三維CAD技術在機械設計中的應用探討
二維CAD(ComputerAidedDesign)是我國機械行業(yè)目前應用最普遍的技術，然而，傳統(tǒng)的二維CAD只是起到了電子圖版的作用，因為它沒能解決設計中最困難的幾個問題，如:復雜的投影線生成、尺寸漏標、機構運動關系分析、設計的更新與工程管理等。所以，二維機械CAD沒有做到真正的計算機輔助設計。隨著計算機性能的提高，信息處理的智能化，機械設計手段正從二維CAD向三維CAD過渡，有相當一部分企業(yè)已完成了從二維CAD向三維CAD的轉換，并取得了巨大的經(jīng)濟效益。相對于二維系統(tǒng)而言，三維系統(tǒng)才是真正的計算機輔助設計。
一、三維CAD技術在機械設計中的優(yōu)點
通過實際應用三維CAD系統(tǒng)軟件，筆者體會到三維CAD系統(tǒng)軟件比二維CAD在機械設計過程中具有更大的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在以下幾點:
(一)零件設計更加方便
使用三維CAD系統(tǒng)，可以裝配環(huán)境中設計新零件，也可以利用相鄰零件的位置及形狀來設計新零件，既方便又快捷，避免了單獨設計零件導致裝配的失敗。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)部的裝配結構。整個機器裝配模型完成后還能進行運動演示，對于有一定運動行程要求的，可檢驗行程是否達到要求，及時對設計進行更改，避免了產(chǎn)品生產(chǎn)后才發(fā)現(xiàn)需要修改甚至報廢。
(三)縮短了機械設計周期
采用三維CAD技術，機械設計時間縮短了近1/3，大幅度地提高了設計和生產(chǎn)效率。在用三維CAD系統(tǒng)進行新機械的開發(fā)設計時，只需對其中部分零部件進行重新設計和制造，而大部分零部件的設計都將繼承以往的信息，使機械設計的效率提高了3~5倍。同時，三維CAD系統(tǒng)具有高度變型設計能力，能夠通過快速重構，得到一種全新的機械產(chǎn)品。
(四)提高機械產(chǎn)品的技術含量和質量
由于機械產(chǎn)品與信息技術相融合，同時采用CADCIMS組織生產(chǎn)，機械產(chǎn)品設計有了新發(fā)展。三維CAD技術采用先進的設計方法，如優(yōu)化、有限元受力分析、產(chǎn)品的虛擬設計、運動方針和優(yōu)化設計等，保證了產(chǎn)品的設計質量。同時，大型企業(yè)數(shù)控加工手段完善，再采用CAD/CAPP/CAM進行機械零件加工，一致性很好，保證了產(chǎn)品的質量。
二、三維CAD技術對機械設計的影響
三維CAD技術從根本上改變了機械設計的進程和質量，引進了現(xiàn)代設計概念，克服了傳統(tǒng)設計帶來的弊端，使機械產(chǎn)品的設計與生產(chǎn)發(fā)生了深刻的變化。
(一)更強調創(chuàng)新機械設計
傳統(tǒng)設計中改型設計多，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)新構思，使得產(chǎn)品從根本上沒有質的飛躍。
而三維CAD技術在方案設計階段，充分利用專家系統(tǒng)及現(xiàn)代科技新理論，建立多種機構進行構型對比，立體感強、效果逼真，更能激發(fā)設計人員的新穎構思。
(二)設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)人已認識到，網(wǎng)絡將是21世紀發(fā)展的首選工具。一個大中型產(chǎn)品的設計不是一個人或是少數(shù)幾個人能夠完成的，而網(wǎng)絡將這種設計任務的并行性的可能性大大提高。三維CAD技術使得設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)絡交流更直觀。
(三)設計和生產(chǎn)的一體化
計算機技術在設計中的應用已從以往的繪圖發(fā)展到當今的三維建模、虛擬制造、智能設計及CAD/CAE/CAM集成階段。三維設計軟件是當今最先進的CAD軟件，在發(fā)達國家與工程設計有關的各個領域得到了廣泛應用。比如:美國福特公司應用三維CAD技術后將新型汽車開發(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客機生產(chǎn)中實現(xiàn)了“無圖紙設計”，其先進的CAD/CAM技術走在了全世界的前面。三、三維CAD技術在目前機械設計中存在的問題
CAD技術在機械設計中的優(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)輔助設計
很多使用者并未實現(xiàn)真正的設計，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軟件進行整體空間設計和受力分析，還停留在平面圖設計方面。他們只是做到用計算機出圖，只停留在這個階段，就失去了作用，因為CAD是輔助設計，不是輔助繪圖。
(二)精通CAD技術的設計人員缺乏
三維CAD系統(tǒng)是一個復雜、多樣的系統(tǒng)，并不是每個設計人員都能很好地掌握，更何況大部分設計人員沒有接受過CAD的應用培訓，對CAD的多數(shù)功能一無所知，他們完成的設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，隨著中國機械行業(yè)的不斷壯大，越來越多的設計者要從中國制造轉向中國創(chuàng)造，而創(chuàng)造就不再是為了解剖或生產(chǎn)某一個零部件而設計，而是整體設計整個產(chǎn)品，單憑二維技術是不夠的，三維自然必不可少。先進的設計能力才能產(chǎn)生先進的制造企業(yè)。從長遠看，從二維到三維是CAD一個不可逆轉的趨勢。
中國制造企業(yè)從二維到三維是企業(yè)深化CAD應用的一個方向，因為三維CAD軟件能夠提升企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新設計能力。而當企業(yè)應用三維CAD軟件后，也會提出深化三維CAD應用的需求。因此，我認為國家應該大力提倡研制具有自主知識產(chǎn)權，符合設計習慣、行業(yè)標準和企業(yè)文化的，面向行業(yè)的應用模塊。隨著計算機性能的提高，信息處理的智能化，CAD三維技術正向著開放、集成、技能和標準化的方向發(fā)展。正確把握CAD技術的發(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應用系統(tǒng)，都具有深遠的意義。
一、三維CAD技術在機械設計中的優(yōu)點
通過實際應用三維CAD系統(tǒng)軟件，筆者體會到三維CAD系統(tǒng)軟件比二維CAD在機械設計過程中具有更大的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在以下幾點:
(一)零件設計更加方便
使用三維CAD系統(tǒng)，可以裝配環(huán)境中設計新零件，也可以利用相鄰零件的位置及形狀來設計新零件，既方便又快捷，避免了單獨設計零件導致裝配的失敗。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)部的裝配結構。整個機器裝配模型完成后還能進行運動演示，對于有一定運動行程要求的，可檢驗行程是否達到要求，及時對設計進行更改，避免了產(chǎn)品生產(chǎn)后才發(fā)現(xiàn)需要修改甚至報廢。
(三)縮短了機械設計周期
采用三維CAD技術，機械設計時間縮短了近1/3，大幅度地提高了設計和生產(chǎn)效率。在用三維CAD系統(tǒng)進行新機械的開發(fā)設計時，只需對其中部分零部件進行重新設計和制造，而大部分零部件的設計都將繼承以往的信息，使機械設計的效率提高了3~5倍。同時，三維CAD系統(tǒng)具有高度變型設計能力，能夠通過快速重構，得到一種全新的機械產(chǎn)品。
(四)提高機械產(chǎn)品的技術含量和質量
由于機械產(chǎn)品與信息技術相融合，同時采用CADCIMS組織生產(chǎn)，機械產(chǎn)品設計有了新發(fā)展。三維CAD技術采用先進的設計方法，如優(yōu)化、有限元受力分析、產(chǎn)品的虛擬設計、運動方針和優(yōu)化設計等，保證了產(chǎn)品的設計質量。同時，大型企業(yè)數(shù)控加工手段完善，再采用CAD/CAPP/CAM進行機械零件加工，一致性很好，保證了產(chǎn)品的質量。
二、三維CAD技術對機械設計的影響
三維CAD技術從根本上改變了機械設計的進程和質量，引進了現(xiàn)代設計概念，克服了傳統(tǒng)設計帶來的弊端，使機械產(chǎn)品的設計與生產(chǎn)發(fā)生了深刻的變化。
(一)更強調創(chuàng)新機械設計
傳統(tǒng)設計中改型設計多，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)新構思，使得產(chǎn)品從根本上沒有質的飛躍。
而三維CAD技術在方案設計階段，充分利用專家系統(tǒng)及現(xiàn)代科技新理論，建立多種機構進行構型對比，立體感強、效果逼真，更能激發(fā)設計人員的新穎構思。
(二)設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)人已認識到，網(wǎng)絡將是21世紀發(fā)展的首選工具。一個大中型產(chǎn)品的設計不是一個人或是少數(shù)幾個人能夠完成的，而網(wǎng)絡將這種設計任務的并行性的可能性大大提高。三維CAD技術使得設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)絡交流更直觀。
(三)設計和生產(chǎn)的一體化
計算機技術在設計中的應用已從以往的繪圖發(fā)展到當今的三維建模、虛擬制造、智能設計及CAD/CAE/CAM集成階段。三維設計軟件是當今最先進的CAD軟件，在發(fā)達國家與工程設計有關的各個領域得到了廣泛應用。比如:美國福特公司應用三維CAD技術后將新型汽車開發(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客機生產(chǎn)中實現(xiàn)了“無圖紙設計”，其先進的CAD/CAM技術走在了全世界的前面。三、三維CAD技術在目前機械設計中存在的問題
CAD技術在機械設計中的優(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)輔助設計
很多使用者并未實現(xiàn)真正的設計，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軟件進行整體空間設計和受力分析，還停留在平面圖設計方面。他們只是做到用計算機出圖，只停留在這個階段，就失去了作用，因為CAD是輔助設計，不是輔助繪圖。
(二)精通CAD技術的設計人員缺乏
三維CAD系統(tǒng)是一個復雜、多樣的系統(tǒng)，并不是每個設計人員都能很好地掌握，更何況大部分設計人員沒有接受過CAD的應用培訓，對CAD的多數(shù)功能一無所知，他們完成的設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，隨著中國機械行業(yè)的不斷壯大，越來越多的設計者要從中國制造轉向中國創(chuàng)造，而創(chuàng)造就不再是為了解剖或生產(chǎn)某一個零部件而設計，而是整體設計整個產(chǎn)品，單憑二維技術是不夠的，三維自然必不可少。先進的設計能力才能產(chǎn)生先進的制造企業(yè)。從長遠看，從二維到三維是CAD一個不可逆轉的趨勢。
中國制造企業(yè)從二維到三維是企業(yè)深化CAD應用的一個方向，因為三維CAD軟件能夠提升企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新設計能力。而當企業(yè)應用三維CAD軟件后，也會提出深化三維CAD應用的需求。因此，我認為國家應該大力提倡研制具有自主知識產(chǎn)權，符合設計習慣、行業(yè)標準和企業(yè)文化的，面向行業(yè)的應用模塊。隨著計算機性能的提高，信息處理的智能化，CAD三維技術正向著開放、集成、技能和標準化的方向發(fā)展。正確把握CAD技術的發(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應用系統(tǒng)，都具有深遠的意義。
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