东篱闲人
浅论应用ＣＡＤ技术的现代机械设计 摘要：在机械设计中引入CAD技术，可以解决机械企业中重复性设计多、信息资源利用率低的难题，缩短产品开发周期，具有巨大的经济效益和应用前景。 关键词：机械设计；CAD技术 1 CAD技术的发展 CAD(Computer Aided Design)是计算机辅助设计的英文缩写，是利用计算机强大的图形处理能力和数值计算能力，辅助工程技术人员进行工程或产品的设计与分析，达到理想的目的，并取得创新成果的一种技术。自1950年计算机辅助设计（CAD）技术诞生以来，已广泛地应用于机械、电子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等领域，产品的设计效率飞速地提高。现已将计算机辅助制造技术（Com-puter Aided Manufacturing，CAM）和产品数据管理技术（Product Data Management，PDM）及计算机集成制造系统（Computer Itegrated manufacturing system，CIMS）集于一体。 产品设计是决定产品命运的研究，也是最重要的环节，产品的设计工作决定着产品75%的成本。目前，CAD系统已由最初的仅具数值计算和图形处理功能的CAD系统发展成为结合人工智能技术的智能CAD系统（ICAD）(Intelligent CAD)。21世纪，ICAD技术将具备新的特征和发展方向，以提高新时代制造业对市场变化和小批量、多品种要求的迅速响应能力。 以智能CAD（ICAD）为代表的现代设计技术、智能活动是由设计专家系统完成。这种系统能够模拟某一领域内专家设计的过程，采用单一知识领域的符号推理技术，解决单一领域内的特定问题。该系统把人工智能技术和优化、有限元、计算机绘图等技术结合起来，尽可能多地使计算机参与方案决策、性能分析等常规设计过程，借助计算机的支持，设计效率有了大大地提高。 2 三维CAD技术在机械设计中的优点 通过实际应用三维CAD系统软件，笔者体会到三维CAD系统软件比二维CAD在机械设计过程中具有更大的优势，具体表现在以下几点: 1 零件设计更加方便 使用三维CAD系统，可以装配环境中设计新零件，也可以利用相邻零件的位置及形状来设计新零件，既方便又快捷，避免了单独设计零件导致装配的失败。资源查找器中的零件回放还可以把零件造型的过程通过动画演示出来，使人一目了然。 2 装配零件更加直观 在装配过程中，资源查找器中的装配路径查找器记录了零件之间的装配关系，若装配不正确即予以显示，另外，零件还可以隐藏，在隐藏了外部零件的时候，可清楚地看到内部的装配结构。整个机器装配模型完成后还能进行运动演示，对于有一定运动行程要求的，可检验行程是否达到要求，及时对设计进行更改，避免了产品生产后才发现需要修改甚至报废。 3 缩短了机械设计周期 采用三维CAD技术，机械设计时间缩短了近1/3，大幅度地提高了设计和生产效率。在用三维CAD系统进行新机械的开发设计时，只需对其中部分零部件进行重新设计和制造，而大部分零部件的设计都将继承以往的信息，使机械设计的效率提高了3~5倍。同时，三维CAD系统具有高度变型设计能力，能够通过快速重构，得到一种全新的机械产品。 4 提高机械产品的技术含量和质量 由于机械产品与信息技术相融合，同时采用CAD CIMS组织生产，机械产品设计有了新发展。三维CAD技术采用先进的设计方法，如优化、有限元受力分析、产品的虚拟设计、运动方针和优化设计等，保证了产品的设计质量。同时，大型企业数控加工手段完善，再采用CAD/CAPP/CAM进行机械零件加工，一致性很好，保证了产品的质量。 3 CAD技术在机械设计中的应用 1 零件与装配图的实体生成 1 零件的实体建模。CAD的三维建模方法有三种，即线框模型、表面模型和实体模型。在许多具有实体建模功能的CAD软件中，都有一些基本体系。如在AutoCAD的三维实体造型模块中，系统提供了六种基本体系，即立方体、球体、圆柱体、圆锥体、环状体和楔形体。对简单的零件，可通过对其进行结构分析，将其分解成若干基本体，对基本体进行三维实体造型，之后再对其进行交、并、差等布尔运算，便可得出零件的三维实体模型。 对于有些复杂的零件，往往难以分解成若干个基本体，使组合或分解后产生的基本体过多，导致成型困难。所以，仅有基本体系还不能完全满足机器零件三维实体造型的要求。为此，可在二维几何元素构造中先定义零件的截面轮廓，然后在三维实体造型中通过拉伸或旋转得到新的“基本体”，进而通过交、并、差等得到所需要零件的三维实体造型。 2 实体装配图的生成。在零件实体构造完成后，利用机器运动分析过程中的资料，在运动的某一位置，按各零件所在的坐标进行“装配”，这一过程可用CAD软件的三维编辑功能实现。 2 模具CAD/CAM的集成制造 随着科学技术的不断发展，制造行业的生产技术不断提高，从普通机床到数控机床和加工中心，从人工设计和制图到CAD/CAM/CAE，制造业正向数字化和计算机化方向发展。同时，模具CAD/CAM技术、模具激光快速成型技术(RPM)等，几乎覆盖了整个现代制造技术。 一个完整的CAD/CAM软件系统是由多个功能模块组成的。如三维绘图、图形编辑、曲面造型、仿真模拟、数控加工、有限元分析、动态显示等。这些模块应以工程数据库为基础，进行统一管理，而实体造型是工程数据的主要来源之一。 3 机械CAE软件的应用 机械CAE系统的主要功能是:工程数值分析、结构优化设计、强度设计评价与寿命预估、动力学/运动学仿真等。CAD技术在解决造型问题后，才能由CAE解决设计的合理性、强度、刚度、寿命、材料、结构合理性、运动特性、干涉、碰撞问题和动态特性等。 4 CAD前沿技术与发展趋势 1 图形交互技术 CAD软件是产品创新的工具，务求易学好用，得心应手。一个友好的、智能化的工作环境可以开拓设计师的思路，解放大脑，让他把精力集中到创造性的工作中。因此，智能化图标菜单、“拖放式”造型、动态导航器等一系列人性化的功能，为设计师提供了方便。此外，笔输入法草图识别、语言识别和特征手势建模等新技术也正在研究之中。 2 智能CAD技术 CAD/CAM系统应用逐步深入，逐渐提出智能化需求设计是一个含有高度智能的人类创造性活动。智能CAD/CAM是发展的必然方向。智能设计在运用知识化、信息化的基础上，建立基于知识的设计仓库，及时准确地向设计师提供产品开发所需的知识和帮助，智能地支持设计人员，同时捕获和理解设计人员意图、自动检测失误，回答问题、提出建议方案等。并具有推理功能，使设计新手也能做出好的设计来，现代设计的核心是创新设计，人们正试图把创新技法和人工智能技术相结合应用到CAD技术中，用智能设计、智能制造系统去创造性指导解决新产品、新工程和新系统的设计制造，这样才能使我们的产品、工程和系统有创造性。 3 虚拟现实技术 虚拟现实技术在CAD中已开始应用，设计人员在虚拟世界中创造新产品，可以从人机工程学角度检查设计效果，可直接操作模拟对象，检验操作是否舒适、方便，及早发现产品结构空间布局中的干涉和运动机构的碰撞等问题，及早看到新产品的外形，从多方面评价所设计的产品虚拟产品建模就是指建立产品虚拟原理或虚拟样机的过程虚拟制造用虚拟原型取代物理原型进行加工、测试、仿真和分析，以评价其性能，可制造性、可装配性、可维护性和成本、外观等，基于虚拟样机的试验仿真分析，可以在真实产品制造之前发现并解决问题，从而降低产品成本虚拟制造、虚拟工厂、动态企业联盟将成为CAD技术在电子商务时代继续发展的一个重要方向另外，随着协同技术、网络技术、概念设计面向产品的整个生命周期设计理论和技术的成熟和发展，利用基于网络的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技术，实现真正的全数字化设计和制造，已成为机械设计制造业的发展趋势。 参考文献 [1]黄森彬主编机械设计基础高等教育出版社 [2]荣涵锐新编机械设计CAD技术基础〔M〕北京:机械工业出版社， [3]徐平，虚拟现实技术研究，文秘杂烩网 [4]葛海霞，刘村AutoCAD2004/2005辅助设计[M]上海:上海科学普及出版社， [5]秦志峰，齐月静，胡仁喜，等AutoCAD2005机械设计及实例解析[M]北京:机械出版社， 
这篇格式还比较完整，论文也还有点深度，你参考下1、对蜗杆传动的类型进行选择利用GB-T10085-1988中数据的条件，本次蜗杆利用蜗杆（ZI）。2、对蜗杆和蜗轮材质的选择蜗轮采用模具铸造而成，材质采用锡磷青铜。围绕着保护环境节约价值高的材料，因此齿圈利用青铜铸造而成，而轮芯则采用材质更好的灰铸铁铸造而成。蜗杆与蜗杆之间传动的能量一般，之间传动的速度并不是很快，蜗杆采用45钢；并在蜗杆螺旋表面做淬火处理。采用45钢可以增强效率和耐磨性，提高韧性，加强强度。3、对齿根弯曲疲劳强度检验和对接触疲劳强度设计传动之间的中心距为 （4-6）1）计算T2的大小根据Z1=8，估计选择效率η1=85，则T2=55×106=55×106=55×106=932）确定载荷系数K蜗轮和蜗杆的转速并不是很高，他们之间冲撞不是很高，因此选择系数为Kv=05;则K=KβKAKv=1×1×05=15。蜗轮蜗杆载荷比较稳定，因此载荷系数为Kβ=1;在利用12-5[8]中数据可以知道帮并选择系数KA=1。3）对ZE的确定蜗轮的材质ZCuSn10PI和钢蜗杆匹配，所以 弹性影响系数为160。 4）对于Zp的选择首先预先估计d1/a=35，然后利用图12-13[8]中的数据可以知道Zρ=9。5） 对于[σH]的选择依照蜗轮的材质采用ZCuSn10PI构成并由模具压铸而来，因此螺旋齿面的硬度应该超过45HRC，然后可以利用表12-7[8]中数据可以知道蜗轮 [σH]＇等于245MPa N=60jn2Lh=60×1×20×12000/5=67×107 KHN==8845则 a≥=75mm6）计算中心距预先定其中心距为220mm，又根据i=5，所以可以利用表12-2[8]中数据可以知道模数为8mm可以确定分度圆直径大小为70mm。这时d1/a=4，再次利用表12-18[8]中数据可以知道Zρ＇等于65，得出Zρ＇小于Zρ，所以以上假设成立，可以使用。。4、对于蜗杆和蜗轮的各种具体数字准确的计算1）蜗杆首先对蜗杆的轴向齿距和轴向齿厚大小进行判断得出Pa=133mmSa=5664mm;然后对直径的系数大小和齿顶圆齿根圆以及分度圆导程角q=10；da1=96mm; df1=8mm; γ=11°18´36"。2）蜗轮对于蜗轮主要对蜗轮的分度圆直径d2，齿根圆和喉圆直径df2，da2；以及蜗轮的齿数z2和变位系数x2和对传动比的验证iz2=40;x2=-5;i=40/8=5；d2=mz2=8×40=320mm；da2=d2+2ha2=320+2×8=336mm；df2=d2-2hf2=320-2×2×8=8mm；rg2=a- da2/2=200-5×336=32mm。5）、对齿根圆强度的校核 齿数为 zv2===08因为x2=-5， zv2=08，所以利用12-14[8]中数据可以知道YFa2=87 Yβ=1-=9192许用应力[σF]= [σF] ＇KFN。利用12-8[8]中数据可以知道并得出铸锡磷青铜制造的蜗轮的弯曲应力 [σF]＇=56MPa。由以上数据可以得出其寿命的系数为 KFN==985其强度满足实际要求，合理。 6）、蜗杆蜗轮的精度根据GB/T10089-1988这个，可以从其中圆柱形蜗杆，蜗轮的精度等级为8级，侧隙的种类为f，因此标注是8f GB/T10089-1988，以上都是选择都是由于蜗杆属于通用机械减速器。4 链传动设计 已知链传动传动比i=5，输入功率P=86W。 1 选择链轮齿数z1，z2 假定链速υ=3～8m/s，由表9-8[8]选取小链轮齿数z1=22，从动链轮齿数z2=iz1=5×22=55。2 计算功率Pca查得工作情况系数KA=2，故Pca=2×86=83W3 确定链条链节数Lp初定中心距a0=40p，则链节数为Lp==[]节 =12节，最终确定Lp=124节。4 对链条节数的选择和确定利用9-10[4]中数据可以查询知道齿数的系数大小为Kz=11; KL=06;利用9-13[8]中数据可以对小链轮的转速进行预先估计，因为链板有可能会发生疲劳破坏，这是由于链板在功率曲线顶点左侧。链板选择用单排链，利用9-11[8]中数据可以查询知道多排链的系数为KP=1，因此功率为是P0===4W为了验证上面预计的链的工作的点在功率曲线的顶点的左侧是否是对的，利用n1=04r/min和P0=4W，再根据9-13[8]中数据查询并选择单排链。因此上述假设成立。再根据9-1[8]中数据可以查询知道节距p=875mm。5 计算链长和中心距L===97ma= =mm =642mm（002～004）a=（002～004）×642mm =3～6mma＇=a-△a=642-(3～6)mm=7～4mm取 a＇=640mm6 验算带速υ==m/s=5m/s，满足实际要求。利用9-4[8]中数据可以知道小链轮毂孔直径dkmax=59mm， 并大于电动机的轴径大小，因此比较满足要求。8对压轴力的计算和确定 圆周力的的计算==30N将其依照水平方向安置取，因此其系数为KFP=15，所以=40N5 齿轮传动设计根据已知功率输入为P=79W，小齿轮转速 n1=15转/分传动比i=2。 1 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 1）选择直齿圆柱齿轮 2）齿轮速度中等不是很快，因此选择7级精度 3）对齿轮的材质进行选择。利用10-1[5]表中数据选择小齿轮材料的选择为40 Cr，并且做出调质处理，与此同时可以得出其硬度为280HBS；和上一个一样的道理大齿轮所用材质是45钢，并知道其硬度为240HBS。4）对小齿轮的齿数进行选择z1=25，对大齿轮的齿数的选择和计算z2=iz1=2×25=50。 2 对齿轮的设计用接触疲劳强度来设计 先根据计算公式来计算，即 1）弄清公式中各个代表的数值大小； (a) 首先对载荷系数的确定Kt=2； (b) 对其传动的转矩大小进行确定=5×105×44679/15Nmm=845×105N·mm (c) 由表10-7[9]选取齿宽系数ød=1 (d) 利用10-6[9]中数据可以知道其材质的ZE大小；ZE=8MPa1/2 (e) 利用10-21d[9]中数据可以查询到其齿面硬度的接触疲劳强度σHlim1=600MPa;同理也可以查询到大齿轮的强度为σHlim2=550MPa； (f) 根据10-13[9]中的公式来计算循环次数 N1=60n1jLh=60×15×1×(2×8×300×15)=65×109 N2=N1/i=65×109 /2=325×109 (g) 利用10-19[9]中数据可以知道KHN1=90;KHN2=95； (h) 对其应力的计算利用（10-12）[9]中数据可以得到 2）计算 (a) 对分度圆直径的计算，将其代[σH]入中最小的值 d1t≥==50mm (b) 计算圆周速度υ (c) 对齿宽的计算 (d) 计算b/h的大小 mt=d1t/z1=50/25=78 h=25mt=25×78=505 mm b/h=50/505=11 (e) 对载荷的系数的计算因为υ=07422m/s，所以精度等级为7，在利用10-8[9]中数据可以查询知道KV=12；预先估计KAFt/b＜100N/m。在利用表10-3[9]中数据可以查询知道KHα=KFα=2；再利用10-2[9]中数据可以知道系数KA=1；再次利用10-4[9]中数据可以知道精度等级为7级、两个小齿轮不是相互对称安装时相对支撑时，KHβ=12+18（1+6）+23×10-3b把上述数值代到下面可以得到KHβ=12+18（1+6×）×+23×10-3×5=425；由b/h=11，KHβ=425；再利用10-13[9]中数据可以查询得到KFβ=35；因此得到 =1×12×425×35=918。（f）对分度圆直径的验证，根据（10-10a）[9]中数据可以知道===49 mm（g）对模数的确定m=d1/z1=49/25=42 mm3 对其强度计算弯曲强度设计公式为 （4-9）1）对计算中强度极限和寿命安全系数的确定（a）σFE1=500 MPa，σFE2=380 MPa；（b）KFN1=85， KFN1=88；（c）S=4；[σF]1==85×500/4 MPa=57 MPa；[σF]2==88×380/4 MPa=86 MPa；（d）对载荷系数的确定K=KAKVKFαKFβ=1×12×2×35=814（e）查取齿行系数=65，=226。（f）查取应力校正系数=58，=764。（g）计算大小齿轮的并加以比较==01379，==01644大齿轮数值大。2）设计计算=98就近取m=4，d1=49，算出小齿轮齿数z1= d1/m=49/4=27，z2=i z1=2×27=54。4 对其具体尺寸的计算1）齿轮分度圆的直径的计算d1=z1 m=27×4=108 mm， d2=z2 m=54×4=216 mm2）计算中心距 a=(d1+d2)/2==(108+216)/2=162mm3）对齿轮的宽度进行计算 b==1×108=108mm，取b1=108mm，b2=113mm5 验算 Ft=2T1/d1=2×845×/108=52 N ==73 N/mm＜100 N/mm，合适。5互感器线圈绝缘包纸机工作执行部分设计设计一个机械设备的最终目的是能让所设计的设备投入实际生产，并要达到生产的要求。设计包纸机的目的是它的工作部分能实现包纸，并达到所要求的技术参数[10]。互感器线圈绝缘包纸机工作执行部分由包纸轮、放纸架和一个压紧装置组成。包纸轮的材料是45钢，轮体加工后进行抛光处理，表面镀铬，结构如图2。由电动机经带传动带动包纸轮转动，同时纸从上方的放纸架上包在包纸轮上。包纸轮上有槽，纸包在轮上的同时经过槽再包在需要包纸的线圈上。线圈在包纸轮内部，并和它同轴转动。 图2存放待用纸的地方是放纸架。放纸架由电木盘、放纸架支架、尼龙滚、星形电木杆很多部件构成。因为放纸架所受载荷不大，其各个部件的材料为酚醛布板、尼龙棒等。压紧结构示意图在图三所展示。保证包纸的紧凑性就是利用这个装置，工作时通过旋转外面的轮盘，通过一个蜗轮蜗杆传动带紧一根橘皮带，橘皮带再带紧正在进行包扎的纸，从而达到工作目的。 图3结 论综上所述，互感器线圈绝缘包纸机性能优越，完全能满足现在社会工业发展的要求。它在工作时具有以下优点：（1） 互感器线圈绝缘包纸机在工作时能够通过压紧装置，经过人工简单的操作使包纸紧凑；（2） 从电机到实现包纸只经过了两次带传动，传动过程简洁合理； （3）互感器线圈绝缘包纸机的直线行走部分行走范围达3000mm，能实现较长距离包纸；另外，互感器线圈绝缘包纸机具有高效率、稳定的可靠性以及耐用持久等特点，而这些都是机械设备的基本要求。其次是成本低，无论是制造、运营还是维修，互感器线圈绝缘包纸机的成本相比同类设备来说都降低了不少；然后是该设备的环保性能好。随着社会的发展，环保将会是机械设备最基本的要求。而此次设计的包纸设备完全不同于以往的包纸机，它的噪音、废弃物污染都降到了最低程度；最后是互感器线圈绝缘包纸机的操作和使用非常便利简单易于维修，对人体没有危害。综上所述，互感器线圈绝缘包纸机将会有良好的前景，当然，随着科学技术的发展，相信包纸设备将会进一步改进。致 谢毕业设计马上就要结束了。随之四年的大学生活也接近尾声，在这一学期的毕业设计时间里，非常感谢老师给予的指导，和同学们对我的帮助，非常感谢大家对我的指导和监督。在毕业设计过程中，我的指导老师从始至终都认认真真、勤勤恳恳地指导我进行设计，在他身上我不仅学到一些本科专业知识，还学到了他对工作认真负责的态度，这些都是我终身受益的，他们在我毕业设计过程中给予了我鼓励和帮助，感谢他们的耐心指导，祝老师，身体健康，在各自的工作岗位上创出良好的佳绩。还有一同设计的同学们，在共同相处的一学期里，我感到非常愉快，没有他们给予的帮助，我无法如此顺利的完成设计任务。同时，也感谢各位评审老师。毕业答辩是我大学的最后一次考核，为了我们顺利毕业，各位老师在这炎热的六月坚守岗位，尽职尽责。祝各位评审老师工作顺利。我向那些曾经给予我巨大帮助和鼓励的老师和16级机自2班的全体同学表示感谢，谢谢他们四年里对我无微不至的关怀和照顾，祝他们身体健康，前途无量！参考文献[1] 石娜 一种简易实用的引线包纸机 [J]变压器 ，1998 ，(01): 9—[2] 刘力，周伟组合导线联合包纸机设计[J]变压器 ，2004 ，(07): 12—[3] 胡来榕，陈启松机械传动手册[M] 北京: 煤炭工业出版社 ，[4] 王凤兰， 宗振奇 机械设计学[M] 长春: 吉林科学技术出版社， 2[5] 成大先 机械设计手册[M] 北京: 化学工业出版社 ，[6] 余梦生，吴宗泽机械零部件手册[M]北京: 机械工业出版社 ，[7] 张富洲轴承设计手册[M] 北京: 机械工业出版社 ，[8] 濮良贵， 纪名刚 机械设计[M] 北京: 高等教育出版社， 12[9] 朱孝录齿轮传动设计手册[M] 北京 : 化学工业出版社 ，[10] 成大先 机械设计图册[M] 北京: 化学工业出版社 ，[11] 孙振权 电子式电流器互感器研发现状与应用前景[J] 高压电器 ，2004 ，(12）: 8—[12] 司徒东语 红外光技术在组合导线包纸机上的应用 [J] 变压器 ，2001 ，(11）: 31—[13] 郎沪勇 一种新颖高效的包纸设备[J] 变压器 ，2001 ，(01): 24—[14] 张贵芳 滑动轴承[M] 北京: 高等教育出版社 ，[15] 吴宗泽 机械设计课程设计手册（第二版）[M] 北京: 高等教育业出版社 ，[16] Orlov P Fundamentala of Machine D Moscow: Mir P ，
