机械CAD技术的现在与未来

机械CAD技术的现在与未来
摘要:
本文主要讲述CAD技术中关于机械方面在现在社会中的应用,以及给人们生产生活带来的积极作用。

现在的发展状况以及未来的发展趋势和存在的问题。

首先从CAD技术的积极意义，CAD的支撑软件讲起；其次讲述机械CAD的定义以及生活中的应用；然后讲述CAD技术在我国制造业中的表现和我国制造业当前应用CAD技术的情况；机械CAD技术的发展趋势；制约CAD深层次开发应用的存在因素以及因素分析；最后总结机械CAD技术的发展和对其技术的期待。

正文：
CAD技术是随信息技术的发展而形成的一门新技术,它的应用和发展引起了社会和生产的巨大变革,因此CAD技术被视为20世纪最杰出的工程成就之一。

目前CAD技术广泛应用于机械、电子、航空、航天、船舶、纺织、轻工及建筑等各个领域，它的应用水平已成为衡量一个国家技术发展水平及工业现代化水平的重要标志。

CAD支撑软件：图形处理软件（CGI、GKS、OpenGL等）、工程分析与计算软件、模拟仿真软件、数据库管理系统（PDM等）、计算机网络工程软件、文档制作软件；
CAD应用软件：CATIA、Pro/ENGINEER\AutoCAD、UG等。

机械CAD是一种用计算机硬、软件系统辅助设计人员对机械产品或工程进行设计的方法与技术，包括设计、绘图、工程分析与文档制作等设计活动。

现在应用的几个机械CAD的实例：“勘探设计一
体化”、“铁路线路平纵断面整体优化设计系统”、“层流叶栅设计软件”、“带式输送机CAD设计软件”、“涵洞CAD系统”、“电站锅炉产品CAD系统”等。

而机械CAD技术在现实社会中占有至关重要的地位，CAD技术在我国制造业中的表现有以下几点：
(1)CAD技术得到了应用和普及，并取得了显著的增值效益。

(2)提高了企业的技术创新能力、产品开发能力和市场竞争能力。

(3)以应用和市场为导向，推动了国产CAD软件产业化。

(4)建立了CAD人才培训网络，提高了企业应用CAD技术的素质。

(5)组建咨询服务体系，促进了CAD咨询服务业的形成和发展。

(6)制定技术标准，加快了CAD应用工程向广度和深度发展的步伐。

先后发布了《CAD通用技术规范》、《CAD文件管理》、《CAD 电子文件应用光盘存储归档与档案管理要求》等规范和国家标准。

我国制造业当前应用CAD技术的情况，大致可分为以下四种不同的应用层次：
(1)基于计算机绘图、产品三维几何造型的应用层次。

这个层次基本上属于“甩图板"层次，其特点是：提高了绘图效率，部分产品设计采用了参数化、系列化、模块化的方法，缩短了开发周期；采用了装配仿真等手段，从一定程度上提高了产品的设计质量。

(2)基于计算机辅助工程分析(CAE)进行产品性能设计的应用层
次。

特点:利用有限元分析、优化设计及其他工程分析工具使形状结构设计与工程分析技术相结合，有效地提高了产品的设计质量。

(3)基于产品数据管理(PDM)的CAD应用层次。

特点:基本实现了部门级的文档管理、产品结构管理与工作流程管理，但与企业资源规划(ERP)系统的集成与信息共享尚不完善，理想的产品配置还难以达到。

(4)基于企业信息化平台的CAD应用层次。

特点:实现了CAD／CAE／CA PP等的CA x集成，还实现了CA x／PDM／ERP的集成，达到了全企业，甚至企业间的信息交换和共享。

这一层次是CAD技术的深化应用，是现阶段开展制造业信息化工作的主要内容。

机械CAD技术的发展趋势:
1．集成化
集成是指信息集成. CAD信息处于产品生命周期中信息链的源头。

为了提高系统的集成水平，CAD技术必须在以下几个方面提高水平：
(1)数字化产品建模。

(2)产品数据交换。

(3)产品数据管理。

(4)继续改进与开发各种CAx(CAD，CAE，CAPP…)以及DFx(DFA，DFM，DFT…)并使它们有机地集成起来
2．网络化
(1)能够提供基于因特网的完善的协同设计环境。

该环境具有电子会议、协同编辑、共享电子白板、图形和文字的浏览与批注、异构CAD和PDM软件的数据集成等功能，使用户能够进行协同设计。

(2)提供网上多种CAD应用服务，例如设计任务规划、设计冲突检测与消解、网上虚拟装配等工具。

3．智能化
人工智能技术，特别是专家系统技术，与传统CAD技术结合起来，形成智能化CAD系统是机械CAD发展的必然趋势。

(1)发展新的设计理论与方法。

例如并行设计的理论、大规模定制设计的理论、概念设计的理论、创新设计的理论等。

(2)继续深入研究机械设计型专家系统的一些基本理论与技术问题。

例如设计知识模型的表示与建模、知识利用中的各种搜索与推理方法、知识获取、工具系统的技术等。

4．标准化
(1)面向图形设备的标准CGI，面向用户的图形标准GKS和PHIGS，面向不同CAD系统的数据交换标准IGES和STEP，此外还有窗口标准等。

(2)STEP（Standard for the exchange of product model data）既是标准，又是方法学，由此构成了STEP技术，它深刻地影响着产品建模、数据管理及接口技术等。

但现实中CAD技术的发展存在这样或那样的障碍,首先制约CAD深层
次开发应用的因素有以下几个方面：
（1）设计思想
目的：根据设计要求构思的初始设计，是设计创新的关键
资源:领域设计原理和知识、同类设计、设计经验
不足：以几何模型为主的通用CAD系统无法实现这一阶段的设计
原因:产品要用设计参数表达；设计知识、经验也不能用几何模型表达；通用CAD系统可以提供同类设计的图纸，但不能提供设计参数表达的“设计”。

（2）分析计算
目的：根据设计要求和初始化结果，确定产品的力学特性
资源：通用有限元方法、专业领域认可的分析、验算方法
不足：通用CAE系统能完成结构分析，但不能考虑专业领域形成的分析计算原理、检验方法，需要进行专门的分析前后处理。

原因：有限元，模型是通用的，但产品在长期的设计过程中已形成了自身的分析计算原理、控制要点和验算方法。

3）构造设计
目的：经分析验算后，主要设计参数一定，但很多次要结构的细部参数尚未取定，需要完成在这一阶段全部的构造设计。

资源：同类设计、工程师的设计经验
不足：同类设计和经验在这一阶段特别重要，通用CAD系统只能提供同类设计的图纸进行参考，不能直接介入构造的设计。

设计者
可以在同类图纸上修改，但系统不能提供那一个同类设计是“最佳的”或“合理的”。

原因：通用CAD系统以几何图形描述设计图纸，不能提供图纸反映的结构及其控制参数。

（4）设计图纸绘制
目的：完成产品的设计图纸
资源：需要丰富的图纸处理功能。

不足：二、三维图形具有丰富的图形处理功能，但很难建立图形与结构之间的关系。

原因：通用CAD系统的主体模型是几何模型。

制约CAD深层次开发应用的因素分析：
（1）专业思维差
通用CAD系统强调几何图形处理，与产品设计专业之间存在思维差距，造成CAD系统的辅助概念与专业工程师对辅助设计的要求有很大的不同，造成通用CAD系统与专业需求之间的矛盾。

（2）系统模型的差距
通用CAD的基本模型为几何模型，但专业设计者关心的是由设计参数表达的产品模型，建立几何模型和产品模型之间的关系是困难的。

（3）设计过程控制的目标是产品的设计参数
在进行产品的构思、优化设计、分析验算等过程中，设计者控制的目标是产品的参数，这些参数在专业领域有特定的含义，通用
的CAD系统一般不能识别这些设计参数。

（4）设计过程中需要应用大量的设计知识
产品专业领域的设计原理和知识、同类设计、设计者的经验等都是设计过程中需要应用的知识，这些知识都是以设计参数的形式表达，并应用于产品设计。

而通用CAD系统只能以图纸形式提供同类设计图纸，图纸所隐含的知识还需要人工进行智能识别。

（5）以几何模型为主线的CAD/CAE/CAPP/CAM集成存在不足产品结构的设计过程、工艺设计过程和制造过程都需要以产品的设计参数作为控制对象通过几何模型的控制来映射对设计参数的控制存在先天不足。

虽然机械CAD技术给我们的设计和生产带来巨大的便利，把工业带到了一个空前的高度，但是在CAD技术的发展过程中也遇到重重困难；未来的机械CAD技术向计算机集成制造（CIE）、并行工程（CE）、智能化CAD系统、虚拟产品开发、网络化设计与制造等方向发展的同时应克服上文提到的障碍。

我相信未来的机械CAD技术将给人类带来更大的利益。

参考文献:
1.宁汝新/赵汝嘉等，《CAD/CAM技术》（第二版），机械工业出
版社，2009年7月
2.董代进等，《机械CAD》，重庆大学出版社，2007年8月1日
3.蔡汉明，《机械CAD/CAM技术》，机械工业出版社，2009年6
月
4.谭广宇等，《机械CAD技术基础》，哈尔滨工业大学出版社，
2005年8月1日。