先进制造技术之计算机辅助设计技术

　　摘要先进制造技术特别强调计算机技术、信息技术、传感技术、自动化技术、新材料技术和现代系统管理技术在产品设计、制造等方面的应用。它不断吸收各种高新技术成果与传统制造技术相结合。这里主要介绍先进制造技术的发展趋势之一，即计算机辅助设计技术。

　　中图分类号：TP39文献标识码：A

　　计算机辅助设计技术作为先进制造技术的发展趋势之一，因此，早在1980年左右，我国政府就已十分重视CAD技术的开发和应用。国家对国有大中型企业应用CAD技术进行产品开发设计提出了明确要求，国家的科技发展计划也将CAD作为高新技术研究领域给予重点资助。当前，我国CAD技术已经迈入了普及应用的时期，CAD技术的理论研究和软件系统研发已取得了明显的进步。但工业发达国家不断更新其设计数据和规则，应用新的设计方法，广泛推行计算机辅助设计技术，大型企业开始着手无图纸化的设计和生产。而在这方面我国还存在一定的差距。

　　1计算机辅助设计技术的内涵

　　计算机辅助设计技术包含计算机辅助设计、计算机辅助工艺规划、计算机辅助制造、CAD/CAM集成技术等。

　　(1)计算机辅助设计(ComputerAidedDesign，CAD)是指设计人员用计算机为辅助工具，利用计算机和CAD软件对设计产品进行解析、模拟、计算、优化等。CAD通常包括建立几何模型、受力分析、产品分析(包括方案设计、总装设计、零部件设计)、动态仿真和自动绘图等。

　　(2)计算机辅助工艺规划(ComputerAidedProcessPlanning，CAPP)是指利用计算机为辅助工具对制造工艺过程进行设计或计划，以达到对工艺过程实现自动控制的目的。

　　(3)计算机辅助制造(ComputerAidedManufacturing，CAM)是指利用计算机来进行产品制造的统称。通常包括数字控制、工艺流程设计、柔性制造系统(FMS)和工厂管理等。

　　(4)CAD/CAM集成技术(简称CAD/CAM)是指把计算机辅助制造和计算机辅助设计集成在一起的系统。CAD/CAM是伴随着计算机技术、制造技术的不断发展和需求，从最初的CAD、CAPP、CAM和计算机辅助工程(CAE)技术发展演化而来的。传统的设计和制造是彼此相互分开的，而CAD/CAM是把设计与制造统一，看成一个整体任务来规划和研发的，基本实现信息与处理的高度一体化。CAD/CAM技术虽然应用的时间不长，但发展的速度很快，当前它已成为新一代生产技术的核心，被普遍认为是提升制造业生产效率和产品核心竞争力的关键技术。

　　2常用计算机辅助设计软件简介及特点

　　2.1AutoCAD

　　此软件是美国Autodesk公司推出的系列交互式绘图软件。它具有较好的用户界面，可通过交互式菜单或命令行方式进行各种操作。其多个文档可同时操作的界面环境，让非专业人员也能很快地上手并使用。AutoCAD具有灵活的适应性，它可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作站上运行，并支持分辨率由320�？00到2048�？024的各种图形显示设备，以及数字仪和鼠标器和绘图仪和打印机。而且其进入中国市场较早，因此是目前应用面最广的软件和成为二维机械工程制图软件的代表。在大学里机械类专业、建筑类专业、电子类等专业几乎都开设了AutoCAD课程。在某种意义上说熟练使用AutoCAD是从事工科的人必须具备的能力。根据其功能通常又将它划分到图形软件系统，在此不做详细介绍。

　　2.2UG(UNIGRPHICS)

　　UG是由EDS公司推出的集CAD/CAM/CAE于一体的三维参数化设计软件，在汽车、交通、航空航天、日用消费品、通用机械及电子工业等工程设计领域得到了大规模的应用。其特点是：(1)适合于零件较大、较复杂的时候建立数模，如：大型的汽车、飞机等；(2)一个最大特点就是混合建模，在一个模型中允许存在无相关性的特征。如在建模过程中，可以通过移动、旋转坐标系创建特征构造的基点，这些特征似乎和先前创建的特征没有位置的相关性；(3)在UG中，允许Sketch中存在欠约束的情况；(4)曲面功能非常强大，不仅提供的更为丰富的曲面构造工具，而且可以通过一些另外的参数来控制曲面的精度、形状。另外，UG的曲面分析工具也极其丰富；(5)UG中将很多规格化的特征划分的非常细致，如Pocket、Slot等；(6)综合能力很强大：从产品设计到模具设计到加工到分析到渲染几乎无所不包。

　　2.3PRO/ENGINEER

　　三维建模代表软件之一Pro/ENGINEER是美国PTC公司1988年的成功之作。自问世以来，其不断完善和发展，当前已成为最为普及的CAD软件之一，基本上成为三维绘图的一个通用平台。此软件版本升级过程主要经历了2000、2000i、2001、Wildfire版本。从最初的2001版本发展到现在的Wildfire版，其中Pro/ENGINEER的界面环境发生了较大的改变，尤其是用直观的可交互的特征操控面板代替以往的菜单风格，这样即便于用户快速掌握此软件的使用，又大大提高了技术人员效率。现在PRO/ENGINEER已广泛应用在电子、机械、工业设计、航空航天、家电等行业，是一个功能齐全3D产品开发设计软件。它包括零件设计、总体装配、模具开发、钣金件设计、逆向工程、铸造件设计、造型设计、机构模拟、压力分析、产品等功能。Pro/ENGINEER具有如下的特性：(1)3D实体模型单一数据库，整体相关性；(2)以设计特征作为数据库存取单位；(3)参数化设计。总之，其具体全面的3D建模功能，使用户能提升产品质量和缩短新品研发周期；通过自动生成相关联的模具设计、装配命令和机器代码，能有效提高设计效率，降低工作者的劳动强度，避免人为差错的出现；通过进行机构仿真和虚拟样机分析，可改进产品性能和优化设计；通过与各种CAD数据转换能够实现与大多数数据格式兼容，生成模型文件的适应性高，方便技术人员的合作与交流。

　　2.4CATIA

　　Catia是IBM的子公司DassaultSystem推出的高阶计算机辅助设计软件，广泛使用在航天、汽车、机械、电子等相关产业。该软件由四个基本模块组成：a、三维线框几何造型模块，这是CATIA软件的基础模块，是其它功能模块的基础，包括三维交互线框几何建模、数据库管理和绘图机输出等功能；b、曲面设计和数控加工模块，该模块包括三维复杂曲面设计和输出数控加工信息；c、实体几何造型模块，生成图形速度极快；d、运动学模拟模块等。其特点是：(1)操作简单，内含多种实体组件，如：凸块、旋转成形、拔模、钻孔、圆角等；(2)组件参数修改方便，通过修改菜单的数据，即可得出结果，省略程序编写；(3)曲面制作功能十分强大；(4)Catia的接口比较人性化，易于操作。

　　2.5CAXA

　　CAXA由北京航空航天大学和海尔集团联合开发，又被称为“电子图版”，是一个功能齐全的计算机辅助绘图软件，它以交互图形方式，可对几何模型进行实时构造、编辑修改。自1997年问世以来，不到三年就创下5万套的装机量。“电子图版”在绘图方面与AutoCAD极为相似，功能也比较全面，较之AutoCAD删繁就简，突出重点。CAXA是主要面向机械行业的绘图软件，也可用于电子及建筑行业等。它可以进行零件图设计、装配图设计、平面设计、电路图设计及建筑图纸设计等。当前已广泛应用于我国各大院校，企业应用相对较少。CAXA具有“开放体系结构”，用户可根据需要进行二次开发，以满足不同的需求。其具体特点是：(1)智能设计、操作方便；(2)体系开放、符合国家标准；(3)参量设计、兼容性好；(4)对硬件要求较低，可运行于任何Windows操作系统下。

　　3CAD技术工程应用实例

　　现以三通管(如下图1)为例说明CAD(Pro/E)技术在工程上的应用。三通管作图步骤如下图2所示。

　　对于较复杂的曲面在完成三维建模后如果我们想计算出实体的质量，用手工算出是很难办到的，故可借用CAD软件来分析。具体分析步骤为：

　　(1)点击主菜单分析→模型→质量属性；

　　(2)零件密度改为0.0078，系统默认密度单位为Tonne/mm3即公吨/立方毫米，可不用更改其密度单位，只要把这个公吨看成为“克”，把它当成“克”之后，现在的单位就可视为是g/mm3，由于三通管的材料是钢，因此密度对话框里把1.000000全部改为0.0078即钢的密度为0.0078g/mm3；

　　(3)单击预览按钮，系统出现计算结果(如图3)。计算结果显示质量=2.8997675e+03公吨。由于前面我们把公吨看成了“克”，于是三通管质量就是2.8997675e+03克(e是一种计数方法克，e+06代表106；同理e-06代10-6)即2.8997675千克。

　　4结语

　　计算机辅助设计技术是随着计算的应用而逐渐发展起来的，它的应用可以直观地呈现三维立体模型，二维作图相比以前手工绘图更易于修改。对于CAD从业者掌握CAD技术可大大提高工作效率。