CAD技术在机械设计制造中的应用

　　摘要：阐述机械设计制造过程中计算机辅助设计技术CAD的应用，包括CAD技术的作用、设计效率和设计质量的提升、关键图形复用、机械建模技术的应用，介绍了CAD技术的应用案例。

　　本文源自集成电路应用,2020,37(11):74-75.《集成电路应用》杂志1984年创刊，是国家新闻出版总署批准，中国电子信息产业集团有限公司主管，上海贝岭股份有限公司主办，上海市集成电路行业协会、深圳市半导体行业协会协办的电子电工、电力、半导体材料、集成电路等领域的综合性学术期刊。现为上海市集成电路行业协会会刊，属国家一级刊物。是集学术性、应用性极强的集成电路产业权威中文杂志。

　　随着新时代下机械制造领域的飞速发展，以及智能制造技术在机械制造行业的广泛应用，计算机辅助装配技术在智能化和数字化制造中发挥的作用越来越大[1]。通过计算机设计技术的应用，可在很大程度上实现工作效率的提升和工作质量的改进，从而推动机械制造行业的未来发展。本文介绍计算机辅助设计技术在机械设计和制造中的应用技术。

　　1、CAD技术

　　产品的设计是产品生产制造的原有，其质量和性能的高低，受机械设计水平的影响，机械产品更是如此，其对强度、结构要求更高[2]。在此种情况下，应该选择更加合理的机械设计手段，以提升设计过程中的质量和仿真计算分析水平。在实际过程中，应将常规设计经验和先进的设计技术相融合，以保证机械产品的制造产能和质量[3]。

　　随着计算机技术和数字化设计技术的发展，计算机辅助制造技术因可实现基于计算机的形状编辑，其设计优势十分明显。通过借助CAD软件，实现设计师根据客户的实际需求，对机械设计结果进行虚拟展示，模拟设计样机等，对实际过程中可能发生的受力问题和强度问题提前验证，根据验证结果进行适当调整以保证其设计的合理性，因此CAD技术对于产品制造的意义重大。

　　2、CAD技术的特点

　　(1)通过辅助设计，提升设计质量。计算机辅助设计分二维设计和三位设计，随着3D技术的发展，如今CAD设计大多采用三维设计[4]。在具体设计过程中，设计人员一般会依据自己的设计知识构思出大概的设计思路，通过CAD技术可以清晰地将设计师的设计思路利用二维或者三维技术充分展示出来。如图1所示，为某型号传动设备关键零部件，设计人员可通过CAD将其外观形貌及尺寸表达出来，通过三维标注的形式直观的呈现给生产现场一线加工人员。此项技术节省了产品设计的周期，降低了机械设计的技术难度，同时还可提高设计人员的思维水平。

　　图1CAD三维设计

　　设计的本质是指导生产现场生产制造，近年来尽管CAD技术发展迅速，但如何实现三维图形和生产现场的深度融合，彻底实现三维图纸的下现场是未来急需要解决的问题。生产现场硬件设备的配备、三维图纸的标注，统一标注标准的建立等都是三维工程化应用的关键问题。若如法解决以上问题，设计人员尽管实现了三维设计，但仍然需要投入大量的时间进行二维图纸的设计，以满足生产现场对于二维图纸的需求，在设计成本上没有起到降低作用，反而会额外增加设计成本。若以上问题得不到解决，三维设计只能是纸上谈兵，并无法实现其工程化。

　　(2)通过快速变更，提升设计效率。工程变更在实际生产制造过程中是不可避免的，但应该最大限度降低生产制造阶段的工程变更。工程变更的源头大多来自产品的设计变更，由于项目执行周期的要求，在设计之初对设计人员的设计周期要求短，一旦发生设计变更，设计人员的数据修改效率决定了产品设计的周期长短。通过使用CAD技术可以快速实现基于可编辑视窗的产品设计变更，将零件快速修改，使得设计人员便捷高效地完成修改工作。以高铁关键轮对零部件为例，其结构基本类似但由于不同客户对于时速、安全运营里程的要求不同，需要对其进行个性化配置，以满足客户需求，例如增加传感器和检测设备的安装等。对于以上设计变更，设计人员在设计变更过程中可以借助CAD软件加以实现。

　　随着设计技术的不断升级换代，计算机辅助技术应用的越来越广泛，两化融合的理念日益升入生产制造一线。通过数控加工和产品CAD技术的相互融合，可以将CAD技术的优越性发挥得淋漓尽致，一方面可以帮助设计人员更加快速便捷的实现加工特征的获取，另一方面也可以实现设计过程中的快速变更以及完善修改，以保证设计的产品质量。

　　3、CAD在机械设计及制造过程中的应用

　　(1)CAD技术在计算机绘图中的应用。绘图是产品设计的首要环节，通过计算机绘图在绘制精确性、人工成本、图纸修改等方面可以最大限度发挥设计师的潜能。传统的手工绘图，其设计精度会有误差，设计人员的工作效率低，修改和调整的工作量大，设计的周期相对较长。由于绘制的准确性会严重影响产品的设计质量，和传统人工手工绘制相比，计算机辅助设计可通过系统软件的常用套件以及工作平台，大大提升产品设计的效率，降低了产品设计的工作量，最大限度降低误差概率，缩短产品设计的整个周期，提高了设计的整体质量。以汽车结构设计中涉及的车轴、车轮、关键装配部件等，以上部件在产品设计人员设计知识库中随时储备，一旦需要即可调取，最大限度提升了设计人员等设计效率，降低了重复工作带来造成的成本浪费和设计失误概率。

　　(2)CAD技术在制造、符号、图形设计中的应用。CAD技术的另一特点是已经将设计手册中的相关标准件和常用零件，以特定图形的形式记录在系统数据库中。在设计人员具体设计过程中，可以根据实际需求检索设计数据库中的相关零部件、符号或者图形，进行快速粘贴和表达，这样便可大大简化设计人员对于标准件的重复设计工作，进而提高了设计的准确度，缩短了设计周期。以螺钉和螺母为例，其均为标准件，设计师选择的图形和符号等可以自动在图中实现关联，生成具体表格明细，对于设计师来讲，唯一要做的是快速的识别和检索要使用的符号和图形。

　　(3)CAD技术在机械设计建模中的应用。建模是机械设计过程的核心环节，建模质量的好坏对最终产品的质量影响较大，对于设计师也是非常重要的工作内容之一。以汽车产品设计过程为例，汽车产品的质量受气覆盖的模具质量影响较大，在制造过程中实体模型和图纸存在差别，返工现象就会频繁出现，制造成本浪费较大。借助CAD技术，使用期三维建模模块，通过旋转、平移、镜像等操作，可快速实现模型的构建。解决了传统三维建模过程中，三维化处置难度大的问题。三维建模设计的建模体系较多，如圆柱、立方、曲面等。但机械设计师门在具体原因过程中，一般都只要根据相关要求将不同模型进行组合装配或者拆解，这样便能很好地完成建模任务。另外，对于比较复杂的机械零件，机械工程师还可实现二维零件的绘制，而后根据二维零件产生三维立体模型，最终实现三维模型的建立。因此，合理的利用三维建模技术，能够最大限度提升建模的质量，避免返工现象的发生，从而提升产品制造的效率。

　　4、结语

　　尽管机械产品的最终交付受诸多因素影响，如采购周期、产品质量、生产效率等，但在很大程度上，作为源头的产品的设计环节是引发产品无法按时交付的关键环节，如何采用新技术提升产品设计的效率非常关键。

　　随着计算机技术和人工智能技术的发展，CAD技术不断被应用于产品设计过程中，在机械制图、数控加工方面，通过CAD技术的利用，不仅可在很大程度上提升机械产品的设计效率，缩短设计周期，还能充分将计算机和生产线的优势发挥出来，提升产品的制造质量，缩短制造周期。

　　参考文献：

　　[1]张武.计算机辅助设计CAD技术在机械设计及制造中的应用[J].现代制造技术与装备,2017(02):82+84.

　　[2]李秋娟,张兵.论CAD在机械设计中的应用及机械制造技术的新发展[J].化学工程与装备,2010(03):140-141.

　　[3]孟丹.论CAD在机械设计中的应用及机械制造技术的新发展[J].工程建设与设计,2019(16):121-122.

　　[4]董超.AutoCAD三维制图在机械设计中的应用[J].试验技术与试验机,2004(Z2):58-60.