三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用探討
二維CAD(ComputerAidedDesign)是我國機(jī)械行業(yè)目前應(yīng)用最普遍的技術(shù)，然而，傳統(tǒng)的二維CAD只是起到了電子圖版的作用，因為它沒能解決設(shè)計中最困難的幾個問題，如:復(fù)雜的投影線生成、尺寸漏標(biāo)、機(jī)構(gòu)運動關(guān)系分析、設(shè)計的更新與工程管理等。所以，二維機(jī)械CAD沒有做到真正的計算機(jī)輔助設(shè)計。隨著計算機(jī)性能的提高，信息處理的智能化，機(jī)械設(shè)計手段正從二維CAD向三維CAD過渡，有相當(dāng)一部分企業(yè)已完成了從二維CAD向三維CAD的轉(zhuǎn)換，并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。相對于二維系統(tǒng)而言，三維系統(tǒng)才是真正的計算機(jī)輔助設(shè)計。
一、三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計中的優(yōu)點
通過實際應(yīng)用三維CAD系統(tǒng)軟件，筆者體會到三維CAD系統(tǒng)軟件比二維CAD在機(jī)械設(shè)計過程中具有更大的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在以下幾點:
(一)零件設(shè)計更加方便
使用三維CAD系統(tǒng)，可以裝配環(huán)境中設(shè)計新零件，也可以利用相鄰零件的位置及形狀來設(shè)計新零件，既方便又快捷，避免了單獨設(shè)計零件導(dǎo)致裝配的失敗。資源查找器中的零件回放還可以把零件造型的過程通過動畫演示出來，使人一目了然。
(二)裝配零件更加直觀
在裝配過程中，資源查找器中的裝配路徑查找器記錄了零件之間的裝配關(guān)系，若裝配不正確即予以顯示，另外，零件還可以隱藏，在隱藏了外部零件的時候，可清楚地看到內(nèi)部的裝配結(jié)構(gòu)。整個機(jī)器裝配模型完成后還能進(jìn)行運動演示，對于有一定運動行程要求的，可檢驗行程是否達(dá)到要求，及時對設(shè)計進(jìn)行更改，避免了產(chǎn)品生產(chǎn)后才發(fā)現(xiàn)需要修改甚至報廢。
(三)縮短了機(jī)械設(shè)計周期
采用三維CAD技術(shù)，機(jī)械設(shè)計時間縮短了近1/3，大幅度地提高了設(shè)計和生產(chǎn)效率。在用三維CAD系統(tǒng)進(jìn)行新機(jī)械的開發(fā)設(shè)計時，只需對其中部分零部件進(jìn)行重新設(shè)計和制造，而大部分零部件的設(shè)計都將繼承以往的信息，使機(jī)械設(shè)計的效率提高了3~5倍。同時，三維CAD系統(tǒng)具有高度變型設(shè)計能力，能夠通過快速重構(gòu)，得到一種全新的機(jī)械產(chǎn)品。
(四)提高機(jī)械產(chǎn)品的技術(shù)含量和質(zhì)量
由于機(jī)械產(chǎn)品與信息技術(shù)相融合，同時采用CADCIMS組織生產(chǎn)，機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計有了新發(fā)展。三維CAD技術(shù)采用先進(jìn)的設(shè)計方法，如優(yōu)化、有限元受力分析、產(chǎn)品的虛擬設(shè)計、運動方針和優(yōu)化設(shè)計等，保證了產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量。同時，大型企業(yè)數(shù)控加工手段完善，再采用CAD/CAPP/CAM進(jìn)行機(jī)械零件加工，一致性很好，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。
二、三維CAD技術(shù)對機(jī)械設(shè)計的影響
三維CAD技術(shù)從根本上改變了機(jī)械設(shè)計的進(jìn)程和質(zhì)量，引進(jìn)了現(xiàn)代設(shè)計概念，克服了傳統(tǒng)設(shè)計帶來的弊端，使機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計與生產(chǎn)發(fā)生了深刻的變化。
(一)更強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新機(jī)械設(shè)計
傳統(tǒng)設(shè)計中改型設(shè)計多，只能改變現(xiàn)有產(chǎn)品中某些尺寸，或只能消化某些產(chǎn)品，仿照生產(chǎn)，因此無法實現(xiàn)創(chuàng)新構(gòu)思，使得產(chǎn)品從根本上沒有質(zhì)的飛躍。
而三維CAD技術(shù)在方案設(shè)計階段，充分利用專家系統(tǒng)及現(xiàn)代科技新理論，建立多種機(jī)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)型對比，立體感強(qiáng)、效果逼真，更能激發(fā)設(shè)計人員的新穎構(gòu)思。
(二)設(shè)計過程的并行化和智能化
隨著局域網(wǎng)和Internet的普及，絕大多數(shù)人已認(rèn)識到，網(wǎng)絡(luò)將是21世紀(jì)發(fā)展的首選工具。一個大中型產(chǎn)品的設(shè)計不是一個人或是少數(shù)幾個人能夠完成的，而網(wǎng)絡(luò)將這種設(shè)計任務(wù)的并行性的可能性大大提高。三維CAD技術(shù)使得設(shè)計人員之間的交流更容易，減少了交流過程中的不必要錯誤，網(wǎng)絡(luò)交流更直觀。
(三)設(shè)計和生產(chǎn)的一體化
計算機(jī)技術(shù)在設(shè)計中的應(yīng)用已從以往的繪圖發(fā)展到當(dāng)今的三維建模、虛擬制造、智能設(shè)計及CAD/CAE/CAM集成階段。三維設(shè)計軟件是當(dāng)今最先進(jìn)的CAD軟件，在發(fā)達(dá)國家與工程設(shè)計有關(guān)的各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。比如:美國福特公司應(yīng)用三維CAD技術(shù)后將新型汽車開發(fā)周期從18個月壓縮到12個月，減少了90%的實物模型，減少新產(chǎn)品的設(shè)計更改50%以上，減少新汽車試制成本50%，提高投資效益30%。波音公司新一代777客機(jī)生產(chǎn)中實現(xiàn)了“無圖紙設(shè)計”，其先進(jìn)的CAD/CAM技術(shù)走在了全世界的前面。三、三維CAD技術(shù)在目前機(jī)械設(shè)計中存在的問題
CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計中的優(yōu)勢是非常明顯的，它給企業(yè)帶來了效率與效益，但在有些企業(yè)卻效果不好，主要表現(xiàn)在:
(一)未能真正實現(xiàn)輔助設(shè)計
很多使用者并未實現(xiàn)真正的設(shè)計，目前很多單位用CAD軟件可以做出三維模型，但僅僅是為了做三維效果圖，并未真正實現(xiàn)運用三維CAD軟件進(jìn)行整體空間設(shè)計和受力分析，還停留在平面圖設(shè)計方面。他們只是做到用計算機(jī)出圖，只停留在這個階段，就失去了作用，因為CAD是輔助設(shè)計，不是輔助繪圖。
(二)精通CAD技術(shù)的設(shè)計人員缺乏
三維CAD系統(tǒng)是一個復(fù)雜、多樣的系統(tǒng)，并不是每個設(shè)計人員都能很好地掌握，更何況大部分設(shè)計人員沒有接受過CAD的應(yīng)用培訓(xùn)，對CAD的多數(shù)功能一無所知，他們完成的設(shè)計很可能就存在一些缺陷。
四、發(fā)展趨勢
從制造到創(chuàng)造是任何國家都要經(jīng)歷的一個發(fā)展過程，隨著中國機(jī)械行業(yè)的不斷壯大，越來越多的設(shè)計者要從中國制造轉(zhuǎn)向中國創(chuàng)造，而創(chuàng)造就不再是為了解剖或生產(chǎn)某一個零部件而設(shè)計，而是整體設(shè)計整個產(chǎn)品，單憑二維技術(shù)是不夠的，三維自然必不可少。先進(jìn)的設(shè)計能力才能產(chǎn)生先進(jìn)的制造企業(yè)。從長遠(yuǎn)看，從二維到三維是CAD一個不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。
中國制造企業(yè)從二維到三維是企業(yè)深化CAD應(yīng)用的一個方向，因為三維CAD軟件能夠提升企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計能力。而當(dāng)企業(yè)應(yīng)用三維CAD軟件后，也會提出深化三維CAD應(yīng)用的需求。因此，我認(rèn)為國家應(yīng)該大力提倡研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)，符合設(shè)計習(xí)慣、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)文化的，面向行業(yè)的應(yīng)用模塊。隨著計算機(jī)性能的提高，信息處理的智能化，CAD三維技術(shù)正向著開放、集成、技能和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。正確把握CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢，對我國CAD軟件行業(yè)的開發(fā)及企業(yè)正確規(guī)劃自身的CAD應(yīng)用系統(tǒng)，都具有深遠(yuǎn)的意義。
一、三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計中的優(yōu)點
通過實際應(yīng)用三維CAD系統(tǒng)軟件，筆者體會到三維CAD系統(tǒng)軟件比二維CAD在機(jī)械設(shè)計過程中具有更大的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在以下幾點:
(一)零件設(shè)計更加方便
使用三維CAD系統(tǒng)，可以裝配環(huán)境中設(shè)計新零件，也可以利用相鄰零件的位置及形狀來設(shè)計新零件，既方便又快捷，避免了單獨設(shè)計零件導(dǎo)致裝配的失敗。資源查找器中的零件回放還可以把零件造型的過程通過動畫演示出來，使人一目了然。
(二)裝配零件更加直觀
在裝配過程中，資源查找器中的裝配路徑查找器記錄了零件之間的裝配關(guān)系，若裝配不正確即予以顯示，另外，零件還可以隱藏，在隱藏了外部零件的時候，可清楚地看到內(nèi)部的裝配結(jié)構(gòu)。整個機(jī)器裝配模型完成后還能進(jìn)行運動演示，對于有一定運動行程要求的，可檢驗行程是否達(dá)到要求，及時對設(shè)計進(jìn)行更改，避免了產(chǎn)品生產(chǎn)后才發(fā)現(xiàn)需要修改甚至報廢。
(三)縮短了機(jī)械設(shè)計周期
采用三維CAD技術(shù)，機(jī)械設(shè)計時間縮短了近1/3，大幅度地提高了設(shè)計和生產(chǎn)效率。在用三維CAD系統(tǒng)進(jìn)行新機(jī)械的開發(fā)設(shè)計時，只需對其中部分零部件進(jìn)行重新設(shè)計和制造，而大部分零部件的設(shè)計都將繼承以往的信息，使機(jī)械設(shè)計的效率提高了3~5倍。同時，三維CAD系統(tǒng)具有高度變型設(shè)計能力，能夠通過快速重構(gòu)，得到一種全新的機(jī)械產(chǎn)品。
(四)提高機(jī)械產(chǎn)品的技術(shù)含量和質(zhì)量
由于機(jī)械產(chǎn)品與信息技術(shù)相融合，同時采用CADCIMS組織生產(chǎn)，機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計有了新發(fā)展。三維CAD技術(shù)采用先進(jìn)的設(shè)計方法，如優(yōu)化、有限元受力分析、產(chǎn)品的虛擬設(shè)計、運動方針和優(yōu)化設(shè)計等，保證了產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量。同時，大型企業(yè)數(shù)控加工手段完善，再采用CAD/CAPP/CAM進(jìn)行機(jī)械零件加工，一致性很好，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。
二、三維CAD技術(shù)對機(jī)械設(shè)計的影響
三維CAD技術(shù)從根本上改變了機(jī)械設(shè)計的進(jìn)程和質(zhì)量，引進(jìn)了現(xiàn)代設(shè)計概念，克服了傳統(tǒng)設(shè)計帶來的弊端，使機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計與生產(chǎn)發(fā)生了深刻的變化。
(一)更強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新機(jī)械設(shè)計
傳統(tǒng)設(shè)計中改型設(shè)計多，只能改變現(xiàn)有產(chǎn)品中某些尺寸，或只能消化某些產(chǎn)品，仿照生產(chǎn)，因此無法實現(xiàn)創(chuàng)新構(gòu)思，使得產(chǎn)品從根本上沒有質(zhì)的飛躍。
而三維CAD技術(shù)在方案設(shè)計階段，充分利用專家系統(tǒng)及現(xiàn)代科技新理論，建立多種機(jī)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)型對比，立體感強(qiáng)、效果逼真，更能激發(fā)設(shè)計人員的新穎構(gòu)思。
(二)設(shè)計過程的并行化和智能化
隨著局域網(wǎng)和Internet的普及，絕大多數(shù)人已認(rèn)識到，網(wǎng)絡(luò)將是21世紀(jì)發(fā)展的首選工具。一個大中型產(chǎn)品的設(shè)計不是一個人或是少數(shù)幾個人能夠完成的，而網(wǎng)絡(luò)將這種設(shè)計任務(wù)的并行性的可能性大大提高。三維CAD技術(shù)使得設(shè)計人員之間的交流更容易，減少了交流過程中的不必要錯誤，網(wǎng)絡(luò)交流更直觀。
(三)設(shè)計和生產(chǎn)的一體化
計算機(jī)技術(shù)在設(shè)計中的應(yīng)用已從以往的繪圖發(fā)展到當(dāng)今的三維建模、虛擬制造、智能設(shè)計及CAD/CAE/CAM集成階段。三維設(shè)計軟件是當(dāng)今最先進(jìn)的CAD軟件，在發(fā)達(dá)國家與工程設(shè)計有關(guān)的各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。比如:美國福特公司應(yīng)用三維CAD技術(shù)后將新型汽車開發(fā)周期從18個月壓縮到12個月，減少了90%的實物模型，減少新產(chǎn)品的設(shè)計更改50%以上，減少新汽車試制成本50%，提高投資效益30%。波音公司新一代777客機(jī)生產(chǎn)中實現(xiàn)了“無圖紙設(shè)計”，其先進(jìn)的CAD/CAM技術(shù)走在了全世界的前面。三、三維CAD技術(shù)在目前機(jī)械設(shè)計中存在的問題
CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計中的優(yōu)勢是非常明顯的，它給企業(yè)帶來了效率與效益，但在有些企業(yè)卻效果不好，主要表現(xiàn)在:
(一)未能真正實現(xiàn)輔助設(shè)計
很多使用者并未實現(xiàn)真正的設(shè)計，目前很多單位用CAD軟件可以做出三維模型，但僅僅是為了做三維效果圖，并未真正實現(xiàn)運用三維CAD軟件進(jìn)行整體空間設(shè)計和受力分析，還停留在平面圖設(shè)計方面。他們只是做到用計算機(jī)出圖，只停留在這個階段，就失去了作用，因為CAD是輔助設(shè)計，不是輔助繪圖。
(二)精通CAD技術(shù)的設(shè)計人員缺乏
三維CAD系統(tǒng)是一個復(fù)雜、多樣的系統(tǒng)，并不是每個設(shè)計人員都能很好地掌握，更何況大部分設(shè)計人員沒有接受過CAD的應(yīng)用培訓(xùn)，對CAD的多數(shù)功能一無所知，他們完成的設(shè)計很可能就存在一些缺陷。
四、發(fā)展趨勢
從制造到創(chuàng)造是任何國家都要經(jīng)歷的一個發(fā)展過程，隨著中國機(jī)械行業(yè)的不斷壯大，越來越多的設(shè)計者要從中國制造轉(zhuǎn)向中國創(chuàng)造，而創(chuàng)造就不再是為了解剖或生產(chǎn)某一個零部件而設(shè)計，而是整體設(shè)計整個產(chǎn)品，單憑二維技術(shù)是不夠的，三維自然必不可少。先進(jìn)的設(shè)計能力才能產(chǎn)生先進(jìn)的制造企業(yè)。從長遠(yuǎn)看，從二維到三維是CAD一個不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。
中國制造企業(yè)從二維到三維是企業(yè)深化CAD應(yīng)用的一個方向，因為三維CAD軟件能夠提升企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計能力。而當(dāng)企業(yè)應(yīng)用三維CAD軟件后，也會提出深化三維CAD應(yīng)用的需求。因此，我認(rèn)為國家應(yīng)該大力提倡研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)，符合設(shè)計習(xí)慣、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)文化的，面向行業(yè)的應(yīng)用模塊。隨著計算機(jī)性能的提高，信息處理的智能化，CAD三維技術(shù)正向著開放、集成、技能和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。正確把握CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢，對我國CAD軟件行業(yè)的開發(fā)及企業(yè)正確規(guī)劃自身的CAD應(yīng)用系統(tǒng)，都具有深遠(yuǎn)的意義。
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