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1、CAD 技术在机械设计中的应用摘 要CAD 技术作为一种成熟的推广技术已在企业中得到广泛应用，并已成为企业的实际生产力。随着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集中在以下四个方面：1标准化除了 CAD 支持软件逐步实现 ISO 标准和工业标准外，面向应用的标准件（零件库）和标准化方法也成为 CAD 系统的基本内容，朝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
2、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TECHNOLOGY IN THE MECHANICAL DESIN CADAPPLICATIONABSTRACTCAD technology as the popularit
3、y of mature technology has broad application inthe enterprise,and enterprises have become the real productive forces.Innovativedesign capacity of the enterprise and enhance the popularity of network computingenvironment,CAD technology centres around the development trend in standardized,open,integra
4、ted and intelligent four areas:1.Standardization in addition to CAD software support the progressive realizationof ISO standards and industry standards,application-oriented standard components(forparts),standardized methods have also become necessary in the CAD system,andtowards the rationalization
5、of the engineering design of the development2.CAD system is currently open and extensive operating system built on openwindow 95/98/NT and UNIX platforms,in Java LINUX platform is also a CADproducts,in addition to CAD systems to provide secondary development of end-userenvironment,and even such Envi
6、ronment may be the development of its core sourcecode,which allows the user to customize their own CAD system.3.Integration of the integration of CAD technology embodied in three levels:Oneis the broad functions of CAD CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERPintegration through various forms of corporate integr
7、ation solutions,promote enterpriseinformation Process.The CAD system to improve the efficiency of its three CAD isbased on network computing environment to achieve different places,heterogeneoussystem in the inter-enterprise integration.Came into being the virtual design,virtualmanufacturing and vir
8、tual 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.42.1 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
9、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 在机械式鼠标械设计中应用.13结 论.24谢 辞.25参 考 文 献.26外文资料.27绪 论机械 CAD/CAM 技术起源于 20 世纪 50 年代，现已发展成为一个高新技术产业，并得到迅速发展。这一技术的广泛应用给所有的设计制造领域带来了革命性的变化。因此，它被评为二十世纪最杰出的技术成就之一。二十一世纪，它的影响仍然深远。机械 CAD 技术的研究、开发和应用是衡量一个国家科技现代化和工业现代化的重要标志之一。深化CAD应用，我们必须首先分析传统的机械产品设计技术及其存在的问题，现代先进设计技术的发
10、展，CAD 技术的进一步研究和应用，结合现代先进的设计技术和 CAD 技术的应用，最大限度地发挥作用，计算机和信息技术在产品设计。深化 CAD 中的应用是一项复杂的系统工程，所以在机械企业 CAD 技术的实现必须以系统的发展道路，发展和应用系统的设计，根据系统工程的步骤和方法开展企业 CAD 系统 CAD 系统之间的关系，研究和解决 CAD 与 PDM、CAPP、CAM、ERP，使 CAD 系统创建企业信息集成的操作条件，解决孤岛现象目前在中国企业信息化”。只有这样，才能深化 CAD 的应用，使 CAD 系统成为企业信息化的龙头企业。目前，机械 CAD 技术的推广应用已成为燎原之势。面对进入
11、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“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
12、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
13、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。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。到了 20 世纪 90 年代,CAD 技术进入了开放式、标准
14、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。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。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。2.2C
15、AD 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
16、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
17、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。第 3 章 CAD 常用的设计软件3.1国外软件1AutoCADAutoCAD 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，AutoCA
18、D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
19、）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。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
20、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
21、、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。第 4 章 CAD 技术在机械设计中的应用4.1CAD 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
22、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
23、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 CA
24、D 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。2性能分析和结构优化严格的说,CAD 技术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。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
25、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。4.2CAD 技术在机械产品鼠标设计中的应用4.2.1CAD 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，建立机械式鼠标所有零部件模型，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。4.2.2 设计实例1零部件建模图 4-2 为机械式鼠标整机模型。，由于是新机具，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
26、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 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 鼠标模型以机械式鼠标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。鼠标结构设计是现实产品功能的关键，这不仅需要与产品外观像协调，更要考虑后续生产、装配、表面处理、功能测试、模具设计与制造等各个方面。目前
27、市面上的鼠标五花八门，造型各异，功能各有千秋。但今天预定方案要设计的鼠标由鼠标上盖各异，功能各有千秋。但今天预定方案要设计的鼠标主要由鼠标上盖、鼠标前盖、鼠标后盖、鼠标下盖、鼠标滚轮几部分组成，其中鼠标上盖的设计较为复杂（如表 3.1 所示）。名称对应零件对应图形数量鼠标上盖top_sb.prt图 3.1.11鼠标前盖topan_sb.prt图 3.1.21鼠标后盖hougai_sb.prt图 3.1.31鼠标滚轮gunlun_sb.prt图 3.1.41鼠标下盖xiagai_sb.prt图 3.1.51表表 3.13.1鼠标的构成鼠标的构成鼠 标 上 盖鼠 标 上 盖鼠标前盖鼠标前盖鼠标后盖
28、鼠标后盖鼠标滚轮鼠标滚轮鼠标下盖鼠标下盖2二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。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软件应用人员参差不齐，CAD软件不能得到高效率应用；缺少
29、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，
30、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CAD/CAM软件，为我国制造业的发展插上腾飞的翅膀。谢 辞经过三个月的时间，顺利的完成了毕业设计。在本次设计过程中,我得到了 XX老师的悉心指导。X 老师多次询问我的设计进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。X 老师一丝不苟的作风，大胆创新的思想，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，深深影响了我；X 老师不仅授予我知识，而且教我做人的道理。我的每一点进步都离
31、不开老师的指导。X 老师在教学和科研的百忙当中仍挤出时间指导学生的精神，尤其值得学生佩服和学习。同时各位老师在各方面都给予我极大的帮助，在此我衷心的感谢指导我的老师们。向为我毕业设计提供方便的学校、学院表示感谢。感谢各位专家、教授和各位老师对我毕业设计的评审和指导。参 考 文 献1 张阿维 主编计算机辅助工业设计教程北京理工大学出版社2 盛伯浩 陈宗舜 编著机械产品设计与 CAD 技术清华大学出版社3 孙春花 主编 CAD/CAPP/CAM 技术基础及应用清华大学出版社4 顾寄南 机械研究与应用报 专题综述 江苏理工大学1997NO.35 朱有为机械设计与制造报 第六期 长沙大学 2006.6
32、 童秉枢、李学志、吴志军等编著机械 CAD 技术基础清华大学出版社7 黄少昌等编著计算机辅助机械设计技术基础清华大学出版社8 王贤坤主编 机械 CAD/CAM 技术应用与开发机械工业出版社9 王天慧、王跃勇、王亚杰、王立新编著，CAD 技术在机械式鼠标设计中的应用，长春市农业机械研究所 2005 年 9 月 第 5 期10 王进、童占荣编著，三维 CAD 技术在液压挖掘机设计中的应用，长安大学出版社 2006 年 6 月11 王利华、张振军编著，CAD 在机械设计中的应用现状与发展趋势，内蒙古民族大学学报（自然科学版）第 21 卷 第 2 期 2006 年 4 月12 顺德科技网，CAD 发展趋势展望：标准、开放、集成、智能，2006 年 10月13 王谟金、李茶英编著，AutoCAD 2000(中文版)机械制图教程，机械工业出版社 2004 年 7 月14 卢颂峰主编机械零件课程设计手册中央广播电视大学出版15 孙连成.计算机辅助设计（CAD）在机械产品开发中的应用.机械管理开发，2004，6:6716 朱志良，厐士宗.企业内 CAD 应用现状及 CAD 软件分析.CAD/CAM 技术机辅导设计与制造，2004,11:20-21