CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用

　　摘要：闡述機(jī)械設(shè)計(jì)制造過(guò)程中計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)CAD的應(yīng)用，包括CAD技術(shù)的作用、設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)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(guó)家新聞出版總署批準(zhǔn)，中國(guó)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(huì)、深圳市半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)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?，F(xiàn)為上海市集成電路行業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)刊，屬國(guó)家一級(jí)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(shí)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(jì)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(lái)越大[1]。通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，可在很大程度上實(shí)現(xiàn)工作效率的提升和工作質(zhì)量的改進(jìn)，從而推動(dòng)機(jī)械制造行業(yè)的未來(lái)發(fā)展。本文介紹計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)和制造中的應(yīng)用技術(shù)。

　　1、CAD技術(shù)

　　產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(jì)水平的影響，機(jī)械產(chǎn)品更是如此，其對(duì)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(jì)手段，以提升設(shè)計(jì)過(guò)程中的質(zhì)量和仿真計(jì)算分析水平。在實(shí)際過(guò)程中，應(yīng)將常規(guī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)的設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)因可實(shí)現(xiàn)基于計(jì)算機(jī)的形狀編輯，其設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)十分明顯。通過(guò)借助CAD軟件，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)師根據(jù)客戶的實(shí)際需求，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行虛擬展示，模擬設(shè)計(jì)樣機(jī)等，對(duì)實(shí)際過(guò)程中可能發(fā)生的受力問(wèn)題和強(qiáng)度問(wèn)題提前驗(yàn)證，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整以保證其設(shè)計(jì)的合理性，因此CAD技術(shù)對(duì)于產(chǎn)品制造的意義重大。

　　2、CAD技術(shù)的特點(diǎn)

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

　　圖1CAD三維設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)的本質(zhì)是指導(dǎo)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)制造，近年來(lái)盡管CAD技術(shù)發(fā)展迅速，但如何實(shí)現(xiàn)三維圖形和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的深度融合，徹底實(shí)現(xiàn)三維圖紙的下現(xiàn)場(chǎng)是未來(lái)急需要解決的問(wèn)題。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(wèn)題。若如法解決以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員盡管實(shí)現(xiàn)了三維設(shè)計(jì)，但仍然需要投入大量的時(shí)間進(jìn)行二維圖紙的設(shè)計(jì)，以滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于二維圖紙的需求，在設(shè)計(jì)成本上沒(méi)有起到降低作用，反而會(huì)額外增加設(shè)計(jì)成本。若以上問(wèn)題得不到解決，三維設(shè)計(jì)只能是紙上談兵，并無(wú)法實(shí)現(xiàn)其工程化。

　　(2)通過(guò)快速變更，提升設(shè)計(jì)效率。工程變更在實(shí)際生產(chǎn)制造過(guò)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(lái)自產(chǎn)品的設(shè)計(jì)變更，由于項(xiàng)目執(zhí)行周期的要求，在設(shè)計(jì)之初對(duì)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)周期要求短，一旦發(fā)生設(shè)計(jì)變更，設(shè)計(jì)人員的數(shù)據(jù)修改效率決定了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的周期長(zhǎng)短。通過(guò)使用CAD技術(shù)可以快速實(shí)現(xiàn)基于可編輯視窗的產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更，將零件快速修改，使得設(shè)計(jì)人員便捷高效地完成修改工作。以高鐵關(guān)鍵輪對(duì)零部件為例，其結(jié)構(gòu)基本類似但由于不同客戶對(duì)于時(shí)速、安全運(yùn)營(yíng)里程的要求不同，需要對(duì)其進(jìn)行個(gè)性化配置，以滿足客戶需求，例如增加傳感器和檢測(cè)設(shè)備的安裝等。對(duì)于以上設(shè)計(jì)變更，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)變更過(guò)程中可以借助CAD軟件加以實(shí)現(xiàn)。

　　隨著設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷升級(jí)換代，計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)應(yīng)用的越來(lái)越廣泛，兩化融合的理念日益升入生產(chǎn)制造一線。通過(guò)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(jì)人員更加快速便捷的實(shí)現(xiàn)加工特征的獲取，另一方面也可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中的快速變更以及完善修改，以保證設(shè)計(jì)的產(chǎn)品質(zhì)量。

　　3、CAD在機(jī)械設(shè)計(jì)及制造過(guò)程中的應(yīng)用

　　(1)CAD技術(shù)在計(jì)算機(jī)繪圖中的應(yīng)用。繪圖是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)，通過(guò)計(jì)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(jì)師的潛能。傳統(tǒng)的手工繪圖，其設(shè)計(jì)精度會(huì)有誤差，設(shè)計(jì)人員的工作效率低，修改和調(diào)整的工作量大，設(shè)計(jì)的周期相對(duì)較長(zhǎng)。由于繪制的準(zhǔn)確性會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，和傳統(tǒng)人工手工繪制相比，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)可通過(guò)系統(tǒng)軟件的常用套件以及工作平臺(tái)，大大提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率，降低了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工作量，最大限度降低誤差概率，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整個(gè)周期，提高了設(shè)計(jì)的整體質(zhì)量。以汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)人員設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)中隨時(shí)儲(chǔ)備，一旦需要即可調(diào)取，最大限度提升了設(shè)計(jì)人員等設(shè)計(jì)效率，降低了重復(fù)工作帶來(lái)造成的成本浪費(fèi)和設(shè)計(jì)失誤概率。

　　(2)CAD技術(shù)在制造、符號(hào)、圖形設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。CAD技術(shù)的另一特點(diǎn)是已經(jīng)將設(shè)計(jì)手冊(cè)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(kù)中。在設(shè)計(jì)人員具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以根據(jù)實(shí)際需求檢索設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)零部件、符號(hào)或者圖形，進(jìn)行快速粘貼和表達(dá)，這樣便可大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)人員對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件的重復(fù)設(shè)計(jì)工作，進(jìn)而提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度，縮短了設(shè)計(jì)周期。以螺釘和螺母為例，其均為標(biāo)準(zhǔn)件，設(shè)計(jì)師選擇的圖形和符號(hào)等可以自動(dòng)在圖中實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，生成具體表格明細(xì)，對(duì)于設(shè)計(jì)師來(lái)講，唯一要做的是快速的識(shí)別和檢索要使用的符號(hào)和圖形。

　　(3)CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)建模中的應(yīng)用。建模是機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程的核心環(huán)節(jié)，建模質(zhì)量的好壞對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量影響較大，對(duì)于設(shè)計(jì)師也是非常重要的工作內(nèi)容之一。以汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)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(guò)程中實(shí)體模型和圖紙存在差別，返工現(xiàn)象就會(huì)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(guò)旋轉(zhuǎn)、平移、鏡像等操作，可快速實(shí)現(xiàn)模型的構(gòu)建。解決了傳統(tǒng)三維建模過(guò)程中，三維化處置難度大的問(wèn)題。三維建模設(shè)計(jì)的建模體系較多，如圓柱、立方、曲面等。但機(jī)械設(shè)計(jì)師門(mén)在具體原因過(guò)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(duì)于比較復(fù)雜的機(jī)械零件，機(jī)械工程師還可實(shí)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(shí)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(yǔ)

　　盡管機(jī)械產(chǎn)品的最終交付受諸多因素影響，如采購(gòu)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(jì)環(huán)節(jié)是引發(fā)產(chǎn)品無(wú)法按時(shí)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(jì)的效率非常關(guān)鍵。

　　隨著計(jì)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(jì)過(guò)程中，在機(jī)械制圖、數(shù)控加工方面，通過(guò)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(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，還能充分將計(jì)算機(jī)和生產(chǎn)線的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來(lái)，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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