CAD技术在机械设计和加工中的作用和运用

　　1.引言
　　
　　随着计算机技术的不断发展，CAD技术的应用范围还在不断扩大，已被应用在辅助设计与绘图、产品设计检验、工程分析与结构优化、模具设计与制作以及逆向转换设计等多个方面[1].CAD技术在提高产品质量的同时，也大幅提高了企业的设计和生产效率，成为机械制造企业提升市场竞争力的重要手段。因此，进行CAD技术在机械设计与加工中的应用研究，对提升我国机械制造水平，促进机械制造企业快速发展具有十分重要的意义。

　　2.CAD技术的概念
　　
　　CAD（Computer Aided Design）技术，即计算机辅助设计技术，是指利用计算机软件和硬件系统对产品进行设计、绘图、辅助工程分析及技术文档编制等应用技术的总称。CAD技术是一种集计算机科学技术和工程设计方法为一体的计算机应用技术，其诞生于20世纪50年代，并随着计算机技术及电子技术的发展不断发展革新。CAD技术已被广泛应用于交通、航天、机械、化工、电子以及建筑等多个领域，用来解决产品设计、生产成本及周期等方面的相关问题，大幅提升了这些行业的生产效率。CAD技术在机械设计和加工中的应用解决了传统设计和加工方式的误差大、效率低等问题，使其产品在生产速度和生产质量上都实现了更新换代。因此，CAD技术已成为现代机械设计和加工中一个重要组成部分。

　　3.CAD技术在机械设计和加工中的作用
　　
　　CAD技术在机械设计和加工中的作用主要有以下几个方面：

　　（1）实现设计数字化。采用CAD技术，可以通过计算机的二维图形绘制、三维实体建模，人机交互和机械模拟仿真等功能，实现机械设计过程的数字化。通过对产品的数字化设计，可以检验零件设计形状和位置，充分保证零件间的精确结合，大大降低设计误差。利用建模组合及模拟仿真，还可以提前检验机械部件的装配问题。利用数字化的部件可以透视到零部件的内部，观察部件的装配关系， 检验各部件是否已达到设计要求，迅速找出装配中可能发生的问题，大幅降低产品的设计报废率。

　　（2）缩短设计周期。在机械产品的传统设计过程中，如果对某部件尺寸进行修改，需要重新将所有部件匹配为新的尺寸，从而导致整个机械产品的改型。而借助CAD技术可以大幅缩短这个过程，例如，将某零件的尺寸从150mm改为300mm,仅需要在机械设计软件上改变尺寸，其他相关零件也会相应自动调整尺寸。因此，CAD技术可以将机械设计效率提高3~5倍，大幅缩短了机械设计周期。

　　（3）提高产品质量和品质。借助CAD技术，可以采用图形优化、有限元受力分析等技术手段对机械设计进行结构优化，并将机械制造技术与信息技术相融合，在生产过程中引入了与CAD设计方法相结合的CIMS组织生产方式，进一步提高了产品的整体设计质量和品质。

　　（4）激发创新设计。在传统的机械设计过程中，机械产品的修改困难且成本过高，导致机械产品多是常规设计，而创新类产品较少，严重限制了机械产品设计上的实质性创新。而借助CAD技术，可以在常规设计数字模型上大胆尝试新理论和新技术，设计出逼真的创新产品，充分激发设计人员的创新灵感，带来全新的创新设计。

　　4.CAD技术在机械设计和加工中的应用
　　
　　（1）机械设计和辅助绘图。用于机械设计的三维CAD系统具有十分强大的设计功能，可以通过其重构功能快速得到一种全新的设计，也可以在特定的装配环境中设计新零件，即利用相邻零件的形状及位置王静锦西工业学校 辽宁葫芦岛 125001设计新零件，既方便、快捷，又避免了单独设计零件可能导致的装配失败，大大提升了设计人员的工作效率，并加强了设计的标准化。在传统的机械设计过程中，手工绘图的工作量非常大，而且准确性和美观性不高。利用CAD软件自带的丰富图形库与功能完备的绘图命令，可以很容易地绘制出高质量的机械工程图，大大减轻了绘图人员的劳动强度。计算机辅助绘图大幅提高了机械制图的质量和效率。

　　（2）零件与装配图建模。三维CAD系统有线框模型、表面模型和实体模型三种建模形式，可用于机械产品零件和装配图的实体建模。利用CAD软件中的基本体系和布尔运算，可以完成简单结构零件的三维实体建模。而对于结构复杂的零件，可先用二维几何元素构造大致形状，再对其进行拉伸或旋转等操作实现造型，最后通过计算获得三维实体模型。当机械产品零件的实体建模完成后，设计人员就可以通过CAD软件的三维编辑功能对零件模型进行“装配”,整合出机械装配图。

　　（3）设计检验。利用CAD系统软件的零件回放功能，可以通过动画播放的形式，清晰直观地演示机械产品的零部件装配情况。在发现零部件结构或功能上的不合理之处后，可以利用资源查找器对整个机械产品中的某一个零件进行修改，避免零件错误导致整个机械产品的装配失败。在进行新机械产品的设计时，这种零部件设计的自动化检验方法，可以大幅提高机械零部件之间的适配准确性，防止新产品出现质量问题，从而保证了设计的可行性，并且提高了设计效率。

　　（4）工程分析与结构优化。对机械产品的力学性能分析和结构优化，是机械设计和加工过程中必不可少的环节。随着有限元分析和动力学分析等现代分析方法的发展，CAD技术在工程分析和结构优化功能上得到了充分拓展。很多CAD软件已具备了与ANSYS等有限元分析软件的接口，设计人员可直接将产品的三维实体模型导入至有限元分析软件中，对产品模型进行工程分析，并根据结果进行产品结构的优化。另外，还可以利用机械CAE软件，对设计的动态特性、碰撞问题、运动特性、结构合理性以及材料强度等方面进行工程分析与结构优化。

　　（5）模具设计与制造。随着制造业生产技术的革新，机械制造加工已从传统机床发展为加工中心和数控机床，模具CAD/CAM技术及模具激光快速成型技术的使用越来越广泛。利用CAD技术设计实体模具时，要尽量避免内腔、凹、凸模及加强助等潜在干扰因素，先绘制出数控刀具的路径，再检查加工过程的可行性。要特别注意的是，在设计冲压零件表面时，必须使用专用的曲面设计软件，只有这样才能保证冲压零件表面和模具表面的一致。

　　（6）逆向转换设计。借助CAD技术，可以通过多种方法实现产品的逆向转换设计。可通过CAD制图软件的坐标测量方法，将实物转化成虚拟模型；也可以利用数据绘制网格对点进行模拟，进而得到连续曲面，再通过对曲面的修复得到实物模型，或利用SCAN-TOOLS技术对生成的曲面进行裁剪、延伸等操作，将曲面转换为实体；还可以利用相关软件进行参数化设计来完成模型重建。

　　5.结束语
　　
　　CAD技术已经给机械设计和加工行业带来了一次技术革命，推动机械制造业进入了一个新的发展阶段。随着计算机技术的不断发展，CAD技术还将不断革新和更加完善，向着系统集成化和智能化方向发展，为机械产品的规模化生产提供更强有力支持，推动机械制造领域继续发展创新。目前，我国机械设计和加工领域的CAD技术应用水平已经取得了很大进步，但和国际先进水平相比仍有很大差距，这就需要我们加大CAD技术的应用研究力度，进一步促进我国机械制造业的发展和壮大。

　　参考文献
　　
　　[1]徐小龙。浅析CAD在机械设计中的应用[J].魅力中国，2011（14）。