淺析三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

屈福康

（廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院，廣東 廣州 511325）

三維CAD技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)說優(yōu)勢(shì)十分明顯，其能夠顯著提升機(jī)械設(shè)計(jì)的效率、質(zhì)量，減少機(jī)械設(shè)計(jì)周期，使得機(jī)械設(shè)計(jì)過程中不同部門之間的溝通、交流更加高效、更加迅速、更加協(xié)調(diào)，有助于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的系統(tǒng)化、通用化以及標(biāo)準(zhǔn)化。

1 三維CAD技術(shù)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與成熟推動(dòng)了第三次技術(shù)革命。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)（computer aided design）已經(jīng)成為了工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用中不可忽視的重要技術(shù)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)綜合數(shù)值計(jì)算、仿真模擬、幾何模型處理、圖形學(xué)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等方面的內(nèi)容，將抽象、分離、獨(dú)立的設(shè)計(jì)變得具體化、形象化，能夠?qū)⑻摂M現(xiàn)實(shí)的技術(shù)將產(chǎn)品的材質(zhì)、色彩、形狀通過計(jì)算機(jī)真實(shí)、形象的展現(xiàn)出來(lái)，并且將產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程開展詳細(xì)的數(shù)據(jù)化管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化、規(guī)范化。從上個(gè)世紀(jì)60年代開始，三維建模技術(shù)歷經(jīng)了線框建模、曲面建模與特征建模的發(fā)展歷程。伴隨著CAD技術(shù)的成熟與發(fā)展，三維建模技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)了同步技術(shù)、直接建模等多種成熟先進(jìn)的建模技術(shù)，使得設(shè)計(jì)師擁有了更加豐富的建模手段以及更加廣闊的選擇空間。例如，三維實(shí)體造型技術(shù)，即為Solid Modeling，該技術(shù)核心為CSG（Constructive Solid Geometry）以及B-REP模型。CSG所傳遞的為建模的順序，而B-REP模型則是三維模型中所涉及的點(diǎn)、線、面、體的相關(guān)信息。

2 三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

2.1 縮短了機(jī)械設(shè)計(jì)周期

采用三維CAD技術(shù)可以大大縮短機(jī)械設(shè)計(jì)周期，顯著提升機(jī)械設(shè)計(jì)的效率。使用三維CAD技術(shù)可以只針對(duì)其中的部分零件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與制造，而大部分的零部件設(shè)計(jì)都將保持不變，從而提高了機(jī)械設(shè)計(jì)的效率。同時(shí)，三維CAD技術(shù)擁有高度的變形設(shè)計(jì)功能，能夠通過快速重構(gòu)的方式來(lái)獲得全新的機(jī)械產(chǎn)品。

2.2 使得機(jī)械零件設(shè)計(jì)更加便捷

利用三維CAD技術(shù)可以在裝配環(huán)境中設(shè)計(jì)新的零件，也可以通過零件的相鄰零件的位置、狀態(tài)、特征來(lái)設(shè)計(jì)新的零件，快捷、高效，全面保證了新的零件與相鄰零件的精準(zhǔn)配合，避免了單獨(dú)設(shè)計(jì)零件而可能出現(xiàn)的裝配誤差。例如，可以在裝配環(huán)境中根據(jù)零件箱體的形狀與其他配合要求快速的獲取設(shè)計(jì)所需要的箱蓋。

2.3 修改機(jī)械零件便捷

三維CAD技術(shù)中擁有查找器功能，在完成機(jī)械零件設(shè)計(jì)造型時(shí)可以通過資源查找器來(lái)列出完成該零件設(shè)計(jì)過程中完成的所有指令，分別點(diǎn)擊不同指令就可以清晰的了解零件在設(shè)計(jì)過程中所完成的步驟。并且使用資源查找器中的零件回放功能中真實(shí)再現(xiàn)零件造型的全部過程，通過真實(shí)形象的動(dòng)畫再次檢查核實(shí)零件的設(shè)計(jì)過程。另外，也可以通過點(diǎn)擊資源查找器中相對(duì)應(yīng)的命令來(lái)完成。

2.4 提升機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量

三維CAD技術(shù)運(yùn)用了先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，通過優(yōu)化有限元受力分析的方式來(lái)保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。同時(shí)，利用數(shù)控加工手段還可以使用CAD、CAPP、CAM等方式來(lái)對(duì)零件進(jìn)行加工，以強(qiáng)化一致性，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

2.5 裝配零件更加直觀

利用三維CAD技術(shù)中的資源查找器功能可以查看到機(jī)械零件的裝配路徑，得知零件之間的裝配關(guān)系。如果裝配錯(cuò)誤或出現(xiàn)矛盾，查找器則會(huì)顯示錯(cuò)誤提示。同時(shí)，可以對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)中的零件裝配情況進(jìn)行核實(shí)檢查，如果發(fā)現(xiàn)問題則可及時(shí)對(duì)零件以及零件裝配進(jìn)行修改，以保證機(jī)械設(shè)計(jì)的正確性。利用三維CAD技術(shù)還可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求來(lái)隱藏零件展示。在隱藏現(xiàn)實(shí)外部零部件后則可以清晰的看到內(nèi)部的裝配零件與結(jié)構(gòu)，以便對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)內(nèi)部進(jìn)行調(diào)整。在完成機(jī)械部件的裝配模型后還可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)演示，對(duì)于具有運(yùn)動(dòng)行程標(biāo)準(zhǔn)的可以檢驗(yàn)其是否達(dá)到相關(guān)要求。也可以對(duì)于靜態(tài)環(huán)境下處于正常狀態(tài)，而運(yùn)動(dòng)中可能出現(xiàn)的碰撞也可以精準(zhǔn)的檢驗(yàn)出來(lái)，進(jìn)而及時(shí)的對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)整修改，以保證機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品的精確度。

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

3.1 三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的功能應(yīng)用

（1）零件與裝配圖生產(chǎn)零件實(shí)體建模。三維CAD建模方式主要分為三種類別，分別為線框建模、表面模型以及實(shí)體模型。在三維CAD技術(shù)中存在眾多能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)體建模的CAD軟件的常用基本體系。例如，常用的AutoCAD的三維實(shí)體造型模塊中就擁有立方體、球體、圓柱體、環(huán)狀體等不同體系。針對(duì)簡(jiǎn)單的零部件可以對(duì)其進(jìn)行深入的結(jié)構(gòu)分析，并且利用“交、并、差”布爾等運(yùn)算方式來(lái)獲得所需零件的三維實(shí)體造型。對(duì)于復(fù)雜的零件改造過程由于其本體難以全面細(xì)致的拆分開來(lái)，因此基本的三維CAD體系難以滿足機(jī)械三維實(shí)體造型的更高要求。然而，可以在二維幾何元素構(gòu)造中定義零件的截面輪廓，進(jìn)而在三維實(shí)體造型中通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、縮小、放大等處理來(lái)獲得新的基本體，并且通過“交、并、差”布爾等運(yùn)算方式來(lái)獲取所需零件的三維實(shí)體造型。

（2）機(jī)械設(shè)計(jì)零部件檢查。利用三維CAD技術(shù)可以在裝配環(huán)境中設(shè)計(jì)新的零件，還可以通過相鄰零件的區(qū)域位置來(lái)設(shè)計(jì)出新的零件，方便、快捷、高效，避免了獨(dú)立設(shè)計(jì)零件而出現(xiàn)的設(shè)計(jì)不匹配的情況。三維CAD技術(shù)中資源查找器的零件回放功能還能夠再現(xiàn)零件造型的過程，以便更好的對(duì)零件進(jìn)行檢驗(yàn)。三維CAD技術(shù)在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中與人的設(shè)計(jì)思維習(xí)慣與設(shè)計(jì)方式更加匹配，整個(gè)設(shè)計(jì)過程可以在三維模型中完成。

3.2 三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用

（1）三維CAD技術(shù)在機(jī)械建模進(jìn)程中的應(yīng)用。三維CAD技術(shù)可以使得機(jī)械設(shè)計(jì)過程變得更加形象，其可以被廣泛運(yùn)用在機(jī)械建模過程中。三維CAD技術(shù)能夠靈活的完成機(jī)械設(shè)計(jì)所需要的橢圓形、圓形以及圓柱體。假如機(jī)械設(shè)計(jì)中涉及到結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的形狀，則需要利用布爾運(yùn)算，將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中自由的圖形進(jìn)行排列設(shè)計(jì)，結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)的具體情況來(lái)進(jìn)行布爾運(yùn)算，以提升機(jī)械設(shè)計(jì)的效率與準(zhǔn)確度。

（2）三維CAD技術(shù)在機(jī)械CAE中的應(yīng)用。機(jī)械CAE的主要功能在于對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并且對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)中涉及的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，進(jìn)而確定最優(yōu)的機(jī)械設(shè)計(jì)方案，并且對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)方案進(jìn)行合理的評(píng)估。三維CAD技術(shù)可以被應(yīng)用在機(jī)械CAE當(dāng)中，對(duì)設(shè)計(jì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以保證機(jī)械設(shè)計(jì)可以開展。三維CAD技術(shù)可以輔助CAE開展使用年限預(yù)估、工程數(shù)據(jù)分析、強(qiáng)度設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)、仿真動(dòng)力分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等，對(duì)于實(shí)現(xiàn)CAE功能有著一定的積極作用。

（3）三維CAD技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。三維CAD技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用十分普遍。例如，三維CAD技術(shù)已經(jīng)被普及應(yīng)用到農(nóng)用收割機(jī)的設(shè)計(jì)當(dāng)中。收割機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)主要以分離裝置設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，利用三維CAD技術(shù)可以對(duì)收割機(jī)內(nèi)部的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行深入的分析與對(duì)比，并且制定合理的收割機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)方案，將收割機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，完成數(shù)據(jù)傳遞與共享。

4 三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的發(fā)展趨勢(shì)

近幾年來(lái)伴隨著計(jì)算技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，三維CAD技術(shù)已經(jīng)普遍廣泛運(yùn)用到機(jī)械設(shè)計(jì)的工作中，并且已經(jīng)朝著智能化、規(guī)范化以及虛擬網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。

4.1 智能化

三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)運(yùn)用中的智能化發(fā)展主要體現(xiàn)在參數(shù)設(shè)計(jì)與特點(diǎn)造型兩個(gè)方面。用戶在使用三維CAD技術(shù)的過程中可以通過輸入零件結(jié)構(gòu)的參數(shù)、特征來(lái)使得機(jī)械設(shè)計(jì)工作更加快捷。三維CAD技術(shù)將不僅僅局限在機(jī)械設(shè)計(jì)的繪制工作，而是會(huì)更加普遍的運(yùn)用在CAPP、機(jī)械設(shè)計(jì)加工等具體需求上。

4.2 規(guī)范化

利用三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的規(guī)范化發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)為數(shù)據(jù)交換格式標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)模型規(guī)范化以及CAD資源規(guī)范化等方面。數(shù)據(jù)模型可以使用STEP標(biāo)準(zhǔn)體系。就當(dāng)前三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)接口難以滿足CAD的數(shù)據(jù)交換、傳輸需求。參數(shù)化特征模型傳輸處于發(fā)展瓶頸時(shí)期，在未來(lái)的發(fā)展過程中三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用將朝著更加規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。

4.3 虛擬網(wǎng)絡(luò)化

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，三維CAD技術(shù)也得到了優(yōu)化與成熟，并且已經(jīng)逐漸從單機(jī)使用狀態(tài)轉(zhuǎn)變成為了網(wǎng)絡(luò)化使用狀態(tài)。虛擬網(wǎng)絡(luò)化的三維CAD技術(shù)出現(xiàn)，給機(jī)械設(shè)計(jì)帶來(lái)的了巨大的便捷。用戶可以在虛擬網(wǎng)絡(luò)化的狀態(tài)下全面掌握機(jī)械設(shè)計(jì)中的問題與缺陷，并且利用互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)來(lái)參考同類機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)，進(jìn)而更好的支持機(jī)械設(shè)計(jì)工作的開展。

5 結(jié)語(yǔ)

三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。在機(jī)械設(shè)計(jì)中三維CAD技術(shù)擁有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，能夠提升機(jī)械設(shè)計(jì)的效率、縮短機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)間、提升機(jī)械設(shè)計(jì)質(zhì)量，為機(jī)械設(shè)計(jì)帶來(lái)便捷與高效。雖然當(dāng)前三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)的運(yùn)用中還存在著一定的缺陷，但是伴隨著科學(xué)技術(shù)等級(jí)進(jìn)步，三維CAD技術(shù)必然將會(huì)更加成熟，為機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供更加便捷的功能。

[1]孫健.企業(yè)應(yīng)用國(guó)產(chǎn)三維CAD技術(shù)應(yīng)注意的若干問題[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì),2005,(01),156-158.

[2]楊剛,王偉東,楊文靜.淺析三維CAD技術(shù)在我國(guó)機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用[J].黑龍江史志,2013,(15),297.