單位代碼 學 號 092605057 分 類 號 密 級 畢業設計（論文） 計算機輔助設計在生產中的應用 院（系）名稱 專 業 名 稱 學 生 姓 名 計算機輔助設計在生產中的應用 摘要 計算機輔助設計是 利用計算機及其 圖形 設備幫助設計人員進行設計工作 ,簡稱 工程和產品設計中，計算機可以幫助設計人員擔負計算、信息存儲和制圖等項工作。在設計中通常要用計算機對不同方案進行大量的計算、分析和比較，以決定最優方案；各種設計信息，不論是數字的、文字的或圖形的，都能存放在計算機的內存或外存里，并能快速地檢索；設計人員通常用草圖開始設計，將草圖變為工作圖的繁重工作可以交給計算機完成；利用計算機可以進行與圖形的編輯、放大、縮小、平移和旋轉等有關的圖形數據加工工作。 隨著現代計算機技術的飛速發 展，計算機輔助設計 生產中的應用日益廣泛，本文主要從計算機輔助設計在機械生產中的應用等方面闡述了其在機械設計中的顯著優勢，并對目前國內企業機械產品開發過程三維 統應用現狀和存在問題進行了分析。從產品開發的實際需求和產品特點與軟件功能出發，對企業應用三維 程提出了改進方案，最后介紹了三維 術發展的趨勢。 關鍵詞： 計算機輔助設計 三維 用 目 錄 1 緒 論 . 1 題背景及目的 . 1 述 . 1 2 術從二維 三維 過渡 . 2 介 . 2 維 優勢 . 3 介 . 4 3 計算機輔助設計在生產中的應用 . 5 算機輔助設計應用于生產的優勢 . 5 算機輔助設計在生產中的作用 . 6 4 計算機輔助設計的應用趨勢 . 8 算機輔助設計應用于生產時存在的問題 . 8 算機輔助設計應用于生產的發展趨勢 . 8 結 語 . 10 致 謝 . 11 參考文獻 . 12 1 緒 論 題背景及目的 計算機的發展及應用，使人們的生活日新月異。計算機輔助設計源于計算機圖形技術的產生，計算機輔助設計的研究構想發端于 1950 年，但最早記錄是在 1963 年，美國麻省理工學院的研 究人員 伊凡蘇澤 蘭在美國計算機聯合會會議上發表了名為畫板的論文，從而開始了計算機輔助設計的發展歷程。他從 1950 年開始著手開發通過 圖形技術來處理人與電腦交互對話的操作系統。 1963 年這套以電腦主機、顯示屏、光電筆和鍵盤為工具的圖形畫線系統得到實現。這套圖形畫線系統開發和引進了許多計算機繪圖的基本思想和技術，使用戶可以運用電腦畫出直線、復雜曲線以及簡單的標準部件。 最初 解釋為“計算機輔助繪圖”，由于當時計算機在設計上的作用是替代傳統手工繪圖的一種新工具，但隨著后來信息技術的飛速發展，計算機技 術在各領域的廣泛應用， 含義也在不斷變化擴展，隨著 20 世紀 70 年代像素的產生、 80 年代三維曲面造型系統的開發等，使電腦繪圖從只能用“線”這一基本繪制元素發展到可以用點、面、體進行繪制計算機圖形，從而使 含義也發展成現在人們比較熟知的計算機輔助設計這個概念了。 我國的計算機輔助設計起源于 20 世紀 70 年代。與國外計算機輔助設計發展的軌跡相似，國內計算機輔助設計的研究與應用基本上是從各高等院校發展起來的。 20 世紀90 年代初，隨著我國現代化進程的迅速發展以及計算機的進一步普及，在環境藝術設計和創作領域 ，計算機技術應用的價值，逐漸得到人們的重視。 論 開始于上世紀 50 年代后期的計算機輔助設計技術，從最初的僅僅被簡單的作為圖板的替代品到 70 年代的二維制圖過度到三維建模再到現在的集產品的構思、功能設計、結構分析、加工制造、數據管理于一體的智能 術，計算機輔助設計經歷了一個漫長又曲折的發展歷程。在今天， 術越來越廣泛的用于生產中。那么， 術究竟有怎樣的優勢，它又是如何在生產中起到積極作用的，而它的發展趨勢又是怎樣的呢，本文稍后將對以上問題進行淺談。 2 術從二維 三維 過渡 介 計算機輔助設計是利用計算機強大的圖形處理能力和數值計算能力，輔助工程技術人員進行工程或產品的設計與分析，達到理想的目的，并取得創新成果的一種技術。自1950 年計算機輔助設計（ 術誕生以來，已廣泛地應用于機械、電子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等領域，產品的設計效率飛速地提高。現已將計算機輔助制 造技術（ 產品數據管理技術（ 計算機集成制造系統（ 于一體。 產品設計是決定產品命運的研究，也是最重要的環節，產品的設計工作決定著產品75%的成本。目前， 統已由最初的僅具數值計算和圖形處理功能的 統發展成為結合人工智能技術的智能 統（ ( 21 世紀， 術將具備新的特征和發展方向，以提高新時代制造業對市場變化和小批量、多品種要求的迅速響應能力。 以智能 代表的現代設計技術 、智能活動是由設計專家系統完成。這種系統能夠模擬某一領域內專家設計的過程，采用單一知識領域的符號推理技術，解決單一領域內的特定問題。該系統把人工智能技術和優化、有限元、計算機繪圖等技術結合起來，盡可能多地使計算機參與方案決策、性能分析等常規設計過程，借助計算機的支持，設計效率有了大大地提高。 維設計軟件具有工程及產品的分析計算、幾何建模、仿真與試驗、繪制圖形，工程數據庫的管理，生成設計文件等功能。三維 廣泛地應用于機械、電子、建筑、化工、航空 航天以及能源交通等領域，產品的設計效率得以迅速提高。我國 術的研究、開發和推廣已取得較大進展，產品設計已全面完成二維 術的普及，結束了手工繪圖的歷史，對減輕人工勞動強度、提高經濟效益起到了明顯的作用。有相當一部分 用較早的企業已完成了從二維 三維 換，并取得了巨大的經濟效益和社會效益。隨著市場經濟的逐步深入，市場競爭日趨激烈，加強自身的設計能力是提高企業對市場變化和小批量、多品種要求的迅速響應能力的關鍵。 維 優勢 首先 品造型修改和實體裝配圖的生成被用在機械設計的多個方面設計軟件為三維建模提供了多種工具，包括最基本的幾何造型如球體、圓柱等，對簡單的零件，可通過對其結構進行分析，將其分解成若干基本體，對基本體進行三維實體造型，之后再對其進行交、并、差等布爾運算，便可得出零件的三維實體模型。對于較復雜的圖形，軟件提供了草圖工具，設計人員可以通過它先勾勒出截面，再拉伸出較復雜的幾何形體。為了滿足人們不斷提高的審美要求，目前主 要流行的幾款三維設計軟件基本上都提供面片模塊，該模塊為設計人員提供了非常方便的曲面設計工具。對于具有大塊 曲面的零件，設計師可以方便地對單個面或片體進行變形處理，以達到需要的曲面。 企業生產的產品往往是按系列區分，各系列中每一代產品與上一代產品之間的區別較小，也許只是增加了一個功能部件或是產品造型尺寸上有所改動。三維 以方便地修改一些參數就能達到設計師更改造型的目的。三維 建模中一般使用參數化建模，整個建模的步驟和產品的外型尺寸被參數化，這些參數是與產品的造型直接關聯的。若要對尺寸或造型進行局部的更改，只需要更改相關參數，整個造型將被自動更新。這樣不僅大大減少了設計人員的工作量，還保證了產品外造型的 延續性。 實體裝配不僅能讓設計人員直觀地看到各零件裝配后的狀態，還可以測量各零件之間的空間大小，方便零件的布置。在裝配完成后，零件可以被隱藏或設置成半透明的狀態，方便設計人員觀察內部結構。此外，在裝配狀態下，軟件提供的標準件庫，也方便了設計人員對標準件型號的選擇。裝配狀態下的干涉分析也是常用的功能，計算機通過計算各裝配零件的體積的大小和位置來確定是否有相交的部分，并確定各零件是否干涉，自動生成分析報告，明確指出互相干涉零件的名稱和干涉的尺寸。方便設計師修改產品設計尺寸。 另外隨著技術發展，為了減輕人工勞動強 度，提高產品的精度，制造行業裝備從普通機床逐步到數控機床和加工中心，模具激光快速成型技術（ ，幾乎應用到整個制造行業。這些數控加工裝備基本都具有與各三維設計軟件的接口。當產品模型在三維 件中完成后，再由 件模擬出加工刀具路徑，隨后生成數控語言，通過接口輸入數控設備中，再由數控設備按照模擬出的加工路徑加工產品。 介 三維 件的重要模塊， 能包括工程數值分析、結構優化設計、強度設計評價與壽命預估、動力學、運動學仿真等。 術在建模模塊完成產品造型后，才 能由 塊針對設計的合理性、強度、剛度、壽命、材料、結構合理性、運動特性、干涉、碰撞問題和動態特性進行分析。 術在我國也得到了廣泛應用，以汽車制造業為例，國內多家主車廠和汽車設計公司在使用三維 件完成新車型的設計后，進行 析，如干涉檢查、鈑金成型分析、塑料件拔模角分析、車身強度剛度的測試，在車窗、車門、雨刮器等運動部件上廣泛采用 塊中的運動仿真功能，計算出零件 的運動軌跡，以及零部件在運動中的狀態，為設計人員提供直觀的參考。這些分析工作大大提高了新車型的可靠度，縮短了新車型的開發周 期，減少了返工，節約了研發成本。采用三維 術，機械設計時間縮短了近 1/3。同時，三維 統具有高度變型設計能力，能通過快速重構，得到一種全新的機械產品，大大提高了工作效率。 3 計算機輔助設計在生產中的應用 算機輔助設計應用于生產的優勢 作為一項被世界各國廣泛應用的計算機技術， 術是衡量一個國家工業水平的重要標志之一，也是衡量一個企業技術水平的重要標志。利用計算機實現生產設計和生產，是降低成本提高工程設計中的精確強度，加強競爭與奪標能力的有力手段。計算 機繪圖是建立起某種模式和方法，使計算機領會人的意圖， 進行科學分析和計算，作出判斷和選擇，最后輸出滿意的設計結果和生產圖紙。它是設計者向系統輸人根據設計要求建立起來的數學模 型和設計參數，讓計算機去檢查有關的資料，并根據相應的公式和標準規范進行計算機優化、顯示出設計結果。其還可以在屏幕上對設計結果進行放、 縮、旋轉、平移等變換。如果用戶不滿意，可以對設計圖形作出修改、剪裁、拼接等處理，直到獲得滿意的結果，最后由繪圖機輸出圖樣。功能和很高的數學精度，其有效位數已完全能夠滿足工程測量中的需要。在工作期間。可將所有 圖紙、所有工程量表格及文檔進行分類，其重點是對圖紙文件利用 行總圖的繪制，在以后的工作中，就可以在總圖上進行查找，它將更好的減輕測量人員的外業勞動強度，更好地提高測景作業效率和作業精度。 較之于傳統的手繪圖設計，計算機輔助設計軟件 優點主要體現在以下幾個方面。其一，使設計工具集中化 計算機作為設計工具，代替了所有其它傳統設計工具。如常用 的紙、筆、直尺、圓規、三角板等。減輕了常規制圖的勞動強度。自從使用 電腦繪圖后，桌子上少了筆、尺、圓規、三角板等隨著小小鼠標的移動。一張工整的圖紙便呈 現在面前。 其二，避免了重復性工作，大大減少了工作強度。在以往的繪圖工作中，往往需要繪制不同比例的樣圖，是重新繪制，而計算機只要將圖紙提出，加以簡單放大或縮小就可以 得到所需的各種比例樣圖。計算機是個善于復制和修改的能手，它能使重復性工作大為減少，提高工作效率。 其三，在圖紙管理方面為工作者提供了很大的方便。傳統的圖紙修改，首先要刮圖紙，極易造成圖紙損壞，大大影響了圖紙的美觀性。而在計算機中對圖紙進行，無論修改多大面積的繪圖，對圖紙修改多少次，即使是牽涉到圖的重新排版，都可以很方便地完成，并且在最后出圖時不 留痕跡。并且對于保存的大量圖紙還可以按一定的順序，比如名稱、規格、類型等進行分類，打印成圖，或者刻錄到光盤中，永久保存，不但減少檔案柜占據的工作空間，也有效地防止了由于計算機損壞造成的圖紙資料的丟失。計算機操作系統還提供了強大的目錄管理功能，可使不同類別的圖紙存放在各個不同的文件夾中，以代替龐大的文件柜和分件夾，還可對這些圖紙資料進行復制、備份、提取和整理。現在，除了正常繪制加工所需的圖紙外，正逐步把文件柜中保存多年的圖紙資料輸入到計算機中。 算機輔助設計在生產中的作用 計算機輔助設計在生產中扮演著 正面積極的角色，他從各個方面促進了生產的效率。以機械生產為例，目前軸承市場競爭異常激烈，需求不斷提高 ,所需產品結構復雜、精度要求高 ,交 貨日期短。 軸承設計要求嚴格 ,內部尺寸之間有嚴格的配合關系 ,并且其要求的生產工藝復雜，加工精度高 ,所需的工裝圖紙不僅數量大 ,而且加工難度大 ,尺寸要求嚴格。 通 常的設計流程是 ,先設計出草圖 ,根據草圖試生產若干件樣品 ,再根據 試生產的結果修改圖紙 ,反復幾遍 ,才能最終出正式圖。這樣不但生產周期長 ,而且因為反復修改模具、工裝 ,導致生產成本提高。 如何提高產品的一次設計成功率 ,降低生 產成本 ,縮短制造周期 ,從而提升企業的市場反應速度 ,提高軸承產品的競爭力？在軸承設計中應用 術 ,較好地解決了這一問題。 (一 )提高質量 應用 術可以提高產品設計的質量 ,縮短設計周期 ,真正做到輔助設計二維 亮 ,提高繪圖效率，而且以后的圖紙修改及管理也很方便。但它與傳統的手工繪圖一樣 ,對減少產品設計錯誤、設計更改和返工現象并無重大影響 ,對企業最需要的設計質量并沒有多大的提高。而應用三維 行產品設計 ,可以方便地設計出所見即所得的三維實體產品模型 ,所有 零件的三維模型可以放在一張圖內。而利用三維 供可以方便、快捷地對三維模型進行模擬裝配和干涉檢查 ,對重要零部件進行有限元分析與優化設計。所有零件的設計缺陷和干涉部位 ,可以一目了然地發現出來 ,無需面對數十張二維圖紙苦心冥想其中的關聯。設計人員的考慮重點將是產品的結構是否合理 ,產品的功能是否滿足要求 ,無需花費大量精力去考慮產品圖線型、剖切位置、投影關系等與產品質量關系不大的因素。生產的二維工程圖紙 ,可通過三維 三維與二維的關聯功能 , 直接由三維自動生成符合國標的二維工程圖紙。 (二 )節約成本 應用 三維 夠減少產品工裝修模次數 ,降低成本。如某些精密加工行業 ,產品加工所需的工裝不但數量大、規格種類多 ,而且加工精度要求很高 ,制造周期較長。通常的做法是根據產品圖和操作圖 ,先用二維 筆一筆地繪出工裝草圖 ,然后試制、試裝 ,不合適再修改 ,反復幾次 ,直到達到工藝要求。使用三維 計工裝 ,則可以克服傳統繪圖的缺點 ,直觀地看到各組成零件的配合情況 ,甚至可以通過模擬工裝的運動過程 ,在工裝投入制作之前發現不合適的部位及時修改 ,從而提高了工裝設計的準確性 ,減少了修模次數 ,從而節省了生產成本 ,產品制造周期也縮短 了。 (三 )靈活性高 應用三維 夠快速進行變型設計。某些具有型號多，系列多等特點的產品，往往同系列的產品工裝結構基本相同 ,只是尺寸不同。而不同系列的產品工裝雖然結構不同 ,但工裝中的某些零件結構相似 ,只需稍做改動。應用三維 以快速完成工裝的變 型設計 ,因為所有零件均以數字樣機的形式存放 在計算機中 ,在已建立的數字樣機基礎上 ,根據同系列或相近系列產品的不同要求 ,或修改、或增加、或刪除各種結構和零部件 ,快速準確地完成新工裝的設計。基于參數化建模的三維實體設計軟件 ,能夠更快速、更經濟地完成所要進 行的工作 ,它的裝配檢查 ,也可避免以往變型設計中容易產生的碰撞等不合理結構 ,使變型產品的設計更趨完美。 (四 )便利性 應用三維 夠提高產品宣傳的效果。利用三維 設計軟件高級渲染功能和動畫輸出功能 ,能夠把已經設計出的產品和各零部件模型 ,輸出成具有照片級真實感的效果圖 ,或者將產品各部件之間的運動和相互的約束關系以動畫的形式表現出來 ,模擬產品的實際工作狀態。通過效果圖和動畫 ,無需等到產品制作出來 ,客戶就可以“看到”該產品 ,從而對設計的產品結構和功能有較深刻的理解 ,彌補了以往僅利用技術圖紙進行產品描述所 帶來的不便 ,達到提高客戶滿意度和樹立企業良好形象的目的。 4 計算機輔助設計的應用趨勢 算機輔助設計應用于生產時存在的問題 雖然 術已經廣泛的用于各個行業的生產環節之中并日趨成熟，但不可否認的是在一些領域仍存在問題。其原因有以下幾點：其一，未能真正實現輔助設計。很多使用企業并未實現真正的輔助設計，目前很多單位用 件可以做出三維模型，但僅僅是為了做三維效果圖，并未真正實現運用三維 件進行整體空間設計和受力分析，還停留在平面圖設計方面。他們只是做到用計算機出圖，只停留在這個階 段，就失去了其應有的作用，因為 輔助設計，不是輔助繪圖。特別是三維 件中的 能在各企業間應用得就更少了。以汽車行業為例，雖然現在汽車企業普遍認識到， 對產品未來的工作狀態和運行行為進行虛擬運行模擬，及早發現設計缺陷，實現優化設計。但對于如何有效開展 工作就沒有明確的認識。其次，精通 術的人員匱乏。三維 統是一個復雜、多樣的 系統，并不是每個設計人員都能很好地掌握，更何況大部分設計人員并沒有接受過 多數功 能知之甚少，他們完成的設計很可能就存在一些缺陷。世界著名的汽車制造商福特、通用、戴姆勒 術應用得好，是因為得益于幾十年來一直大力開展 用而積淀下來的寶貴經驗以及培養出了一支高水平的技術隊伍。現在國內既懂計算機軟、硬件，又有豐富專業知識的人才匱乏，而這恰是企業最為寶貴的財富。為了留住人才，各企業也做出了很大的努力，但整個行業還是缺乏培養人才的氛圍，部分企業還是沒有意識到自己培養出的人才比在市場上招聘的人才更了解自己的企業，也是企業發展的中堅力量。改變這一點還需 要付出大量的努力，需要經歷一個長期的過程。 算機輔助設計應用于生產的發展趨勢 計算機輔助設計軟件已經給人們的設計工作提供了很大的便利，但其自身仍在不斷的完善之中，同時也在向著以下幾個方向發展： (一 )圖形交換技術 一個直觀的、智能化的工作界面可以開拓設計師的思路，解放大腦，讓他把精力集中到創造性的工作中。 件是產品創新的工具，務求易學好用，復雜的功能操作簡單，簡單的功能能夠實現自動化。因此，智能化圖標菜單、實時生成的造型、動態提示指引等一系列人性化的功能，為設計師提供了方便。此外，觸摸輸入法草 圖識別、語言識別和特征手勢建模等新技術也正在研究之中。 (二 )智能 術 隨著人們一定程度上掌握創造性活動的規律，逐漸對計算機輔助設計軟件提出智能化需求。設計是一個含有高度智能的人類創造性活動，智能 發展的必然方向。智能設計在運用知識化、信息化的基礎上，建立基于知識的設計倉庫，及時準確地向設計師提供產品開發所需的知識和幫助，智能地支持設計人員，同時捕獲和理解設計人員意圖、自動檢測失誤，回答問題、提出建議方案等。并具有推理功能，使設計新手也能做出好的設計來。現代設計的核心是創新設計，人們正試 圖把創新技法和人工智能技術相結合應用到 術中，用智能設計、智能制造系統去創造性指導解決新產品、新工程和新系統的設計制造，這樣才能使我們的產品、工程和系統有創造性。 (三 )虛擬現實技術 虛擬現實技術在 已開始應用，設計人員在虛擬世界中創造新產品，可以從人 機工程學角度檢查設計效果，可直接操作模擬對象，檢驗操作是否舒適、方便，及早發現產品結構空間布局中的干涉和運動機構的碰撞等問題，及早看到新產品的外形，從多方面評價所設計的產品。虛擬產品建模就是指建立產品虛擬原理或虛擬樣機的過程。虛擬制造用虛擬原型取代 物理原型進行加工、測試、仿真和分析，以評價其性能，可制造性、可裝配性、可維護性和成本、外觀等，基于虛擬樣機的試驗仿真分析，可以在真實產品制造之前發現并解決問題，從而降低產品成本。虛擬制造、虛擬工廠、動態企業聯盟將成為 術在電子商務時代繼續發展的一個重要方向。 另外，隨著協同技術、網絡技術、概念設計面向產品的整個生命周期設計理論和技術的成熟和發展，利用基于網絡 成技術，實現真正的全數字化設計和制造，已成為機械設計制造業的發展趨勢。 結 語 通過這次 設計論文設計 ,我對機械和計算機輔助的設計有了更加深刻的了解。古人云“工欲善其事 ,必先利其器”。先進的設計工具能夠提高產品的制造水平。 計算機輔助設計技術發展到今日，其二維繪圖轉向了三維設計 ,這是質的飛躍。應用三維 統進行產品開發 ,從根本上改變了過去手工繪圖、憑圖紙組織整個生產過程的技術管理方式 ,設計構思的表達由二維圖紙演變成能在計算機模擬顯示零件三維實體模型的虛擬產品 ,大大提高了產品設計的一次成功率 ,從而不僅縮短了產品的設計周期 ,提高了設計質量 ,而且降低了生產成本。這項技術必將提高產品的競爭力 ,使企業 在激烈的市場競爭中獲得生存與發展。因此，計算機輔助設計在生產中正在并將持續扮演著重要的角色。 為了使我國的計算機輔助設