CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計制造中的應(yīng)用

　　摘要：闡述機(jī)械設(shè)計制造過程中計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)CAD的應(yīng)用，包括CAD技術(shù)的作用、設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量的提升、關(guān)鍵圖形復(fù)用、機(jī)械建模技術(shù)的應(yīng)用，介紹了CAD技術(shù)的應(yīng)用案例。

　　本文源自集成電路應(yīng)用,2020,37(11):74-75.《集成電路應(yīng)用》雜志1984年創(chuàng)刊，是國家新聞出版總署批準(zhǔn)，中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司主管，上海貝嶺股份有限公司主辦，上海市集成電路行業(yè)協(xié)會、深圳市半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會協(xié)辦的電子電工、電力、半導(dǎo)體材料、集成電路等領(lǐng)域的綜合性學(xué)術(shù)期刊。現(xiàn)為上海市集成電路行業(yè)協(xié)會會刊，屬國家一級刊物。是集學(xué)術(shù)性、應(yīng)用性極強(qiáng)的集成電路產(chǎn)業(yè)權(quán)威中文雜志。

　　隨著新時代下機(jī)械制造領(lǐng)域的飛速發(fā)展，以及智能制造技術(shù)在機(jī)械制造行業(yè)的廣泛應(yīng)用，計算機(jī)輔助裝配技術(shù)在智能化和數(shù)字化制造中發(fā)揮的作用越來越大[1]。通過計算機(jī)設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用，可在很大程度上實現(xiàn)工作效率的提升和工作質(zhì)量的改進(jìn)，從而推動機(jī)械制造行業(yè)的未來發(fā)展。本文介紹計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)在機(jī)械設(shè)計和制造中的應(yīng)用技術(shù)。

　　1、CAD技術(shù)

　　產(chǎn)品的設(shè)計是產(chǎn)品生產(chǎn)制造的原有，其質(zhì)量和性能的高低，受機(jī)械設(shè)計水平的影響，機(jī)械產(chǎn)品更是如此，其對強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)要求更高[2]。在此種情況下，應(yīng)該選擇更加合理的機(jī)械設(shè)計手段，以提升設(shè)計過程中的質(zhì)量和仿真計算分析水平。在實際過程中，應(yīng)將常規(guī)設(shè)計經(jīng)驗和先進(jìn)的設(shè)計技術(shù)相融合，以保證機(jī)械產(chǎn)品的制造產(chǎn)能和質(zhì)量[3]。

　　隨著計算機(jī)技術(shù)和數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)輔助制造技術(shù)因可實現(xiàn)基于計算機(jī)的形狀編輯，其設(shè)計優(yōu)勢十分明顯。通過借助CAD軟件，實現(xiàn)設(shè)計師根據(jù)客戶的實際需求，對機(jī)械設(shè)計結(jié)果進(jìn)行虛擬展示，模擬設(shè)計樣機(jī)等，對實際過程中可能發(fā)生的受力問題和強(qiáng)度問題提前驗證，根據(jù)驗證結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整以保證其設(shè)計的合理性，因此CAD技術(shù)對于產(chǎn)品制造的意義重大。

　　2、CAD技術(shù)的特點(diǎn)

　　(1)通過輔助設(shè)計，提升設(shè)計質(zhì)量。計算機(jī)輔助設(shè)計分二維設(shè)計和三位設(shè)計，隨著3D技術(shù)的發(fā)展，如今CAD設(shè)計大多采用三維設(shè)計[4]。在具體設(shè)計過程中，設(shè)計人員一般會依據(jù)自己的設(shè)計知識構(gòu)思出大概的設(shè)計思路，通過CAD技術(shù)可以清晰地將設(shè)計師的設(shè)計思路利用二維或者三維技術(shù)充分展示出來。如圖1所示，為某型號傳動設(shè)備關(guān)鍵零部件，設(shè)計人員可通過CAD將其外觀形貌及尺寸表達(dá)出來，通過三維標(biāo)注的形式直觀的呈現(xiàn)給生產(chǎn)現(xiàn)場一線加工人員。此項技術(shù)節(jié)省了產(chǎn)品設(shè)計的周期，降低了機(jī)械設(shè)計的技術(shù)難度，同時還可提高設(shè)計人員的思維水平。

　　圖1CAD三維設(shè)計

　　設(shè)計的本質(zhì)是指導(dǎo)生產(chǎn)現(xiàn)場生產(chǎn)制造，近年來盡管CAD技術(shù)發(fā)展迅速，但如何實現(xiàn)三維圖形和生產(chǎn)現(xiàn)場的深度融合，徹底實現(xiàn)三維圖紙的下現(xiàn)場是未來急需要解決的問題。生產(chǎn)現(xiàn)場硬件設(shè)備的配備、三維圖紙的標(biāo)注，統(tǒng)一標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)的建立等都是三維工程化應(yīng)用的關(guān)鍵問題。若如法解決以上問題，設(shè)計人員盡管實現(xiàn)了三維設(shè)計，但仍然需要投入大量的時間進(jìn)行二維圖紙的設(shè)計，以滿足生產(chǎn)現(xiàn)場對于二維圖紙的需求，在設(shè)計成本上沒有起到降低作用，反而會額外增加設(shè)計成本。若以上問題得不到解決，三維設(shè)計只能是紙上談兵，并無法實現(xiàn)其工程化。

　　(2)通過快速變更，提升設(shè)計效率。工程變更在實際生產(chǎn)制造過程中是不可避免的，但應(yīng)該最大限度降低生產(chǎn)制造階段的工程變更。工程變更的源頭大多來自產(chǎn)品的設(shè)計變更，由于項目執(zhí)行周期的要求，在設(shè)計之初對設(shè)計人員的設(shè)計周期要求短，一旦發(fā)生設(shè)計變更，設(shè)計人員的數(shù)據(jù)修改效率決定了產(chǎn)品設(shè)計的周期長短。通過使用CAD技術(shù)可以快速實現(xiàn)基于可編輯視窗的產(chǎn)品設(shè)計變更，將零件快速修改，使得設(shè)計人員便捷高效地完成修改工作。以高鐵關(guān)鍵輪對零部件為例，其結(jié)構(gòu)基本類似但由于不同客戶對于時速、安全運(yùn)營里程的要求不同，需要對其進(jìn)行個性化配置，以滿足客戶需求，例如增加傳感器和檢測設(shè)備的安裝等。對于以上設(shè)計變更，設(shè)計人員在設(shè)計變更過程中可以借助CAD軟件加以實現(xiàn)。

　　隨著設(shè)計技術(shù)的不斷升級換代，計算機(jī)輔助技術(shù)應(yīng)用的越來越廣泛，兩化融合的理念日益升入生產(chǎn)制造一線。通過數(shù)控加工和產(chǎn)品CAD技術(shù)的相互融合，可以將CAD技術(shù)的優(yōu)越性發(fā)揮得淋漓盡致，一方面可以幫助設(shè)計人員更加快速便捷的實現(xiàn)加工特征的獲取，另一方面也可以實現(xiàn)設(shè)計過程中的快速變更以及完善修改，以保證設(shè)計的產(chǎn)品質(zhì)量。

　　3、CAD在機(jī)械設(shè)計及制造過程中的應(yīng)用

　　(1)CAD技術(shù)在計算機(jī)繪圖中的應(yīng)用。繪圖是產(chǎn)品設(shè)計的首要環(huán)節(jié)，通過計算機(jī)繪圖在繪制精確性、人工成本、圖紙修改等方面可以最大限度發(fā)揮設(shè)計師的潛能。傳統(tǒng)的手工繪圖，其設(shè)計精度會有誤差，設(shè)計人員的工作效率低，修改和調(diào)整的工作量大，設(shè)計的周期相對較長。由于繪制的準(zhǔn)確性會嚴(yán)重影響產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，和傳統(tǒng)人工手工繪制相比，計算機(jī)輔助設(shè)計可通過系統(tǒng)軟件的常用套件以及工作平臺，大大提升產(chǎn)品設(shè)計的效率，降低了產(chǎn)品設(shè)計的工作量，最大限度降低誤差概率，縮短產(chǎn)品設(shè)計的整個周期，提高了設(shè)計的整體質(zhì)量。以汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計中涉及的車軸、車輪、關(guān)鍵裝配部件等，以上部件在產(chǎn)品設(shè)計人員設(shè)計知識庫中隨時儲備，一旦需要即可調(diào)取，最大限度提升了設(shè)計人員等設(shè)計效率，降低了重復(fù)工作帶來造成的成本浪費(fèi)和設(shè)計失誤概率。

　　(2)CAD技術(shù)在制造、符號、圖形設(shè)計中的應(yīng)用。CAD技術(shù)的另一特點(diǎn)是已經(jīng)將設(shè)計手冊中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)件和常用零件，以特定圖形的形式記錄在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。在設(shè)計人員具體設(shè)計過程中，可以根據(jù)實際需求檢索設(shè)計數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)零部件、符號或者圖形，進(jìn)行快速粘貼和表達(dá)，這樣便可大大簡化設(shè)計人員對于標(biāo)準(zhǔn)件的重復(fù)設(shè)計工作，進(jìn)而提高了設(shè)計的準(zhǔn)確度，縮短了設(shè)計周期。以螺釘和螺母為例，其均為標(biāo)準(zhǔn)件，設(shè)計師選擇的圖形和符號等可以自動在圖中實現(xiàn)關(guān)聯(lián)，生成具體表格明細(xì)，對于設(shè)計師來講，唯一要做的是快速的識別和檢索要使用的符號和圖形。

　　(3)CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計建模中的應(yīng)用。建模是機(jī)械設(shè)計過程的核心環(huán)節(jié)，建模質(zhì)量的好壞對最終產(chǎn)品的質(zhì)量影響較大，對于設(shè)計師也是非常重要的工作內(nèi)容之一。以汽車產(chǎn)品設(shè)計過程為例，汽車產(chǎn)品的質(zhì)量受氣覆蓋的模具質(zhì)量影響較大，在制造過程中實體模型和圖紙存在差別，返工現(xiàn)象就會頻繁出現(xiàn)，制造成本浪費(fèi)較大。借助CAD技術(shù)，使用期三維建模模塊，通過旋轉(zhuǎn)、平移、鏡像等操作，可快速實現(xiàn)模型的構(gòu)建。解決了傳統(tǒng)三維建模過程中，三維化處置難度大的問題。三維建模設(shè)計的建模體系較多，如圓柱、立方、曲面等。但機(jī)械設(shè)計師門在具體原因過程中，一般都只要根據(jù)相關(guān)要求將不同模型進(jìn)行組合裝配或者拆解，這樣便能很好地完成建模任務(wù)。另外，對于比較復(fù)雜的機(jī)械零件，機(jī)械工程師還可實現(xiàn)二維零件的繪制，而后根據(jù)二維零件產(chǎn)生三維立體模型，最終實現(xiàn)三維模型的建立。因此，合理的利用三維建模技術(shù)，能夠最大限度提升建模的質(zhì)量，避免返工現(xiàn)象的發(fā)生，從而提升產(chǎn)品制造的效率。

　　4、結(jié)語

　　盡管機(jī)械產(chǎn)品的最終交付受諸多因素影響，如采購周期、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率等，但在很大程度上，作為源頭的產(chǎn)品的設(shè)計環(huán)節(jié)是引發(fā)產(chǎn)品無法按時交付的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如何采用新技術(shù)提升產(chǎn)品設(shè)計的效率非常關(guān)鍵。

　　隨著計算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)不斷被應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計過程中，在機(jī)械制圖、數(shù)控加工方面，通過CAD技術(shù)的利用，不僅可在很大程度上提升機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期，還能充分將計算機(jī)和生產(chǎn)線的優(yōu)勢發(fā)揮出來，提升產(chǎn)品的制造質(zhì)量，縮短制造周期。

　　參考文獻(xiàn)：

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