CAD技術在機械設計制造中的應用

　　摘要：闡述機械設計制造過程中計算機輔助設計技術CAD的應用，包括CAD技術的作用、設計效率和設計質量的提升、關鍵圖形復用、機械建模技術的應用，介紹了CAD技術的應用案例。

　　本文源自集成電路應用,2020,37(11):74-75.《集成電路應用》雜志1984年創刊，是國家新聞出版總署批準，中國電子信息產業集團有限公司主管，上海貝嶺股份有限公司主辦，上海市集成電路行業協會、深圳市半導體行業協會協辦的電子電工、電力、半導體材料、集成電路等領域的綜合性學術期刊。現為上海市集成電路行業協會會刊，屬國家一級刊物。是集學術性、應用性極強的集成電路產業權威中文雜志。

　　隨著新時代下機械制造領域的飛速發展，以及智能制造技術在機械制造行業的廣泛應用，計算機輔助裝配技術在智能化和數字化制造中發揮的作用越來越大[1]。通過計算機設計技術的應用，可在很大程度上實現工作效率的提升和工作質量的改進，從而推動機械制造行業的未來發展。本文介紹計算機輔助設計技術在機械設計和制造中的應用技術。

　　1、CAD技術

　　產品的設計是產品生產制造的原有，其質量和性能的高低，受機械設計水平的影響，機械產品更是如此，其對強度、結構要求更高[2]。在此種情況下，應該選擇更加合理的機械設計手段，以提升設計過程中的質量和仿真計算分析水平。在實際過程中，應將常規設計經驗和先進的設計技術相融合，以保證機械產品的制造產能和質量[3]。

　　隨著計算機技術和數字化設計技術的發展，計算機輔助制造技術因可實現基于計算機的形狀編輯，其設計優勢十分明顯。通過借助CAD軟件，實現設計師根據客戶的實際需求，對機械設計結果進行虛擬展示，模擬設計樣機等，對實際過程中可能發生的受力問題和強度問題提前驗證，根據驗證結果進行適當調整以保證其設計的合理性，因此CAD技術對于產品制造的意義重大。

　　2、CAD技術的特點

　　(1)通過輔助設計，提升設計質量。計算機輔助設計分二維設計和三位設計，隨著3D技術的發展，如今CAD設計大多采用三維設計[4]。在具體設計過程中，設計人員一般會依據自己的設計知識構思出大概的設計思路，通過CAD技術可以清晰地將設計師的設計思路利用二維或者三維技術充分展示出來。如圖1所示，為某型號傳動設備關鍵零部件，設計人員可通過CAD將其外觀形貌及尺寸表達出來，通過三維標注的形式直觀的呈現給生產現場一線加工人員。此項技術節省了產品設計的周期，降低了機械設計的技術難度，同時還可提高設計人員的思維水平。

　　圖1CAD三維設計

　　設計的本質是指導生產現場生產制造，近年來盡管CAD技術發展迅速，但如何實現三維圖形和生產現場的深度融合，徹底實現三維圖紙的下現場是未來急需要解決的問題。生產現場硬件設備的配備、三維圖紙的標注，統一標注標準的建立等都是三維工程化應用的關鍵問題。若如法解決以上問題，設計人員盡管實現了三維設計，但仍然需要投入大量的時間進行二維圖紙的設計，以滿足生產現場對于二維圖紙的需求，在設計成本上沒有起到降低作用，反而會額外增加設計成本。若以上問題得不到解決，三維設計只能是紙上談兵，并無法實現其工程化。

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

　　隨著設計技術的不斷升級換代，計算機輔助技術應用的越來越廣泛，兩化融合的理念日益升入生產制造一線。通過數控加工和產品CAD技術的相互融合，可以將CAD技術的優越性發揮得淋漓盡致，一方面可以幫助設計人員更加快速便捷的實現加工特征的獲取，另一方面也可以實現設計過程中的快速變更以及完善修改，以保證設計的產品質量。

　　3、CAD在機械設計及制造過程中的應用

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

　　(2)CAD技術在制造、符號、圖形設計中的應用。CAD技術的另一特點是已經將設計手冊中的相關標準件和常用零件，以特定圖形的形式記錄在系統數據庫中。在設計人員具體設計過程中，可以根據實際需求檢索設計數據庫中的相關零部件、符號或者圖形，進行快速粘貼和表達，這樣便可大大簡化設計人員對于標準件的重復設計工作，進而提高了設計的準確度，縮短了設計周期。以螺釘和螺母為例，其均為標準件，設計師選擇的圖形和符號等可以自動在圖中實現關聯，生成具體表格明細，對于設計師來講，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技術在機械設計建模中的應用。建模是機械設計過程的核心環節，建模質量的好壞對最終產品的質量影響較大，對于設計師也是非常重要的工作內容之一。以汽車產品設計過程為例，汽車產品的質量受氣覆蓋的模具質量影響較大，在制造過程中實體模型和圖紙存在差別，返工現象就會頻繁出現，制造成本浪費較大。借助CAD技術，使用期三維建模模塊，通過旋轉、平移、鏡像等操作，可快速實現模型的構建。解決了傳統三維建模過程中，三維化處置難度大的問題。三維建模設計的建模體系較多，如圓柱、立方、曲面等。但機械設計師門在具體原因過程中，一般都只要根據相關要求將不同模型進行組合裝配或者拆解，這樣便能很好地完成建模任務。另外，對于比較復雜的機械零件，機械工程師還可實現二維零件的繪制，而后根據二維零件產生三維立體模型，最終實現三維模型的建立。因此，合理的利用三維建模技術，能夠最大限度提升建模的質量，避免返工現象的發生，從而提升產品制造的效率。

　　4、結語

　　盡管機械產品的最終交付受諸多因素影響，如采購周期、產品質量、生產效率等，但在很大程度上，作為源頭的產品的設計環節是引發產品無法按時交付的關鍵環節，如何采用新技術提升產品設計的效率非常關鍵。

　　隨著計算機技術和人工智能技術的發展，CAD技術不斷被應用于產品設計過程中，在機械制圖、數控加工方面，通過CAD技術的利用，不僅可在很大程度上提升機械產品的設計效率，縮短設計周期，還能充分將計算機和生產線的優勢發揮出來，提升產品的制造質量，縮短制造周期。

　　參考文獻：

　　[1]張武.計算機輔助設計CAD技術在機械設計及制造中的應用[J].現代制造技術與裝備,2017(02):82+84.

　　[2]李秋娟,張兵.論CAD在機械設計中的應用及機械制造技術的新發展[J].化學工程與裝備,2010(03):140-141.

　　[3]孟丹.論CAD在機械設計中的應用及機械制造技術的新發展[J].工程建設與設計,2019(16):121-122.

　　[4]董超.AutoCAD三維制圖在機械設計中的應用[J].試驗技術與試驗機,2004(Z2):58-60.