CAD技术在机械设计中的应用设计毕业设计（论文）

1、cad技术在机械设计中的应用摘 要cad技术作为成熟的普及技术已在企业中广泛应用，并已成为企业的现实生产力。围绕企业创新设计能力的提高和网络计算环境的普及，cad技术的发展趋势主要围绕在以下四个方面：1标准化 除了cad支撑软件逐步实现iso标准和工业标准外，面向应用的标准构件（零部件库）、标准化方法也已成为cad系统中的必备内容，且向着合理化工程设计的应用方向发展。2开放性 cad系统目前广泛建立在开放式操作系统窗口9598nt和unix平台上，在java linux平台上也有cad产品，此外cad系统都为最终用户提供二次开发环境，甚至这类环境可开发其内核源码，使用户可定制自已的cad系统。

2、3. 集成化 cad技术的集成化体现在三个层次上：其一是广义cad功能cad/cae/capp/cam/caq/pdm/erp经过多种集成形式成为企业一体化解决方案，推动企业信息化进程。其二，是将cad技术能采用的算法，甚至功能模块或系统，做成专用芯片，以提高cad系统的效率；其三是cad基于网络计算环境实现异地、异构系统在企业间的集成。关键词：标准化，开放性，集成化，智能化！所有下载了本文的注意：本论文附有cad图纸和完整版最终设计，凡下载了本文的读者请留下你的联系方式（qq邮箱），或加我百度用户名qq，我把图纸发给你。最后，希望此文能够帮到你！technology in the mecha

3、nical desin cad applicationabstractcad technology as the popularity of mature technology has broad application in the enterprise, and enterprises have become the real productive forces. innovative design capacity of the enterprise and enhance the popularity of network computing environment, cad tech

4、nology centres around the development trend in standardized, open, integrated and intelligent four areas:1. standardization in addition to cad software support the progressive realization of iso standards and industry standards, application-oriented standard components (for parts), standardized meth

5、ods have also become necessary in the cad system, and towards the rationalization of the engineering design of the development2. cad system is currently open and extensive operating system built on open window 95/98 / nt and unix platforms, in java linux platform is also a cad products, in addition

6、to cad systems to provide secondary development of end-user environment, and even such environment may be the development of its core source code, which allows the user to customize their own cad system.3. integration of the integration of cad technology embodied in three levels: one is the broad fu

7、nctions of cad cad / cae / capp / cam / caq / pdm / erp integration through various forms of corporate integration solutions, promote enterprise information process. the cad system to improve the efficiency of its three cad is based on network computing environment to achieve different places, heter

8、ogeneous system in the inter-enterprise integration. came into being the virtual design, virtual manufacturing and virtual enterprise is the level of application integration.key words:standardization，open， integrated， intelligent.目 录绪论1第1章cad技术的概述21.1 cad技术的概念21.2 cad技术原理21.3 cad系统的组成2第2章cad技术的发展42.

9、1 cad技术的产生与发展42.2 我国cad的发展现状52.3 cad系统的发展趋势5第3章cad常用的设计软件83.1国内软件83.2国外软件9第4章cad技术在机械设计中的应用124.1我国cad技术在机械设计中应用的现状124.2 cad在玉米联合作业机械设计中应用134.3 cad三维技术在液压挖掘机中的应用18结论24谢辞25参考文献26外文资料27绪 论源于20世纪50年代的机械cad/cam技术已发展为一种高新技术产业,并得到迅速发展。该技术的广泛应用，给一切设计/制造领域带来了革命性的变化。因而被评为20世纪最杰出工程技术成就之一的高技术。在21世纪，其影响仍是深远的。机械c

10、ad技术的研究、开发、推广应用水平已是衡量一个国家的科技现代化和工业现代化的重要标志之一。2003年中国机械工业联合会根据对166家机械制造企业调查统计得到如下结果： cad应用基本普及,重点骨干企业的70已应用cad技术,九五期间50家示范企业的cad应用普及率已达93，主导产品cad的出图率达98。但cad应用的深度仍有很大局限，相当一部分企业停留在出图上，三维cad、cad/cam、仿真设计等应用很少,被调查的166家企业中，进行结构优化计算的只占16，进行仿真设计的只占6。众所周知,产品设计是制造业的龙头，是制造业信息化的主要信息源。没有优化的信息源,整个制造业信息系统不可能全面优化,

11、所以深化cad的应用是企业信息化的关键问题。 深化cad的应用,首先必须分析传统机械产品设计技术及其存在的问题, 研究现代先进设计技术的发展,从而进一步研究cad技术的应用,把现代先进产品设计技术与cad应用技术结合起来,发挥计算机及信息技术在产品设计中的最大作用。深化cad的应用是一项复杂的系统工程，因此cad技术在机械企业中的实施必须走系统开发的道路，按系统工程的步骤与方法开展企业cad系统的系统设计、cad系统应用的二次开发，研究解决cad与pdm、capp、cam、erp的关系,使cad系统能为企业信息集成运行创造条件，解决目前我国企业信息化中的孤岛现象。只有这样才能深化cad的应用，

12、使cad系统成为企业信息化中的龙头。目前，机械cad技术的推广应用已成燎原之势。面对进入wto所带来的挑战与机遇，企业对机械cad技术是企业技术创新、开拓市场中不可缺少的技术手段、先进制造技术与系统的核心技术的认识更加深刻，而且对该技术的引进、消化和应用开发以及相应的人才的需求也更加迫切。第1章 cad技术的概述1.1 cad的基本概念cad是其英文名为“computer aided design”的首写字母的缩写,其中文名为“计算机辅助设计”。它是由计算机完成产品设计中的计算、分析、模拟、制图、编制技术文件等工作，由计算机辅助设计人员完成产品的全部设计过程,最后输出满意的设计结果和产品图纸的

13、一种机械设计方法。是最近几十年来迅速发展起来并得到广泛应用的多学科综合性的新技术。1973年,国际信息处理联合会给cad下了一个更广义的解释：“cad 是将人和机器混编在解题专业中的一种技术,从而使人和机器的最好特性联系起来”。cad技术的应用适应了当前产品需提高设计质量,快速更新换代的需求。1.2 cad技术原理cad技术是通过计算机和cad软件对设计“产品”进行分析、计算与仿真、产品结构和性能的调整与优化及绘图，把设计人员所具有的最佳特性（创造性思维、形象思维与经验知识、综合判断与分析的能力）同计算机的强大记忆与检索信息能力，大量信息的高速精确计算与处理能力、易于修改设计、工作状态稳定且不

14、疲劳的特性结合起来，从而大大提高了设计速度和效率，提高了设计质量，降低了设计成本。这里的“产品”一词，是指各行业中一切需要设计的对象，如航空、航天飞行器，汽车等地上行走的交通工具，机械与电子产品，水利水电工程、土木工程建筑与城市规划工程，家具产品等等。1.3 cad系统的组成一般来说，一个cad系统由如下几部分组成：1cad硬件环境 计算机，计算机的外围设备（i/o设备），有的还有网络通信环境等。2cad软件环境 操作系统，各种标准和支撑软件，有的还有网络通信软件等。3cad软件 帮助设计人员去完成各种设计任务的计算机应用软件。4设计人员 与cad系统的软硬件一起组成的能协同完成设计任务的人机

15、系统。 第2章 cad技术的发展2.1 cad 技术的产生和发展20世纪50年代初,cad技术诞生并处于被动式的图形处理阶段,也是cad技术的准备和酝酿时期。进入20世纪60年代,提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想,从而为cad技术的发展和应用打下了理论基础,同时也相继出现了许多商品化的cad设备。1970年美国applicon 公司第一个推出完整的cad系统,出现了全面向中小企业的cad/cam 商品化系统,同时也意味着cad技术进入广泛使用时期。20世纪80年代,cad技术进入了突飞猛进的发展时期,在这个时期,cad/cam 技术从大中企业向中小企业扩展,从发达国

16、家向发展中国家扩展,从用于产品设计发展到用于工程设计和工艺设计。 到了20世纪90年代,cad技术进入了开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期,微机加视窗95/98/2000/nt 操作系统与工作站加linix 操作系统,在以太网的环境下构成了cad系统的主流工作平台。因此现在的cad技术和系统都具有良好开放性,图形接口、图形功能日趋标准化,在cad系统中,综合运用正文、图形、图像、语音等多媒体技术和人工智能、专家系统等技术,从而大大提高了自动化设计程度,出现了智能cad新学科。目前各种机械cad软件开发和应用层出不穷,显示出强大的生命力和广阔的发展前景。众多cad厂商的成败无一不与其技术发

17、展密切相关。温故而知新，cad技术基础理论的每次重大进展，无一不带动了cad/ cam/cae整体技术的提高以及制造手段的更新。技术发展，永无止境。没有一种技术是常青树，cad技术一直处于不断的发展与探索之中。正是这种此消彼长的互动与交替，造就了今天cad技术的兴旺与繁荣，促进了工业的高速发展。今天，越来越多的人认识到cad是一种巨大的生产力，不断加入到用户行列之中。愿cad技术的发展伴随着人们对它认识及应用水平的提高，日新月异，更上层楼。2.2 我国cad技术的发展现状我国各企业之间cad技术的应用水平参差不齐。在中小型企业中，cad技术的应用是建立在以“甩掉图板”为目标的计算机辅助绘图与设

18、计系统之上，应用国外或国内开发的一些计算机绘图软件，用计算机绘图来代替传统的手工绘图。而另一部分企业在实现了“甩图板”工程之后，建立以资源共享、权限控制为目标的产品信息管理系统。除了要“甩图板”，还要“甩图纸”，实现了设计生产和管理信息的集成。对于具有相当实力的大型企业，引进了先进的计算机辅助设计、分析、模拟仿真、加工集成系统。目前cad技术在我国有三种基本形式：1直接采用二维cad软件。达到了“甩图板”的目的，使产品设计的效率有一定程序的提高。2二次开发。在二维cad软件的基础上，采用编程的方法，为特定的产品专门开发具有参数化设计功能的软件，虽然编程的工作量较大，但应用起来十分方便，加快了特

19、定产品的开发速度。3参数化设计。随着微机版三维cad软件的相继推出，以三维cad软件作为工作平台，运用三维软件的各种基本绘图方式和三维造型功能生成所需的几何模型，再直接利用参数化尺寸驱动和约束功能，建立产品及零部件的标准参数化模块，较快地完成了cad系统软件的开发工作。2.3 cad系统的发展趋势1cad系统应用面向产品的整个生命周期要求产品信息模型能够容易地在产品生命周期的不同环节（从概念设计、结构设计，详细设计到工艺设计和数控编程）间进行转换。要求能支持集成地、并行地设计产品及其相关的各种过程（包括制造过程和支持过程），而以往的cad系统主要面向产品生命周期中的某个环节。2cad系统应充分

20、考虑产品信息的继承性要求能方便地获取全部历史数据，最充分地利用已经生产实践考验过的产品信息。在用cad系统进行新产品的开发设计时，只需对其中很少一部分零部件进行重新设计和制造，而绝大部分零部件的设计都将继承以往产品的信息。cad系统应具有高度变型设计能力，能够通过快速重构，得到一种全新的产品。这不仅大大缩短了产品周期、还提高了产品的一次成熟性。3cad系统应满足并行设计的要求产品可以容易地被分解为一些模块，通过计算机网络，组织分散在各地的产品设计人员分工进行产品各零部件的设计和制造，然后进行组装和集成。这种系统包括：（1）提供以网络为基础的会议系统，使开发组成员易于实现半结构化通信及在一个异构

21、网络中实现分布计算；（2）建立及维持产品过程及源数据的统一模型，以使用户能透明地提取及浏览分布在企业各个不同地方的数据库内的信息；（3）对产品开发过程提供动态管理，使虚拟产品开发组容易讨论和制订决（4）使工具和服务在并行工程中易于集成。4cad系统与产品信息标准化相结合要求把产品信息标准化作为cad系统应用的基础和前提。产品信息标准化的结果将为cad系统提供配套的、实用的产品信息基因库（数据库、知识库），这样才能使cad系统发挥出巨大的作用。大容量存储技术的发展已为产品信息基因库的建设提供了较好的条件。产品信息基因库的内容包括各种标准化了的零件功能特征、典型零件、功能模块和典型产品信息。5 产

22、品模型的可转换性特别是二维和三维产品模型间的互相转换可满足不同的需要如在某种基于特征造型的cad系统中，当采用特征建模法完成新零件设计后，并当类似的零件变型不断出现时，应自动将零件功能特征模型转为典型零件模型，利用变型设计功能较强的cad系统软件进行设计。6面向全国乃至全球的产品信息编码系统产品信息代码化可以方便地进行产品信息检索和利用，方便地进行并行设计和变型设计，并为敏捷制造创造必要的条件。7软件系统要具有很好的可移植性和自组织性在cad系统中，用户可以根据自己的需要随时加入运行文件和模块，还可重新装配各个模块中的子模块，或者按照自己的要求修改系统中的不足之处。而这种修改不会影响这个cad

23、系统。8增能化未来的cad系统将引入知识工程，从而产生智能cad系统，这种智能具有推理能力，使不熟练的设计人员也能做出好的设计来。9虚拟现实技术设计人员在虚拟世界中创造新产品，可以从人机工程学角度检查设计效果、设计人员可直接参与操作模拟，移动部件和进行各种试验，以确保设计的准确性，这种技术的特点是：及早看到新产品的外形，以便从多方面观察和评审所设计的产品；可以使用不同的虚拟工具来扭曲、挤压和拉伸物体；可以虚拟地切削或挤压材料，无需耗费材料或占用宝贵的加工设备；及早发现产品结构空间布局中的干涉和运动机构的碰撞等问题；直接观察数控加工中刀具的运动轨迹是否正确。第3章 cad常用的设计软件3.1 国

24、外软件1autocad autocad系列软件是autodesk公司的产品，也是最早进入国内市场的cad软件之一，从最早的2.0版到以后的r13、r14、2000直到如今的2006版，autocad的产品在国内的市场上走过了十几年的历程了，从最早期的dos操作命令到现在的windows窗口式的操作界面，是大家所最熟悉的cad软件。autocad软件最早是针对二维设计绘图而开发的，随着其产品的日益成熟，在二维绘图领域该软件已经比较的完善，而且随着产品设计的发展需要，越来越多的产品设计已经不在停留在二维的设计领域，正在越来越多的朝着三维的产品设计发展。autodesk公司在2006年发布的auto

25、cad2006中的主要强化和改进之处是提高了二维制图功能的易用性。具体而言，新增功能有：（1）显示线条的长度和角度等制图和编辑中各要素的相关信息，可实现更直观的制图功能；（2）当移动鼠标、以矩形框选择要素时，可以动态地高亮度显示所选要素、以便确认目标要素是否被选中的功能；（3）放大和缩小图形时，可以连续显示放大和缩小的过程、轻松把握哪些部分被放大或缩小的功能；（4）提取座标值、角度和长度等画面上的现有要素的某个属性值，将其用于计算中、并将计算结果用于其它要素的制图和编辑的电子计算功能等。2pro/engineerpro/engineer（简称pro/e）是由美国ptc公司推出的一套博大精深的三

26、维cad/cam参数化软件系统，其内容涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿真、工程图输出，到生产加工成产品的全过程。它改变了传统的机械设计观念，这种概念已成为世界cad/cae/cam领域的新标准。该软件还包括了大量的电缆及管道布线、模具设计与分析等实用模块，该软件的应用领域涉及航空航天、汽车、机械、数控加工、电子等诸多领域。开发的第三代机械cad/cae/cam产品pro/engineer软件将设计到生产全过程集成到一起3ugunigraphicssolutions公司的ug本身起源于航空、汽车企业（美国麦道航空公司），它的应用范围基本和pro/e相似，它

27、以parasolid几何造型核心为基础，采用基于约束的特征建模技术和传统的几何建模为一体的复合建模技术。在三维实体造型时，由于几何和尺寸约束在造型的过程中被捕捉，生成的几何体总是完全约束的，约束类型是3d的，而且可用于控制参数曲面。在基于约束的造型环境中支持各种传统的造型方法，如布尔运算、扫描、曲面缝合等。该软件的主要缺点是不允许在零件之间定义约束。但ug具有统一的数据库，实现了cad、cae、cam之间无数据交换的自由转换，实现了22.5轴，35轴联动的复杂曲面加工和镗铣加工，该软件的功能也非常的强大，一般认为ug是业界最好、最具有代表性的数控软件，它提供了功能强大的刀具轨迹生成方法。包括车

28、、铣、线切割等完善的加工方法。3.2 国内软件1. 开目开目cad是华中理工大学机械学院开发的具有自主版权的基于微机平台的cad和图纸管理软件，它面向工程实际，模拟人的设计绘图思路，操作简便，机械绘图效率比autocad高得多。开目cad支持多种几何约束种类及多视图同时驱动，具有局部参数化的功能，能够处理设计中的过约束和欠约束的情况。开目cad实现了cad、capp、cam的集成，适合我国设计人员的习惯，它采用面向对象的编程技术，基于windows95，使用全32位的visual-c+语言重写了全部程序，使开目cad98一经推出，就成了抢手的热门软件。2华正caxa(computeraided

29、xadvanced，x意味着扩充)是北京华正模具研究所(北京航空航天大学721研究所)面向我国工业界推出的包括数控加工、工程绘图、注塑模具设计、注塑工艺分析及数控机床通讯等一系列cad/cam/cae软件的品牌名称。它包括caxa-eb、ipd、imd、wedm、mill、me六个系列，其中caxa-eb(electronicboard电子图板)已经通过我国机械cad软件标准化审查。caxa电子图板是一个高效、方便、智能化的通用中文设计二维绘图软件，可帮助设计人员进行零件图、装配图、工艺图表及平面包装等设计。caxa电子图板全面采用国标设计，几乎所有的图形功能都支持直观的拖画方式，它还拥有智能

30、化和预显示的工程标注以及参量化国标机械零件图库。caxa电子图板还提供局部参数化设计和一个全开放的二维开发平台。3picadpicad系统及系列软件是中科院凯思软件集团及北京凯思博宏应用工程公司开发的具有自主版权的cad软件。该软件具有智能化、参数化和较强的开放性，对特征点和特征坐标可自动捕捉及动态导航；系统提供局部图形参数化、参数化图素拼装及可扩充的参数图符库；提供交互环境下的开放的二次开发工具，用户可以任意增加功能或开发专业应用软件。picad是国内商品化最早、市场占有率最大的cad支撑平台及交互式工程绘图系统。4solidwork创新的、易学易用的和价格平宜的solidworks是win

31、dows原创的标准三维设计软件。没有其它任何同类实体建模产品能象solidworks一样即有创意又如此强劲。下面就solidwork一些新功能进行介绍。 (1) 高级的图像渲染photoworksphotoworks完全集成在案solidworks的设计环境中，把高级的渲染手段直接引入solidworks。从下拉菜单或图形菜单条中即可方便地获取具体的功能，更重要的是，photoworks不要求使用者有专门培训和背景知识就可以为设计或产品制作出精美的展示图片。a. 渲染的控制预览带有背景和材质纹理的上色渲染。如果需要，对透明和反射的材质，可设置光源。通过自适应整理，对图像进行高清晰地光顺，消除图

32、像边界的锯齿形，从而改进图像的质量。b. 物体的材质可从预定程式和纹理的材质库中选择金属、石料、木材、塑料和其他材质类型。用户可以定义新的材质，有关的属性有表面颜色、透明度、粗糙程度和纹理等。材质可以附加在整个零件上，也可以附加在某个特征或某个表明上。在一个零件上允许有多种不同的材质。附加在几何模型上的材质属性是可修改的，如颜色、反射和纹理等。用获取特性的方法，很容易得到和编排以前的材质设置。对材质、景象和光源选择的预览，提高了渲染的速度。通过选择材质的变形属性，可改变规则的图案而得到意想的效果。c. 图案在产品和包装上，生成和附加常规的标记和图案。指定每个图案的大小、位置和透明度。在零件的几

33、何模型、特征或表面上覆盖多层图案。d. 几何对象能支持所有状态的几何模型，包括截面视图和装配爆炸图e. 光源和阴影可指定的光源类型有漫射光源、点光源和平行光源。光源的数量不受限制。可指定所有光源的颜色和强度。可方便地选择和控制阴影的形式。光源和阴影的设置随模型一起存储。f. 背景颜色和景象像摄影室里加布景一样设置零部件的背景，以增强可视效果。可对背景进行预览、尺寸和位置的调整。可产生单色、渐变颜色、随机云纹和图像等上色的背景。能附加大量的背景素材，并随几何模型一起存储。背景可从标准格式的图形文件输入，这些格式是jpeg、targa、tiff、bmp。h.图像输出在solidworks的窗口上进

34、行图像的渲染。按用户定义的分辨率输出到24位postscript、jpeg、targa、tiff、bmp等格式的文件中，或输出到photoworks自身的lwi文件中。直接从solidworks中打印已渲染的图像。为更有效地展示设计、降低样机制作成本和尽快将产品投放市场，photoworks在solidworks界面中提供了出色的渲染功能。（2）特征识别和featureworksfeatureworks是第一个为cad用户设计的特征参数识别软件，集成在solidworks的界面中。featureworks能对由标准数据格式文件转换来的几何模型进行特征识别，形成在solidworks特征管理器中

35、的特征树。所述的标准数据格式可以是step，iges，sat，vdafs和parasolid。 featureworks用于识别带有长方形、圆锥形、圆柱形特征的零件和钣金件最合适，可自动识别的特征主要有：拉伸特征，特征的轮廓由直线、圆或圆弧构成；圆柱形和圆锥形的旋转特征；沿直线边的倒角；沿直线边和圆弧边的等半径倒圆。 第4章 cad技术在机械设计中的应用4.1 cad技术在机械产品设计中的应用现状我国cad技术起步于60年代,1985年以后进行了大规模的cad/cam 技术的开发和研究。在国家统一规划下,以汽车、拖拉机、减速器、内燃机、电动机、变压器、汽轮机、轴承、发电设备、组合机床、数控机床

36、等20多种机械产品为开发对象,开发上述产品的cad应用系统及cad支撑系统。在微机cad 方面,也推出了许多软件,其中包括机械零部件设计、传动系统设计、有限元分析、优化设计方法、数控加工、系统开发工具、结构形状优化、运动学动力学分析、三维实体造型、数据库等模块。进入90年代,我国的cad技术出现了快速发展势头。许多中小企业应用cad技术在保证产品质量、提高劳动率等方面也取得了显著的经济效益。在机械产品设计中,cad技术的应用主要集中在以下2个方面：1计算机二维绘图和三维实体造型cad技术产生的初期，由于受到计算机运算速度和图形功能的限制,只能进行一些简单的二维图形绘制,设计者的大部分思想无法表

37、达。但是现在,cad技术已经有了质的飞跃,已经由形成之初的计算机辅助绘图(computer-aided drawing),发展成为了真正意义上的计算机辅助设计(computer-aided design)。据调查,目前在机械行业中应用比较广泛的二维cad绘图软件依次是:autocad、caxa电子图板、开目cad、机械设计师cad、pccad等。但是,在多数设计人员思想里,由于没有充分认识到cad技术的巨大潜在功能,一提起cad,首先想到的还是简单的利用计算机进行绘图,而不是有效地、全面地进行计算机辅助设计。另一方面,工程图纸的绘制确实是机械产品设计中的一项重要的工作,使用cad技术后,无论是

38、绘图的质量、速度、规范程度、标准化程度还是效率都比手工绘图时代有了很大的提高。但值得注意的是,目前多数企业的图形cad系统只能将设计过程的最后阶段绘图阶段搬到计算机上，设计过程仍在设计师的头脑中完成,总的设计效率没有提高到应有的高度。另外，许多使用cad技术时间不长的企业只关注绘图,对于图形分析、图纸资料的共享、信息集成化等较高层次的cad技术应用,则缺少必要的认识。总的来说，以上cad技术的应用层次，没有充分地发挥cad技术的内涵和功能,基本上还停留在cad技术的初期水平。此类应用的另一形式为产品的三维实体造型。目前在机械行业中应用比较广泛的三维cad软件依次是:caxa电子图板、pro/e

39、、solid works、ug、catia、inventor/mdt、mda2000、i-deas、xtmcad-3 d等。但实体造型技术的应用还局限在单个零件的造型设计、自由曲面设计等方面。建立实体模型的目的仅仅是求解产品的质量大小、质心位置、惯性矩大小等物理量特性、进行交互的计算机模拟装配、干涉检查和三维机构运动检查、为有限元和动力学计算提供物理模型等。计算机完成的工作仍属于“甩图板”的层次,既仅仅减轻了设计人员的体力劳动,而不能精确、全面地表达产品的所有属性和进行产品的性能分析,产品开发过程仍然是沿袭传统的模式,离变量化的造型技术还有相当大的距离。2性能分析和结构优化严格的说,cad技术

40、应该包括借助计算机进行产品的性能设计和结构优化设计技术,即cae计算机辅助工程(computer-aided engineering)技术,而不仅仅是代替简单而重复的人工劳动。如果说上述的cad技术应用的方式主要体现在机械设计人员上,那么这种应用方式则在产品工程特性尤其是力学专业设计人员中体现得较为明显。在进行产品设计过程中,产品设计人员应该进行产品的性能分析设计和结构优化设计,并将产品的形体设计与产品性能设计结合起来,运用相关计算机辅助设计技术实现对产品各主要零部件的动、静态分析和结构形体等的优化。目前,对于基于产品性能分析与优化设计的cad应用,很多企业仅仅是用cae软件对产品静、动态力学

41、性能进行分析计算,将计算结果返回给产品零件结构设计人员,零件结构设计人员根据计算结果进行优化,然后再计算,再优化,如此反复。而且很多结构设计人员和分析计算人员使用的是不同的计算机软件,各自拥有自己的零件实体模型,产品设计的各个阶段是一个个信息“孤岛”,没有能够把各阶段的信息有机地结合起来,彼此脱节,不能实现产品信息的共享,大大地降低了产品的设计效率和准确度。4.2 cad技术在玉米联合作业机械设计中的应用4.2.1 cad技术回顾与思考 通过cad 技术建立的机械模型，可对产品进行运动机构分析和机械特性校核等，具有直观、可交互操作等特点。为此，将cad 应用于非标件设计，采用特征造型建模的方法

42、，建立玉米联合作业机所有零部件模型，进而对工件进行各种特性计算，以适应当代机械设计行业需求。 图4-1 为玉米联合作业机cad 流程图，体现了cad 技术在大型农机具设计中各个环节上的应用，从而显示出cad 的强大功能。 图4-1 玉米联合作业机cad 设计流程图 4.2.2 设计实例1零部件建模 图4-2为玉米联合作业机整机模型。，由于是大型新机具，可通用件少，非标零件多，设计特点为许多辅助零件随关键零、部件改变而改变。若采用传统方式逐一设计，势必需要许多人力，且修改麻烦，容易出错。本设计使用autodesk inventor 8 建模， 采用参数化建模及自适应等辅助方式，使零件与部件间建立

43、起相互联系，即只需在一处改动关键零件模型尺寸和其它相关联的辅助零件模型尺寸，部件中的零件模型将会自动更新。图4-2玉米联合机整机模型 以玉米联合作业机传动部件一处建模为例，该机构中地轮轴承座为一关键零件，它影响着许多相关零件模型尺寸，如图4-3 所示。地轮轴承座为截面旋转生成,采用参数化设计，减少了反复修改时间，提高了设计效率及质量。图4-3地轮轴承座图2 零件结构分析 新产品设计中，计算（如强度校核等）常常占用设计人员大量时间，虽有公式可循，但计算过程繁琐、复杂、工作量大、易出错、不易发觉，常常在试验中才暴露，造成损失，而若由计算机来完成， 就变得简单了许多。图4-4 为地轮轴强度校核施图

44、使用的是mechanical desktop 6.0（以下简称mdt） 自带的有限元分析和计算工具。因为autodesk inventor 与mdt 均为autodesk 公司开发的产品，数据模型可相互转换，零件设计时只是进行简单的受力分析，所以用mdt 自带工具已足够.在mdt 中执行命令amfea3d，然后选中地轮轴,得出三维有限元分析对话框（如图4-5 所示）。在该对话框中设置载荷与支撑的类型、材料性质、网格划分的设置和计算结果的显示输出。图4-5 mdt 三维有限元分析工具图图4-6为地轮轴变形后网格图（为明显表达出变形量，轴的变形被放大）。图4-6 地轮轴变形前后网图 通过此方法可快

45、捷地对零件进行多种校核计算，与人工校核相比，具有速度快、效率高、直观、全面的特点。 3 部件模型装配 在零件设计中，常由于考虑不周等原因造成各种失误。部件模型装配过程是一个检验零件过程，在模型装配时可发现各种设计上的失误，如零件干涉、欠自由度约束等，还可进行结构分析、运动机构分析及质量特性分析等。 图4-7 为两零件干涉图，其中黑色部分为两零件干涉部分，对话框报告具体干涉体积。图4-7 两零件干涉图图4-8为一零件装配后自由度图。 当某一零件欠约束时，会造成自由度过多，不能按设计轨迹运动，因此检查零件自由度是不可缺少的一步。在图4-7中，为达到使用目的，锁片(2)有意欠约束，故可绕着z轴转动。

46、 在设计时，都希望知道零部件的各种物理特性（如零件质量、质心等），但由于零件形状各异，很难准确计算，但在计算机中建模后，计算机可自动对工件各种物理特性进行精确计算。图4-9是一工件的物理特性对话框，在该对话框中列出了工件的各种物理特性，不仅方便、快捷，而且大大减少了设计人员的计算量。 图4-9零件物理特性图4 整机模型装配 当各部件装配好后，便可进行整机模型装配。当整机模型装配好后， 即可对整机进行运动机构分析，查找设计不合理处，也可以就某一部分功能进行仿真运动。图4-10 玉米联合作业机中灭茬功能部分仿真演示图5 二维工程图输出 虽然三维模型经过数据转换可直接用于数控机床加工，但目前机械行业

47、中一般仍以二维工程图作为生产加工标准图纸，所以还要将三维模型转化为二维工程图。4.3 cad三维技术在液压挖掘机设计中的应用4.3.1 挖掘机零部件的三维造型 挖掘机三维实体造型包括所有零件的三维实体造型，总成和整机装配仿真。挖掘机是由金属结构、回转机构、动力装置、传动操纵机构、液压系统和辅助设备等组成。零、部件共计一千多个。尽管挖掘机零、部件结构形式各不相同，但在计算机上进行三维实体造型有一些规律可循，一般过程如下：创建草图根据零件的基本特征和附加特征生成零件的三维模型依照装配关系装配零部件形成整机装配仿真。 4.3.2 三维造型应用软件和基本方法世界上著名的几家公司的三维cad软件产品，p

48、ro/engineer、ug、i-deas、solidworks、mdt等，在主要工程机械企业中都已采用。无论采用那家的三维cad软件，都可以较好地完成挖掘机零部件的三维造型，三维造型时常用以下方法：1对形状比较规则的简单零件，利用三维软件自带的标准几何体（方形、圆柱、圆管、圆锥和球、沟槽）库，直接生成零件实体，如方板、光轴、轴套等。 2绘制最能反映零件基本特征的几何草图，经拉伸、旋转生成三维实体。 3沿路径配置的二维几何图形经扫描，蒙皮生成曲面形实体。4从草图入手建模 设计者根据设计的要求用手勾画出理想的结构形状，然后赋予每一条曲线以尺寸约束或几何约束，使曲线按照设计者的意图去更新交换，生成

49、参数化特征的实体建模。从草图入手建模很容易实现参数化、标准化、系列化设计，是挖掘机最理想的建模方式。 5利用三维实体间的布尔运算（交、并、补），将多个简单零件组合成一体，生成新的实体等等，且生成的实体模型均采用参数化特征造型。4.3.3 挖掘机金属结构的三维造型 一台液压挖掘机的零部件有一千多个，全部采用三维造型设计工作量很大。实际设计挖掘机时，也可以只制作与整机外形仿真、运动分析有关和影响主要性能的金属结构件、标准件、司机室和机罩等。挖掘机三维造型设计的关键是金属结构件的三维造型，如动臂、斗杆、铲斗、回转平台、回转支承、行走机构和行走架等，这些金属结构件都是由多个零件焊接成形，结构较为复杂。

50、如动臂本体由上板、下板、侧板、加强筋板、连接耳板和轴套等十多个零件焊接而成，这些单个零件结构一般比较简单。设计者根据零件的具体结构画出反映零件特征的二维草图，草图一般由直线、多边形、圆弧线和圆等构成封闭的图形。将二维截面草图进行拉伸、旋转、放样、倒角，生成三维图形。最后将这些零件组装并通过布尔运算等操作，形成动臂的三维实体模型其它结构件制作方法类同，图4-11、图4-12和图4-13为挖掘机动臂、平台和行走架本体的三维实体造型。图4-11 挖掘机动臂三维实体造型图4-12 回转平台三维实体造型图4 -13 行走架本体三维实体造型三维造型最好采用参数化的草图建模方法，这样可以方便地实行零件的修改

51、及变形设计，只要发现某一尺寸和结构不合理，可以容易地修改。而且可以通过尺寸等修改形成其它挖掘机的建模，无须重新建模，为以后其它挖掘机的设计建模打下基础。零件模型不仅包含零件的几何信息，还包含材料、名称、精度等物理信息。就可被后续的质量特性计算、动静干涉检查、有限元分析、结构优化、系统动力学、图面绘制及制造等工作所共用。 挖掘机外观造型设计十分重要，是吸引用户非常重要的一个方面。驾驶室、配重、柴油箱、液压油箱和机罩等都采用曲面流线型设计，驾驶室宽敞、视野良好，造型新颖。整个外形设计应给人一种赏心悦目的感觉。图4-14为驾驶室的三维造型。图4-14 驾驶室的三维造型4.3.4 挖掘机配套件的三维造

52、型 挖掘机的配套件主要有：柴油机、液压缸、马达、阀组、减速器和回转支承等，都由专业配套厂制造，一般只提供安装与连接尺寸图纸和外轮廓简图。准确的配套件三维造型无法构造。一般把配套件作为一个整体，只对连接与安装位置的精确建模，其他部分只作外轮廓造型。挖掘机采用的液压元件外形轮廓比较规则，三维建模比较简单。但柴油机外形复杂，可以采取简化外形结构建模，对可能涉及与其它零部件交叉安装的空间干涉部分进行处理。也可以从配套件厂家索取配套件的三维造型，直接用于装配。 4.3.5 挖掘机部件与整机的三维造型 完成了所有零件的三维实体造型之后，就可以进行部件与整机的装配仿真。整个流程先从零件到部件，再从一级部件到

53、总成，再往上直到整机。即采用自下而上的倒树状层次结构法，各级部件通过引用一系列下级零部件模型组装而成，它不仅描述一个部件与下级零部件之间的装配从属关系，同时也记录所属下级零部件之间的装配定位关系。整车装配尽量与车间实际装配过程一致，首先将行走架本体定位，在行走架上安装四轮一带、行走减速器和行走马达等，形成行走装置总成。然后再安装平台本体，在平台本体上安装回转机构、柴油机、液压油箱、柴油箱、司机室、阀组、和工作装置等。生成挖掘机整机三维造型，如图4-15所示图4-15挖掘机整机三维造型三维实体模型通过高级渲染就可以绘出具有真实感的挖掘机产品和部件效果图，可以用于制作挖掘机产品样本、对外宣传推广产

54、品，避免了过去等样机制造出来后才能推广的弊端，加快了新产品的市场拓宽时间，提高产品的市场竞争能力。 4.3.6 干涉检查和运动仿真 在挖掘机新产品开发过程中，在投料加工之前利用计算机进行装配仿真，可以发现零、部件设计上的尺寸干涉和结构不合理，及时纠正设计中的不足，避免实际制造中出现问题，造成浪费和损失。挖掘机设计不仅需要产品设计尺寸正确无误，还需要设计合理、结构性能好，以保证挖掘机在运动过程中不发生干涉，使用安全可靠。利用已完成的挖掘机三维模型，给出液压缸运动的约束条件，并施加作用力，进行二维或三维运动分析，可以分析机构最小距离、每个挖掘位置的挖掘力、位移、速度、加速度和和功率等参数。绘制运动

55、轨迹包络图，从而分析工作范围的大小和挖掘性能的好坏。装配仿真技术可以从静态角度保证设计尺寸的正确性，机构运动仿真则从运动角度保证设计的合理性和可靠性。在设计阶段把许多原本要在样机试验时才能发现的问题一一加以解决，从而为企业带来实实在在的技术经济效益。结 论经过近几十年的发展，我国cad/cam技术有了长足发展，已被广泛用于我国企业；我国cad/cam软件的开发水平也逐渐接近国外先进水平。但是整体来说，我国目前cad/cam软件不管是从产品开发水平还是从商品化、市场化程度都与发达国家尚有不小差距。例如：不少企业对cad的认识还仅停留在绘图阶段，从而使cad产生的效益尚未充分发挥；cad/cam软

56、件应用人员参差不齐，cad软件不能得到高效率应用；缺少既适合教学又满足企业需求的软件及教学平台。cad/cam技术水平还处于向高技术集成和向产业化商品化过渡的时期，还没有针对性的软件，一般都是使用通用性软件。虽在微机平台上开发cad/cam软件方面我国与国外起点差不多，但对引进的cad/cam系统的二次开发却跟不上，致使引进软件的效率不能完全发挥。针对21世纪机械制造行业的基本特征，cad/cam技术的发展趋势也呈现出以下几个特征：标准化、集成化技术、智能化技术、网络技术的应用、多学科多功能综合产品设计技术等。当然，我们也要看到我们的优势，那就是：了解本国市场，便于提供技术支持，相对价格便宜等。国际和国内的理论和实践给我们提供了很好的方法和理念，拓展了我们更多的发展空间。在这些前提下，我国cad/cam产业只要紧跟时代潮流，跟踪国际最新动态，遵守国际规范，形成自己独特的优势，并且立足国内、结合国情、面向国内经济建设的需要，一定能够开发出有特色的符合中国人习惯的ca