计算机辅助设计在生产中的应用

单位代码 学 号 092605057 分 类 号 密 级 毕业设计（论文） 计算机辅助设计在生产中的应用 院（系）名称 专 业 名 称 学 生 姓 名 计算机辅助设计在生产中的应用 摘要 计算机辅助设计是 利用计算机及其 图形 设备帮助设计人员进行设计工作 ,简称 工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。 随着现代计算机技术的飞速发 展，计算机辅助设计 生产中的应用日益广泛，本文主要从计算机辅助设计在机械生产中的应用等方面阐述了其在机械设计中的显著优势，并对目前国内企业机械产品开发过程三维 统应用现状和存在问题进行了分析。从产品开发的实际需求和产品特点与软件功能出发，对企业应用三维 程提出了改进方案，最后介绍了三维 术发展的趋势。 关键词： 计算机辅助设计 三维 用 目 录 1 绪 论 . 1 题背景及目的 . 1 述 . 1 2 术从二维 三维 过渡 . 2 介 . 2 维 优势 . 3 介 . 4 3 计算机辅助设计在生产中的应用 . 5 算机辅助设计应用于生产的优势 . 5 算机辅助设计在生产中的作用 . 6 4 计算机辅助设计的应用趋势 . 8 算机辅助设计应用于生产时存在的问题 . 8 算机辅助设计应用于生产的发展趋势 . 8 结 语 . 10 致 谢 . 11 参考文献 . 12 1 绪 论 题背景及目的 计算机的发展及应用，使人们的生活日新月异。计算机辅助设计源于计算机图形技术的产生，计算机辅助设计的研究构想发端于 1950 年，但最早记录是在 1963 年，美国麻省理工学院的研 究人员 伊凡苏泽 兰在美国计算机联合会会议上发表了名为画板的论文，从而开始了计算机辅助设计的发展历程。他从 1950 年开始着手开发通过 图形技术来处理人与电脑交互对话的操作系统。 1963 年这套以电脑主机、显示屏、光电笔和键盘为工具的图形画线系统得到实现。这套图形画线系统开发和引进了许多计算机绘图的基本思想和技术，使用户可以运用电脑画出直线、复杂曲线以及简单的标准部件。 最初 解释为“计算机辅助绘图”，由于当时计算机在设计上的作用是替代传统手工绘图的一种新工具，但随着后来信息技术的飞速发展，计算机技 术在各领域的广泛应用， 含义也在不断变化扩展，随着 20 世纪 70 年代像素的产生、 80 年代三维曲面造型系统的开发等，使电脑绘图从只能用“线”这一基本绘制元素发展到可以用点、面、体进行绘制计算机图形，从而使 含义也发展成现在人们比较熟知的计算机辅助设计这个概念了。 我国的计算机辅助设计起源于 20 世纪 70 年代。与国外计算机辅助设计发展的轨迹相似，国内计算机辅助设计的研究与应用基本上是从各高等院校发展起来的。 20 世纪90 年代初，随着我国现代化进程的迅速发展以及计算机的进一步普及，在环境艺术设计和创作领域 ，计算机技术应用的价值，逐渐得到人们的重视。 论 开始于上世纪 50 年代后期的计算机辅助设计技术，从最初的仅仅被简单的作为图板的替代品到 70 年代的二维制图过度到三维建模再到现在的集产品的构思、功能设计、结构分析、加工制造、数据管理于一体的智能 术，计算机辅助设计经历了一个漫长又曲折的发展历程。在今天， 术越来越广泛的用于生产中。那么， 术究竟有怎样的优势，它又是如何在生产中起到积极作用的，而它的发展趋势又是怎样的呢，本文稍后将对以上问题进行浅谈。 2 术从二维 三维 过渡 介 计算机辅助设计是利用计算机强大的图形处理能力和数值计算能力，辅助工程技术人员进行工程或产品的设计与分析，达到理想的目的，并取得创新成果的一种技术。自1950 年计算机辅助设计（ 术诞生以来，已广泛地应用于机械、电子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等领域，产品的设计效率飞速地提高。现已将计算机辅助制 造技术（ 产品数据管理技术（ 计算机集成制造系统（ 于一体。 产品设计是决定产品命运的研究，也是最重要的环节，产品的设计工作决定着产品75%的成本。目前， 统已由最初的仅具数值计算和图形处理功能的 统发展成为结合人工智能技术的智能 统（ ( 21 世纪， 术将具备新的特征和发展方向，以提高新时代制造业对市场变化和小批量、多品种要求的迅速响应能力。 以智能 代表的现代设计技术 、智能活动是由设计专家系统完成。这种系统能够模拟某一领域内专家设计的过程，采用单一知识领域的符号推理技术，解决单一领域内的特定问题。该系统把人工智能技术和优化、有限元、计算机绘图等技术结合起来，尽可能多地使计算机参与方案决策、性能分析等常规设计过程，借助计算机的支持，设计效率有了大大地提高。 维设计软件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，工程数据库的管理，生成设计文件等功能。三维 广泛地应用于机械、电子、建筑、化工、航空 航天以及能源交通等领域，产品的设计效率得以迅速提高。我国 术的研究、开发和推广已取得较大进展，产品设计已全面完成二维 术的普及，结束了手工绘图的历史，对减轻人工劳动强度、提高经济效益起到了明显的作用。有相当一部分 用较早的企业已完成了从二维 三维 换，并取得了巨大的经济效益和社会效益。随着市场经济的逐步深入，市场竞争日趋激烈，加强自身的设计能力是提高企业对市场变化和小批量、多品种要求的迅速响应能力的关键。 维 优势 首先 品造型修改和实体装配图的生成被用在机械设计的多个方面设计软件为三维建模提供了多种工具，包括最基本的几何造型如球体、圆柱等，对简单的零件，可通过对其结构进行分析，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。对于较复杂的图形，软件提供了草图工具，设计人员可以通过它先勾勒出截面，再拉伸出较复杂的几何形体。为了满足人们不断提高的审美要求，目前主 要流行的几款三维设计软件基本上都提供面片模块，该模块为设计人员提供了非常方便的曲面设计工具。对于具有大块 曲面的零件，设计师可以方便地对单个面或片体进行变形处理，以达到需要的曲面。 企业生产的产品往往是按系列区分，各系列中每一代产品与上一代产品之间的区别较小，也许只是增加了一个功能部件或是产品造型尺寸上有所改动。三维 以方便地修改一些参数就能达到设计师更改造型的目的。三维 建模中一般使用参数化建模，整个建模的步骤和产品的外型尺寸被参数化，这些参数是与产品的造型直接关联的。若要对尺寸或造型进行局部的更改，只需要更改相关参数，整个造型将被自动更新。这样不仅大大减少了设计人员的工作量，还保证了产品外造型的 延续性。 实体装配不仅能让设计人员直观地看到各零件装配后的状态，还可以测量各零件之间的空间大小，方便零件的布置。在装配完成后，零件可以被隐藏或设置成半透明的状态，方便设计人员观察内部结构。此外，在装配状态下，软件提供的标准件库，也方便了设计人员对标准件型号的选择。装配状态下的干涉分析也是常用的功能，计算机通过计算各装配零件的体积的大小和位置来确定是否有相交的部分，并确定各零件是否干涉，自动生成分析报告，明确指出互相干涉零件的名称和干涉的尺寸。方便设计师修改产品设计尺寸。 另外随着技术发展，为了减轻人工劳动强 度，提高产品的精度，制造行业装备从普通机床逐步到数控机床和加工中心，模具激光快速成型技术（ ，几乎应用到整个制造行业。这些数控加工装备基本都具有与各三维设计软件的接口。当产品模型在三维 件中完成后，再由 件模拟出加工刀具路径，随后生成数控语言，通过接口输入数控设备中，再由数控设备按照模拟出的加工路径加工产品。 介 三维 件的重要模块， 能包括工程数值分析、结构优化设计、强度设计评价与寿命预估、动力学、运动学仿真等。 术在建模模块完成产品造型后，才 能由 块针对设计的合理性、强度、刚度、寿命、材料、结构合理性、运动特性、干涉、碰撞问题和动态特性进行分析。 术在我国也得到了广泛应用，以汽车制造业为例，国内多家主车厂和汽车设计公司在使用三维 件完成新车型的设计后，进行 析，如干涉检查、钣金成型分析、塑料件拔模角分析、车身强度刚度的测试，在车窗、车门、雨刮器等运动部件上广泛采用 块中的运动仿真功能，计算出零件 的运动轨迹，以及零部件在运动中的状态，为设计人员提供直观的参考。这些分析工作大大提高了新车型的可靠度，缩短了新车型的开发周 期，减少了返工，节约了研发成本。采用三维 术，机械设计时间缩短了近 1/3。同时，三维 统具有高度变型设计能力，能通过快速重构，得到一种全新的机械产品，大大提高了工作效率。 3 计算机辅助设计在生产中的应用 算机辅助设计应用于生产的优势 作为一项被世界各国广泛应用的计算机技术， 术是衡量一个国家工业水平的重要标志之一，也是衡量一个企业技术水平的重要标志。利用计算机实现生产设计和生产，是降低成本提高工程设计中的精确强度，加强竞争与夺标能力的有力手段。计算 机绘图是建立起某种模式和方法，使计算机领会人的意图， 进行科学分析和计算，作出判断和选择，最后输出满意的设计结果和生产图纸。它是设计者向系统输人根据设计要求建立起来的数学模 型和设计参数，让计算机去检查有关的资料，并根据相应的公式和标准规范进行计算机优化、显示出设计结果。其还可以在屏幕上对设计结果进行放、 缩、旋转、平移等变换。如果用户不满意，可以对设计图形作出修改、剪裁、拼接等处理，直到获得满意的结果，最后由绘图机输出图样。功能和很高的数学精度，其有效位数已完全能够满足工程测量中的需要。在工作期间。可将所有 图纸、所有工程量表格及文档进行分类，其重点是对图纸文件利用 行总图的绘制，在以后的工作中，就可以在总图上进行查找，它将更好的减轻测量人员的外业劳动强度，更好地提高测景作业效率和作业精度。 较之于传统的手绘图设计，计算机辅助设计软件 优点主要体现在以下几个方面。其一，使设计工具集中化 计算机作为设计工具，代替了所有其它传统设计工具。如常用 的纸、笔、直尺、圆规、三角板等。减轻了常规制图的劳动强度。自从使用 电脑绘图后，桌子上少了笔、尺、圆规、三角板等随着小小鼠标的移动。一张工整的图纸便呈 现在面前。 其二，避免了重复性工作，大大减少了工作强度。在以往的绘图工作中，往往需要绘制不同比例的样图，是重新绘制，而计算机只要将图纸提出，加以简单放大或缩小就可以 得到所需的各种比例样图。计算机是个善于复制和修改的能手，它能使重复性工作大为减少，提高工作效率。 其三，在图纸管理方面为工作者提供了很大的方便。传统的图纸修改，首先要刮图纸，极易造成图纸损坏，大大影响了图纸的美观性。而在计算机中对图纸进行，无论修改多大面积的绘图，对图纸修改多少次，即使是牵涉到图的重新排版，都可以很方便地完成，并且在最后出图时不 留痕迹。并且对于保存的大量图纸还可以按一定的顺序，比如名称、规格、类型等进行分类，打印成图，或者刻录到光盘中，永久保存，不但减少档案柜占据的工作空间，也有效地防止了由于计算机损坏造成的图纸资料的丢失。计算机操作系统还提供了强大的目录管理功能，可使不同类别的图纸存放在各个不同的文件夹中，以代替庞大的文件柜和分件夹，还可对这些图纸资料进行复制、备份、提取和整理。现在，除了正常绘制加工所需的图纸外，正逐步把文件柜中保存多年的图纸资料输入到计算机中。 算机辅助设计在生产中的作用 计算机辅助设计在生产中扮演着 正面积极的角色，他从各个方面促进了生产的效率。以机械生产为例，目前轴承市场竞争异常激烈，需求不断提高 ,所需产品结构复杂、精度要求高 ,交 货日期短。 轴承设计要求严格 ,内部尺寸之间有严格的配合关系 ,并且其要求的生产工艺复杂，加工精度高 ,所需的工装图纸不仅数量大 ,而且加工难度大 ,尺寸要求严格。 通 常的设计流程是 ,先设计出草图 ,根据草图试生产若干件样品 ,再根据 试生产的结果修改图纸 ,反复几遍 ,才能最终出正式图。这样不但生产周期长 ,而且因为反复修改模具、工装 ,导致生产成本提高。 如何提高产品的一次设计成功率 ,降低生 产成本 ,缩短制造周期 ,从而提升企业的市场反应速度 ,提高轴承产品的竞争力？在轴承设计中应用 术 ,较好地解决了这一问题。 (一 )提高质量 应用 术可以提高产品设计的质量 ,缩短设计周期 ,真正做到辅助设计二维 亮 ,提高绘图效率，而且以后的图纸修改及管理也很方便。但它与传统的手工绘图一样 ,对减少产品设计错误、设计更改和返工现象并无重大影响 ,对企业最需要的设计质量并没有多大的提高。而应用三维 行产品设计 ,可以方便地设计出所见即所得的三维实体产品模型 ,所有 零件的三维模型可以放在一张图内。而利用三维 供可以方便、快捷地对三维模型进行模拟装配和干涉检查 ,对重要零部件进行有限元分析与优化设计。所有零件的设计缺陷和干涉部位 ,可以一目了然地发现出来 ,无需面对数十张二维图纸苦心冥想其中的关联。设计人员的考虑重点将是产品的结构是否合理 ,产品的功能是否满足要求 ,无需花费大量精力去考虑产品图线型、剖切位置、投影关系等与产品质量关系不大的因素。生产的二维工程图纸 ,可通过三维 三维与二维的关联功能 , 直接由三维自动生成符合国标的二维工程图纸。 (二 )节约成本 应用 三维 够减少产品工装修模次数 ,降低成本。如某些精密加工行业 ,产品加工所需的工装不但数量大、规格种类多 ,而且加工精度要求很高 ,制造周期较长。通常的做法是根据产品图和操作图 ,先用二维 笔一笔地绘出工装草图 ,然后试制、试装 ,不合适再修改 ,反复几次 ,直到达到工艺要求。使用三维 计工装 ,则可以克服传统绘图的缺点 ,直观地看到各组成零件的配合情况 ,甚至可以通过模拟工装的运动过程 ,在工装投入制作之前发现不合适的部位及时修改 ,从而提高了工装设计的准确性 ,减少了修模次数 ,从而节省了生产成本 ,产品制造周期也缩短 了。 (三 )灵活性高 应用三维 够快速进行变型设计。某些具有型号多，系列多等特点的产品，往往同系列的产品工装结构基本相同 ,只是尺寸不同。而不同系列的产品工装虽然结构不同 ,但工装中的某些零件结构相似 ,只需稍做改动。应用三维 以快速完成工装的变 型设计 ,因为所有零件均以数字样机的形式存放 在计算机中 ,在已建立的数字样机基础上 ,根据同系列或相近系列产品的不同要求 ,或修改、或增加、或删除各种结构和零部件 ,快速准确地完成新工装的设计。基于参数化建模的三维实体设计软件 ,能够更快速、更经济地完成所要进 行的工作 ,它的装配检查 ,也可避免以往变型设计中容易产生的碰撞等不合理结构 ,使变型产品的设计更趋完美。 (四 )便利性 应用三维 够提高产品宣传的效果。利用三维 设计软件高级渲染功能和动画输出功能 ,能够把已经设计出的产品和各零部件模型 ,输出成具有照片级真实感的效果图 ,或者将产品各部件之间的运动和相互的约束关系以动画的形式表现出来 ,模拟产品的实际工作状态。通过效果图和动画 ,无需等到产品制作出来 ,客户就可以“看到”该产品 ,从而对设计的产品结构和功能有较深刻的理解 ,弥补了以往仅利用技术图纸进行产品描述所 带来的不便 ,达到提高客户满意度和树立企业良好形象的目的。 4 计算机辅助设计的应用趋势 算机辅助设计应用于生产时存在的问题 虽然 术已经广泛的用于各个行业的生产环节之中并日趋成熟，但不可否认的是在一些领域仍存在问题。其原因有以下几点：其一，未能真正实现辅助设计。很多使用企业并未实现真正的辅助设计，目前很多单位用 件可以做出三维模型，但仅仅是为了做三维效果图，并未真正实现运用三维 件进行整体空间设计和受力分析，还停留在平面图设计方面。他们只是做到用计算机出图，只停留在这个阶 段，就失去了其应有的作用，因为 辅助设计，不是辅助绘图。特别是三维 件中的 能在各企业间应用得就更少了。以汽车行业为例，虽然现在汽车企业普遍认识到， 对产品未来的工作状态和运行行为进行虚拟运行模拟，及早发现设计缺陷，实现优化设计。但对于如何有效开展 工作就没有明确的认识。其次，精通 术的人员匮乏。三维 统是一个复杂、多样的 系统，并不是每个设计人员都能很好地掌握，更何况大部分设计人员并没有接受过 多数功 能知之甚少，他们完成的设计很可能就存在一些缺陷。世界著名的汽车制造商福特、通用、戴姆勒 术应用得好，是因为得益于几十年来一直大力开展 用而积淀下来的宝贵经验以及培养出了一支高水平的技术队伍。现在国内既懂计算机软、硬件，又有丰富专业知识的人才匮乏，而这恰是企业最为宝贵的财富。为了留住人才，各企业也做出了很大的努力，但整个行业还是缺乏培养人才的氛围，部分企业还是没有意识到自己培养出的人才比在市场上招聘的人才更了解自己的企业，也是企业发展的中坚力量。改变这一点还需 要付出大量的努力，需要经历一个长期的过程。 算机辅助设计应用于生产的发展趋势 计算机辅助设计软件已经给人们的设计工作提供了很大的便利，但其自身仍在不断的完善之中，同时也在向着以下几个方向发展： (一 )图形交换技术 一个直观的、智能化的工作界面可以开拓设计师的思路，解放大脑，让他把精力集中到创造性的工作中。 件是产品创新的工具，务求易学好用，复杂的功能操作简单，简单的功能能够实现自动化。因此，智能化图标菜单、实时生成的造型、动态提示指引等一系列人性化的功能，为设计师提供了方便。此外，触摸输入法草 图识别、语言识别和特征手势建模等新技术也正在研究之中。 (二 )智能 术 随着人们一定程度上掌握创造性活动的规律，逐渐对计算机辅助设计软件提出智能化需求。设计是一个含有高度智能的人类创造性活动，智能 发展的必然方向。智能设计在运用知识化、信息化的基础上，建立基于知识的设计仓库，及时准确地向设计师提供产品开发所需的知识和帮助，智能地支持设计人员，同时捕获和理解设计人员意图、自动检测失误，回答问题、提出建议方案等。并具有推理功能，使设计新手也能做出好的设计来。现代设计的核心是创新设计，人们正试 图把创新技法和人工智能技术相结合应用到 术中，用智能设计、智能制造系统去创造性指导解决新产品、新工程和新系统的设计制造，这样才能使我们的产品、工程和系统有创造性。 (三 )虚拟现实技术 虚拟现实技术在 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 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 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。 结 语 通过这次 设计论文设计 ,我对机械和计算机辅助的设计有了更加深刻的了解。古人云“工欲善其事 ,必先利其器”。先进的设计工具能够提高产品的制造水平。 计算机辅助设计技术发展到今日，其二维绘图转向了三维设计 ,这是质的飞跃。应用三维 统进行产品开发 ,从根本上改变了过去手工绘图、凭图纸组织整个生产过程的技术管理方式 ,设计构思的表达由二维图纸演变成能在计算机模拟显示零件三维实体模型的虚拟产品 ,大大提高了产品设计的一次成功率 ,从而不仅缩短了产品的设计周期 ,提高了设计质量 ,而且降低了生产成本。这项技术必将提高产品的竞争力 ,使企业 在激烈的市场竞争中获得生存与发展。因此，计算机辅助设计在生产中正在并将持续扮演着重要的角色。 为了使我国的计算机辅助设计技术在不久的将来能赶上发达国家的水平，并能同步增长。为了提高数字化产品在国际市场的竞争能力，我们必须深入研究数字基础理论，加强计算机辅助设计的研发研究。 致 谢 经过长时间的忙碌和不懈努力，毕业论文已经接近尾声，在这段时间里为了制作毕业设计，我翻阅了大量有关计算机辅助设计方面和机械专业的书籍，通过对这些书籍了阅读，不但完成了所做的毕业设计，还使自己的专 业知识和独立思考问题的能力有了很大的提高，对自己今后的工作有了许多的帮助。在做毕业设计期间，经常会出现一些自己从没遇到过的问题，使毕业设计的制作走到了死胡同。如果没有杨汉嵩老师和李鹏的督促和指导，以及同学们的帮助，凭我一个人的力量，想要完成这次毕业设计是很难的。所以我很感谢杨汉嵩老师和李鹏老师对我的指导和帮助。 在此我还要感谢上大学以来所有的老师，为我们打下机械专业知识的基础。 在课题的研究过程中，黄河科技大学工学院的各位领导和老师对设计的完成给予了很大支持和帮助，在此表示由衷的感谢！ 然后还要感谢 和我一起作毕业设计的各位同学，感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励，此次毕业设计才会顺利完成。 最后，我还要深深地感谢默默支持本人完成学业的父母及亲友，感谢他们为我所做出的无私奉献和巨大支持！ 谨向所有在本文的完成中给予我关怀和帮助而在此无法一一提及的老师、同学和朋友致以诚挚的谢意 参考文献 1王先逵计算机辅助制造 M. 北京：清华大学出版社， 2008 2蔡汉明，陈清奎机械 术 M. 北京： 机械工业出版社 ， 2005 3王隆太机械 术， 2 版 M. 北京：机械工业出版社， 2005 4姚英学，蔡颖 . 计算机辅助设计与制造 M等教育出版社， 2002 5唐承统 , 阎艳 . 计算机辅助设计与制造 M京理工大出版社， 2008 6刘德平，刘武发 . 计算机辅助设计与制造 M学工业出版社， 2007 7魏生民，朱喜林 汉理工大学出版社， 2001 8李超 . 训 件应用 M等教育出版社， 2003 9明兴祖，姚建民 . 机械 北京：化学工业出版社出版， 2003 10章继涛，李晓宾 . 械设计标准教程 M：北京理工大学出版社 2007 11 AM : 991 12006