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計算機技術(shù)在機械設(shè)計中的地位

計算機技術(shù)的飛速發(fā)展對設(shè)計產(chǎn)生了巨大的影響，使得設(shè)計由傳統(tǒng)的手工設(shè)計轉(zhuǎn)化到以CAD技術(shù)為主的自動化階段，從而使設(shè)計的效率得到提高。同時，計算機技術(shù)使設(shè)計在表現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上從二維轉(zhuǎn)化為三維形式，不僅能夠?qū)Ξa(chǎn)品的形狀和尺寸進行表示，還擁有分析、加工、材料等數(shù)據(jù)，可以直接應(yīng)用計算機技術(shù)進行分析和制造。在許多新的設(shè)計方法中，如并行設(shè)計、虛擬設(shè)計、計算機仿真等技術(shù)應(yīng)用中，都離不開計算機技術(shù)的運用。此外，由于計算機技術(shù)的應(yīng)用，使得一些需要復(fù)雜計算的設(shè)計技術(shù)如有限元分析、模態(tài)分析成為可能［3］。

機械設(shè)計中的CAD技術(shù)

隨著計算機軟件、硬件技術(shù)以及其他相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，CAD已經(jīng)成為綜合性的應(yīng)用新技術(shù)。CAD技術(shù)的運用已經(jīng)與計算機輔助工藝設(shè)計、數(shù)控自動編程相互連接在一起，其在機械設(shè)計中主要有以下幾個方面的應(yīng)用:(1)二維繪畫。代替了傳統(tǒng)的手工繪圖。(2)圖形和符號庫。就是對復(fù)雜的圖形進行分解，形成簡單圖形和符號，存入庫中，在需要的時候再進行調(diào)出，調(diào)出的圖形在經(jīng)過編輯后插入另一張圖形中。(3)參數(shù)化設(shè)計。參數(shù)化設(shè)計改進了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計或系列化設(shè)計，在傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化或系列化設(shè)計中，機械零件的結(jié)構(gòu)都具有相似性，但是需要經(jīng)常對尺寸進行調(diào)整。而采用參數(shù)化設(shè)計進行圖形程度庫的建立，在調(diào)出圖形后賦予新的尺寸參數(shù)，從而形成新的圖形。(4)三維造型。這種設(shè)計方法對零件結(jié)構(gòu)進行了實體造型設(shè)計，在進行消隱和著色后，可以將物體的真實形狀顯現(xiàn)出來。同時，還可以進行運動仿真測試，檢測其有無干涉。(5)工程分析?？梢赃M行有限元分析、優(yōu)化設(shè)計、運動學(xué)分析等。(6)設(shè)計文檔、生成報表。在設(shè)計中，需要將一些設(shè)備的設(shè)計屬性制作成文檔或生成報表，還需要將有些參數(shù)設(shè)計成圖像的形式來表現(xiàn)出來，而這些都可以依靠計算機專門的軟件來完成。

機械設(shè)計中CAD技術(shù)優(yōu)點

(1)更利于設(shè)計師進行產(chǎn)品的設(shè)計和表現(xiàn)。運用CAD技術(shù)在設(shè)計時能夠制作出直觀而生動的三維立體圖形，這樣，一方面使得機械師在設(shè)計時將更多的注意力放在產(chǎn)品設(shè)計本身，有利于將設(shè)計進行深入擴展，也更有利于進行對外的展示和交流。(2)節(jié)省工作量，縮短設(shè)計工期。在利用CAD技術(shù)進行新機械的設(shè)計時，其會繼承大部分零件的設(shè)計信息，只需要設(shè)計師對個別零件和結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計，大大節(jié)省了工作時間，同時，它可以將簡單的幾何實體通過運算組合成復(fù)雜的幾何實體，并生成相貫線和截交線，減少了工作量，提高了工作效率。而且，CAD技術(shù)還能夠快速重構(gòu)，進行高度變形設(shè)計，迅速設(shè)計出一款全新的產(chǎn)品。(3)裝配環(huán)境中實現(xiàn)對零件的設(shè)計和修改。在裝配環(huán)境中，可以運用CAD技術(shù)進行新零件的設(shè)計，而且可以參照相鄰零件進行新零件的設(shè)計，這樣可以保證新零件和相鄰零件在配合上的精確性，避免因為在設(shè)計新零件時由于誤差而導(dǎo)致與相鄰零件的無法匹配，比如可以在裝配環(huán)境中，根據(jù)箱體的形狀等相關(guān)數(shù)據(jù)設(shè)計出與之相配的箱蓋。同時，在零件環(huán)境中還可以運用資源查找器，當(dāng)零件設(shè)計完成時，在資源查找器里，會列出零件在設(shè)計時的每一個步驟，還可以通過進行零件回訪，觀看整個制造過程。修改零件時，可以在資源查找器中找到零件步驟，直接修改，而且在裝配環(huán)境下，要進行對零件的修改，只需要點擊零件就能進入零件環(huán)境來對其進行修改［4］。(4)實現(xiàn)在裝配環(huán)境中對裝配零件的查看和修改。在資源查找器的裝配路徑查找器里記錄了各個零件之間的裝配關(guān)系，在將各個零件進行裝配時，如果發(fā)生裝配不正確，裝配路徑查找器即可對其錯誤進行顯示。同時，可以將零件進行隱藏，查看內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在部件裝配完成后，可以對其進行動畫演示，查看裝配過程，對于有運動行程要求的，可檢查其行程要求是否達到。對于在靜態(tài)先不發(fā)生干涉的部件如果在運動中發(fā)生了碰撞，則可以及時進行更正，避免在設(shè)備設(shè)計出來后才發(fā)現(xiàn)問題，導(dǎo)致設(shè)備的報廢。此外，還可以對產(chǎn)品零件進行虛擬加工和裝配試驗，以查看零件和裝配工藝是否存在問題，從而避免了昂貴的機械模具試驗費用。(5)提高了產(chǎn)品質(zhì)量和性能。CAD技術(shù)可以通過使用有限元受力分析和優(yōu)化等方式，保證了機械設(shè)計的質(zhì)量，而且增強了產(chǎn)品的信息化性能，可以對產(chǎn)品的形狀、位置等幾何特征進行描述，還可以對設(shè)計對象賦予更多的信息，如顏色、體重、慣性矩等，從而使設(shè)計對象在形態(tài)上能夠擁有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)描述和物理描述，從而更加準(zhǔn)確地表達出設(shè)計者的意圖。

機械設(shè)計中CAD技術(shù)發(fā)展走向

CAD技術(shù)是機械設(shè)計中非常具有活力的技術(shù)手段。在機械設(shè)計中，由于受到市場需求的作用，產(chǎn)品設(shè)計需要具有一定創(chuàng)造性，而且，不同的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)濟指標(biāo)等都會影響最終的產(chǎn)品設(shè)計，使得機械設(shè)計成為需要反復(fù)改進和評價的過程，針對這些特點，CAD技術(shù)必須朝著智能化、信息集成化和信息交換借口標(biāo)準(zhǔn)化的方向繼續(xù)大踏步發(fā)展。(1)集成化。人們將CAD和CAM兩個規(guī)程相互結(jié)合實現(xiàn)一體化，在數(shù)控仿真和生成數(shù)控加工程序中運用CAD結(jié)果，這就是集成化的一個進步，能更好地提高工作效率。而在未來的發(fā)展中，將CAD、CAE、CAPP、CAM進行集成是未來產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的主要模式。而與快速原型制造的集成，能夠在并行工程環(huán)境下，迅速對產(chǎn)品的設(shè)計進行評價和修改，提高市場競爭力，這也是未來發(fā)展的重要方向。(2)智能化。CAD系統(tǒng)屬于人機一體化，在將來的發(fā)展中，隨著人工智能和專家系統(tǒng)等的發(fā)展和完善，未來的智能CAD系統(tǒng)將可以采用人工智能技術(shù)，通過運用知識庫里的設(shè)計知識，進行推理和決斷，使CAD技術(shù)達到更高的水平。(3)協(xié)同化。目前，將CAD微機進行聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)CAD的互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同工作和遠程設(shè)計，可以發(fā)揮不同地域、單位的資源優(yōu)勢。這種資源共享和協(xié)同工作的CAD系統(tǒng)模式，必然能夠大大地促進企業(yè)單位的工作效率。(4)規(guī)范化。CAD的標(biāo)準(zhǔn)化趨勢主要體現(xiàn)在對數(shù)據(jù)模型的規(guī)范化等方面，隨著數(shù)據(jù)模型采用了STEP標(biāo)準(zhǔn)體系，以及STEP標(biāo)準(zhǔn)體系的逐步完善，必將為CAD技術(shù)的發(fā)展提供指導(dǎo)性作用［5］。

先進的設(shè)計方法已經(jīng)成為機械制造企業(yè)在激烈的市場競爭中獲取成功的保證，而計算機技術(shù)，尤其是CAD技術(shù)的發(fā)展，對機械設(shè)備的生產(chǎn)必然會產(chǎn)生更加深遠的影響。目前，我國的CAD技術(shù)水平與國外相比，還存在著很大的差距。由于CAD技術(shù)復(fù)雜多變，并不是每個設(shè)計人員都能很好掌握，在企業(yè)單位中真正精通CAD技術(shù)的人員并不是很多，因此要加強對技術(shù)人員的CAD技術(shù)培訓(xùn)。而CAD技術(shù)也需要朝著更加自然的人機交互式方向發(fā)展，來提供更有效的設(shè)計手段，從而提高我國機械制造業(yè)的市場競爭力。

本文作者：崔井軍工作單位：吉林工商學(xué)院