畢業(yè)設計論文-在機械工程中CAD的應用和分析

合肥通用職業(yè)技術學院畢業(yè)設計論文題目：在機械工程中CAD的應用和分悉系別：機械工程系專業(yè)：機電一體化學制：三年姓名：陳萌萌學號：11090302指導教師：房老師二O一一年十月十六日指導教師評語及成績：指導教師：20年月日摘要目前，隨著制造業(yè)的迅猛發(fā)展，人們逐漸意識到計算機輔助設計的廣泛實用性。本文介紹了當前CAD的相關基本知識，以及當前企業(yè)機械設計過程中存在的幾個問題及相應的解決方法。為企業(yè)提高機械設計水平提供借鑒作用。計算機輔助設計以其強大的輔助圖形設計和三維實體造型功能必將改變傳統(tǒng)的繪圖方式，使繪圖工作變得更輕松而高效。關鍵詞計算機輔助設計（CAD）機械設計機械工程目錄第一章機械工程中計算機輔助設計（CAD）概論分析1.1概述...................................11.2CAD的基本概念.................................11.3CAD技術現(xiàn)狀........................................2第二章CAD技術在機械設計的應用2.1概述.................................................32.2CAD技術在結構設計及分析中的應用.....................32.3CAD技術在齒輪傳動設計中的應用.......................3總結..............................................9參考文獻..........................................9致謝詞............................................10第一章機械工程中計算機輔助設計（CAD）概論分析1.1概述工程計算機輔助設計（EngineeringComputerAidedDesign，簡稱工程CAD）是用計算機硬件、軟件系統(tǒng)輔助工程技術人員進行產(chǎn)品或工程設計、修改、輸出的一門多學科的綜合性應用新技術。它是隨計算機、外圍設備及其軟件的發(fā)展逐步形成的高技術領域。經(jīng)過最近40多年的發(fā)展，CAD技術在國內(nèi)外被廣泛應用于機械、電子、航空、建筑、紡織、化工、環(huán)境及工程建設等各個領域。從20世紀80年代開始，CAD技術應用工作在我國逐步得到開展，經(jīng)過“七五”的努力，取得了明顯的經(jīng)濟效益。采用CAD技術后，工程設計行業(yè)提高功效3~10倍，航空、航天部門二科研試制周期縮短了1~3倍，機械行業(yè)的科研和產(chǎn)品設計周期縮短了1/3~1/2，提高功效5倍以上；特別市近些年，我國在CAD應用和開發(fā)方面，取得了相當大的進展，二維CAD技術已經(jīng)趨于成熟，三維CAD技術正處于蓬勃發(fā)展時期。當然，從總體水平上講，我國CAD技術水平與國外工業(yè)發(fā)達國家相比還有很大的差距；各地、各行業(yè)CAD技術的應用、發(fā)展上不盡一致，特別是在CAD技術應用的廣度和深度上，以及對CAD普及發(fā)展作用的認識方面，仍然存在著需要解決的問題眾所周知，人才培訓是開展CAD應用工程的重要環(huán)節(jié)之一，只有廣大的工程技術人員掌握了CAD技術，才有可能使之轉化為生產(chǎn)力，促進CAD技術向縱深方向發(fā)展。20世紀90年代初期國家科委、國家教委等八部就開始聯(lián)合推廣“CAD應用工程”，先后建立了八大CAD培訓基地、幾百個培訓網(wǎng)點，開展CAD技術的普及推廣工作。推廣CAD技術的重要意義:它是加快經(jīng)濟發(fā)展和現(xiàn)代化的一項關鍵性技術，是提高產(chǎn)品和工程設計的技術水平，降低消耗，縮短科研和新產(chǎn)品開發(fā)以及工程建設周期，大幅度提高勞動生產(chǎn)率的重要手段；是科研單位提高自主研究開發(fā)能力，企業(yè)提高應變能力和管理水平，參與國際合作和競爭的重要條件；也是進一步向計算機輔助制造(CAM）、計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)發(fā)展的重要基礎。CAD技術及其應用水平已成為衡量一個國家科技現(xiàn)代化和工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標志之一。了解CAD的發(fā)展歷史，有助于我們更好地、更有效地應用這門新型技術。1.2CAD的基本概念1973年，當CAD處于發(fā)展初期的時候，國際信息聯(lián)合會給CAD一個廣義的定義：“CAD是將人和計算機混編在解題專業(yè)組中的一種技術，從而將人和計算機的最佳特性結合起來?！比司哂袌D形識別的能力，具有學習、聯(lián)想、思維、決策和創(chuàng)造能力，而計算機具有巨大的信息存儲和記憶能力，有豐富靈活的圖形和文字處理功能和高速精確的運算能力，上述人和計算機最佳特性的結合是CAD的目的。CAD有廣義和狹義之分，廣義CAD即指國際信息聯(lián)合會給CAD定義的一切設計活動；而狹義的CAD是指工程CAD，是在產(chǎn)品及工程設計領域應用計算機系統(tǒng)，協(xié)助工程技術人員完成產(chǎn)品及工程設計的整個過程。在方案設計及技術設計階段，CAD應用尤為廣泛。CAD系統(tǒng)則是指進行CAD作業(yè)時，所需的硬件及軟件兩大部分集合。一個完整CAD系統(tǒng)的硬件部分應包括主機、圖形輸入設備、圖形顯示器及自動繪圖機。它區(qū)別于一般事務處理計算機系統(tǒng)之處，主要在于CAD系統(tǒng)具有較強的圖形處理能力。在CAD工作中，計算機的任務是、實質是進行大量的信息加工、管理和交換。也就是在設計人員初步構思、判斷、決策的基礎上，由計算機對數(shù)據(jù)中的大量設計資料進行檢索，根據(jù)設計要求進行計算、分析及優(yōu)化，將初步設計結果顯示在圖形顯示器上，以人機交互方式反復加以修改，經(jīng)設計人員確認后，在自動繪圖機及打印機上輸出設計結果。1.3CAD技術現(xiàn)狀CAD技術經(jīng)歷了二維繪圖、三維線框、曲面造型、實體建模、變量化設計、參數(shù)化造型、特征建模、復合建模、準配及參數(shù)化、智能化設計等階段。隨著計算機硬件的不斷發(fā)展，目前CAD軟件技術的發(fā)展具有如下幾個方面特點。易用性硬件平臺微機性性能大大提高，價格大幅度下降，使得原來只能在UNIX操作系統(tǒng)上運行的高檔CAD軟件紛紛轉移到微機平臺上，從而大大降低了CAD系統(tǒng)的總投資。軟件環(huán)境大量的計算機用戶非常熟悉微機的操作系統(tǒng)，它幾乎成為無需培訓便可使用的軟件環(huán)境。由于大量的CAD軟件采用微機操作系統(tǒng)作為平臺，因此提高了CAD系統(tǒng)的易用性。網(wǎng)絡環(huán)境并行工程和協(xié)同工作已經(jīng)成為CAD行業(yè)無可爭議的發(fā)展方向，因此CAD軟件還需要解決不同人員，不同地點之間的數(shù)據(jù)共享問題。Wed技術是解決這個問題的理想手段，是CAD軟件廣泛采用的重要技術。（2）成熟性經(jīng)過30多年的發(fā)展，CAD的核心技術——幾何拓補學幾經(jīng)趨于成熟，并且逐步形成公認的圖形標準。目前使用最廣泛的有Parasoid和ACIS等圖形核心軟件。CAD軟件供應商把主要精力集中在如何給用戶提供更加方便、有效、快速的設計與分析的使用工具。軟件的成熟性還表現(xiàn)在通用CAD系統(tǒng)的功能幾乎大同小異，用戶無需在軟件功能的比較和選型方面下很大功夫，而應該把更多的精力放在該軟件的發(fā)展策略和技術服務能力的考察上面。（3）智能型隨著CAD技術不斷發(fā)展，設計知識從一個零件的關鍵尺寸參數(shù)化逐漸發(fā)展到零件特征的參數(shù)化和裝配件關鍵尺寸的參數(shù)化等幾何知識。近幾年設計知識進一步擴充到整體幾何設計知識，如零件的體積、表面積、轉動慣量等參數(shù)控制，甚至于控制非幾何的設計知識，如規(guī)定裝配件中零件的連接方式、運動部分的活動范圍，從而大大提高了設計水平和設計效率。（4）集成性為了實現(xiàn)并行工程和協(xié)同工作，作為設計的龍頭CAD軟件必須盡早與下游的各項目工作進行快速有效地通信，因此CAD和CAM、CAPP、CAE的集成一直是CAD供應商追求的目標。隨著產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理要求的日益高漲，CAD集成到PDM系統(tǒng)（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)）也成為當前的重要課題之一。人們普遍認識到各個軟件孤島將會給整個企業(yè)的管理帶來沒完沒了的麻煩。在實際CAD應用系統(tǒng)中用戶通常采用混合應用模式，及一般高檔的CAD軟件負責復雜的零件設計、分析與加工編程；中檔軟件負責對一般零件的設計；抵擋軟件負責繪制工程圖紙；最后在高檔或中檔CAD軟件中實現(xiàn)裝配、虛擬樣機和干涉檢查。這種混合型的應用是比較經(jīng)濟的，但是必須解決好這三檔CAD軟件之間的數(shù)據(jù)交換，最好選用同一個供應商推出的無縫聯(lián)接的CAD系列軟件。第二章CAD技術在機械設計的應用2.1概述CAD技術在機械制造業(yè)的應用最早，也是最為廣泛。采用CAD技術進行產(chǎn)品設計，不但可以是設計人員“甩掉圖版”，更新傳統(tǒng)的設計思想，實現(xiàn)設計自動化，降低產(chǎn)品的成本，提高企業(yè)及其產(chǎn)品在市場上的競爭力；還可以使企業(yè)建立一種全新的設計和生產(chǎn)技術管理體制，采用并進行工程，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高勞動生產(chǎn)率。當今世界各大機械制造企業(yè)（如航空、航天及汽車等制造業(yè)巨頭）不但廣泛采用CAD/CAM技術進行產(chǎn)品設計，而且投入大量的人力、物力及資金進行CAD/CAM軟件的開發(fā)，以保持自己技術上的領先地位和國際市場上的優(yōu)勢。CAD技術在機械行業(yè)中的應用取得了重大成果，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。工程繪圖和文檔生成。為產(chǎn)品的設計提供二維工程圖紙和其他設計文檔。這是CAD技術在機械設計中應用最廣泛、最成熟的一方面，設計人員甩掉圖板在許多企業(yè)成為現(xiàn)實。三維造型。采用各種實體造型（如特征造型）系統(tǒng)來設計產(chǎn)品的結構，可以在計算機上得到逼真的效果，為設計者進行設計分析時提供了極大的方便。圖形庫的建立。為了提高設計效率，可以將標準件、通用件、常用件、符號等圖形做成w圖塊存入圖形庫中，在進行產(chǎn)品設計時隨時可將其導入。參數(shù)化和變量化設計。再設計過程中，又是零部件的形狀是相同的，而它的尺寸經(jīng)常發(fā)生改變。利用參數(shù)化和變量花設計工具，再設計過程中不僅可以建立圖形庫，而且可以改變某些零部件的尺寸，得到設計效果。如螺栓的簡化畫法，只需給出螺栓的直徑、螺桿長度，各部分尺寸隨之確定，用參數(shù)化繪圖非常方便。有限元分析。有限元方法是強有力的復雜工程結構分析手段。正是有了計算機高數(shù)值計算能力，有限元分析的計算方法才得以實現(xiàn)。利用有限元方法可以對復雜的工程結構應力和應變分析，從而設計出良好的機器。產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(ProductDataManagement,PDM)。隨著企業(yè)對計算機輔助設計技術日益廣泛和成熟，各個自動化單元體系需要建立有效的信息溝通與協(xié)調方法。采用PDM技術，以產(chǎn)品為核心，實現(xiàn)對產(chǎn)品相關的數(shù)據(jù)、過程、資源一體化集成管理的技術，可以提高企業(yè)的競爭力。2.2CAD技術在結構設計及分析中的應用在機械原理學科中傳統(tǒng)的機構設計及分析通常有圖解法和解析法。解析法精度較高，但常需要建立復雜的數(shù)學關系式，編寫大量的計算程序，工作量很大；圖解法盡管概念清楚、簡單易行，但作圖精度較差、效率低，有時作圖也很煩瑣。應用CAD技術，基于圖解法的設計思路，用交互式繪圖進行平面機構的設計及分析，方法簡單、使用、效率高，并能達到較高的精度。2.3CAD技術在齒輪傳動設計中的應用齒輪傳動由于其傳動準確可靠，效率高，被廣泛應用于現(xiàn)代機械中。在齒輪設計中，通常根據(jù)使用要求、工作條件，選取設計參數(shù)，進行強度計算和幾何尺寸計算，最終繪出用于加工的齒輪工作圖，如圖2-1所示圓柱齒輪工作圖一般包括主視圖、左視圖、尺寸標注、形位公差標注、參數(shù)表、技術說明、標題欄等內(nèi)容，如圖2-2所示。圖2.1圓柱齒輪工作圖圓柱齒輪工作圖的繪制步驟如下。開始新圖作業(yè)輸入命令new或圖標，彈出“選擇樣板”對話框。選擇“acadsio.dwg”樣板圖，開始新圖作業(yè)。創(chuàng)建圖層、并設置其顏色、線性等輸入命令layer或點擊圖標，彈出圖2-2所示對話框，單擊“新建”按鈕，創(chuàng)建圖示新層。繪制圖形繪制中心線打開“中心線”層，用line命令繪制中心線。繪制左視圖如圖2-2所示，分別在“中心線”層和“粗實線”層，用arc命令繪制相應的園。在“細實線”層，用spline命令繪制截斷線4。用trim命令一線4為修剪邊界，修剪圖形。用break命令將園1上下處中心線打斷，以便陣列出要求效果。命令：BR選擇對象：（在園1上方或下方合適位置選擇直線2）指定第二打斷點或[第一點（F）]：@用array命令將園1和其垂直中心線環(huán)形陣列，如圖2.3所示，選中“環(huán)形陣列”單選框，單擊“選擇對象”選擇按鈕選擇園1和其垂直中心線，單擊“中心線”選擇按鈕選擇大圓圓心，指定“項目總數(shù)”為4、“填充角度”為-180°文本框1和其垂直中心線，陣列數(shù)目為4，用offset命令，根據(jù)要求尺寸將中心線偏移復制輔助線組3，再將其轉換到“粗實線”層，然后用trim命令修即可。繪制主視圖此圖為左右對稱圖形，可先繪制出圖形的左半邊部分，然后鏡像復制。用offset命令，根據(jù)要求尺寸將中心線偏移復制出相應的輔助線，齒跟圓6與分度圓5的距離。用line命令繪制出鍵槽處的輔助線，用trim命令修剪掉右側多余線段，如圖2-3所示。將輔助線轉到“粗線層”。用fillet命令、“修剪”方式，一半徑為3倒圖中兩處圓角。用chamfer命令、“修剪”方式，一倒角距離2倒圖中3處倒角。用line命令，交點7開始，捕捉直線8垂足、捕捉交點9畫線。如圖2-3所示.?！皥D層特性管理器”對話框齒輪左視圖的繪制圖2-3齒輪主視圖的繪制1齒輪主視圖的繪制2圖2-3Trim命令修剪多余線段，用line命令補齊缺少線段。用mirror命令以垂直中線鏡像復制圖形有半部分。用hatch命令，選擇“ANSI31”圖案樣式，填充齒輪剖面線。在“細實線”層，用line命令，捕捉齒輪端面線上的點，繪制齒向線。如圖2-4。標注標注包括尺寸標注、形位公差標注、粗糙度標注等，一般前述章節(jié)中方法繪制，下面介紹機械圖中的標注技巧。線性直徑尺寸標注機械圖中，經(jīng)常多處用到線性尺寸標注，都帶有前綴，但各有不同的公差形式和公差值。處理這類問題，可先設置統(tǒng)一標注樣式進行標注，然后分別修改。設置標注樣式“線性直徑”如圖2-4所示，在“主單位”選項卡中，設置“前綴”為“%%C”；在“公差”選項卡中，設置“方式”為“極限偏差”、“高度比例”為“0.6”、“垂直位置”為“中”；再初設上、下公差值。齒輪主視圖的繪制3形位公差示例圖2-4在“線性直徑”樣式中標注所有此類尺寸類尺寸（各種公差類型、無公差標注等）。雙擊修改的標注，在圖2-5所示的“特性”欄“公差”特性組中修改其屬性和參數(shù)值。按“Esc”鍵退出，選擇下一個修改的尺寸標注。形位公差標注以標注圖2-4所示形位公差為例?！疤匦浴贝翱凇耙€設置”窗口圖2-5命令：qleader（或點擊“快速引線”標注圖標)指定第一個引線點或[設置（S）]<設置>：S（彈出圖2-5所示“引線設置”對話框，在“注釋”選項卡中選中“公差”）指定第一個引線點或[設置（S)]<設置>：（指定起始點1）指定下一點：（指定折點2）指定下一點：（指定折點3）此時彈出圖2-6所示的“形位公差”對話框，點擊“符號”欄，彈出“符號”樣式欄，選擇所需符號，再在“公差”欄中輸入公差值，在“基準”欄中輸入基準代號，“確定”即可。圖2-6“形位公差”與公差“符號”對話框標注粗糙度機械制圖國家標注中規(guī)定了粗糙度符號與粗糙度值字高的關系，如圖2-7（a）所示，以及粗糙度文本的書寫方向，有2-7（b）所示兩種。圖2-7粗糙度的標注方法有多種。下面介紹常見且有效的兩種。用“帶屬性的塊”標注繪制粗糙度符號如圖2-8（b）所示，用line命令繪制輔助線1；用offset命令，以偏移距離7復制輔助線2、3，打開“極軸跟蹤”，設置跟蹤角度30°，用line命令，通過捕捉端點4，極軸交點5、6，繪制粗糙度符號，修剪、刪除多余線段。(b)定義屬性在命令輸入“ATT”命令，彈出圖2-8（a）所示“屬性定義”對話框，對于圖2-9（a)所示屬性，設置屬性“標記”為“CD”、“提示”為“輸入粗糙度值”、“初始值”為“3.2”、“對正”方式為“中下”、字體“高度”為“3.5”，其余采用默認值，點擊“拾取點”按鈕，在粗糙度符號中上方插入點，“確定”完成。(a)“屬性定義”對話框（b）粗糙度符號的繪制圖2-8對于圖2-9（b）所示屬性，設置“對正”方式為“中上”、在粗糙度符號中下方拾取插入點。（c)定義屬性圖快在命令行中輸入“block”命令，將粗糙度符號和屬性CD一起定義為快名“CCD”的圖塊，拾取點1為基點。（d）標注粗糙度插入圖塊“CCD”，指定“插入點”、“比例”、“轉角”、“粗糙度值”即可。b.用LISP程序標注粗糙度使用LISP程序定義的函數(shù)標注粗糙度更方便，其源代碼如圖2-9(c)所示。圖2-9標注時，在命令行輸入“CCD”，用戶只需按照提示輸入“插入點”、“旋轉角度”、“字高”、“粗糙度值”，程序會自動計算出粗糙度符號尺寸