三維設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的輔助作用淺析

楊麗艷

（浙江省嘉興市機(jī)械研究所有限責(zé)任公司，浙江 嘉興 314000）

機(jī)械設(shè)計(jì)的最終目的是向市場(chǎng)提供集優(yōu)質(zhì)、高效、經(jīng)濟(jì)和實(shí)用與一體的產(chǎn)品，使之能在日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地,取得顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。所以,為了能更好、更及時(shí)地解決現(xiàn)實(shí)中遇到的一些問題,我們每一個(gè)真正的設(shè)計(jì)者都應(yīng)該在把握全局設(shè)計(jì)的同時(shí),重視新概念、新思想、新理論和新技術(shù)的運(yùn)用（其中也包括借助一些三維設(shè)計(jì)軟件），以實(shí)現(xiàn)更直觀、更生動(dòng)展現(xiàn)事物本身特點(diǎn)和更全面、更科學(xué)地考慮和解決問題的目的。

現(xiàn)在市場(chǎng)上流行的功能全面的三維軟件也早以進(jìn)入了實(shí)用階段，除了經(jīng)典的Autodesk 公司開發(fā)的AutoCAD 以外，還有Solidworks,Solid Edge,Pro/Engineer 和UG等等，在這里就不再介紹各個(gè)軟件的應(yīng)用技巧了,而就結(jié)合一些基本思想和基本方法，把三維設(shè)計(jì)軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)中的所起到的作用和相關(guān)的例子進(jìn)行一下簡(jiǎn)單的闡述。

1 三維設(shè)計(jì)的一大優(yōu)勢(shì)是通過其建立的產(chǎn)品模型具有較強(qiáng)的直觀性和美觀性。

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)很大程度上已經(jīng)依賴于美學(xué)和工程學(xué)的結(jié)合，無論是什么樣的產(chǎn)品，人們對(duì)其美觀程度都有了一定程度的要求，所以對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)者來說，就是要把產(chǎn)品的工業(yè)造型和本身的質(zhì)量擺在同等重要的位置，這樣才能爭(zhēng)取到最大的市場(chǎng)份額。

我們知道在利用任何計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行工程產(chǎn)品的輔助設(shè)計(jì)時(shí)，都需要建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，也即是物理系統(tǒng)的抽象表示。傳統(tǒng)的二維圖形是利用點(diǎn)、線、面來向人們最終展示一個(gè)三維模型，但無論是設(shè)計(jì)人員還是加工人員都需要經(jīng)過專門的訓(xùn)練才能在腦中將二維視圖轉(zhuǎn)化成三維實(shí)體，這一點(diǎn)是勿容置疑的?，F(xiàn)在所介紹的三維設(shè)計(jì)正是利用三維實(shí)體造型技術(shù)把一個(gè)幾乎真實(shí)的模型擺在你的面前（尤其是經(jīng)過渲染以后的模型），不僅可以從各個(gè)視角觀察實(shí)體，還可以及時(shí)暴露產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)中的一些缺陷和不合理的地方，使整個(gè)產(chǎn)品在外觀上更接近真實(shí)的美觀。

下面圖一就是一個(gè)梅花套筒從各個(gè)角度觀察的示例，就以此來形象地說明一下上面的觀點(diǎn)了。

2 三維設(shè)計(jì)的運(yùn)用有助于設(shè)計(jì)者真正做到了思維過程和設(shè)計(jì)過程一致，幫助建立三維思維模式，這樣可以在一定程度上省去了中間環(huán)節(jié)，加上一些設(shè)計(jì)過程的相關(guān)技術(shù)的運(yùn)用，可以大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

因?yàn)橥弦稽c(diǎn)所提到的一樣，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，其本意就是為了表達(dá)三維構(gòu)思，最終的產(chǎn)品也是一個(gè)三維立體的事物，所以如果能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最初就以三維的軟件為工具設(shè)計(jì)和開發(fā)產(chǎn)品，不正是一個(gè)最直接，最接近真實(shí)效果的手段。尤其是當(dāng)設(shè)計(jì)者所面對(duì)的是一個(gè)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜和需要設(shè)計(jì)者有一定空間感的東西，甚至于設(shè)計(jì)者的構(gòu)思還不完全時(shí)，三維設(shè)計(jì)就能在幫助設(shè)計(jì)者合理分解設(shè)計(jì)步驟，順利完成其整個(gè)的構(gòu)思，完善容易忽視的細(xì)節(jié)，一直到最后反復(fù)檢查產(chǎn)品起到相當(dāng)關(guān)鍵的作用。例如：現(xiàn)在已經(jīng)在應(yīng)用中的液壓集成塊的設(shè)計(jì)（具體參見圖二），就是一個(gè)比較典型的運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件例子了。在設(shè)計(jì)人員有了初步的液壓原理圖以后，就與CAD 技術(shù)相結(jié)合，利用三維設(shè)計(jì)軟件根據(jù)集成元件中所示的閥底板各油孔的相對(duì)位置坐標(biāo)繪制集成塊三維立體圖，并能以直觀的方式觀察其連通情況。這樣不僅能使液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊，而且若以后液壓系統(tǒng)有變化，也可以利用三維設(shè)計(jì)的一大特點(diǎn)--參數(shù)化和全相關(guān)性，先從三維模型處修改，觀察其修改設(shè)計(jì)的可行性，直到設(shè)計(jì)出相對(duì)合理的液壓集成塊，從而降低了設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的發(fā)生，極大地提高了設(shè)計(jì)效率。

3 三維設(shè)計(jì)軟件的運(yùn)用,實(shí)現(xiàn)了給設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)開放的，并行的以及相互合作和交流的平臺(tái)的可能，避免了不必要的重復(fù)開發(fā)。因?yàn)槿S設(shè)計(jì)的模塊化設(shè)計(jì)，可以讓盡可能需要參加的設(shè)計(jì)人員參加近來，他們之間即能相互獨(dú)立，又可以相互關(guān)聯(lián)，其中信息的流向是雙向的，使得設(shè)計(jì)的過程變得科學(xué)、動(dòng)態(tài)和透明，也就是現(xiàn)在所說的并行工程(Concurrent Engineering),其關(guān)鍵是用并行設(shè)計(jì)方法代替串行設(shè)計(jì)的方法。對(duì)于這一點(diǎn)來說，尤其適用于一些大型的、綜合性的設(shè)備的設(shè)計(jì)和研發(fā)。同時(shí)這種基于并行工程的集成方法也是離不開特征庫(kù)和公共數(shù)據(jù)庫(kù)的支持，所以相信在不久的將來，三維設(shè)計(jì)會(huì)在越來越多的領(lǐng)域里有自己不可替代的位置。

4 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的集合造型方法已經(jīng)難于完全滿足現(xiàn)在機(jī)械設(shè)計(jì)的要求。例如：它除了零件的幾何尺寸以外，沒有包含別的太多的信息，例如加工、制造和工藝方面的信息。

而與此同時(shí)，三維設(shè)計(jì)軟件所繪制的三維幾何模型信息量大，產(chǎn)品信息的定義、存儲(chǔ)、傳遞都是采用三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品數(shù)據(jù)除了形狀、大小、位置等幾何拓?fù)湫畔⒁酝?，還包括零件間的裝配關(guān)系、運(yùn)動(dòng)關(guān)系、制造工藝以及材質(zhì)等方面的信息，甚至還可以通過定義不同的參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn) CAD／CAPP／CAE／CAM的集成創(chuàng)造良好的條件。

隨著機(jī)械制造業(yè)向CIMS（Computer Integrated Manufacturing System 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）或 IMS（Intelligent Manufacturing System 智能制造系統(tǒng)）的不斷發(fā)展發(fā)展，CAD／CAPP／CAE／CAM的集成化要求將會(huì)是未來發(fā)展的趨勢(shì)。為達(dá)到此目的，以下是幾個(gè)不得不面對(duì)的問題：

CAD 模塊的幾何建模系統(tǒng)，除提供幾何形狀及拓?fù)湫畔⑼猓€必須提供零件的工藝信息、檢測(cè)信息、組織信息及結(jié)構(gòu)分析信息等；CAPP 模塊能直接從CAD 模塊中獲取零件的幾何信息、工藝信息和材料信息等，以替代零件信息描述的輸入；為了優(yōu)化和改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，單一無縫的CAD/CAE 界面是使用的基礎(chǔ)；須適應(yīng)多種數(shù)控系統(tǒng)NC 加工控制指令的生成。

但以上所有這些都離不開三維繪圖軟件的參與。因?yàn)槔萌S機(jī)械設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行零件和裝配體的建立、建立工程圖，這個(gè)環(huán)節(jié)不是孤立的，它其實(shí)是與產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)輔助分析（CAE）、計(jì)算機(jī)輔助工藝管理（CAPP）以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）和生命周期管理（PLM）有廣泛和密切的聯(lián)系。所以在具體操作上還有更深層次的關(guān)于文件屬性的定義，模板和符號(hào)庫(kù)的定制等等許多需要注意的問題。所以，看似表面簡(jiǎn)單的三維建模，其實(shí)只有滿足了更深層次的內(nèi)容和要求，才能稱得上是真正意義上的三維建模。

以上是一些在平時(shí)工作中，用到三維軟件設(shè)計(jì)部分機(jī)械產(chǎn)品時(shí)的一點(diǎn)點(diǎn)簡(jiǎn)單的理解和體會(huì)，只是對(duì)三維設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中所起大的輔助作用的膚淺認(rèn)識(shí)。隨著近年來我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的不斷發(fā)展，相信在不久的將來三維設(shè)計(jì)必定會(huì)起到越來越重要的作用，成為未來產(chǎn)品設(shè)計(jì)必須努力的方向。

[1]李月景.圖象識(shí)別技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

[2]楊彭基.交互式計(jì)算機(jī)圖形顯示學(xué)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1985.

[3]孫家廣，陳玉健.辜凱寧?kù)灾?計(jì)算機(jī)輔助幾何造型技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1990.

[4]趙艷霞.現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)圖學(xué)(Solid Edge 三維繪圖設(shè)計(jì)部分)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[5]王國(guó)業(yè).AutoCAD2008 中文版三維實(shí)例教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[6]田東.SolidWorks2005 三維機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[7]童水光等.機(jī)械CAD/CAM 現(xiàn)狀及推廣應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造，1996，（8）：6-7.

[8]蔡漢明，陳清奎等.機(jī)械CAD/CAM 技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.