蔡志勇

【摘 要】在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中，交互技術(shù)是必不可少的。交互式CAD系統(tǒng)，指用戶在使用CAD系統(tǒng)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，人和機(jī)器可以及時(shí)地交換信息。隨著計(jì)算機(jī)性能的提高，CAD三維技術(shù)不斷的被開發(fā)和應(yīng)用，我國(guó)的CAD三維技術(shù)在高精機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域正向著集成、技能、和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】三維CAD；機(jī)械設(shè)計(jì)與制造；應(yīng)用

一、CAD技術(shù)概述

CAD技術(shù)主要應(yīng)用于高精度機(jī)械設(shè)計(jì)中，是利用計(jì)算機(jī)及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。在設(shè)計(jì)中通常要用計(jì)算機(jī)對(duì)不同方案進(jìn)行大量的計(jì)算、分析和比較，以決定最優(yōu)方案；各種設(shè)計(jì)信息，不論是數(shù)字的、文字的或圖形的，都能存放在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存或外存里，并能快速地檢索；設(shè)計(jì)人員通常用草圖開始設(shè)計(jì)，將草圖變?yōu)楣ぷ鲌D的繁重工作可以交給計(jì)算機(jī)完成；由計(jì)算機(jī)自動(dòng)產(chǎn)生的設(shè)計(jì)結(jié)果，可以快速作出圖形，使設(shè)計(jì)人員及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)作出判斷和修改；利用計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行與圖形的編輯、放大、縮小、平移和旋轉(zhuǎn)等有關(guān)的圖形數(shù)據(jù)加工工作。

采用交互式系統(tǒng)，人們可以邊構(gòu)思、邊打樣、邊修改，隨時(shí)可從圖形終端屏幕上看到每一步操作的顯示結(jié)果，非常直觀。圖形變換的主要功能是把用戶坐標(biāo)系和圖形輸出設(shè)備的坐標(biāo)系聯(lián)系起來；對(duì)圖形作平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、透視變換；通過矩陣運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)圖形變換.計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)自動(dòng)化計(jì)算機(jī)自身的CAD，目的是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)在進(jìn)行機(jī)械設(shè)自身設(shè)計(jì)和研制過程的自動(dòng)化或半自動(dòng)化。研究?jī)?nèi)容包括功能設(shè)計(jì)自動(dòng)化和組裝設(shè)計(jì)自動(dòng)化，涉及計(jì)算機(jī)硬件描述語(yǔ)言、系統(tǒng)級(jí)模擬、自動(dòng)邏輯綜合、邏輯模擬、微程序設(shè)計(jì)自動(dòng)化、自動(dòng)邏輯劃分、自動(dòng)布局布線，以及相應(yīng)的交互圖形系統(tǒng)和工程數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。集成電路有時(shí)也列入計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)自動(dòng)化的范圍。

二、機(jī)械設(shè)計(jì)中CAD技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)

通過實(shí)際應(yīng)用三維CAD系統(tǒng)軟件機(jī)械設(shè)計(jì)過程中具有更大的優(yōu)勢(shì)具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

第一、零件設(shè)計(jì)更加方便使用CAD技術(shù)可以在裝配環(huán)境中設(shè)計(jì)新零件也可以利用相鄰零件的位置及形狀來設(shè)計(jì)新零件既方便又快捷避免了單獨(dú)設(shè)計(jì)零件。如果設(shè)計(jì)失敗資源查找器中的零件回放還可以把零件造型的過程通過動(dòng)畫演示出來使人一目了然，可以迅速查找失敗的原因進(jìn)行糾正和改進(jìn)。

第二、裝配零件更加直觀，在裝配過程中資源查找器中的裝配路徑查找器記錄了零件之間的裝配關(guān)系若裝配不正確即予以顯示另外零件。也可以在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中隱藏了外部零件之后更清楚地看到內(nèi)部的裝配結(jié)構(gòu)。整個(gè)機(jī)器裝配模型完成后還能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)演示對(duì)于有一定運(yùn)動(dòng)行程要求的可檢驗(yàn)行程是否達(dá)到要求及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行更改避免了產(chǎn)品生產(chǎn)后才發(fā)現(xiàn)需要修改甚至報(bào)廢。

第三、縮短了機(jī)械設(shè)計(jì)周期，采用CAD技術(shù)機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)間縮短了近1/3大幅度地提高了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率。在運(yùn)用CAD技術(shù)進(jìn)行新機(jī)械設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)只需對(duì)其中部分零部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和制造而大部分零部件的設(shè)計(jì)都將繼承以往的信息使機(jī)械設(shè)計(jì)的效率提高了35倍。同時(shí)CAD技術(shù)具有高度變型設(shè)計(jì)能力能夠通過快速重構(gòu)得到一種全新的機(jī)械產(chǎn)品。

三、CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

1、零件的實(shí)體建模

設(shè)計(jì)軟件為三維建模提供了多種工具，對(duì)簡(jiǎn)單的零件，可通過對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，將其分解成若干基本體，對(duì)基本體進(jìn)行三維實(shí)體造型，之后再對(duì)其進(jìn)行布爾運(yùn)算，便可得出零件的三維實(shí)體模型。對(duì)于較復(fù)雜的圖形，軟件提供了草圖工具，設(shè)計(jì)人員可以通過它先勾勒出截桌，再拉伸出較復(fù)雜的幾何形體，并且可以根據(jù)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)意圖任意修改幾何形體的參數(shù)和形狀。為了滿足人們不斷提高的審美要求，目前主要流行的幾款三維設(shè)計(jì)軟件基本上都提供桌片模塊，該模塊為設(shè)計(jì)人員提供了非常方便的曲桌設(shè)計(jì)工具。對(duì)于具有大塊曲桌的零件，設(shè)計(jì)師可以方便地對(duì)單個(gè)桌或片體進(jìn)行變形處理，以達(dá)到需要的曲桌。為了提高實(shí)體建模的效率，大部分三維軟件都提供了直接把二維圖導(dǎo)入草圖，利用三維工具很快的生成三維實(shí)體。

2、產(chǎn)品造型修改簡(jiǎn)便

企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品往往是按系列區(qū)分，各系列中每一代產(chǎn)品與上一代產(chǎn)品之間的區(qū)別較小，也許只是增加了一個(gè)功能部件或是產(chǎn)品造型尺寸上有所改動(dòng)。三維CAD可以方便地修改一些參數(shù)就能達(dá)到設(shè)計(jì)師更改造型的目的。三維CAD在建模中一般使用參數(shù)化建模，整個(gè)建模的步驟和產(chǎn)品的外型尺寸被參數(shù)化，這些參數(shù)是與產(chǎn)品的造型直接關(guān)聯(lián)的。若要對(duì)尺寸或造型進(jìn)行局部的更改，只需要更改相關(guān)參數(shù)，整個(gè)造型將被自動(dòng)更新。這樣不僅大大減少了設(shè)計(jì)人員的工作量，還保證了產(chǎn)品外造型的延續(xù)性。

3、生成實(shí)體零件圖、裝配圖

實(shí)體裝配不僅能讓設(shè)計(jì)人員直觀地看到各零件裝配后的狀態(tài)，還可以測(cè)量各零件之間的空間大小，方便零件的布置。在裝配完成后，零件可以被隱藏或設(shè)置成半透明的狀態(tài)，方便設(shè)計(jì)人員觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)。此外，在裝配狀態(tài)下，軟件提供的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，也方便了設(shè)計(jì)人員對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件型號(hào)的選擇。裝配狀態(tài)下的干涉分析也是常用的功能，計(jì)算機(jī)通過計(jì)算各裝配零件的體積的大小和位置來確定是否有相交的部分，并確定各零件是否干涉，自動(dòng)生成分析報(bào)告，明確指出互相干涉零件的名稱和干涉的尺寸。方便設(shè)計(jì)師修改產(chǎn)品設(shè)計(jì)尺寸。三維CAD軟件還可以通過工程圖模塊將已經(jīng)創(chuàng)建好的零件、裝配件直接生成對(duì)應(yīng)的零件圖或裝配圖，對(duì)以圖形的常用表達(dá)方式方式也很容易生成，還可自動(dòng)生成尺寸標(biāo)注。無論是做零件圖、裝配圖、爆炸圖都是事半功倍。

4、模具CAD/CAM的集成制造

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，為了減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品的精度，制造行業(yè)裝備從普通機(jī)床逐步到數(shù)控機(jī)床和加工中心，同時(shí)，模具CAD/CAM技術(shù)、模具激光快速成型技術(shù)（RPM）等，幾乎應(yīng)用到整個(gè)制造行業(yè)。這些數(shù)控加工裝備基本都具有與各三維設(shè)計(jì)軟件的接口。當(dāng)產(chǎn)品模型在三維CAD軟件中完成后，再由CAD軟件模擬出加工刀具路徑，隨后生成數(shù)控語(yǔ)言，通過接口輸入數(shù)控設(shè)備中，再由數(shù)控設(shè)備按照模擬出的加工路徑加工產(chǎn)品。舉例說明，模具集成系統(tǒng)接收到產(chǎn)品設(shè)計(jì)文件后，通過UG軟件的建模功能完成三維實(shí)體造型；把CAD造型轉(zhuǎn)換成各種不同的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，經(jīng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳送到ProCAST專業(yè)鑄造分析軟件中，對(duì)該造型進(jìn)行有限元（FEM）數(shù)學(xué)離散，根據(jù)生產(chǎn)條件，完成溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬工作，根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，最后將優(yōu)化后的設(shè)計(jì)，利用UG的CAM模塊完成數(shù)控程序的編制，傳送給數(shù)控加工中心，完成數(shù)控加工。同時(shí)，三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x可通過IGES格式讀入U(xiǎn)G造型，對(duì)所加工模具曲桌設(shè)計(jì)的精確性進(jìn)行測(cè)量，得到實(shí)際加工曲桌與理論值（CAD設(shè)計(jì)模型）之間的誤差，從而對(duì)加工曲桌品質(zhì)進(jìn)行控制，采用模具集成制造系統(tǒng)，可以正確、快捷地完成模具設(shè)計(jì)、鑄件的鑄造分析、模具制造整個(gè)過程。

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