基于CAD 在机械设计中应用的探索性研究

刘碧云

（广东省机械技师学院，广东 广州510450）

我国在迈向制造业强国的道路上，必然要发展机械设计与制造行业。CAD 技术是机械设计中必用工具，它将设计人员从繁琐缓慢的手工绘图中解放出来，使设计人员工作效率更高。CAD 技术针对不同层级的人员有不同层级的应用模块可学。其工具性强，适用于各不同行业，且优势突出，在大量行业中应用广泛。CAD 对行业的发展能起到强力作用，甚至可以提高行业的经济效应。

1 CAD 的概述

1.1 CAD 的基本概念

CAD 全称Computer Aided Design，计算机辅助设计，是利用计算机辅助设计人员进行工作的技术。正如其名，计算机以其强大的计算和存储功能，在CAD 技术中起到核心作用。计算机能在大量不同方案中快速比较并抉择出最佳方案，存储各种设计信息并快速提取，将草图便捷地转换成工作图，快速地将图形转换成程序并进行编辑加工。CAD 技术是制造业中的常用工具，它能将设计产品转化成模型，在各行各业中都有创新性应用。装修楼房建筑和工业零件制造都可以借助CAD 进行设计和二维图样的转化。CAD 技术作为研究课题而言，有几大特点造就了它的前沿地位：知识网络紧密、智商要求高、经济利益转化快、对综合能力要求高。

1.2 CAD 的历史

二十世纪中叶麻省理工研究人员建立了CAD 的雏形，并在此基础上发展出三维CAD 技术。由于昂贵的成本，在我国最初只应用于高端且极其重要的工业线。随着我国经济的（转下页）发展，它在我国各行业也更加推广。

2 CAD 在机械设计中的应用

2.1 零件实体建模

零件建模就是确定零件所需特征的过程。零件与特征之间的关系是具有层次性的。设计人员构建零件的生产模型，需要借助强大的空间想象能力，结合零件建模的经验技巧,使用合理的方法，才能完成任务。三维CAD 技术中主要的建模形式是表面模型、线框模型和实体模型这3 种。CAD 设计中包括六类基本体: 球体, 圆锥体, 楔体, 立方体, 圆柱体和环形体。在CAD软件中，设计师将零件拆分成基本体，再将各个基本体进行数据优化，进而得到最优模型。运用CAD 技术，工程师可以根据产品的要求创建与要求尺寸完全相同的模型，提升机械工程设计效率，减少人员的工作量。三维CAD 软件还能将零部件的实体模拟出来以便进一步修改。

2.2 装配体建模

装配体建模是借助CAD 软件把零件装配成模型的过程。机械设计的对象除零件外还有各零件间的组合方式。善用三维编辑功能的设计人员能够在一定程度上对机械产品零件进行合理装配，最终实现装配图的实体生成[2]。装配需要确认的除零件位置外还有零件参数。

2.3 模具的集成制造

模具集成制造是CAD 的重要应用。模具CAD 指用CAD 进行模具设计。借助CAD，机械设计与制造人员能够系统全面地进行模具集成制造。尤其是激光快速成型技术，为设计师给予了许多便利。倘若与其他技术融合，就能对学科总体造成极其正面的影响。如今科学技术发达，模具CAD/CAM激光快速成型技术已被广泛利用。CAD 使模具的设计质量不断提高，从而维持机械设计水平向上的发展趋势。

2.4 辅助绘图、设计机械

传统的机械设计一般需要大量的手工绘图，而手工绘图大多数情况下会降低信息的准确性和整体的美观性，且效率低下。CAD 软件制图借完成绘图指令来提升机械设计图的质量和效率，已经取代手工绘图成为新的主流。机械设计制图总体水平呈向上趋势。

3 CAD 在机械设计中应用的优势

3.1 直观

CAD 技术的二维功能和三维功能都能为设计师提供许多便利，尤其是三维功能的直观性。CAD 三维立体模型的设计能够设置每一个零部件材质，不同材质有不同显示，能一眼看出整体模型在更深层意义上的构成。

3.2 参数化，易于调整零件

CAD 的参数化是给设计师在调整的便利、提高设计效率的原因。机械设计一般设计师手工用绘图工具进行设计，每次修改都要全盘重新绘制，增加许多无意义的工作量，影响设计工作的顺利进行，偏偏这种修改又是无可避免且频繁的。使用CAD 软件时，当需要修改个别零件，可以通过修改周边零件来容许其自然加入原有设计，提高了产品模型的精度和质量，避免了无意义的重绘工作，使机械设计效率提高。结合模型数据库，设计师可以在遵循设计理念的同时，组装或是拆散相关的设计图形。通过参考待修改零件的周边零部件，设计师可以便利地直接更改该零件的参数。三维CAD 软件可详细展示出所有零部件的装配形式，使模拟装配更加可靠，在实际装配中减少出差错的风险。通过查看模型，可以便捷地发现问题，易于修改。装配的历史修改记录系统允许设计师随时调查每个零件的修改过程。

3.3 提高设计效率，缩短设计周期

CAD 技术能够改善机械设计的工作方式，将手工作业替换成机械作业，减轻设计师的工作压力，提升工作效率。曾经的人工手绘建立在人脑空间想象能力的基础上，难度高，需要考虑结构反复核实修改，操作繁琐，容易因小错变得难以挽回。在这个过程中会浪费大量时间和人力资源。CAD 软件只要输入数据就能生成机械设计图。CAD 保证数据准确无误的同时，能够修改相关数据并保留，对重要设计能强调显示，方便查看和修改。CAD 软件可以保存历史数据样本，允许设计师调动并重复利用，需要重新设计与制造的仅部分零部件，将设计效率提升3 倍以上。据调查显示，当今机械设计所需时间仅过往的百分之六十。

4 结论

在当今，机械设计辅助技术愈发智能化、自动化、科技化。通过CAD 技术，设计师能提升工作效率和设计的标准化程度。CAD 技术的进步，不仅帮助了广大设计师，而且提高了行业整体水平，对企业也有很大的正面影响。