林宸豪
(浙江軍康科技有限公司,臺(tái)州 318000)
現(xiàn)代制造業(yè)中,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design,CAD)作為一種重要的設(shè)計(jì)工具,在整個(gè)機(jī)械制造過程中發(fā)揮著重要作用。隨著科技的不斷發(fā)展和全球制造業(yè)競爭的加劇,傳統(tǒng)的機(jī)械手工設(shè)計(jì)和繪圖已經(jīng)無法滿足快速、準(zhǔn)確和靈活的設(shè)計(jì)要求。因此,CAD技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展顯得尤為重要。
在現(xiàn)代科技領(lǐng)域和工程領(lǐng)域,CAD扮演著重要角色,已經(jīng)成為設(shè)計(jì)師和制造商必備的工具之一。它突破了傳統(tǒng)手工設(shè)計(jì)的限制,大大加快了設(shè)計(jì)迭代和產(chǎn)品開發(fā)的速度。通過CAD技術(shù),設(shè)計(jì)師可以借助計(jì)算機(jī)軟件創(chuàng)建、編輯和優(yōu)化產(chǎn)品,或進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)和仿真分析,進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)方案并提前發(fā)現(xiàn)問題,將其與實(shí)際制造過程相結(jié)合。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性,還為產(chǎn)品創(chuàng)新和制造流程奠定了基礎(chǔ)。在我國,自CAD技術(shù)發(fā)展應(yīng)用以來,由于其自身具有的優(yōu)越性,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)的諸多領(lǐng)域,如機(jī)械、電子、航天、化工、建筑等,很大程度上降低了相關(guān)工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,有效縮減了設(shè)計(jì)周期[1]。對(duì)CAD技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械制造中的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行深入研究和探討,可以更好地了解CAD技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、挑戰(zhàn)和未來趨勢(shì),為我國各行業(yè)的設(shè)計(jì)制造工作提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。
CAD技術(shù)是一種利用計(jì)算機(jī)軟件來輔助進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)制圖和制造分析過程的技術(shù)。它使用計(jì)算機(jī)來創(chuàng)建、修改和優(yōu)化產(chǎn)品的虛擬模型,并支持設(shè)計(jì)師在數(shù)字環(huán)境中進(jìn)行圖形繪制、建模、分析和仿真等工作。
CAD技術(shù)包括數(shù)字化建模、幾何推理、數(shù)據(jù)管理、圖形顯示、分析和優(yōu)化、自動(dòng)化設(shè)計(jì)[2]。第一,數(shù)字化建模。CAD軟件通過將物理對(duì)象轉(zhuǎn)換成數(shù)字模型,如點(diǎn)云、曲線、曲面和實(shí)體,以實(shí)現(xiàn)更精確和全面的表示。第二,幾何推理。CAD軟件可以基于幾何約束和關(guān)系進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算和推導(dǎo),從而保持設(shè)計(jì)的一致性和正確性。第三,數(shù)據(jù)管理。CAD系統(tǒng)可以有效管理大量的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),如圖紙、零件信息、裝配關(guān)系和工藝規(guī)劃等,以提高協(xié)作和信息共享的效率。第四,圖形顯示。CAD軟件能夠以圖形形式將設(shè)計(jì)結(jié)果呈現(xiàn)給設(shè)計(jì)師,使其能夠直觀理解和修改設(shè)計(jì)。第五,分析和優(yōu)化。CAD軟件可以進(jìn)行各種分析和優(yōu)化,如結(jié)構(gòu)分析、流體分析、熱力學(xué)分析等,以幫助設(shè)計(jì)師評(píng)估設(shè)計(jì)方案的可行性和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。第六,自動(dòng)化設(shè)計(jì)。CAD軟件可以通過編寫腳本和程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化設(shè)計(jì),如批量生成圖紙、自動(dòng)化裝配等,以提高設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性。
CAD技術(shù)先后經(jīng)歷了手工CAD、火花加工、二維制圖與三維建模、參數(shù)化建模、虛擬仿真等。第一,手工CAD。20世紀(jì)60年代初,最早的CAD系統(tǒng)采用機(jī)械手動(dòng)繪圖工具設(shè)計(jì)圖紙,利用計(jì)算機(jī)輔助繪圖和幾何計(jì)算。第二,火花加工。20世紀(jì)70年代到20世紀(jì)80年代,CAD技術(shù)開始應(yīng)用于火花加工機(jī),通過輸入數(shù)字坐標(biāo)控制機(jī)器運(yùn)動(dòng),提升了設(shè)計(jì)和制造過程的精確性。第三,二維制圖和三維建模。20世紀(jì)80年代晚期到20世紀(jì)90年代,以基于擬合的CAD技術(shù)為核心,實(shí)現(xiàn)了二維制圖和三維模型的建立和編輯。這一階段的CAD系統(tǒng)開始支持更多的功能和應(yīng)用,如裝配、分析和工藝規(guī)劃等。第四,參數(shù)化建模。21世紀(jì)初,參數(shù)化建模成為CAD技術(shù)的新趨勢(shì)。基于參數(shù)化建模,設(shè)計(jì)師可以使用參數(shù)和關(guān)系來定義形狀和特征,使得設(shè)計(jì)更加靈活和可變。第五,虛擬仿真。近幾年,虛擬仿真技術(shù)逐漸融入CAD系統(tǒng)。設(shè)計(jì)師可以利用仿真分析評(píng)估產(chǎn)品的性能、可靠性和制造可行性,并在虛擬環(huán)境中進(jìn)行優(yōu)化。
現(xiàn)代CAD軟件提供了豐富的功能和工具來支持CAD機(jī)械制造。常見的CAD軟件包括AutoCAD、SolidWorks、CATIA、Pro/ENGINEER和NX等[3]。這些軟件可以進(jìn)行二維制圖和三維建模,而且有些支持裝配設(shè)計(jì)、物料清單(Bill of Material,BOM)生成、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造(Computer-Aided Design/Computer-Aided Manufacturing,CAD/CAM)集成以及仿真分析等功能?,F(xiàn)代CAD軟件還具備友好的用戶界面和快捷操作,使得設(shè)計(jì)師能夠快速掌握軟件的使用方法,并高效完成設(shè)計(jì)任務(wù)。
在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段,CAD技術(shù)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的工具和功能應(yīng)用。通過CAD軟件,設(shè)計(jì)師可以快速虛擬模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析。這不僅加快了設(shè)計(jì)速度,也提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。合理利用CAD技術(shù),能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)和解決問題,降低制造風(fēng)險(xiǎn)和成本。首先,建模和裝配。CAD軟件提供了豐富的3D建模功能,使得設(shè)計(jì)師能夠準(zhǔn)確構(gòu)建產(chǎn)品的三維模型。此外,CAD軟件支持裝配設(shè)計(jì),允許將多個(gè)零件組裝成完整的產(chǎn)品,以便進(jìn)行更全面的設(shè)計(jì)、分析和評(píng)估。其次,結(jié)構(gòu)分析。CAD軟件通常集成了結(jié)構(gòu)分析工具,可以對(duì)產(chǎn)品的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等重要參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。設(shè)計(jì)師可以使用這些工具確定是否滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求,并在早期發(fā)現(xiàn)潛在的問題,從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)改進(jìn)。再次,材料選擇和優(yōu)化。CAD技術(shù)支持材料選擇和優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)師可以通過模擬分析和優(yōu)化算法,探索不同材料對(duì)產(chǎn)品性能的影響,并選擇最佳的材料實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。此外,優(yōu)化算法可以幫助設(shè)計(jì)師系統(tǒng)改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù),以最大化產(chǎn)品的性能。最后,強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理。CAD軟件具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理功能,可以管理設(shè)計(jì)中涉及的大量數(shù)據(jù),包括圖紙、模型的協(xié)作效率,減少錯(cuò)誤并確保一致性。
首先,形狀設(shè)計(jì)和編輯。通過CAD軟件,設(shè)計(jì)師可以自由創(chuàng)建、編輯和調(diào)整零件的形狀和尺寸。CAD軟件提供了豐富的繪圖和建模工具,使得設(shè)計(jì)師能夠快速繪制各種復(fù)雜的形狀。其次,特征建模。CAD軟件支持特征建模技術(shù),使得設(shè)計(jì)師可以使用一系列的特征來構(gòu)建和編輯零件。這些特征可以是簡單的幾何形狀,如孔、凸臺(tái)和圓,也可以是復(fù)雜的曲面和曲線。最后,標(biāo)準(zhǔn)零件庫管理。CAD軟件通常集成了標(biāo)準(zhǔn)零件庫,包括螺栓、螺母、軸承等常用標(biāo)準(zhǔn)件,可以直接插入設(shè)計(jì),提高設(shè)計(jì)的效率和標(biāo)準(zhǔn)化。
在現(xiàn)代機(jī)械制造中,工藝規(guī)劃是將產(chǎn)品設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)際制程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。它涉及物料選擇、工序安排、設(shè)備配置和生產(chǎn)布局等,旨在優(yōu)化生產(chǎn)效率、降低成本,并確保產(chǎn)品質(zhì)量。工藝規(guī)劃的主要目標(biāo)是合理確定制造流程,盡可能節(jié)省時(shí)間、材料和資源。CAD技術(shù)可以極大地簡化和優(yōu)化工藝規(guī)劃過程,提高其準(zhǔn)確性和效率,顯著提高制造效率和質(zhì)量,并降低企業(yè)成本,提升企業(yè)競爭力。在工藝規(guī)劃中,CAD常用的應(yīng)用模塊包括工步規(guī)劃、物料和工裝選擇、制程仿真。首先,工步規(guī)劃。CAD軟件提供了圖形化界面和操作方法,使得工步規(guī)劃變得更加直觀和靈活。設(shè)計(jì)師可以通過拖放零件和工具的方式創(chuàng)建并組織工作步驟,同時(shí)將其映射到相應(yīng)的工序。其次,物料和工裝選擇。CAD軟件包含了大量的物料庫和工裝庫,設(shè)計(jì)師可以根據(jù)需求選擇合適的材料和工裝。此外,CAD軟件支持料和工裝進(jìn)行匹配和仿真評(píng)估,以確保其適用。同時(shí),CAD軟件的碰撞檢測(cè)功能可以幫助設(shè)計(jì)師在工藝規(guī)劃過程中避免零件之間的干涉,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決潛在的沖突,以提高生產(chǎn)效率和安全性。最后,制程仿真。CAD技術(shù)的制程仿真模塊能夠幫助設(shè)計(jì)師在工藝規(guī)劃階段預(yù)測(cè)、模擬和評(píng)估制造過程的效果。通過模擬材料流動(dòng)、加工參數(shù)和機(jī)器運(yùn)動(dòng)等,設(shè)計(jì)師可以更好地優(yōu)化工作步驟和設(shè)備配置,實(shí)現(xiàn)高效制造。
數(shù)字化制造是將數(shù)字技術(shù)與制造過程結(jié)合,以實(shí)現(xiàn)高度集成和智能化的生產(chǎn)方式。它通過應(yīng)用CAD技術(shù),將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和制造數(shù)據(jù)無縫連接起來,縮短生產(chǎn)周期,提高產(chǎn)品質(zhì)量,并提升制造效率。數(shù)字化制造的要求包括CAD/CAM集成、工藝規(guī)劃的數(shù)字化和制程可視化。首先,CAD/CAM集成。CAD和CAM的緊密集成是數(shù)字化制造的基礎(chǔ)。CAD軟件可以直接輸出制造文件,如工藝圖、數(shù)控程序等,從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和制造的無縫對(duì)接。其次,工藝規(guī)劃的數(shù)字化。數(shù)字化制造要求工藝規(guī)劃的數(shù)字化,即將工藝流程、參數(shù)和設(shè)備信息等轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式。這樣設(shè)計(jì)和制造團(tuán)隊(duì)可以共享和訪問這些數(shù)字化工藝信息,提高協(xié)作效率。最后,制程可視化。數(shù)字化制造通過可視化展示制程信息,使得操作員和管理人員可以更直觀地理解和控制整個(gè)制造過程。CAD技術(shù)可以生成三維模型、動(dòng)畫和可視化報(bào)表,使制程信息更加生動(dòng)和易于理解。
數(shù)控加工是數(shù)字化制造的重要組成部分。通過CAD軟件,設(shè)計(jì)師不僅可以將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)控機(jī)床能夠識(shí)別和執(zhí)行的數(shù)控程序,以快速、準(zhǔn)確地將設(shè)計(jì)文件轉(zhuǎn)化為加工指令,提高數(shù)控加工的效率和精度,還可以根據(jù)零件模型自動(dòng)生成刀具路徑,并考慮切削力、剩余材料等因素,使得設(shè)計(jì)師可以優(yōu)化刀具路徑,減少切削時(shí)間和工具磨損,提高加工質(zhì)量[4]。更重要的是,通過仿真模擬和碰撞檢測(cè),設(shè)計(jì)師可以預(yù)先檢查刀具和工件之間是否存在碰撞問題,避免出現(xiàn)設(shè)備損壞和產(chǎn)品質(zhì)量問題。
3D打印作為一種新興的制造技術(shù),隨著CAD技術(shù)的發(fā)展不斷發(fā)展。CAD軟件可以自動(dòng)或手動(dòng)生成產(chǎn)品的支撐結(jié)構(gòu),以確保打印質(zhì)量和穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)師可以在CAD軟件中設(shè)定材料屬性、打印方向和填充密度等,精確控制3D打印材料和工藝參數(shù),并可視化預(yù)覽打印結(jié)果,以獲得更好的制造效果。機(jī)械制造初期,可以先進(jìn)行3D打印試樣,快速制造出一個(gè)可視化原型,使設(shè)計(jì)者可以更加直觀地了解產(chǎn)品的外觀和功能,并進(jìn)行測(cè)試和優(yōu)化。
CAD軟件能夠幫助設(shè)計(jì)師確定裝配順序,并提供直觀的裝配指導(dǎo)。設(shè)計(jì)師可以根據(jù)裝配零件間的相互關(guān)系,設(shè)定正確的裝配順序和方法,避免組裝沖突和困難。如果有零件干涉或者沖突,也可以進(jìn)行碰撞檢測(cè)和間隙分析,通過虛擬模擬,減少裝配過程中的錯(cuò)誤和重復(fù)工作。通過模擬裝配過程設(shè)置相應(yīng)的規(guī)則,使得設(shè)計(jì)師可以檢查裝配效果,提前發(fā)現(xiàn)和解決問題,確保裝配過程的順利進(jìn)行。這有助于提高裝配速度和質(zhì)量,減少人為因素引起的錯(cuò)誤。
盡管CAD技術(shù)在我國現(xiàn)代機(jī)械制造中發(fā)揮著重要作用,但仍然面臨一些挑戰(zhàn),需要克服才能實(shí)現(xiàn)更大的發(fā)展和應(yīng)用。首先,復(fù)雜性處理。隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的復(fù)雜性不斷增加,CAD軟件需要能夠處理更多的幾何元素、特征和交互關(guān)系。因此,提高CAD軟件的處理能力(包括計(jì)算速度和計(jì)算精確性)是一個(gè)重要挑戰(zhàn)。此外,靈活處理復(fù)雜的幾何形狀、曲面以及非線性行為(如變形和變形分析)也是一個(gè)挑戰(zhàn)。其次,數(shù)據(jù)一致性。在多個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)、供應(yīng)商和制造環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造時(shí),數(shù)據(jù)一致性容易受到影響。CAD技術(shù)需要確保不同階段之間的數(shù)據(jù)連貫性和一致性,以免信息丟失、錯(cuò)誤或沖突[5]。這意味著CAD系統(tǒng)需要具備有效的數(shù)據(jù)管理和版本控制功能,并能夠支持?jǐn)?shù)據(jù)的正確共享和追蹤。最后,集成與協(xié)同工作。CAD技術(shù)需要與其他相關(guān)的工藝規(guī)劃、制造和生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行緊密集成和協(xié)同工作。這要求CAD軟件具備開放性的架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)接口,以便與其他系統(tǒng)進(jìn)行無縫集成。此外,跨企業(yè)的協(xié)同工作也是一個(gè)挑戰(zhàn),需要CAD技術(shù)能夠支持多用戶之間的協(xié)作和共享。
盡管面臨挑戰(zhàn),但CAD技術(shù)仍然有著廣闊的發(fā)展前景,推動(dòng)著機(jī)械制造領(lǐng)域不斷向前發(fā)展。未來CAD技術(shù)發(fā)展的一些趨勢(shì)和方向如下。第一,人工智能大數(shù)據(jù)分析。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展,CAD技術(shù)將越來越多地與數(shù)據(jù)分析和智能算法相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)師可以利用歷史設(shè)計(jì)和制造數(shù)據(jù),通過智能算法生成新的設(shè)計(jì)方案,并進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證,以滿足特定的要求和約束條件。第二,可持續(xù)制造。可持續(xù)發(fā)展是未來制造業(yè)的重要目標(biāo)之一。CAD技術(shù)更加注重環(huán)境友好型設(shè)計(jì)和可持續(xù)制造的要求,使得設(shè)計(jì)師可以優(yōu)化材料利用率,減少能源消耗和碳排放,提高產(chǎn)品的節(jié)能性和環(huán)保性。第三,可虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality,AR)已經(jīng)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域初露頭角,并逐漸融入CAD技術(shù)。通過使用VR技術(shù)和AR技術(shù),設(shè)計(jì)師可以與虛擬模型進(jìn)行交互、觀察和修改,以更直觀地評(píng)估設(shè)計(jì)方案和解決問題。第四,智能制造集成。智能制造涵蓋了物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析和自動(dòng)化等關(guān)鍵技術(shù)。CAD技術(shù)與智能制造相結(jié)合,以實(shí)現(xiàn)全程數(shù)字化和自動(dòng)化生產(chǎn)。CAD軟件將成為生產(chǎn)線上的重要組成部分,與其他制造系統(tǒng)進(jìn)行集成并實(shí)現(xiàn)信息共享和協(xié)同工作。第五,設(shè)計(jì)個(gè)性化和定制化產(chǎn)品。隨著消費(fèi)者需求的多樣化和個(gè)性化趨勢(shì)的增強(qiáng),CAD技術(shù)將越來越多地應(yīng)用于個(gè)性化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造。通過CAD軟件設(shè)計(jì)師可以根據(jù)客戶需求和偏好進(jìn)行定制化設(shè)計(jì),并快速響應(yīng)市場(chǎng)需求的變化。
在現(xiàn)代機(jī)械制造的背景下,通過了解CAD技術(shù)的發(fā)展和概況,對(duì)CAD技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、制造過程以及未來發(fā)展方面的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,CAD技術(shù)提供了強(qiáng)大的三維建模、裝配設(shè)計(jì)和分析功能,以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零件設(shè)計(jì)。在工藝規(guī)劃中,CAD技術(shù)幫助設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工藝規(guī)劃、工步規(guī)劃和制程仿真,以優(yōu)化生產(chǎn)效率和質(zhì)量保證。在制造過程中,CAD技術(shù)支持?jǐn)?shù)控加工和3D打印等先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用,以提高制造精度和靈活性,同時(shí)探討了CAD技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展趨勢(shì)。盡管CAD技術(shù)已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步和應(yīng)用,但仍然面臨一些挑戰(zhàn),如復(fù)雜性處理、數(shù)據(jù)一致性和系統(tǒng)集成等問題。然而,隨著大數(shù)據(jù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的發(fā)展,CAD技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景。人工智能大數(shù)據(jù)分析、可持續(xù)制造、虛擬現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)將是CAD技術(shù)未來的重要方向。
綜上所述,CAD技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械制造中起著不可替代的作用,為設(shè)計(jì)師提供了強(qiáng)大的工具和功能應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了從無到有、從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造過程的數(shù)字化和高效率。但是,CAD技術(shù)仍然需要不斷創(chuàng)新和發(fā)展,以應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)并滿足不斷變化的制造需求,推動(dòng)我國機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展,為設(shè)計(jì)師和制造商帶來更多的機(jī)遇。