機(jī)械設(shè)計(jì)中計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用

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摘要：隨著當(dāng)前我國信息技術(shù)水平的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)也逐漸得到了廣泛地應(yīng)用，其中計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)作為現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)當(dāng)中的重要工具，在機(jī)械設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用?；诖?，本文針對計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢展開探討，并從多個(gè)角度對該技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；三維建模

0引言

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)簡稱CAD，其主要功能和作用就是通過計(jì)算機(jī)和相應(yīng)圖形設(shè)備幫助設(shè)計(jì)人員完成設(shè)計(jì)工作。CAD技術(shù)的合理應(yīng)用能夠在一定程度上減輕設(shè)計(jì)人員的工作壓力和設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，能夠自主完成相關(guān)計(jì)算、存儲以及制圖動作，而且還能夠?qū)υO(shè)計(jì)進(jìn)行多樣化處理，極大地提高了設(shè)計(jì)人員的工作效率。

1在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的優(yōu)勢

機(jī)械設(shè)計(jì)作為機(jī)械設(shè)計(jì)制造過程的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)的水平、質(zhì)量直接影響著相應(yīng)產(chǎn)品的質(zhì)量和效果，因此，加強(qiáng)對于機(jī)械設(shè)計(jì)的重視是十分重要的。得益于計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的存儲、計(jì)算能力，作為機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的交叉學(xué)科的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，近年來取得長足的進(jìn)展：拷貝設(shè)備、存儲設(shè)備、高清顯示器以及掃描系統(tǒng)等多項(xiàng)功能設(shè)備能有效支持對機(jī)械圖形的高清繪制、存取、轉(zhuǎn)換；交互式圖形顯示軟件、應(yīng)用軟件和相應(yīng)的數(shù)據(jù)管理軟件等的應(yīng)用，使得計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在繪圖、計(jì)算、造型以及人機(jī)交互方面優(yōu)勢明顯，合理有效應(yīng)用該技術(shù)，能夠有效提升機(jī)械設(shè)計(jì)效率，為高質(zhì)量完成機(jī)械制造提供支撐。在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用計(jì)算及輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，CAD技術(shù)作為一種設(shè)計(jì)輔助工具，能夠有效降低機(jī)械設(shè)計(jì)的難度，簡化圖紙繪制過程，進(jìn)而提高設(shè)計(jì)效率；第二，相較于人工計(jì)算而言，CAD技術(shù)能夠借助布爾運(yùn)算實(shí)現(xiàn)對于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的高效處理，在實(shí)際進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中若發(fā)現(xiàn)前期設(shè)計(jì)中出現(xiàn)計(jì)算問題或失誤情況，可及時(shí)進(jìn)行修改和變更，并且后續(xù)設(shè)計(jì)也會隨之更新，有效提高了機(jī)械設(shè)計(jì)效率；第三，借助CAD技術(shù)在保障了設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期的情況下，同時(shí)也保障了設(shè)計(jì)的質(zhì)量；第四，由于設(shè)計(jì)周期的縮短，設(shè)計(jì)質(zhì)量的提高，也有效降低了設(shè)計(jì)過程中的資源浪費(fèi)，降低了機(jī)械設(shè)計(jì)成本[1]。

2計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用

在社會不斷發(fā)展的情況之下，對于機(jī)械設(shè)計(jì)的要求不斷提升，當(dāng)前計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)已然成為機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中的重要工具。不同的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件有著不同的功能側(cè)重點(diǎn)。由于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)有效保障了機(jī)械設(shè)計(jì)的精度、質(zhì)量以及效率，因此在實(shí)際機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中得到了較廣泛地應(yīng)用。

2.1二維圖樣

在機(jī)械設(shè)計(jì)中計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用最為廣泛和深入的領(lǐng)域就是二維圖樣的繪制方面。本文以AutoCAD繪圖軟件為例，對其二維繪制功能進(jìn)行介紹。AutoCAD是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的二維圖樣繪制軟件，有著十分全面的繪制功能，該軟件在二維圖紙繪制過程中的詳細(xì)功能如下：①文本設(shè)定：創(chuàng)建單行或多行文字作為單個(gè)文字對象；格式化文本、列和邊界。②標(biāo)注：自動創(chuàng)建標(biāo)注；將光標(biāo)懸停在選定對象上以獲取預(yù)覽，然后再進(jìn)行創(chuàng)建。③中心線和圓心標(biāo)記：創(chuàng)建和編輯移動關(guān)聯(lián)的對象時(shí)自動移動中心線和中心標(biāo)記。④表格：創(chuàng)建數(shù)據(jù)和符號分別在行和列中的表格、應(yīng)用公式，并鏈接到MicrosoftExcel的電子表格中。⑤修訂云：為圖形中的最新更改繪制修訂云，從而快速識別更新內(nèi)容。⑥視圖：按名稱保存視圖，輕松返回到特定視圖當(dāng)中，以便快速參考或應(yīng)用到布局視口。⑦布局：制定圖形大小、添加標(biāo)題塊、顯示模型的多個(gè)視圖。⑧字段：使用文本對象中的字段來顯示字段值，更改時(shí)可自動更新文本。⑨數(shù)據(jù)連接：通過在MicrosoftExcel電子表格和圖形中的表格之間創(chuàng)建實(shí)時(shí)鏈接來啟用同步更新。⑩數(shù)據(jù)提取：從對象中提取信息、塊和屬性，包括圖形信息。輥輯訛動態(tài)塊：添加靈活性和智能到塊參照，包括更改形狀、大小或配置。輥輰訛陣列：以環(huán)形或矩形陣列或沿著路徑創(chuàng)建和修改對象。輥輱訛參數(shù)化約束：應(yīng)用幾何約束和尺寸約束，從而保持幾何圖形之間的關(guān)系。輥輲訛清理：通過簡單的選擇和對象預(yù)覽，一次刪除多個(gè)不需要的對象。此外，該CAD軟件的交互界面功能全面，操作簡單，適用于多種文檔設(shè)計(jì)環(huán)境。在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，實(shí)際繪制二維圖樣時(shí)，經(jīng)常會涉及對一些關(guān)鍵要素的重復(fù)繪制，例如一些表示零件表面質(zhì)量粗糙度的符號等，在AutoCAD軟件上進(jìn)行繪制的過程中，可以通過將一些常用的符號、零件以及標(biāo)準(zhǔn)件等相關(guān)圖形設(shè)置為通用符號，將其定義為通用塊，然后在實(shí)際進(jìn)行二維圖樣繪制的過程中，需要標(biāo)注相應(yīng)符號和圖形時(shí)，設(shè)計(jì)人員就可以直接在AutoCAD軟件中調(diào)用相應(yīng)圖塊，并將其插入到圖紙當(dāng)中，而且在插入圖塊的過程中，還能夠根據(jù)設(shè)計(jì)需求對圖塊進(jìn)行調(diào)整，極大地提高了圖樣繪制的效率和便捷性[2]。在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)行二維圖樣繪制的過程中，為進(jìn)一步判斷設(shè)計(jì)的可靠性，不同型號零部件的設(shè)計(jì)是否符合實(shí)際需求，還需要涉及人員利用相應(yīng)CAD軟件進(jìn)行模型造型和承載試驗(yàn)，進(jìn)一步確保機(jī)械設(shè)計(jì)的效率。除此之外，還可以借助CAD軟件的網(wǎng)絡(luò)功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，為機(jī)械設(shè)計(jì)的優(yōu)化、探討、合作開發(fā)以及審核提供便利。

2.2三維建模

隨著當(dāng)前機(jī)械制造行業(yè)的不斷發(fā)展，市場對于機(jī)械產(chǎn)品的精細(xì)化程度、設(shè)計(jì)質(zhì)量等各個(gè)方面有了更高的要求，機(jī)械產(chǎn)品的復(fù)雜性也在不斷提高，在此情況之下，傳統(tǒng)通過二維圖樣進(jìn)行設(shè)計(jì)的方式已經(jīng)難以滿足設(shè)計(jì)以及機(jī)械制造生產(chǎn)的實(shí)際需求，在現(xiàn)有機(jī)械設(shè)計(jì)常采用的三維建模的過程中，往往通過一次性的設(shè)計(jì)難以達(dá)到實(shí)際要求，因此機(jī)械產(chǎn)品三維模型的構(gòu)建和設(shè)計(jì)往往需要經(jīng)歷設(shè)計(jì)、仿真、再設(shè)計(jì)三個(gè)階段，以此進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)的可靠性。在三維建模中應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的過程，主要包括兩個(gè)環(huán)節(jié)，即CAD建模和CAE仿真。其主要技術(shù)過程就是先結(jié)合設(shè)計(jì)需求和實(shí)際情況對零件進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，然后再運(yùn)用相應(yīng)軟件，進(jìn)行虛擬裝配，以此確保機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性以及實(shí)用性。CAD軟件有著強(qiáng)大的三維建模功能，而且三維模型的種類豐富，在實(shí)際進(jìn)行建模設(shè)計(jì)的過程中，需要結(jié)合具體情況和需求選用不同的模型類型。以AutoCAD軟件為例，在圖1所示的三維模型中，三維線框模型主要適用于初始設(shè)計(jì)迭代當(dāng)中，而且具有一定的透視性，能夠作為幾何圖形的參照，有助于后續(xù)建模和修改。三維實(shí)體模型是對于機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品實(shí)際情況的展示，有著極高的效用，并且在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中易于進(jìn)行圖元合并和輪廓拉伸操作，此外還能展示相應(yīng)質(zhì)量特性和截面。三維曲面建模能夠?qū)崿F(xiàn)對于曲面的精準(zhǔn)控制和設(shè)計(jì)分析。三維網(wǎng)格建模有著自由形式雕刻、銳化和平滑處理的功能，有助于實(shí)現(xiàn)對于機(jī)械設(shè)計(jì)的多樣化需求。除此之外，CAD軟件還能夠?qū)崿F(xiàn)二維圖樣和三維模型等多項(xiàng)轉(zhuǎn)換功能，進(jìn)一步滿足機(jī)械設(shè)計(jì)需求。CAE仿真技術(shù)就是對建模完成的零件進(jìn)行虛擬裝配，通過虛擬裝配，設(shè)計(jì)人員能夠觀察到零件裝配過程中的實(shí)際情況，了解不同虛擬裝配關(guān)系之間的差異，并以此為依據(jù)進(jìn)一步對機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行完善，以此保障機(jī)械設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效果。在機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中，建模和仿真技術(shù)有著十分重要的意義和作用，是保障設(shè)計(jì)質(zhì)量效果的重要計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)。

2.3二次開發(fā)

在當(dāng)前機(jī)械行業(yè)不斷發(fā)展的情況下，為進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品功能，滿足實(shí)際需求，同時(shí)降低設(shè)計(jì)生產(chǎn)成本，會在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)。二次開發(fā)實(shí)際就是在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，為降低設(shè)計(jì)成本，減少設(shè)計(jì)時(shí)間，在原有設(shè)計(jì)上進(jìn)行定制化修改，通常情況下二次開發(fā)不會改變設(shè)計(jì)產(chǎn)品的原有內(nèi)核，如機(jī)械產(chǎn)品的功能、作用等。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)是當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，進(jìn)行二次開發(fā)所應(yīng)用的主要技術(shù)，常用的軟件有VBA、AutoLisp等，不僅操作較為簡單便捷，而且數(shù)據(jù)、圖紙信息保存管理也十分方便，在機(jī)械設(shè)計(jì)二次開發(fā)當(dāng)中得到了廣泛地應(yīng)用。在實(shí)際進(jìn)行二次開發(fā)的過程中，由于機(jī)械設(shè)計(jì)的需求不同、不同計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的功能存在差異性，尤其是CAE仿真系統(tǒng)，因此，在進(jìn)行仿真操作的過程中，需要結(jié)合實(shí)際情況和設(shè)計(jì)需求，合理選擇相應(yīng)工具，以確保二次開發(fā)的質(zhì)量和效果。

2.4逆向工程

逆向工程也稱作逆向技術(shù)，簡單來說就是一種產(chǎn)品設(shè)計(jì)的再現(xiàn)技術(shù)，通過對目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行逆向分析，得到產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能、技術(shù)規(guī)格等相應(yīng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并以此為依據(jù)設(shè)計(jì)出與之功能相似的不同機(jī)械產(chǎn)品。在實(shí)際逆向工程進(jìn)行過程中，可借助相應(yīng)計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)軟件，例如CAD、CAM以及CAE等軟件構(gòu)建目標(biāo)產(chǎn)品的虛擬模型，并通過對實(shí)際產(chǎn)品的測量掃描明確產(chǎn)品的尺寸信息，然后進(jìn)行逐步分解和分析。逆向工程流程如圖2所示。以著名的逆向工程軟件Imageware為例，在實(shí)際操作過程中，首先，需要將采集到的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件當(dāng)中；其次，結(jié)合點(diǎn)陣數(shù)據(jù)確定曲線類型，然后創(chuàng)建曲線，并進(jìn)行修改優(yōu)化；再次，確定構(gòu)建的曲面類型，并創(chuàng)建曲面進(jìn)行優(yōu)化；最后，實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)建[3]。

3結(jié)論

綜上所述，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中不僅能夠應(yīng)用于二維圖樣的繪制，輔助完成三維建模，還能夠?qū)崿F(xiàn)對于機(jī)械設(shè)計(jì)的二次開發(fā)，或者將其應(yīng)用到逆向工程當(dāng)中，對于提高機(jī)械設(shè)計(jì)的質(zhì)量效率以及智能化水平都有著積極意義。相信隨著對于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的深入研究和應(yīng)用，我國機(jī)械設(shè)計(jì)水平將會得到進(jìn)一步提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅蓉.計(jì)算機(jī)軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用———評《AutoCAD機(jī)械制圖與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)》[J].材料保護(hù)，2021，54（01）：199.

[2]黃曉春，文運(yùn)昌.機(jī)械設(shè)計(jì)制造與計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)結(jié)合應(yīng)用分析[J].湖北農(nóng)機(jī)化，2020（10）：137-138.

[3]武承晨.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)及制造中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（06）：235-236.

作者:郭超 單位:山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司