進行計算，確定設(shè)計方案和主要設(shè)計參數(shù)，并保存成*.TXT文件格式輸出如圖3；4)構(gòu)造圖形。設(shè)定帶輪結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖4，包括：帶輪類型、輪轂直徑、鍵槽寬度和深度，調(diào)用圖形程序庫處理和構(gòu)造設(shè)計圖形；5)圖紙選擇與出圖。標注與設(shè)置圖紙樣式如圖5，完成小帶輪設(shè)計如圖6。

圖1　設(shè)定參數(shù)　　　　圖2　設(shè)計計算與修改

可見，利用CAD的技術(shù)優(yōu)勢，可以方便快捷地將設(shè)計需求轉(zhuǎn)變成設(shè)計方案，完成工程圖的繪制任務(wù)，縮短了設(shè)計周期，大大降低了設(shè)計人員的工作量。

圖3　校核計算　　　　　　　圖4　設(shè)定帶輪 　　　　　　　　　　　　　　　　　　結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖5　圖紙的選擇　　　　圖6　小帶輪零件圖

2.2三維CAD技術(shù)的應(yīng)用

(1)三維建模與模型渲染的應(yīng)用

CAD在輔助設(shè)計實現(xiàn)零件的二維圖上表現(xiàn)優(yōu)異，同時，三維CAD技術(shù)可以快速高效地實現(xiàn)三維建模與模型渲染，以小帶輪為例如圖7，過程如下：① 提取二維截面輪廓特征；②創(chuàng)建帶輪基本體；③鍵槽面域的三維旋轉(zhuǎn)；④拉伸特征；⑤布爾差集運算；⑥渲染效果圖。

此外，資源查找器中的零件回放可以將零件造型的全過程通過動畫連續(xù)地演示出來，幫助工作人員加深了解 ；三維CAD技術(shù)的裝配模塊可以構(gòu)建組件與干涉檢查，避免相鄰零件干涉導致設(shè)計失敗。

圖7三維建模與渲染

(2)CAD/CAE/CAM技術(shù)綜合應(yīng)用

CAE技術(shù)的主要功能是產(chǎn)品的建模、工程分析與仿真，在幾何建模功能上比較薄弱。通常將CAD建立好的模型導入到CAE中進行工程力學分析。CAM技術(shù)的主要功能是依據(jù)輸入零件的工藝路線和工序內(nèi)容，輸出刀具加工時的運動軌跡和數(shù)控程序。機械設(shè)計中將CAD與CAE 技術(shù)融合，幫助工程結(jié)構(gòu)分析；將CAD與CAM 技術(shù)融合，幫助加工工藝分析。CAD/CAE 和CAD/CAM 的獨立融合與并行操作，有利于實現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計的評價與修改，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高市場競爭力。

3CAD技術(shù)在機械設(shè)計中的存在問題

3.1對CAD認知不足

許多企業(yè)對CAD應(yīng)用大多停留在二維出圖與三維建模上，將CAD作為效果展示的工具，并沒有意識到CAD輔助設(shè)計的含義，同時在CAD/CAE與CAD/CAM并行操作實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計上的認識不夠。CAD不是輔助繪圖，而是輔助設(shè)計，并幫助實現(xiàn)輔助分析與加工 。

3.2精通CAD的技術(shù)人員的缺乏

CAD技術(shù)本身是一個復雜的系統(tǒng)，并不是每個設(shè)計人員都接受過系統(tǒng)的培訓，了解CAD中的主要模塊與相互聯(lián)系，更不用說CAD/CAE與CAD/CAM的并行操作，因而在機械設(shè)計中無法有效的加以利用。

4結(jié)論

現(xiàn)代化信息技術(shù)迅猛發(fā)展，機械設(shè)計與制造企業(yè)需要深入應(yīng)用CAD技術(shù)。CAD不是輔助繪圖，而是輔助設(shè)計。先進的設(shè)計方法與手段是企業(yè)在激烈競爭中獲得成功的保證。加強CAD技術(shù)的應(yīng)用，為機械設(shè)計提供必要的技術(shù)支撐，增強企業(yè)機械產(chǎn)品的研發(fā)能力，從而提高企業(yè)機械裝備水平。

參考文獻

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