第二节 机械CAD简介
一、 概述
计算机辅助设计（CAD：Computer Aided Design）是指工程技术人员利用计算机的硬件和软件系统，对产品进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称，是多门学科综合性应用的新技术，从上世纪80年代末开始得到了迅速的发展。近几年来由于微型计算机的发展和普及使CAD技术得到了进一步的推广，多数大、中型企业，甚至一部分小型私有企业已经或多或少地应用CAD技术。
如图15-1所示，CAD是一个设计过程，它是“在计算机环境下完成产品的创造、分析和修改，以达到预期设计目标的过程”。就目前CAD技术可实现的功能而言，它是由在设计人员进行产品概念设计的基础上从事产品的几何造型分析，完成产品几何模型的建立，然后抽取模型中的有关数据进行工程分析和计算，例如有限元分析、仿真模拟等，根据计算结果决定是否对设计结果进行修改，修改满意后编辑全部设计文档、输出工程图。
图15-1
一般认为，CAD功能可归纳为：几何建模、工程分析、模拟仿真、自动绘图四大类。而实现这些功能的一个完备的CAD系统应由科学计算、图形系统和工程数据库组成。科学计算包括有限元分析、可靠性分析、动态分析、优化设计以及产品的常规计算分析等内容；图形系统的任务是用于包括几何造型、自动绘图（二维工程图、三维工程图）、动态仿真等设计过程；工程数据库是对设计过程中所需使用或产生的数据、图形、文档等信息进行存储和管理。
在CAD系统中，如若加入人工智能和专家系统技术，让计算机模拟人类专家解决问题的思路和方法进行推理和决策，可以大大提高设计自动化水平，可对产品进行功能设计、总体方案设计等产品的概念设计过程，以实现对产品设计全过程提供支持。
随着计算机辅助技术的发展及其日益广泛的应用，随着现代化生产对提高产品设计和制造效率的要求，现在的CAD过程已很多与计算机辅助制造（CAM：Computer Aided Make）集成在一起，构成一个包括CAD、CAPP（计算机辅助工艺设计：Computer Aided Process Planning）、CAM的CAD/CAM集成系统，根据CAD的结果并结合企业的工装设备和工艺技术，由CAPP获得符合企业实际条件的优化的工艺方案和合理的工时定额及材料消耗，自动生成相应的数控加工程序并送至CNC机床完成零件的加工。
随着信息技术的不断发展，为使计算机辅助技术给企业带来更大的效益，将企业内所有分散的信息系统进行集成，不仅包括生产信息，还包括生产管理过程所需的全部信息，从而构成一个计算机集成制造系统（CIMS：Computer Integrated Manufacturing System），而CAD/CAM集成技术则是计算机集成制造系统的一项核心技术。
目前，在国内比较流行的CAD及CAD/CAM软件有自主版权的CAXA系列软件、开目CAD、高华CAD等，以及如AutoCAD、MasterCAM、Pro/Engineer、SolidEdge、SolidWorks等国外软件系统。
二、 CAD硬件系统的典型组成
如图15-2所示为CAD硬件系统的典型组成。它分为三大部分：①计算机，含键盘、鼠标、显示器和主机；②图形输入设备，如扫描仪等；③绘图输出设备，如打印机、绘图机等。在实际工程中，设计计算所花的时间要比将设计成果用打印机或绘图仪输出所花的时间多得多，因此，通常是多台个人计算机配一套输入输出设备，设计人员事先在各自的计算机上作好设计（包括文档和图形），然后通过软盘、活动硬盘、光盘或网络传给系统主机，再进行文档和图形输出。
图15-2 CAD硬件系统组成
三、常用的CAD软件
目前机械CAD应用的软件主要为两大类。
（一）解决几何图形设计问题
这类软件主要是利用计算机的硬件和软件辅助完成符合工程要求的零件图或装配图，将工程技术人员从繁琐、低效、重复的工作中解脱出来，以便从事更具创造性的设计工作。在几何图形设计中，通常有以下四种方法：
1.交互式绘图
AutoCAD是当今国内外应用非常广泛的交互式绘图软件。交互式绘制机械工程图时，首先根据视图的构成和布置生成各视图的水平、垂直基准线，然后由这些基准线的位置通过偏移和坐标点的追踪确定其它图元的相对位置。
2.程序参数化绘图
在机械工程图中，由于很多零部件的形状是相似的，如键、销、螺钉、滚动轴承等，绘制这些零件的视图一般可采用程序参数化绘图方法完成。
在程序参数化绘图方法下，用户不再需要调用绘图命令逐条线地绘制图形，这样的工作可交给程序去完成，用户所做的工作只是向程序提供所要求的一些参数。例如图15-3所示的简单钣金零件图的绘制，用户只要输入（x1、y1、a、b、c、d）等参数即可，程序根据用户输入的参数自动地计算并确定图形中各实体的其它几何参数。
图15-3 简单钣金零件图
3.尺寸驱动式参数化绘图
尺寸驱动式参数化绘图，无须对图形实体进行准确定位，而是以草图形式快速绘制图形，然后进行必要的尺寸标注，如图15-4a)所示；最后通过驱动程序产生由尺寸标注所控制的准确图形，就得到了如图15-4b)的结果。
目前在国内市场上流行的各种CAD软件均具有尺寸驱动功能。
a) b)
图15-4 尺寸驱动参数化绘图实例
4.三维实体造型。前述三种方法虽然在绘图的质量和效率上都有了较大的提高，但均未摆脱二维作图的传统模式，在手工作图中所遇到的各种难题和问题并没有得到根本的解决。目前，三维实体造型技术已相当成熟，各种CAD/CAM系统为用户提供了丰富的三维造型的工具和手段，利用这些工具用户能够快速地建立所设计对象的三维实体信息模型，并通过投影、剖切等自动生成各种工程图，同时通过参数关联技术的应用，使得无论在三维实体模型环境还是在二维工程图环境下，任一方的修改都能在另一环境中得到反映，彻底解决了由于设计修改引起的图档更新问题。
（二）解决工程分析与计算问题
此类软件针对机械领域的需要，一般配置有如下模块：①计算方法库；②优化方法库及常用零部件优化模型库；③机构分析及机构综合软件；④机械系统动态分析软件；⑤模具分析软件。
目前在结构和机构分析、机械系统动态分析方面应用广泛的有美国的ANSYS软件。
此外，还有一些比较专用的文档制作类软件，用以快速生成设计结果的各类报告、表格、文件、说明书等。
（三）商品化软件简介
除了AutoCAD之外，近年来国内外比较流行的软件有开目机械零件设计系统(国产)、美国SDRC公司推出的I-DEAS、PTC公司推出的Pro/Engineer、CNC Software公司的MasterCAM等。
1.开目机械零件设计系统
开目机械零件设计系统为克服传统机械零件设计和计算方法步骤繁锁，耗费大量人力物力，同时也无法迅速获得最优结果的不足，将机械传动装置的设计过程中涉及到的许多复杂的计算，大量的线图和图表进行数据化和程序化处理，使得设计人员可以将所有精力放在设计方案的优化选择上。开目机械零件设计系统包括齿轮、带轮、链轮、轴及轴承等设计子系统，每一个子系统中都具备设计、校核、生成工程图等功能。下面仅介绍其齿轮设计系统的功能。
图15-5 齿轮设计系统的界面
(1)渐开线圆柱齿轮。具有齿轮传动设计、几何尺寸计算、齿厚测量尺寸计算、绘制工作图及精度计算等功能。采用的强度校核的依据是新编国标GB/T 3480圆柱齿轮和斜齿轮、承载能力计算方法。优点是可以根据变位系数封闭图任意选取合理的变位系数，然后计算齿轮的传动质量指标和轮齿的接触强度、弯曲强度。图15-5为其渐开线圆柱齿轮设计的界面，在利用该系统进行渐开线圆柱齿轮传动设计时，设计人员只要将齿轮传递的功率P、转速n、传动比i、压力角
、中心距限制、工作机和原动机工作特性等作为已知条件输入，然后在该系统根据设计规范和优化设计要求给出的合理范围内进行齿数选择、模数选择、齿宽因数选择、齿轮材料选择、齿轮传动精度选择等参数确定工作，剩余的工作包括强度计算和校核、齿轮具体尺寸确定、零件图的绘制、计算说明书的编写等全部由计算机完成。
(2)直齿锥齿轮几何尺寸计算。可以计算国标、格里森等齿制的直齿轮的几何尺寸。
(3)蜗轮蜗杆几何尺寸计算：可以计算ZA、ZI、ZH等齿制的蜗轮、蜗杆的几何尺寸。
(4)破损齿轮测绘。可以根据测绘数据，计算出渐开线圆柱直、斜齿轮的原始参数。
(5)齿轮工艺编制、齿轮刀具与量规设计和齿轮传动附件设计等。
2.I-DEAS设计系统
主要功能模块有：二维绘图；三维零件设计；机构设计；装配设计；曲面设计；公差分析；数控编程；钣金设计；模具零件库；模具数据库；有限元解算；有限元建模及后续处理；梁造型及后续处理；数据采集；测试数据分析；系统动态分析等。
3.Pro/Engineer实体设计系统
该系统是由美国PTC公司于1989年开发出来的，历经十几个春秋，版本不断更新换代，功能不断加强完善，通过Pro/Engineer及其相关软件Pro/Designer、Pro/Mechanica，可以同时完成工业设计、机械设计、功能模拟、加工制造等。其主要功能有：
(1)Pro/Engineer。基本三维造型，参数化功能定义、组装、三维实物着色、二维视图生成、二三维图形输出；复杂部件生成；二三维装配图组装设计，结构和运动干涉检查；工程图生成；复杂造型；系统间数据交换标准接口；有限元网格；复杂曲面造型；数控自动编程及刀具轨迹仿真；模具设计等。
(2)Pro/Designer。属于概念化设计工具，主要应用于工业设计，除一般的创建、评估、修改等各种产品概念设计之外，特别突出的是可以用来产生超越数学方程式定义的自由曲面，并直接应用于机械设计或工业产品原型制造上。
(3)Pro/Mechanica。属于功能性仿真软件，可以用来创建模型结构，也可以接受来自Pro/Engineer绘制的造型，并进行产品的结构分析、热传导分析、震动分析、机构分析等；此外，还可以利用其仿真功能进行产品的最佳化设计。
3.MasterCAM设计及制造系统
MasterCAM是将设计和制造结合在一起的PC级套装软件，利用MasterCAM可以绘制零件的图纸，生成零件的数控加工程序并通过电缆直接送至数控机床上，由数控机床完成零件的加工，是一套CAD/CAM一体化软件。在MasterCAM系统中，可以将用AutoCAD等CAD软件绘制的图形调入至MasterCAM中使用，也可将用MasterCAM绘制的图形送入到其它CAD软件中去使用。
