CAD技术在机械制造领域的应用分析

PAGE10PAGE10CAD技术在机械制造领域的应用分析摘要CAD技术的发展极大地加快了产品设计的速度，使得产品设计更加高效，并且一定程度上也提高了产品设计的安全性以及对产品的细节把控也更加详尽。本文主要从CAD技术在机械设计中的应用展开，首先分析了CAD技术的概念原理以及基本的使用场景，接下来对CAD技术在机械制造中的主要应用进行了分析，提出了将CAD技术和机械制图结合的重要性，重点说明了CAD技术和其他的计算机辅助设计软件结合使用的重要性。文章最后通过CAD技术在机械制造中的实际例子进行了介绍。关键词：计算机辅助设计；CAD技术；机械设计制造；应用

目录TOC\o"1-3"\h\u2512摘要 124770Abstract 220893前言 52665第1章CAD概述 6144881.1CAD技术是什么 6297621.2CAD的技术优势 616080第2章CAD技术在机械制造中的应用 7138072.1零件与装配图的生成 776562.2CAD/CAM的模具集成制造 7186682.3机械CAE软件的应用 8323282.4零件的三维模型绘制与模拟演示 823922第3章CAD技术和机械制图结合 968883.1机械制图与机械CAD结合的重要性 919443.2机械制图与机械CAD有效结合 9288003.2.1原理与技术结合 936573.2.2设计人员自身要求 1015135第4章CAD技术在机械制造中的应用实例 11130544.1机械制造车间工艺流程CAD系统 11239164.1.1CAD模型的存储 11164954.1.2系统的主要功能 12264144.2CAD与CAE技术结合实例 12244624.2.1气动机械爪的优化设计分析 12237504.2.2优化设计的目的 15280384.2.3应用在数控加工系统中 15122224.2.4CAD技术与数控加工 1588604.2.5CAD技术是如何应用在数控加工中的 1663074.3数控加工生产 1664284.3.1后处理技术以及数控程序的生成 17175914.3.2CAD技术对数控车床加工技术系统的影响 17319364.4CAD软件加工实例研究 177753结论 1811822参考文献 19

前言CAD是计算机辅助设计的简称，它的发展经历了如下的几个阶段：最初的准备阶段，1952年在一次关于MIT的大会上，首次提出了计算机辅助设计的概念。进入研发阶段，最早是美国的麻省理工大学的博士研究生I.E.Sutherland在1962年发表了“Sketchpad人机交互图形系统”的论文，这篇论文是第一次提出了计算机辅助图形学的概念。提出了交互技术，分层存储的数据结构新思想，实现了人机结合的设计方法。技术商品化阶段，20世纪70年代，二维技术发展到三维技术，开发CAD技术的软件公司开始层出不穷。高速发展阶段，20世纪80年代开始，CAD技术进入了高速发展阶段。随着科学技术的迅速发展，计算机的成本大幅度下降，计算机硬件和软件的功能在提高的同时价格不升反降。CAD软件的使用可以极大程度上提高工程师的工作效率，大大较少了设计难度，同时增加了设计的灵活性，因此CAD软件在机械制造业中有着举足轻重的意义。本文主要研究了CAD技术在机械制造中的应用，本文主要对CAD技术的概念进行了简单的介绍，并针对CAD技术的优势提出了见解。从产品设计中对CAD软件的使用过程展开，提出了几点CAD技术的应用过程，有建立零件图以及最终可以通过装配实现生成装配图，以及CAD技术和CAE技术相结合等方面进行了阐述。主要针对CAD技术和机械制图的有机结合的方法展开讨论。最后阐述了几个CAD技术的应用实例，如绘制车间工作流程系统、与CAE技术相结合实现更快速的有限元分析以及CAD技术在数控加工过程的应用等方面。第1章CAD概述1.1CAD技术是什么CAD是三个英文首字母的缩写，一些人理解的CAD就是简单的平面制图，实际上CAD也包括三维制图，就是可以通过计算机来实现对于图形的辅助设计操作。使用CAD软件可以大大提高在工程设计中的效率，同时CAD软件还可以和很多不同的计算机仿真软件进行结合从而实现一体化的设计。1.2CAD的技术优势（1）辅助设计机械设计的最初阶段都是没有各种辅助设备，工程师都是要通过在脑海中进行构思来设计图的，因此那个时候作为工程师是需要很高的三维思维能力以及基础的专业知识的，但是随着各种辅助技术的发展，工程师的门槛变的很低。机械工程师可以通过计算机辅助软件进行图纸的绘制，设计机械产品，同时，许多工程师也利用三维CAD技术建模，展示出零件的实体形状，辅助工程师进行设计，为工程师提供更多想象空间，促进思维能力的提升。除此之外，CAD技术相比传统的绘图技术在速度以及准确性上的优势是非常明显的，可以极大程度上减少时间上的浪费，提高产品的设计质量。（2）方便修改传统的机械设计中，绘图是通过人手进行的，也就是说绘制的周期以及对出现错误的修改都是非常麻烦的，但是如果可以通过计算机辅助设计，对图形进行修改就可以做到快速、方便、无消耗等优势，相对于传统的机械绘图的优势是巨大的。第2章CAD技术在机械制造中的应用2.1零件与装配图的生成CAD软件可以实现实体建模，一般来说，CAD软件是有三种建模的方法：线框模型、实体模型和表面模型。很多主攻二维设计的软件也是可以进行三维图形的绘制的，比如在AutoCAD软件中就可以对很多的简单实体进行绘制，如简单的立方体、圆锥体以及球体等。通过简单图形的排列组合可以组合出各种想要的图形结构，如布尔求和，球差等运算，通过这些基础的操作我们就可以得到想要的三维图形了。在机械设计中通常对于一些复杂的图形是很难通过简单地进行布尔运算直接得到最终的实体的，而是通过不断的细分成一个个更小的零件，通过小的零件进行组合成实体，这些小的零件可以称之为基实体，通过基实体的不断组合就可以最终得到我们想要的三维实体，也就是工程上的实体，这个过程简答的说就是实体的装配过程。也是可以通过CAD软件进行实现的。2.2CAD/CAM的模具集成制造随着制造业的不断发展，我国的计算机仿真的水平也得到了很大的提升。在绘制图纸方面发展从手绘到了如今的CAD、CAM、CAE技术，机械制造行业随着这些技术的发展也得到了迅速的提升。在仿真领域也逐渐发展到了机电一体化仿真。同时，模具的CAD/CAM技术、模具激光快速成型技术（RPM）等，完全覆盖了现代整个制造技术。由多个功能模块组成的完整的CAD/CAM软件系统，如图形编辑、三维绘图、曲面造型、数控加工、仿真模拟、动态显示、有限元分析等。这些模块以工程数据库为基础，进行统一管理。2.3机械CAE软件的应用目前市面上主流的CAE软件有很多，CAE软件的主要功能是对结构机械进行优化设计，一般是可以和CAD软件结合起来使用的，使用CAD软件进行三维图的建模，然后再将建模好的图形导入到CAE软件中使用，可以很好直接在CAE软件中建模操作。CAE软件的主要功能也是在于结构上的优化，工程上的数值分析，以及可以实现各种运动学上的仿真操作。同时CAD技术在造型问题解决后，才能由CAE解决设计的强度、刚度、寿命、材料、结构合理性、运动特性、干涉、碰撞问题和动态特性等。2.4零件的三维模型绘制与模拟演示三维实体图形在CAD制造中有十分重大的意义，通过实体建模可以让那些看不懂二维草图的人直接可以看明白我们绘制的图形的意义何在。对于三维图形的演示使得机械设计的最终呈现结果可以跨行业进行交流。在传统的机械设计中，实现简单的演示操作是很难的，但是实现了三维图的绘制之后一切都会变得很简答。

第3章CAD技术和机械制图结合3.1机械制图与机械CAD结合的重要性在机械制造领域中，机械制作图作为一种重要的语言方式，高精度的机械制作图具有很强的作用价值，设计人员根据机械机构、尺寸、运行原理制图，再结合机械CAD技术，提高绘图的效率性，降低误差，最大程度上确保图样的质量与品质。对于机械制造行业的从业人员来说，机械制图属于基础功底。绘制机械制作图需要注意几点：一是设计人员在了解其运行原理的前提下，必须对机械物体的结构、尺寸做精准的测量。如果对实物测量不准确，不仅影响整个设计效果，而且很大可能上影响机械制造的进程。二是在绘制图样之前，相关操作人员必须熟练掌握绘图工具的技巧与技能，有利提高工作效率和积极性。由此把机械制造图与机械CAD相联结，既可以优化整个绘图流程，还可以提供技术人员的工作效率，进行促进技术人员的工作积极性，提高图样的精准度，促进机械制造行业的水平，充分展示图样的作用和价值。3.2机械制图与机械CAD有效结合3.2.1原理与技术结合机械制造需要严谨的数据才能正常制作运转，这意味着绘制机械制图是一项繁琐而复杂的工作。尤其是机械CAD技术中，涵盖着大量的手工绘图知识与技巧。也就是说，技术人员必须深刻理解并掌握绘图的原理、绘图园林、投影变化理论知识等，但仅有这些理论知识是远远不够的，还需要相关从业技术人员发挥自己的空间想象能力与思维能力，按照机械特征，选择合适的绘图方式，以此提高绘制图样的效率和品质。机械制造图原理和机械CAD技术的有效结合，从事人员需要熟练掌握CAD技能，提高对复杂图形的处理能力，从而从整体上提高实力水平，最终达到促进整个机械制造行业制造水平的目的。3.2.2设计人员自身要求目前，在机械绘制行业中，机械制造绘图主要依赖于手工绘图，因此，重视设计人员的自身绘图功底是至关重要的，一个优秀高级的机械技术人员，拥有绘图原理知识是基本，还应当具备较强的空间是想象能力与思维能力，数据分析处理能力等。此外，从本质上来说，使用CAD技术是应用计算机的过程，所以技术人员还应当提高计算机运用水平，尤其是在实际的CAD技术软件的使用技能上，突破传统的绘图理念，在一定的过程中，摒弃传统的铅笔手工绘制，充分发挥计算机水平的高效性与绘图的精准性，使自己最大程度上适应计算机的使用，由此提高绘制图样的效率与准确性。通过CAD绘图软件的辅助，可以有效的将图纸转换为二、三维图样，所以，在联合机械制作图与机械CAD技术过程中，应该在遵守机械制作图原则的大前提下，再对制作图进行优化处理。

第4章CAD技术在机械制造中的应用实例4.1机械制造车间工艺流程CAD系统目前的车间系统的管理存在很多问题，尤其是在于对其模型化的研究不足的问题，针对这些问题可以使用CAD模型的方法进行描述。在机械产品的设计制造的过程中，通常是包含着多个不同的工序的，不同的工序有的内容多，有的内容少，并且不同的工序之间的关系也是不同的，有的是并行关系，有的则是串行关系。对于机械设计制造过程而言，工艺流程就是非常重要的组成部分，同时也是将复杂的问题简单化的重要渠道。图1机械制造工业的cad模型4.1.1CAD模型的存储对于一个CAD系统中，由于对工艺流程的相应程度普遍来说的要求都是比较高的，所以这就要求这个CAD系统中要包含大量的信息，来进行辅助设计。一般来说对于一个CAD系统的整体数据进行集中的存储会采取以下方案。系统是基于CNET中面对对象的设计思路的，首先是要定义一个接口，这个接口中包含着大量的信息，有ITEMCOILR等，定义了工序节点、连接节点以及不同的IPaintItem接口。因此工艺流程图就可以通过泛函的集合来进行表示。通过数据表来建立不同的数量关系。其中就包括有工序信息表、检验信息表以及不良记录信息表等。基于上述的CAD模型库的方法就可以建立一个完整的CAD存储系统，建立起从产品到工艺流程图再到工序最后到工序的相关信息的一种数据读取模式。4.1.2系统的主要功能车间工艺流程CAD系统主要就是可以实现车间工艺流程的可视化，通过可视化可以将整个工艺流程变得更加简单易行，所以我们通过CAD的简洁性以及可拓展性实现主体的可视化。4.2CAD与CAE技术结合实例通过CAD软件建立一个工业平行气爪的三维模型，主要是分析气爪在收到一定的压力的时候，呈现出的应力应变情况，通过CAE软件的分析来对其结构进行优化设计。本次结合实例是进行工业平行气爪的优化设计，通过CAE软件的分析，得出可以进行结构性优化的地方，实现优化的目的。4.2.1气动机械爪的优化设计分析（1）有限元优化分析的目的在设计中由于很多的部件都是由不同的零件进行组合优化构成的。所以在设计的过程中为了达到更好的使用效果，进一步减少使用的材料就需要对整体结构进行优化设计。其中应力分析是优化设计过程中非常重要的一个部分。在某些应力集中的部位进行材料的加强以及在某些没有必要的结构上节省材料。（2）优化设计的方案使用ANSYS软件进行力学分析，根据实际的工作需要选取合适的有限元分析。来达到目的。其中对于本次设计的使用材料选择的是铝合金材料。使用solidworks对三维图进行绘制后将文件导入有限元分析软件ANSYS中。（1）将设计好的部分进行有限元的网格划分：网格划分是有限元分析中的十分关键的部分，本次设计采用的是四面体的划分网格的方法。划分好网格后可以得到下图：图2手抓模型网格划分图（2）施加约束条件：本次设计的宽阔气动机械手的有限元分析的约束条件，由于其上部的法兰盘是固定的，使用的是8个螺孔进行固定。双夹板是采用摩擦力对工件进行固定操作的，所以在设置约束的时候是对两侧的夹板施加垂直向外的力进行约束，这样就完成了整个对约束条件的设计：图3手抓模型载荷约束添加图从图中分析可以知道，应变变化最大的位置是爪钩的位置，可以发现这样是符合设计要求的。并且爪叶的实际变形量要比图中的要小，图中是放大后的效果图。爪钩在工作的时候受力最大的地方是在于三脚架相连的位置。可以用同样的方法对抓钩进行有限元分析，根据工况条件，施加的是100N的向下的压力，其添加好载荷以及约束之后的抓钩图如下图所示：图4爪钩约束施加结果分析：图5有限元分析结果根据对材料的分析，可以知道在最大的工况下对于抓钩的应力大小是符合设计要求的。4.2.2优化设计的目的根据上文的分析，可以知道，本文对于气动机械爪的材料选择上是符合设计要求的，本次设计遵循轻量化的设计理念，减少对于材料的使用。从上文的有限元分析模型中不难看出，材料的强度是远远大于设计的要求的，所以为了节省材料上的使用可以在零件上进行开孔的设计来达到设计要求。通过使用有限元分析可以很好的实现分析了设计模型的强度是否符合设计要求。在符合设计要求的情况下对夹板的结构进行了有限元分析，优化设计。4.2.3应用在数控加工系统中Cad技术目前已经大量的应用在数控加工中，CAD以及CAM软件也已经成为了我国数控加工的主要使用软件。这是由于CAD，CAM软件有着很强大的基础功能并且也可以实现联合使用，涉及到设计中的各个环节，并且显示的效果也更加逼真与直观。4.2.4CAD技术与数控加工对于数控加工而言，主要是通过数字技术进行控制，通过数字技术来组成控制系统，并通过数字控制来实现整个加工过程的数字化以及可视化。数控系统主要是采用了自动化控制，通过CAD软件输出的数据也可以直接应用在数控加工中尤其是在3D打印等领域。现行的行业发展速度飞快并且机械制造的发展可能性也是随着数控技术的引入变得越来越大。图6优化的后的手抓模型4.2.5CAD技术是如何应用在数控加工中的首先是在集合建模的过程中，简单的说CAD软件的建模的过程就是在模拟加工生产，是将整个加工的过程进行了一个数字化的表示。CAD几何建模一般可以分为三维建模及二维建模，可以将DXF形式的文件按照一定比例进行处理操作，从而可以直接应用在数控加工中。4.3数控加工生产数控加工生产是CAD的子程序提供的各种不同的数据，在这个基础上完成的零件加工以及处理的过程。数控技术工艺主要是可以通过CAC技术来实现对于零件的加工生产，从而可以完成各个不同的加工工序，实现快速的加工生产。4.3.1后处理技术以及数控程序的生成后处理是任何加工软件都要进行考虑的，是一个必不可少的处理过程。数控加工后处理的主要特点就是在于其可以通过处理后的参数按照一定的数据值来生产相应的代码，从而实现可以为后处理的过程保驾护航。4.3.2CAD技术对数控车床加工技术系统的影响首先是在零件的插补过程是通过数控技术实现的，可以在起点和终点布置多个逼近函数，从而在不同的函数中找到那个最能描述实际情况的路径，使用选择的方式可以大大提高零件的加工效率以及零件的加工灵活性。4.4CAD软件加工实例研究使用目前市面上主流的建模软件CAXA软件加工实体，在加工的过程中首先可以得到一个二维的图，通过对二维图的拉伸旋转等操作就可以得到实际上想要的三维图。

结论本文主要研究了CAD技术在机械制造中的应用，本文第一部分，对CAD技术的研究背景以及使用CAD技术的意义作了简单的介绍。并提出了CAD技术在哪些方面还可以进