机械设计CAD系统的开发设计

机械设计CAD系统的开发设计

童兆华

浙江硕维轨道股份有限公司    浙江省 杭州市  310018

摘要：机械设计 CAD系统的研制与开发，在机械产品的设计与教学中起着举足轻重的作用。它的最大特点就是将复杂的手工设计过程，变成了一个非常真实的设计环境，方便了人机交互，简化了设计过程，大大提高了设计的速度和精确度。

关键词：机械设计；CAD；开发

一、机械设计CAD系统开发思想与方法

AutoCAD的应用范围很广，除了支持多平台、多功能、低成本、易用、易学，更重要的是 AutoCAD拥有一个开放的架构，可以让用户和开发者在任何方面都可以对其进行扩展和改进，从而最大程度地满足用户的需求。研制了参数化的机械部件（标准件和常用件）图库，并实现了图形库的管理；建立通用的符号库，并实现图形的自动标注；本系统采用通用的 Auto CADRl2作为支持平台，采用 AutoCAD和 WATCOM C，在 AutoCAD中实现了应用程序的可执行交件，在 Auto CAD环境下运行，利用了 Auto CAD环境的强大功能以及 C语言的结构化编程运行效率高的优点。1 WATCOMC是一种具有保护模式的 C编译器 I，在接口方面，本系统与 AutoCAD系统保持了相同的风格，采用了中文界面屏幕、丰富的对话框等接口形式，力求提示醒目操作简单容错能力强，以适合从事机械设计人员实际使用的需要。

二、机械设计CAD系统的开发设计的意义

随着计算机辅助设计技术的发展和对机械设计的应用日益广泛，对机械产品的质量要求也越来越高。因为采用 CAD技术的设计思想和传统的机械设计思想是不同的，而高品质的机械设计也是需要高品质的机械部件来支持的，所以 CAD技术在机械设计中的应用，间接的提升了机械设计的质量，从而提升了机械的质量。因为是在电脑上进行的，所以它比手工的设计要复杂的多，也更有科学性，可以满足很多人的构思。CAD技术在机械设计领域的应用，大大拓宽了设计者的思维，实现了无数不可能实现的设计，推动了机械设计产业的多样化，使 CAD技术的应用更加新颖、灵活。CAD技术应用于机械设计领域，其最大的优势在于它可以弥补设计过程中的人为不足，通过精确计算和准确参数来确保设计的科学性，并将其交给计算机进行大量的设计计算，不仅可以节约大量的人力，还可以降低产品与部件的不匹配问题。最关键的是， CAD技术还可以支持机械设计工程中的3D预览，让工程师们可以随时查看和修改电脑上的图纸，并且可以通过 CAD技术来实现机器的自动装配，从而减少机械设计和制造过程。 CAD技术不仅可以极大地缩短设计周期，还可以防止机械制品的故障，从而使机械产品的设计效率得到进一步的提高。

三、机械设计CAD系统的组成及设计策略

（一）计算方法

皮带传动的设计与计算：皮带传动分为 V形皮带和窄 V形皮带，其设计原则是：在皮带传动中不发生打滑，使其具有一定的疲劳强度和使用寿命。根据设计规范，带传动的设计和计算方法有：初始带型，根据选型曲线拟合的公式，确定选定的带型小带轮可实现的旋转速度 n (i)，并将其与已知旋转速度n1相比较，直至满足状态 nl< n (i）时，选择适当的带型。根据标准选择大、小带轮直径 dg、dg2：测定中心距离 a及带长 L，检验并保证带速、包角符合规定。测定皮带的数量 Z 、皮带轮结构和尺寸、预紧力F0 以及压力轴力。在这里， c是关于带类型的阵列 c ，它被输入到电脑中，由程序直接获取。通过对带型、单根 V带的基础功率 Po、功率增量△ P、包角系数 K等进行了推导，利用公式对带、带的标准几何参数进行了赋值，从而省去了手工查找、插分运算等繁琐的工作，使优化结果更加方便快捷。本设计软件的第一个接口包含了一个带有驱动的动画，其主要接口是原始数据以及设计计算的结果。

齿轮蜗杆传动设计计算：齿轮蜗杆传动设计计算应在接触疲劳、弯曲疲劳强度的前提下，确定齿轮、蜗杆传动的主要参数、作用力，并进行齿轮、蜗轮的尺寸及结构设计计算。这一部分的设计计算系数、许用应力等大都是用拟合的方法求出的，有的还用了资料库进行赋值，因此设计过程简单明了，速度快。轴和轴承的设计计算：轴的设计可以对各种负荷下的轴进行弯扭变形的抗弯强度和疲劳强度的检验。轴承由两个部件组成，轴承部件可以根据型号来确定轴承的使用寿命；在此基础上，采用滑动支座对轴承进行材料的选取，并对流体动力润滑进行设计和计算。

连接件的设计与计算：包括铰链的选取和连接的连接强度的计算。螺栓连接强度是指在受横向、轴向、转矩、倾覆等载荷作用下，螺栓组合的强度计算，可以进行静载荷和变载荷的计算；预紧力可以被控制或不被控制。这部分内容综合性强，适用范围广，计算速度快。

零件参数化绘图：由于带轮、齿轮、轴、螺纹等结构的几何相似度较高，便于参数化。该软件采用 AutoLISP语言，通过 AutoLISP语言 DCL进行二次开发，并以 DCL为主要工具，对用户进行了可视化的设计。用户只要将该程序的参数输入到对话框中，就可以进行绘制。

（二）数表和图形的处理

在机械零件的设计中，应从大量的数表、图线等设计资料中查找相关的数据，例如相关的曲线、图表、各种标准、规格等。在传统的设计中，对这些数据进行人工查找，存在着效率低、精度差等问题。所以，在进行 CAD系统开发之前，一定要正确地处理好数表、线图，并充分利用电脑的优点，从而使设计程序能够实现高自动化、高精度和高设计速度。在此软件的研制中，我们在数据处理上进行了以下工作：

1.用公式表示数字表格和图线。为了充分利用计算机的强大运算能力，尽量将数表、图线拟合成函数，使程序更加方便。例如皮带传动的选择、齿轮极限应力 O Him 、齿型系数 Y 等图线，还有几个参数之间有一定的关系的数表，例如小带轮的包角校正系数 K、齿轮的齿向负荷分配系数 Kv、轴绝对尺寸系数 e、等数表格，拟合出了这些公式。公式拟合的方法采用直线方程的对数坐标法、曲线或数表最小二乘法、区域图的线性插分法等。

2.绘制成图表。除了拟合出一条曲线外，还可以在各曲线上选取几个点，利用它们的座标值，形成几张一维数表或二维数表。采用这种方法，将蜗轮齿型系数与位移系数 x、当量齿数 Z的关系图制作成一张二维数字表格。

3.对阵列进行编程。对于某些数字之间没有关联的数字表格，例如 v型滑轮的最小参考直径，可以直接输入到电脑中，由程序自动获取或进行函数内插。

4.资料库。在程序设计过程中，使用了大量的数据库。该数据库使用 Visual Bacic中的 Data控件来创建并对 Access格式进行管理。在设计视窗中按两下指派，可以很容易地建立和利用这些资料库。

结语：

经过实际应用，本文认为，利用 CAXA、 Solid Works等软件对机床的整机和零件进行三维实体的设计，再由三维实体直接生成二维装配图、零件图，达到较好的设计效果。本研究以机械传动及机械部件的设计与计算为主要内容。采用 Visual Basic和 Lisp等先进技术，研制了一套通用的机械设计 CAD系统，能对机床的传动及零件进行设计计算，实现常用零件的参数化绘图。它的最大特点就是将以往复杂的手工设计过程，变为了一个非常真实的可视化设计环境，人机交互，设计过程简单、快速，大大提高了设计的效率和精确度。

参考文献：

[1]张树兵. Visual Basic 6.0，中文版入门与提高.北京:清华大学出版社,1999.

[2]陈伯雄. Visua Lisp for AUTOCAD 2000程序设计.北京:机械工业出版社, 2000.