CAD技术在机械设计中的应用设计.docx

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CAD技术在机械设计中的应用设计

优秀设计

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95／98／NT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。

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

TECHNOLOGYINTHEMECHANICALDESINCADAPPLICATION

ABSTRACT

CADtechnologyasthepopularityofmaturetechnologyhasbroadapplicationintheenterprise,andenterpriseshavebecometherealproductiveforces.Innovativedesigncapacityoftheenterpriseandenhancethepopularityofnetworkcomputingenvironment,CADtechnologycentresaroundthedevelopmenttrendinstandardized,open,integratedandintelligentfourareas:

1.StandardizationinadditiontoCADsoftwaresupporttheprogressiverealizationofISOstandardsandindustrystandards,application-orientedstandardcomponents（forparts）,standardizedmethodshavealsobecomenecessaryintheCADsystem,andtowardstherationalizationoftheengineeringdesignofthedevelopment

2.CADsystemiscurrentlyopenandextensiveoperatingsystembuiltonopenwindow95/98/NTandUNIXplatforms,inJavaLINUXplatformisalsoaCADproducts,inadditiontoCADsystemstoprovidesecondarydevelopmentofend-userenvironment,andevensuchEnvironmentmaybethedevelopmentofitscoresourcecode,whichallowstheusertocustomizetheirownCADsystem.

3.IntegrationoftheintegrationofCADtechnologyembodiedinthreelevels:

OneisthebroadfunctionsofCADCAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERPintegrationthroughvariousformsofcorporateintegrationsolutions,promoteenterpriseinformationProcess.TheCADsystemtoimprovetheefficiencyofitsthreeCADisbasedonnetworkcomputingenvironmenttoachievedifferentplaces,heterogeneoussystemintheinter-enterpriseintegration.Cameintobeingthevirtualdesign,virtualmanufacturingandvirtualenterpriseisthelevelofapplicationintegration.

KEYWORDS:

Standardization，Open，Integrated，Intelligent.

绪论1

第1章CAD技术的概述2

1.1CAD技术的概念2

1.2CAD技术原理2

1.3CAD系统的组成2

第2章CAD技术的发展4

2.1CAD技术的产生与发展4

2.2我国CAD的发展现状5

2.3CAD系统的发展趋势5

第3章CAD常用的设计软件8

3.1国内软件8

3.2国外软件9

第4章CAD技术在机械设计中的应用12

4.1我国CAD技术在机械设计中应用的现状12

4.2CAD在玉米联合作业机械设计中应用13

4.3CAD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CAD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,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，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

1.1CAD的基本概念

CAD是其英文名为“ComputerAidedDesign”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。

1.2CAD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。

1.3CAD系统的组成

一般来说，一个CAD系统由如下几部分组成：

1．CAD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。

2．CAD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。

3．CAD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系统。

第2章CAD技术的发展

2.1CAD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。

2.3CAD系统的发展趋势

1．CAD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。

2．CAD系统应充分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。

3．CAD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。

4．CAD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国外软件

1．AutoCAD

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AutoCAD2006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。

2．Pro/Engineer

Pro/Engineer（简称Pro/E）是由美国PTC公司推出的一套博大精深的三维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

3．UG

UnigraphicsSolutions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、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（ComputerAidedXAdvanced，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。

3． PICAD

PICAD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。

4．SolidWork

创新的、易学易用的和价格平宜的SolidWorks是Windows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PhotoWorks

PhotoWorks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