CAD与机械设计1105

CAD与机械设计班级：机械1105学号：A07110126姓名：岳元凤一、CAD的研究现状及发展趋势CAD技术是随着电子技术和计算机技术的发展而逐步发展起来的，它具有工程及产品的分析计算、几何建模、仿真与试验、绘制图形、工程数据库管 理和生成设计文件等功能。进二十年来，由于计算机硬件性能的不断提高，CAD技术有了大规模的发展，目前CAD计算已经应用于许多行业，如机械、汽 车、飞机、船舶、电子、轻工、建筑、化工、纺织及服装等。CAD技术应用于 机械类产品设计的比例最大，机械CAD在整个工程CAD中占有比较重要的位当前工业企业正面临着市场全球化、制造国际化和品种需求多样化的新挑 战，各企业间围绕着时间、质量和成本的竞争越来越激烈。由此出现了一系列 先进制造技术、系统和新的生产管理方法。如并行工程、及时生产、精良生 产、敏捷制造和虚拟现实技术等，所有这些先进制造技术和系统都与 CAD系统 的发展与应用密切相关。目前CAD系统的发展趋势主要体现在以下几方面 ：1、CAD系统应用面向产品的全过程：在产品的全过程中，要求产品的信息能 在产品生命周期的不同环节方便地转换 ，有助于产品开发人员在设计阶段能全 方位地考虑产品的成本、质量、进度及用户需求。2、CAD系统应满足并行设 计的要求：并行工程的关键是用并行设计方法代替串行设计方法。产品在设计过程中可以容易地被分解为不同的模块 ，分别由不同设计人员分工进行设计，然后通过计算机网络进行组装和集成。在产品的开发过程中，使开发组成员易 于实现半结构化通信，同时不同的设计层具有不同的管理使用权限。对产品建 立统一的数据模型后进行动态管理。3、CAD系统应满足灵活的虚拟现实技术：设计人员可在虚拟现实中创造新的产品模型 ，并检查设计效果，可以及早 看到新产品的外形，以使从多方面观察和评审所设计的产品 ；可以运用虚拟工 具任意改变产品的外形而无需耗费材料及占用加工设备，这种方法可尽早地发现在产品研制过程的最初阶段出现的设计缺陷如结构空间的干涉等问题，以保证设计的准确性。CAD系统要具有很好的可移植性和自组织性；在CAD系统 中，用户可以根据自己的需要随时加入运行文件和模块，还可重新装配各个模块中的子模块，或者按照自己的要求修改系统中的不足之处 ，而这种修改不会 影响这个CAD系统。4、CAD系统要具有很好的集成性：CAD与CAPP、CAM 的集成已成为工程领域中急需解决的问题。一般可以通过两个途径来解决：一是通过接口 ，将现有的各自独立的CAD、CAPP和CAM系统连接起来；二是开 发集成的CAD/CAPP/CAM系统。5、智能CAD系统：智能CAD是一种新型的 高层次计算机辅助设计方法和技术。它将人工智能的理论和技术与 CAD相结 合，使计算机具有支持人类专家的设计思维 、推理决策及模拟人的思维方法与 智能行为的能力，从而把设计自动化推向更好的层次，这种智能性具体表现为：（1）智能地支持设计人员，而且是人机接口也是智能的。系统必须懂得设 计人员的意图，能够检测失误，回答问题，提出建议方案等。（2）具有推理能 力，使不熟悉的设计人员也能做出好的设计来。在未来的几十年里，CAD技术 将在建模技术、软件组件集成智能化方面进一步发展，因而也必将在机械工程 设计的各个领域发挥越来越重要的作用。二、CAD技术在机械设计中的应用CAD的三维建模方法有三种，即线框模型、表面模型和实体模型。在许多具 有实体建模功能的CAD软件中，都有一些基本体系。如在AutoCAD的三维实体 造型模块中，系统提供了六种基本体系，即立方体、球体、圆柱体、圆锥体、环状 体和楔形体。对简单的零件，可通过对其进行结构分析，将其分解成若干基本体, 对基本体进行三维实体造型，之后再对其进行交、并、差等布尔运算，便可得出零 件的三维实体模型。对于有些复杂的零件，往往难以分解成若干个基本体，使组合 或分解后产生的基本体过多，导致成型困难。所以,仅有基本体系还不能完全满足 机器零件三维实体造型的要求。为此,可在二维几何元素构造中先定义零件的截 面轮廓，然后在三维实体造型中通过拉伸或旋转得到新的基本体”进而通过交、并、差等得到所需要零件的三维实体造型。在零件实体构造完成后，利用机器运 动分析过程中的资料，在运动的某一位置，按各零件所在的坐标进行 装配”这一过 程可用CAD软件的三维编辑功能实现。随着科学技术的不断发展，制造行业的生 产技术不断提高，从普通机床到数控机床和加工中心，从人工设计和制图到CAD/CAM/CAE,制造业正向数字化和计算机化方向发展 。同时，模具CAD/CAM 技术、模具激光快速成型技术（RPM）等，几乎覆盖了整个现代制造技术。一个完 整的CAD/CAM软件系统是由多个功能模块组成的。如三维绘图、图形编辑、 曲面造型、仿真模拟、数控加工、有限元分析、动态显示等。这些模块应以工 程数据库为基础，进行统一管理，而实体造型是工程数据的主要来源之一。虚拟现实技术在CAD中已开始应用，设计人员在虚拟世界中创造新产品，可 以从人机工程学角度检查设计效果，可直接操作模拟对象，检验操作是否舒适、方 便,及早发现产品结构空间布局中的干涉和运动机构的碰撞等问题，及早看到新产 品的外形，从多方面评价所设计的产品虚拟产品建模就是指建立产品虚拟原理或 虚拟样机的过程.虚拟制造用虚拟原型取代物理原型进行加工、测试、仿真和分 析,以评价其性能，可制造性、可装配性、可维护性和 成本、外观等，基于虚拟样 机的试验仿真分析，可以在真实产品制造之前发现并解决问题，从而降低产品成本 虚拟制造、虚拟工厂、动态企业联盟将成为CAD技术在电子商务时代继续发展 的一个重要方向.另外，随着协同技术、网络技术、概念设计面向产品的整个生命 周期设计理论和技术的成熟和发展，利用基于网络的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP 集成技术，实现真正的全数字化设计和制造，已成为机械设计制造业的发展趋势。三、CAD技术在机械设计中的优点1、符合人的思维过程机械设计师在设计时总是先构思后表达 ，由于脑海中构思出的产品形状是 三维的，因而直接建立反映产品真实几何形状的三维实体模型自然是理想的表 达方式。这可使机械设计师更加专注于产品设计本身，而不是产品的图形表示，符合机械设计师的创新意识，有利于设计的连续进行。由于CAD三维设计 得到的三维立体图具有直观、易于理解等特点，不仅能促进机械设计师的思维 深入，有利于设计的扩展，而且也便于与他人进行交流。2、缩短了机械设计周期CAD三维机械设计有利于解决复杂的几何造型问题 。它可以由简单几何实 体通过布尔运算等功能组合出各种复杂的几何实体 ，并能自动生成相贯线和截 交线，大大减轻了设计工作量，缩短机械设计周期近 1/3，大幅度地提高了设 计和生产效率。在用三维CAD系统进行新机械的开发设计时，只需对其中部分 零部件进行重新设计和制造，而大部分零部件的设计都将继承以往的信息，使 机械设计的效率提高了 3-5倍。同时，三维CAD系统具有高度变型设计能力， 能够通过快速重构，得到一种全新的机械产品3、零件设计和修改非常方便运用不同的装配关系可以把各个机械零件装配起来。在装配过程中，资源查找器中的装配路径查找器记录了零件之间的装配关系，若装配不正确或发生干涉，查找器即予以显示，同时可对零件的装配进行静干涉的检查，如果发现 干涉就可及时对零件等进行修改，以保证设计的正确性。另外，零件还可以隐 藏，在隐藏了外部零件后，可清楚地看到内部的装配结构。在整个机器或某个 部件装配模型完成后还能进行运动演示，对于有一定运动行程要求的，可检验 行程是否达到要求，对于在静态下不发生干涉而在运动中出现碰撞的也可检验 出来，从而及时对设计进行更改，保证设计的正确性，避免了机械产品生产后 才发现问题需要修改甚至报废。同时还可以进行运动仿真，能清楚地看到机器 运动的全过程。直接在计算机上对设计出的零件进行虚拟加工和装配试验，检查零件加工工艺性和装配质量（有否干涉、松动等），从而减少昂贵的产品试验 模型费用。4、在装配环境中装配零件方便直观运用不同的装配关系可以把各个机械零件装配起来。在装配过程中，资源查找器中的装配路径查找器记录了零件之间的装配关系，若装配不正确或发生干涉，查找器即予以显示，同时可对零件的装配进行静干涉的检查，如果发现 干涉就可及时对零件等进行修改，以保证设计的正确性。另外，零件还可以隐 藏，在隐藏了外部零件后，可清楚地看到内部的装配结构。在整个机器或某个部件装配模型完成后还能进行运动演示，对于有一定运动行程要求的，可检验 行程是否达到要求，对于在静态下不发生干涉而在运动中出现碰撞的也可检验 出来，从而及时对设计进行更改，保证设计的正确性，避免了机械产品生产后 才发现问题需要修改甚至报废。同时还可以进行运动仿真，能清楚地看到机器 运动的全过程。直接在计算机上对设计出的零件进行虚拟加工和装配试验，检查零件加工工艺性和装配质量（有否干涉、松动等），从而减少昂贵的产品试验 模型费用。5、提高机械产品的技术含量和质量由于机械产品与信息技术相融合，同时采用了 CAD设计方法和CIMS组织 生产，使机械产品设计有了新发展。三维CAD技术采用先进的设计方法，如优 化、有限元受力分析等，保证了产品的设计质量。同时，大型企业数控加工手 段较完善，再采用CAD/CAPP/CAM进行机械零件加工，一致性很好，保证了 产品的质量。三维机械设计不仅可以方便地描述对象的形状、大小和位置等几 何特征，而且还可以赋予设计对象以颜色、纹理、体积、重心、惯性矩等多种 信息，达到对设计对象几何形状确切的数学描述和工作状态的物理模拟，从而更充分、准确、全面、真实地表达设计者的意图。四、CAD技术在机械设计中的不足把CAD技术作为取代图板的绘图工具，并未实现真正的设计。目前有些单 位用CAD三维软件做出的三维模型仅为效果图，并没有用在整体空间设计和受 力分析，还停留在平面设计上，只是把用手工出图转变为计算机出图的现状。当然计算机出图有很多的优点，例如美观、规范、修改容易、存档方便等。但 是如果只停留在这个阶段，就失去CAD的作用，因为CAD是辅助设计，不是辅 助绘图。精通CAD技术的设计人员不足。三维CAD技术是一个复杂多变的系 统，并不是每个设计人员都能掌握得很好，大部分人员没有受过专门的训练， 对它的功能了解不够，他们完成的设计很可能不够完善。五、CAD技术的发展趋势随着计算机性能的提高，网络通讯的普及化、信息处理的智能化，CAD三 维技术正向规范化、智能化、集成化的方向发展。1、规范化。规范化（标准化）的趋势体现在几个方面：数据模型的规范化（标准化）、数据 交换格式的标准化和 CAD资源的规范化等。数据模型应采用STEP标准体系。 随着STEP标准体系的逐步完善，它对于几何数据、工程数据模型的思想将作为 新一代CAD系统的开发指南。靠以前的一些标准接口已经无法完全满足 CAD数 据交换的要求。目前，参数化特征模型的传输还是一个世界难题，在STEP标准 基础上，相信这一点能有所突破。2、智能化。特征造型和参数设计的采用即是智能化方面的进步。软件不仅仅是提供一些绘制的工具由人们去使用，也不再将占线面数据存储在一起，而忽略其内在 联系。特征和参数的引入使得软件似乎成为人类（用户）一个更聪明的助手。CAD软件应该更大限度地将工程数据概念集成到数据模型中，例如目前，CAD软件的特征模型主要是解决零件几何造型的问题，而对于后续分析、CAPP和加 工的需要还考虑得不够。3、集成化集成化是当今CAD技术发展的又一大趋势。CAD技术不是孤立的。首先， 它集成了计算机软硬件、数据库、外围设备、图形学、网络及各个应用领域的 技术。同时，它又不断和CAM（计算机辅助制造）、CAPP（计算机辅助工艺流程 规划）、MIS （管理信息系统）、PDM（产品数据管理）以及MRP（制造资源管理）等 系统相集成。由于In ternet的发展，使得这些设想得以实现。如何构造在 In ternet体系上的CAD/CAM集成化系统将会是人们追踪的热点。特别是在全球 经济一体化的背景下，并行工程、异地设计制造等概念的发展和应用，基于网 络、基于WEB的协同设计制造系统大受青睐。现在已有一些标准，如解决异构 系统平台的XML和XML-3D，以及解决三维图形、图像在互联网上传输共享的 VRML标准相继出台，已经为我们在互联网的构架下，建立协同设计和协同工 作的环境打下了基础。