机械设计综述及CAD简介（图文教程）

第一节  机械设计综述

一、机械设计的基本原则

各种机器尽管在功能、原理、类型等诸多方面均有不同，但是在进行机械设计时还是有它们共性的问题要考虑，机械设计的基本原则有：

1.满足功能要求

我们设计的机械必须能够满足使用上提出的功能要求，这是进行机械设计所必须遵守的最基本的原则，如果所设计的机器不具备完成预期的功能，就失去了设计该机器的意义。

(1)满足运动性能要求。必须正确选择机器的工作原理，合理地设计机构组合，使机器有适宜的运动速度、平稳性、起动性、制动性和运动规律。

(2)满足动力性能要求。要正确分析各机构和零件上的扭矩和作用力，正确决定机器所需的功率，以确保机器有克服阻力完成预定任务的功能。

(3)满足可靠性要求。机器应该能够在预定的寿命期间内可靠地工作，各零部件应具有足够的强度和刚度。

2.满足经济性和工艺性要求

(1)提高设计和制造的经济性。设计中尽量考虑采用标准件、通用件或借用现成批量销售的产品；合理选择材料、用量、减少制造工时、改善制造和装配工艺性等，均能提高经济性。

(2)提高使用经济性。提高自动化水平以提高机械效率、减少动力和燃油经济性。

(3)结构要简单，要便于制造。

3.满足劳动保护能要求。

(1)应特别注意操作安全。

(2)减少操作者的体力和脑力消耗，操作轻巧简便，操纵件数适当、位置集中且易达，便于观察。

(3)改善操作者的工作环境。噪声低、安静、空气清新，外形和色泽协调。

4.满足其它特殊要求

例如长期在海边使用的机械要注意防盐腐蚀；又如在较寒冷的地方应考虑防冻或用低温油；再如飞机上的油箱、液体润滑的齿轮箱等除应考虑重量轻外，还要注意不让油液溢出、飞机翻滚对供油或润滑的影响。

二、机械设计的一般过程和主要内容

1.提出任务、拟定计划

(1)任务书的提出。设计任务通常是根据生产需要提出或经市场调查发现某种机器有较大需求时提出的。

(2)任务书的内容。详细的任务书应包括机器的用途、主要性能参数范围、环境条件及有关特殊要求、生产量、承制单位、预期的总成本范围以及完成日期等。

(3)拟定计划。接到任务书后，应组织有关人员就设计任务书提出的各项要求进行全面分析和调查研究，以图较深地理解任务的政治意义、经济价值、技术要求、重点难点、需攻关的方向、完成任务的主要途径和关键的技术实验等。

2.本体设计

包括总体设计、结构设计和零件设计三个阶段，这是具体进行机械设计的主体部分。

(1)总体设计阶段。这是从机器的工作原理到机构运动简图的阶段，也称方案拟定阶段。其具体任务是选择机器的工作原理，本着简单、实用、经济、美观等原则，拟定一套实现预期功能的机器机构运动简图。为此，要进行多种传动方案的比较以及具体机构的原理设计，要求把机器各个部分之间的运动关系、动力关系以及各机构主要零件在机器中的大体位置，用规定的简单符号表示在图纸上，构成机器的机构运动简图。

(2)结构设计阶段。这是从机器的运动简图到装配图的阶段。结构设计阶段的具体任务是将运动简图中的符号变成具体的零件、部件。要考虑并确定各个部件的相对位置及联接方法，主要零件的具体形状、关键尺寸、材料、制造、安装、配合等一系列问题，要进行必要的计算、类比和选择，有时还要做确认实验。要根据机器运动的具体情况：运动特性、工作阻力、工作速度以及传动系统的总效率等，初步选择原动机；根据工作阻力或原动机的出力，计算出各个主要零件的关键尺寸并选定材料；一些直接影响机器的性能、精度、寿命或特殊的关键部位，还应考虑选定合适的配合。最后，以装配图的形式体现本阶段的设计成果。

(3)零件设计阶段。就是从装配图拆画零件图。其具体任务是把要加工件的全部尺寸、结构要素及加工要求等参数用零件图详细地表现出来。应该从总体要求出发，综合考虑零件的强度、刚度、寿命、制造工艺以及重量、体积、成本限制等因素，确定零件的材料、尺寸、结构要素（如圆角半径、倒角尺寸等）、制造精度（如尺寸公差、表面粗糙度等）以及技术条件（如热处理方法、表面硬度、表面防护等）。最后，以零件图的形式体现本阶段的设计成果。

本体设计的完成，提供了机器的运动简图、装配图和零件图，从原理上、结构上和制造上为一台机器的诞生准备了初步条件。应该注意到，这里把本体设计分为三个阶段来讨论，并不是把这三个阶段截然分开。实际上这三个阶段是密切联系的，前一阶段的工作为后一阶段提供了依据，而后一阶段经深入研讨确定的东西一但越出前一阶段的限制，就会要求前一阶段的成果作适当修改。因此，本体设计的三个阶段必然是互相牵连、互相影响、互相交叉地反复进行的。

必须指出,一套完整的机器图纸和设计文件，除了上述成果外，还应包括如下内容：①工作循环图，即一个工作循环中各部分动作的协调配合关系图；②调节顺序图；电气、液压、气动、润滑、冷却等系统图；③设计计算说明书；④使用说明书；⑤组合件、标准件、外购件、通用件、易损件等的明细表。

本体设计完成之后，即将进行的就是制造和装配了。在设计过程中，因考虑不周，错误在所难免，为了减少不必要的浪费，应尽可能把错误扼杀在图纸阶段。为此，应让设计成果经过一定程序的审批手续，比如组织相关的专案组进行答辩等，尽量找出问题或不合理的地方加以改进。

3.实践检验与改进

本体设计完成之后，设计并未结束。所做的设计在此后的试制、装配、试车、鉴定等过程中，还会发现一些问题；就算是样机完成了，但是在此后的工业性试验中还可能发现新的问题。这些问题都要作必要的改进。

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。