CAD技术在现代机械制造中的应用与发展.pdf

现 代 制 造 技 术 与 装 备1302023 年第 7 期总第 320 期CAD 技术在现代机械制造中的应用与发展林宸豪（浙江军康科技有限公司，台州 318000）摘要：在现代机械制造的背景下，介绍计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）技术的基本内容和发展历程，探讨 CAD 技术在机械制造的结构设计、工艺规划、3D 打印等方面的应用及发展，同时总结CAD 技术在机械制造中的应用优势和面临的挑战，展望其未来的发展方向。关键词：计算机辅助设计（CAD）技术；机械制造；现代机械The Application and Development of CAD Technology in Modern Mechanical EngineeringLIN Chenhao(Zhejiang Junkang Technology Co.,Ltd.,Taizhou 318000)Abstract:In the context of modern mechanical engineering,the basic content and development of Computer Aided Design(CAD)technology are introduced,and the application and development of CAD technology in structural design,process planning and 3D printing in mechanical engineering are discussed.It also summarises the advantages and challenges of CAD technology in mechanical engineering and looks at the future direction of development.Keywords:Computer Aided Design(CAD)technology;mechanical engineering;modern machinery现代制造业中，计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）作为一种重要的设计工具，在整个机械制造过程中发挥着重要作用。随着科技的不断发展和全球制造业竞争的加剧，传统的机械手工设计和绘图已经无法满足快速、准确和灵活的设计要求。因此，CAD 技术的应用与发展显得尤为重要。1CAD 技术的背景和发展意义在现代科技领域和工程领域，CAD 扮演着重要角色，已经成为设计师和制造商必备的工具之一。它突破了传统手工设计的限制，大大加快了设计迭代和产品开发的速度。通过 CAD 技术，设计师可以借助计算机软件创建、编辑和优化产品，或进行虚拟设计和仿真分析，进而优化设计方案并提前发现问题，将其与实际制造过程相结合。这项技术的应用不仅提高了设计效率和准确性，还为产品创新和制造流程奠定了基础。在我国，自 CAD 技术发展应用以来，由于其自身具有的优越性，已经被广泛应用于工程设计的诸多领域，如机械、电子、航天、化工、建筑等，很大程度上降低了相关工作人员的劳动强度，有效缩减了设计周期1。对 CAD 技术在现代机械制造中的应用与发展进行深入研究和探讨，可以更好地了解CAD 技术的优势、挑战和未来趋势，为我国各行业的设计制造工作提供优质的服务。2CAD 技术概述2.1CAD 技术的定义和基本原理CAD 技术是一种利用计算机软件来辅助进行产品设计制图和制造分析过程的技术。它使用计算机来创建、修改和优化产品的虚拟模型，并支持设计师在数字环境中进行图形绘制、建模、分析和仿真等工作。CAD 技术包括数字化建模、几何推理、数据管理、图形显示、分析和优化、自动化设计2。第一，数字化建模。CAD 软件通过将物理对象转换成数字模型，如点云、曲线、曲面和实体，以实现更精确和全面的表示。第二，几何推理。CAD 软件可以基于几何约束和关系进行自动计算和推导，从而保持设计的一致性和正确性。第三，数据管理。CAD 系统可以有效管理大量的设计数据，如图纸、零件信息、装配关系和工艺规划等，以提高协作和信息共享的效率。第四，图形显示。CAD 软件能够以图形形式将设计结果呈现给设计师，使其能够直观理解和修改设计。第五，分析和优化。CAD 软件可以进行各种分析和优化，如结构分析、流体分析、热力学分析等，以帮助设计师评估设计方案的可行性和优化设计方案。第六，自动化设计。CAD 软件可以通过编写脚本和程序实现自动化设计，如批量生成图纸、自动化装配等，以提高设计效率和准确性。2.2CAD 技术的发展历程CAD 技术先后经历了手工 CAD、火花加工、二维制图与三维建模、参数化建模、虚拟仿真等。第一，手工 CAD。20 世纪 60 年代初，最早的 CAD 系统采用机械手动绘图工具设计图纸，利用计算机辅助绘图和几何计算。第二，火花加工。20 世纪 70 年代到 20 世纪 80 年代，CAD 技术开始应用于火花加工机，131工 艺 与 装 备通过输入数字坐标控制机器运动，提升了设计和制造过程的精确性。第三，二维制图和三维建模。20 世纪80 年代晚期到 20 世纪 90 年代，以基于拟合的 CAD技术为核心，实现了二维制图和三维模型的建立和编辑。这一阶段的 CAD 系统开始支持更多的功能和应用，如装配、分析和工艺规划等。第四，参数化建模。21 世纪初，参数化建模成为 CAD 技术的新趋势。基于参数化建模，设计师可以使用参数和关系来定义形状和特征，使得设计更加灵活和可变。第五，虚拟仿真。近几年，虚拟仿真技术逐渐融入 CAD 系统。设计师可以利用仿真分析评估产品的性能、可靠性和制造可行性，并在虚拟环境中进行优化。2.3现代 CAD 软件和工具现代 CAD 软件提供了丰富的功能和工具来支持CAD 机械制造。常见的 CAD 软件包括 AutoCAD、SolidWorks、CATIA、Pro/ENGINEER 和 NX 等3。这些软件可以进行二维制图和三维建模，而且有些支持装配设计、物料清单（Bill of Material，BOM）生成、计算机辅助设计/计算机辅助制造（Computer-Aided Design/Computer-Aided Manufacturing，CAD/CAM）集成以及仿真分析等功能。现代 CAD 软件还具备友好的用户界面和快捷操作，使得设计师能够快速掌握软件的使用方法，并高效完成设计任务。3CAD 技术在机械制造设计中的应用3.1CAD 在结构设计中的应用在机械产品设计阶段，CAD 技术为结构设计提供了强大的工具和功能应用。通过 CAD 软件，设计师可以快速虚拟模型进行结构设计和分析。这不仅加快了设计速度，也提高了设计质量。合理利用 CAD 技术，能够在产品设计阶段预测和解决问题，降低制造风险和成本。首先，建模和装配。CAD 软件提供了丰富的3D 建模功能，使得设计师能够准确构建产品的三维模型。此外，CAD 软件支持装配设计，允许将多个零件组装成完整的产品，以便进行更全面的设计、分析和评估。其次，结构分析。CAD 软件通常集成了结构分析工具，可以对产品的强度、刚度、稳定性等重要参数进行预测和分析。设计师可以使用这些工具确定是否满足产品设计要求，并在早期发现潜在的问题，从而指导设计改进。再次，材料选择和优化。CAD技术支持材料选择和优化设计。设计师可以通过模拟分析和优化算法，探索不同材料对产品性能的影响，并选择最佳的材料实现设计。此外，优化算法可以帮助设计师系统改变设计参数，以最大化产品的性能。最后，强大的数据管理。CAD 软件具备强大的数据管理功能，可以管理设计中涉及的大量数据，包括图纸、模型的协作效率，减少错误并确保一致性。3.2CAD 在零件设计中的应用首先，形状设计和编辑。通过 CAD 软件，设计师可以自由创建、编辑和调整零件的形状和尺寸。CAD 软件提供了丰富的绘图和建模工具，使得设计师能够快速绘制各种复杂的形状。其次，特征建模。CAD 软件支持特征建模技术，使得设计师可以使用一系列的特征来构建和编辑零件。这些特征可以是简单的几何形状，如孔、凸台和圆，也可以是复杂的曲面和曲线。最后，标准零件库管理。CAD 软件通常集成了标准零件库，包括螺栓、螺母、轴承等常用标准件，可以直接插入设计，提高设计的效率和标准化。4CAD 技术在工艺规划中的应用在现代机械制造中，工艺规划是将产品设计转化为实际制程的关键环节。它涉及物料选择、工序安排、设备配置和生产布局等，旨在优化生产效率、降低成本，并确保产品质量。工艺规划的主要目标是合理确定制造流程，尽可能节省时间、材料和资源。CAD 技术可以极大地简化和优化工艺规划过程，提高其准确性和效率，显著提高制造效率和质量，并降低企业成本，提升企业竞争力。在工艺规划中，CAD 常用的应用模块包括工步规划、物料和工装选择、制程仿真。首先，工步规划。CAD 软件提供了图形化界面和操作方法，使得工步规划变得更加直观和灵活。设计师可以通过拖放零件和工具的方式创建并组织工作步骤，同时将其映射到相应的工序。其次，物料和工装选择。CAD 软件包含了大量的物料库和工装库，设计师可以根据需求选择合适的材料和工装。此外，CAD 软件支持料和工装进行匹配和仿真评估，以确保其适用。同时，CAD 软件的碰撞检测功能可以帮助设计师在工艺规划过程中避免零件之间的干涉，及时发现并解决潜在的冲突，以提高生产效率和安全性。最后，制程仿真。CAD 技术的制程仿真模块能够帮助设计师在工艺规划阶段预测、模拟和评估制造过程的效果。通过模拟材料流动、加工参数和机器运动等，设计师可以更好地优化工作步骤和设备配置，实现高效制造。5CAD 技术在机械制造过程中的应用5.1数字化制造的概念和要求数字化制造是将数字技术与制造过程结合，以实现 代 制 造 技 术 与 装 备1322023 年第 7 期总第 320 期现高度集成和智能化的生产方式。它通过应用 CAD技术，将设计数据和制造数据无缝连接起来，缩短生产周期，提高产品质量，并提升制造效率。数字化制造的要求包括 CAD/CAM 集成、工艺规划的数字化和制程可视化。首先，CAD/CAM 集成。CAD 和 CAM的紧密集成是数字化制造的基础。CAD 软件可以直接输出制造文件，如工艺图、数控程序等，从而实现设计和制造的无缝对接。其次，工艺规划的数字化。数字化制造要求工艺规划的数字化，即将工艺流程、参数和设备信息等转化为数字形式。这样设计和制造团队可以共享和访问这些数字化工艺信息，提高协作效率。最后，制程可视化。数字化制造通过可视化展示制程信息，使得操作员和管理人员可以更直观地理解和控制整个制造过程。CAD 技术可以生成三维模型、动画和可视化报表，使制程信息更加生动和易于理解。5.2CAD 技术在数控加工中的应用数控加工是数字化制造的重要组成部分。通过CAD 软件，设计师不仅可以将设计数据转换为数控机床能够识别和执行的数控程序，以快速、准确地将设计文件转化为加工指令，提高数控加工的效率和精度，还可以根据零件模型自动生成刀具路径，并考虑切削力、剩余材料等因素，使得设计师可以优化刀具路径，减少切削时间和工具磨损，提高加工质量4。更重要的是，通过仿真模拟和碰撞检测，设计师可以预先检查刀具和工件之间是否存在碰撞问题，避免出现设备损坏和产品质量问题。5.3CAD 技术在 3D 打印中的应用3D 打印作为一种新兴的制造技术，随着 CAD 技术的发展不断发展。CAD 软件可以自动或手动生成产品的支撑结构，以确保打印质量和稳定性。设计师可以在 CAD 软件中设定材料属性、打印方向和填充密度等，精确控制 3D 打印材料和工艺参数，并可视化预览打印结果，以获得更好的制造效果。机械制造初期，可以先进行 3D 打印试样，快速制造出一个可视化原型，使设计者可以更加直观地了解产品的外观和功能，并进行测试和优化。5.4CAD 技术在装配过程中的应用CA