三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

田煒（呼倫貝爾學(xué)院礦業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼倫貝爾，021008）

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三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

田煒
（呼倫貝爾學(xué)院礦業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼倫貝爾，021008）

伴隨著科學(xué)技術(shù)快速進(jìn)步，三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的運(yùn)用越來越普遍。由于三維CAD技術(shù)的使用，使得機(jī)械設(shè)計(jì)的水平達(dá)到了一個(gè)新高度。本文主要針對(duì)三維CAD技術(shù)的概念進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，分析了從實(shí)體建模發(fā)展到虛擬樣機(jī)技術(shù)的技術(shù)特征，并闡述了虛擬建模的技術(shù)技巧。最后探討了機(jī)械設(shè)計(jì)中該技術(shù)的應(yīng)用情況。希望能為我國機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展提供一定的借鑒與參考。

三維CAD技術(shù)；機(jī)械設(shè)計(jì)；應(yīng)用

引言

機(jī)械設(shè)計(jì)是高級(jí)教育中十分熱門的一項(xiàng)專業(yè)課程。目前，機(jī)械設(shè)計(jì)在日常生活與企業(yè)生產(chǎn)中都具有十分廣泛的應(yīng)用。機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)主要是通過理論學(xué)習(xí)，并將其運(yùn)用到實(shí)踐當(dāng)中去。我國的機(jī)械設(shè)計(jì)繪圖技術(shù)已經(jīng)成功從二維向三維轉(zhuǎn)型，三維CAD技術(shù)應(yīng)用過程主要是利用強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件及功能進(jìn)行模型構(gòu)建、分析處理、定型制造的過程。該技術(shù)具有成型快、視覺感強(qiáng)、成本低等優(yōu)勢(shì)受到越來越廣泛的使用［1］。同時(shí)，伴隨技術(shù)進(jìn)步，使用中的問題也不斷出現(xiàn)。因此，加強(qiáng)三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)用中的科研工作非常重要。

1　三維CAD技術(shù)不斷進(jìn)步

三維CAD技術(shù)即為人們所說的數(shù)字立體建模技術(shù)，該技術(shù)的發(fā)展經(jīng)過了眾多的發(fā)展階段，三維CAD技術(shù)就是在二維模型的基礎(chǔ)上建立起來的，與二維模型相比，三維模型的構(gòu)建則更為簡(jiǎn)單。因此，只要建立起了三維模型，其模型的構(gòu)造更加逼真、形象，與實(shí)物極其逼近，不僅為設(shè)計(jì)者提供了實(shí)體參考空間，也為改進(jìn)提供了更大的想象力空間。與此同時(shí)，該技術(shù)主要使用通過計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)完成，因此該技術(shù)的使用成本很低，工作效率較高，三維CAD應(yīng)用關(guān)鍵技巧主要包括：一是三維坐標(biāo)的使用、柱面坐標(biāo)與球面坐標(biāo)的使用；二是過濾坐標(biāo)、參照系坐標(biāo)使用等。如今學(xué)會(huì)三維CAD應(yīng)用的關(guān)鍵技巧是成為一位優(yōu)秀的機(jī)械設(shè)計(jì)者的前提與基礎(chǔ)。

CAx/DFx技術(shù)已經(jīng)創(chuàng)新發(fā)展到虛擬樣機(jī)技術(shù)（VPT，Virtual Prototyping Technology）。其是一種基于虛擬樣機(jī)的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，是各領(lǐng)域CAx/DFx技術(shù)的發(fā)展和延伸。虛擬樣機(jī)技術(shù)融合了先進(jìn)建模與仿真技術(shù)，特別是現(xiàn)代管理技術(shù)，將這些技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜產(chǎn)品全生命周期和全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)綜合管理。與傳統(tǒng)三維CAD設(shè)計(jì)技術(shù)相比，虛擬樣機(jī)技術(shù)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)、全生命周期的觀點(diǎn)，可支持對(duì)產(chǎn)品的全方位測(cè)試、分析與評(píng)估，強(qiáng)調(diào)不同領(lǐng)域的虛擬化的協(xié)同設(shè)計(jì)。

虛擬樣機(jī)技術(shù)是將CAD建模技術(shù)、計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作（CSCW）技術(shù)、用戶界面設(shè)計(jì)、基于知識(shí)的推理技術(shù)、設(shè)計(jì)過程管理和文檔化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集成起來，形成一個(gè)完整支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的并行工程方法。

2　三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用特征

2.1有利于機(jī)械設(shè)計(jì)工作效率的提高

三維CAD技術(shù)的應(yīng)用在很大程度上提升了機(jī)械設(shè)計(jì)的工作效率，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我們可以發(fā)現(xiàn)三維CAD技術(shù)與二維相比，工作效率提升了近70%，與此同時(shí)，利用三維CAD技術(shù)設(shè)計(jì)的機(jī)械模型，在進(jìn)行改裝時(shí)，可以根據(jù)設(shè)計(jì)者的具體需求，對(duì)模型的某一個(gè)特定部位進(jìn)行改動(dòng)，而不需要改動(dòng)的部位則還是按照原來的模樣投入使用，所以，該技術(shù)在很大程度上加快了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)速度，另外，該技術(shù)強(qiáng)大的改裝技術(shù)，降低了設(shè)計(jì)人員的產(chǎn)品改造難度，設(shè)計(jì)人員可以極其簡(jiǎn)單地對(duì)原產(chǎn)品進(jìn)行改造，從而獲得一個(gè)全新的產(chǎn)品。

2.2有利于產(chǎn)品技術(shù)含量的提升

伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與人們生活需求的日益增長，機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)對(duì)技術(shù)性的要求越來越高，產(chǎn)品的技術(shù)含量越來越成為考核一個(gè)產(chǎn)品性能的重要指標(biāo)，而三維CAD技術(shù)能在很大程度上提升產(chǎn)品的技術(shù)含量，該技術(shù)的主要通過最新的設(shè)計(jì)方法保證產(chǎn)品的技術(shù)含量，例如受力分析法、優(yōu)化等方法，甚至部分生產(chǎn)企業(yè)擁有較為先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)，因此，該企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品不僅技術(shù)含量高，且誤差小，產(chǎn)品統(tǒng)一性高，質(zhì)量好。

2.3實(shí)現(xiàn)了機(jī)械設(shè)計(jì)的變量化與數(shù)據(jù)化

機(jī)械設(shè)計(jì)的變量化與數(shù)據(jù)化的實(shí)現(xiàn)，是產(chǎn)品質(zhì)量提升的重要原因，纏頭的設(shè)計(jì)技術(shù)主要是通過圖紙、筆以及尺子等工具繪畫圖樣，一旦需要局部改造，則整張?jiān)O(shè)計(jì)圖紙都要報(bào)廢，需要進(jìn)行重新繪畫，因此，每張?jiān)O(shè)計(jì)圖紙往往是經(jīng)過多次的重畫得到的，這就在很大程度上加大了設(shè)計(jì)人員的工作量，降低了工作效率［2］。而當(dāng)下，設(shè)計(jì)人員可以利用三維CAD技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員只需要在計(jì)算機(jī)內(nèi)輸入相關(guān)的數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)就會(huì)自動(dòng)生成產(chǎn)品的基本模型，若需要對(duì)產(chǎn)品的局部進(jìn)行修改，則設(shè)計(jì)師只需要對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行修改，計(jì)算機(jī)內(nèi)的設(shè)計(jì)模型就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生一定的變動(dòng)，這在很大程度上降低了設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度，提升了設(shè)計(jì)人員的工作效率，同時(shí)增強(qiáng)了產(chǎn)品模型的精確度與質(zhì)量。

2.4設(shè)計(jì)模型更加逼真

在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員需要將腦海中構(gòu)造的模型生動(dòng)地表現(xiàn)出來，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員往往是通過圖紙展示自己的設(shè)計(jì)模型，而用圖紙進(jìn)行設(shè)計(jì)模型的展示則具有較多的局限性，一方面，在圖紙上，產(chǎn)品立體結(jié)構(gòu)的繪畫比較困難，這對(duì)設(shè)計(jì)人員的實(shí)力提出了一定的要求，也為設(shè)計(jì)人員的機(jī)械設(shè)計(jì)造成了很大的困難，另一方面，立體結(jié)構(gòu)的平面化也對(duì)觀眾的理解造成了很大的困難。而利用三維CAD技術(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)模型更加逼真；同時(shí)觀眾可以全方位看到設(shè)計(jì)模型的具體結(jié)構(gòu)，而且模型還可以通過相應(yīng)的技術(shù)進(jìn)行一定的試用期運(yùn)行，設(shè)計(jì)人員根據(jù)模擬運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行一定的改進(jìn)，這在很大程度上降低了設(shè)計(jì)成本，提升了工作效率，使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與功能更能夠符合消費(fèi)者的需求［3］。

3　三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用功能

虛擬樣機(jī)技術(shù)包含三個(gè)主要功能模塊，它與實(shí)體模型相輔相成。這三個(gè)功能模塊：一是3D立體模塊，其具有與實(shí)體逼近的模型描述能力；二是人際交互模塊，虛擬樣機(jī)技術(shù)以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品模型的逼真顯示、動(dòng)態(tài)模仿和人機(jī)交互；三是測(cè)試評(píng)估模塊，針對(duì)模型的分析和評(píng)價(jià)是虛擬樣機(jī)技術(shù)的關(guān)鍵步驟，從理論上要分析模型的結(jié)構(gòu)力學(xué)、幾何布局、加工性能、幾何形狀及維護(hù)性等方面；從產(chǎn)品制造方面，要分析可制造性和產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)等方面。虛擬樣機(jī)已經(jīng)完成實(shí)現(xiàn)軟件化。

3.1虛擬樣機(jī)功能

應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以在視覺與聽覺上對(duì)設(shè)計(jì)模型的性能與使用等方面進(jìn)行一定的虛擬操作，該技術(shù)有助于設(shè)計(jì)人員更加了解產(chǎn)品性能的不足，并進(jìn)行及時(shí)的糾正與修改，該功能是在三維CAD技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行研發(fā)的，主要是利用三維CAD技術(shù)創(chuàng)造逼真的產(chǎn)品模型，并在虛擬環(huán)境中對(duì)其性能與質(zhì)量進(jìn)行一定的分析，根據(jù)各個(gè)部件的運(yùn)行情況，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行必要的修改與完善［4］。因此虛擬樣機(jī)功能的使用在很大程度上提升了產(chǎn)品的質(zhì)量與性能，降低研發(fā)成本，提升產(chǎn)品研制效率。如圖1所示為虛擬樣機(jī)。

3.2實(shí)體建模功能

實(shí)體建模功能是三維CAD技術(shù)應(yīng)用最廣泛的一項(xiàng)功能，在計(jì)算機(jī)的建模中，三維技術(shù)已經(jīng)創(chuàng)造了眾多的基本模型結(jié)構(gòu)，例如正方體、圓柱體、圓臺(tái)以及球體等眾多基本模型的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)模型設(shè)計(jì)的實(shí)際需要，通過一些簡(jiǎn)單的基本模型結(jié)構(gòu)的拼接得到一個(gè)逼真的設(shè)計(jì)模型。但是該功能也存在部分不足，例如一些結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的模型零部件，三維基本模型的結(jié)構(gòu)并不具有其構(gòu)造，因此，這時(shí)就需要通過二維技術(shù)先確定零部件的基本結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)截面的基本形狀，通過相關(guān)的計(jì)算方法得到設(shè)計(jì)模型的實(shí)際結(jié)構(gòu)。

圖1　虛擬樣機(jī)

3.3對(duì)零部件的檢查功能

根據(jù)上文介紹，眾所周知，通過三維CAD技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以極其簡(jiǎn)單地對(duì)設(shè)計(jì)模型的零部件進(jìn)行一定的改造與變動(dòng)，可以極其方便地添加零件，還可以快速地去除部分結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，該技術(shù)還可以使得各個(gè)零部件之間的配合更加完美，在很大程度上降低了模型設(shè)計(jì)的失敗率，另外，關(guān)于設(shè)計(jì)模型的零部件的拼接與拆分都可以通過計(jì)算機(jī)的零件回放功能，通過動(dòng)畫的形式，使設(shè)計(jì)人員更清楚、直觀地看懂零部件的改造過程。

3.4設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的一體化功能

在三維CAD技術(shù)的應(yīng)用過程中，該功能已經(jīng)從最初的繪圖逐漸發(fā)展為目前的數(shù)據(jù)建模、零件檢查以及虛擬技術(shù)等功能。三維設(shè)計(jì)已經(jīng)是目前我國機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)最先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，該技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都得到了十分廣泛的應(yīng)用，尤其是在企業(yè)的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)方面更是具有無可替代的重要應(yīng)用，例如，美國著名的汽車生產(chǎn)公司福特就通過該技術(shù)大大提升了汽車生產(chǎn)的效率與質(zhì)量，同時(shí)，還在很大程度上降低了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的修改概率，并且極其明顯地降低了企業(yè)生產(chǎn)的成本［5］。同樣，波音客機(jī)也早早就開始進(jìn)行設(shè)計(jì)的“無紙化”技術(shù)，使得如今的波音飛機(jī)的發(fā)展一直位于世界前茅。

4　結(jié)論

綜上所述，我國機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)由二維到三維的進(jìn)步是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，三維CAD技術(shù)能夠在很大程度上提升企業(yè)產(chǎn)品的創(chuàng)新效率，同時(shí)，能夠更好地將設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行演繹，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步與我國創(chuàng)新理念的發(fā)展，三維CAD技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，因此，本文主要通過對(duì)三維CAD技術(shù)近幾年發(fā)展的實(shí)際情況與具體應(yīng)用，對(duì)其相關(guān)概念進(jìn)行了一定的解釋，同時(shí)，并分析了該技術(shù)提升機(jī)械設(shè)計(jì)的工作效率、提升產(chǎn)品的技術(shù)含量、實(shí)現(xiàn)了機(jī)械設(shè)計(jì)的變量化與數(shù)據(jù)化以及使得設(shè)計(jì)模型更加逼真等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，最后，本文對(duì)三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，例如虛擬樣機(jī)技術(shù)、實(shí)體建模功能、對(duì)零部件的檢查以及設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的一體化等，僅供參考。

［1］張立榮.三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］-《煤炭技術(shù)》-2014（30）.

［2］曹樹坤.在課堂教學(xué)中充分利用三維CAD軟件的模擬功能［J］-《全國機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)研討會(huì)》-2014（20）.

［3］郭慶林. 三維CAD技術(shù)在機(jī)械行業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］-《電子技術(shù)與軟件工程》-2015（01）.

［4］黃淑芳. 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)中三維CAD技術(shù)優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用［J］-《黑龍江科學(xué)》-2014（09）.

［5］朱振杰，楊振怡. 三維CAD技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品制造中的應(yīng)用研究［J］-《科技與創(chuàng)新》-2016（02）.

Application of Three Dimensional CAD Technology in Mechanical Design

Wei Tian
（School of mining， Hulunbeier University，HulunBuir， Inner Mongolia， 021008， China）

With the rapid improvement of science and technology，use of 3D CAD technology in mechanical design is more common.Due to the use of 3D CAD technology，the technical level of mechanical design has reached a new height，this paper is mainly aimed at the concept of 3D CAD technology are briefly introduced.According to the actual situation of the current development of the technology of some elaborate on the advantages.Finally，a systematic analysis of the application of the technology in Mechanical design，hoping to provide some reference for the development of China's machinery industry design.

3D CAD Technology； Mechanical Design； Application

E-mail: Tw_hlr@163.com

TH11

A

2095-8412 （2016） 03-577-04

田煒（1973-），女，講師。研究方向：機(jī)械工程。