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

蔡海毅

摘 要：機(jī)械設(shè)計(jì)是較早應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的領(lǐng)域之一，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)械設(shè)計(jì)方法也發(fā)生了巨大的改變，特別是三維CAD技術(shù)的逐漸成熟，使得利用三位維CAD技術(shù)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行三維建模仿真和虛擬裝配得以實(shí)現(xiàn)并取得了優(yōu)異的效果。本文簡(jiǎn)單介紹了三維CAD技術(shù)及其在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用，使得人們清晰地認(rèn)識(shí)三維CAD技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及其今后的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：三維CAD技術(shù);機(jī)械設(shè)計(jì);三維建模仿真;虛擬裝配

中圖分類號(hào)：TH122;TP391.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2020）05-0057-03

Abstract： Mechanical design is one of the early fields of applying computer-aided design. With the continuous advancement of computer technology， mechanical design method has also undergone tremendous changes， especially the gradual maturity of 3D CAD technology， which makes it possible to achieve 3D modeling simulation and virtual assembly of mechanical products using 3D CAD technology and achieve excellent results. This paper briefly introduced 3D CAD technology and its application in the field of mechanical design， making people clearly understand the advantages of 3D CAD technology and its future development trends.

Keywords： 3D CAD technology;mechanical design;3D modeling and simulation;virtual assembly

機(jī)械設(shè)計(jì)是指根據(jù)市場(chǎng)需求，對(duì)機(jī)械的工作原理、運(yùn)動(dòng)方式、結(jié)構(gòu)、能量和力的傳遞方式、組成機(jī)械的各個(gè)零件的形狀尺寸和材料等進(jìn)行構(gòu)思、分析和計(jì)算，然后將其組成構(gòu)件轉(zhuǎn)化成具體的描述（零件圖、裝配圖）并作為制造依據(jù)的工作過(guò)程。其間，設(shè)計(jì)對(duì)象從最初單一功能產(chǎn)品變成復(fù)雜的系統(tǒng)，人們需要在設(shè)計(jì)中運(yùn)用集成、系統(tǒng)方法解決設(shè)計(jì)問(wèn)題。傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品往往僅存在于圖紙上，未得到制造，存在諸多不合理，使得錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)難以被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的重要性日益凸顯，其核心是幾何建模系統(tǒng)，它是一種虛擬仿真技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、建筑、動(dòng)漫、服裝等行業(yè)。這種技術(shù)改變了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)工作過(guò)程，使得機(jī)械設(shè)計(jì)的合理性大幅提升，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期大大縮短，成為衡量國(guó)家科技現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。

1 三維CAD技術(shù)的發(fā)展

三維CAD技術(shù)是通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)利用一組數(shù)據(jù)來(lái)描述物體空間形狀的技術(shù)。它伴隨著CAD技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，從二維平面繪圖發(fā)展到三維產(chǎn)品建模，經(jīng)歷了如下幾個(gè)階段。

第一代產(chǎn)生于20世紀(jì)50年代后期發(fā)達(dá)國(guó)家的航空和軍事工業(yè)中，1989年，美國(guó)國(guó)家工程研究院將CAD技術(shù)評(píng)為1964—1989年十項(xiàng)最杰出的工程技術(shù)成就之一。但該技術(shù)應(yīng)用之初，只是使用計(jì)算機(jī)輔助繪圖，還沒(méi)辦法達(dá)到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

第二代出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，這個(gè)階段的CAD系統(tǒng)解決了表面模型技術(shù)只能表達(dá)形體的外形表面信息，難以準(zhǔn)確地表達(dá)零件其他特性的問(wèn)題，發(fā)展出三維實(shí)體建模模型。這使得精確表達(dá)零件的全部屬性得以實(shí)現(xiàn)，帶來(lái)了CAD技術(shù)的迅速發(fā)展。

第三代始于20世紀(jì)80年代中期。CAD系統(tǒng)開(kāi)始出現(xiàn)了基于特征建模和基于約束的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，使得二、三維模型的修改具有實(shí)時(shí)相關(guān)性。這兩種方法彼此交叉融合，使得CAD技術(shù)進(jìn)一步提升，其應(yīng)用場(chǎng)景也不斷擴(kuò)大，特別是該系統(tǒng)中的二、三維模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)輔助制造所需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是相同的，實(shí)現(xiàn)了不同體系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一（CAD/CAM的信息集成）。

第四代是最新系統(tǒng)，目前的CAD系統(tǒng)已從一個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，發(fā)展為全面支持產(chǎn)品自動(dòng)化設(shè)計(jì)、加工的方法和理論、設(shè)計(jì)工具、生產(chǎn)加工環(huán)境各相關(guān)技術(shù)高度集成的綜合系統(tǒng)。這使設(shè)計(jì)工作實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、集成化和智能化，最終達(dá)到降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量和縮短設(shè)計(jì)周期的目的[1]。

2 三維CAD技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

2.1 在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用三維實(shí)體建模

三維實(shí)體建模使得零件設(shè)計(jì)所見(jiàn)即所得，能夠直觀地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上存在的問(wèn)題;三維實(shí)體具有數(shù)字體積和曲面面積，便于后續(xù)工藝設(shè)計(jì)，同時(shí)，可賦予三維實(shí)體不同的材質(zhì)特性，從而對(duì)產(chǎn)品的性能、成本進(jìn)行核算。

2.2 特征建模

特征作為組成零件的實(shí)體模型的基本元素，描述了產(chǎn)品的功能要素及其工程含義，是零件自身信息的集合。在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中，依托三維CAD技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可直接用凸臺(tái)、孔、倒角等特征來(lái)表達(dá)零件的幾何結(jié)構(gòu)，已不再局限于傳統(tǒng)的線條和線框，使其在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)零件的結(jié)構(gòu)把握更好，更符合設(shè)計(jì)意圖，極大地提高了設(shè)計(jì)效率[2-3]。

2.3 參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)是一種基于約束的并能用尺寸驅(qū)動(dòng)模型變化的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員可在設(shè)計(jì)之初進(jìn)行草圖設(shè)計(jì)，再根據(jù)設(shè)計(jì)要求逐漸在草圖上施加幾何和尺寸約束，根據(jù)約束變化驅(qū)動(dòng)模型變化。這樣得到的實(shí)體模型，使得設(shè)計(jì)人員在后續(xù)優(yōu)化過(guò)程中只需要修改幾個(gè)對(duì)應(yīng)的參數(shù)，就可獲得更新后的實(shí)體模型，不用再像傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，只能重新計(jì)算，可大大縮短開(kāi)發(fā)流程。

2.4 虛擬裝配與運(yùn)動(dòng)仿真

三維CAD技術(shù)除了零件實(shí)體建模外，還提供了虛擬裝配[4-5]。相比傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法，通過(guò)運(yùn)用三維技術(shù)，設(shè)計(jì)人員已不再需要制作樣機(jī)來(lái)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性，可直接運(yùn)用不同的裝配關(guān)系將各個(gè)三維實(shí)體零件裝配起來(lái)，并運(yùn)用靜干涉檢查的方式，檢查設(shè)計(jì)的合理性，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間。同時(shí)，三維CAD技術(shù)還提供了運(yùn)動(dòng)仿真，除了在靜態(tài)干涉檢查通過(guò)的情況下，避免了動(dòng)態(tài)干涉的出現(xiàn)，還針對(duì)有一定運(yùn)動(dòng)行程要求的機(jī)構(gòu)，可檢驗(yàn)運(yùn)動(dòng)行程是否達(dá)到要求，以保證設(shè)計(jì)的正確性。

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

基于上述三維CAD技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，人們不難看出其在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中有如下應(yīng)用。

3.1 零部件實(shí)體建模

基于現(xiàn)代三維CAD技術(shù)的設(shè)計(jì)軟件為三維實(shí)體建模提供了多種建模方式，使得零件建模過(guò)程得以簡(jiǎn)化。例如，對(duì)于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的零件，可運(yùn)用制圖知識(shí)，將零件分解成基本幾何體，分別建模后，再通過(guò)布爾運(yùn)算進(jìn)行組合，從而獲得所需的三維實(shí)體模型;對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件，則可以采用草圖工具，繪制出平面輪廓，再通過(guò)實(shí)體編輯工具，生成所需實(shí)體模型。有了三維實(shí)體模型，設(shè)計(jì)人員即可從各個(gè)角度直觀地觀察和調(diào)整所設(shè)計(jì)的零件，能夠更好地發(fā)揮自身的創(chuàng)造能力和想象能力，機(jī)械設(shè)計(jì)效率極大地提升。

3.2 交互性提升

機(jī)械設(shè)計(jì)中非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計(jì)占據(jù)了很重要的一部分，而對(duì)于非標(biāo)設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)講，很重要的一點(diǎn)是與客戶進(jìn)行交互，以滿足客戶需求作為出發(fā)點(diǎn)，在交互過(guò)程中需要進(jìn)行實(shí)物的呈現(xiàn)，但是，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)階段往往無(wú)法直接進(jìn)行樣機(jī)制作，會(huì)造成與客戶的溝通交流不暢。三維CAD技術(shù)就可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題，它可以通過(guò)三維技術(shù)將機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念以及樣機(jī)進(jìn)行模擬展示，能直觀地展示給客戶樣機(jī)的信息，從而提高了設(shè)計(jì)人員與客戶的交互性。

3.3 集成制造系統(tǒng)

隨著科技水平的不斷提升，現(xiàn)有制造行業(yè)的裝備已逐漸升級(jí)到數(shù)控機(jī)床和加工中心，這些數(shù)控加工裝備基本都可與市面上的三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行對(duì)接。當(dāng)三維CAD軟件完成產(chǎn)品模型建模后，可直接由CAD軟件模擬出加工刀具路徑，由設(shè)計(jì)人員檢查無(wú)誤完畢后，生成數(shù)控程序，再通過(guò)數(shù)據(jù)接口同步輸送至數(shù)控設(shè)備中，完成產(chǎn)品的加工，使得三維CAD技術(shù)不停留在設(shè)計(jì)階段，而是延伸到制造過(guò)程，極大地提升了生產(chǎn)效率。

4 三維CAD技術(shù)給機(jī)械設(shè)計(jì)帶來(lái)的影響

三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中所表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)勢(shì)改變了傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)程，充分發(fā)揮創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)制造全面信息化奠定基礎(chǔ)。具體來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)偏重設(shè)計(jì)人員的工作經(jīng)驗(yàn)，忽視了創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要性，而借助三維CAD技術(shù)，可取代手工設(shè)計(jì)計(jì)算，依托機(jī)械設(shè)計(jì)原理，與其他學(xué)科交叉形成設(shè)計(jì)理論體系，使設(shè)計(jì)方案利用專家系統(tǒng)建立多種機(jī)構(gòu)對(duì)比，僅需要借助現(xiàn)有相關(guān)產(chǎn)品的資料，改變產(chǎn)品某些結(jié)構(gòu)，即可激發(fā)設(shè)計(jì)人員的構(gòu)思能力，產(chǎn)生創(chuàng)新構(gòu)思方案設(shè)計(jì)。

日益進(jìn)步的信息處理技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了機(jī)械設(shè)計(jì)、制造過(guò)程的數(shù)字化，還保證了產(chǎn)品在初步設(shè)計(jì)之后，整個(gè)建造完成之前，可利用三維CAD技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬裝配及動(dòng)態(tài)仿真，在產(chǎn)品生產(chǎn)加工前就找出問(wèn)題的所在，避免返工，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。另外，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，信息傳輸速度不斷提升，三維CAD技術(shù)也具備了遠(yuǎn)程協(xié)助、協(xié)同設(shè)計(jì)等功能，使得設(shè)計(jì)人員可直接多人針對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)時(shí)異地討論，異地現(xiàn)場(chǎng)修改，同樣提升了設(shè)計(jì)水平。

5 三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中面臨的問(wèn)題

三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域已呈現(xiàn)了其強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，使得設(shè)計(jì)效率大大提升，但目前，在我國(guó)諸多的相關(guān)企業(yè)中，三維CAD技術(shù)的推廣及應(yīng)用還未完全普及，主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

5.1 未能實(shí)現(xiàn)真正的輔助設(shè)計(jì)

目前，大部分的機(jī)械設(shè)計(jì)人員還僅停留在三維設(shè)計(jì)軟件的表層應(yīng)用上，即僅完成三維建模、模擬裝配、運(yùn)動(dòng)仿真等，僅僅只是為了追求三維表達(dá)效果。但實(shí)際上，現(xiàn)有三維CAD軟件的功能已日趨強(qiáng)大，三維效果的表達(dá)僅是其中的一個(gè)功能，它已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)集設(shè)計(jì)、加工制造、生產(chǎn)管理為一體的系統(tǒng)體系。這是大部分機(jī)械設(shè)計(jì)人員還沒(méi)有清楚認(rèn)識(shí)到的，其缺乏全過(guò)程的設(shè)計(jì)思維，因此，三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用還不夠深入。

5.2 高端專業(yè)的CAD技術(shù)人員欠缺

三維CAD技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用依靠對(duì)應(yīng)的三維設(shè)計(jì)軟件，而要發(fā)揮出應(yīng)有的效果，還是要依靠能夠熟練應(yīng)用三維CAD技術(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì)人員，目前，我國(guó)中小型企業(yè)很少花費(fèi)較大的精力去對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行三維軟件培訓(xùn)，設(shè)計(jì)人員還是得依靠自學(xué)，使得CAD技術(shù)人員的能力達(dá)不到要求，造成高端人員的短缺。

5.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

三維CAD技術(shù)發(fā)展至今，其行業(yè)領(lǐng)先設(shè)計(jì)軟件主要有SolidWorks、UG、Pro/Engineer等主流軟件，其都具有自己的數(shù)據(jù)格式。目前國(guó)際上一直推行CAD標(biāo)準(zhǔn)化，這幾個(gè)軟件也有對(duì)應(yīng)提供數(shù)據(jù)格式，但還存在諸多轉(zhuǎn)換問(wèn)題，造成軟件系統(tǒng)在數(shù)據(jù)交換等方面存在很多問(wèn)題，給不同軟件使用者在進(jìn)行交流協(xié)作時(shí)帶來(lái)不便。

6 三維CAD技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向

6.1 集成化

生產(chǎn)制造企業(yè)中，設(shè)計(jì)制造管理構(gòu)成主要生產(chǎn)活動(dòng)，三維CAD技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是系統(tǒng)集成化，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)自動(dòng)化程度。集成化可以是CAD系統(tǒng)內(nèi)部模塊集成，如工程領(lǐng)域CATD與CAM集成，軟件標(biāo)準(zhǔn)化是CAD集成化的重要保證，需要制定系列標(biāo)準(zhǔn)，使軟件實(shí)現(xiàn)開(kāi)放，提高CAD系統(tǒng)集成度，使設(shè)計(jì)步驟有效利用三維CAD技術(shù)形成設(shè)計(jì)自動(dòng)化。

6.2 信息化

隨著Internet技術(shù)迅速發(fā)展，CAD產(chǎn)品可以使企業(yè)直接將企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)三維模型集成到自定義在線目錄中，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)交流，使得設(shè)計(jì)人員直接調(diào)用產(chǎn)品模型，有效減少重復(fù)勞動(dòng)，基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作模式對(duì)提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量是十分重要的。

6.3 標(biāo)準(zhǔn)化

產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)的建立統(tǒng)一是實(shí)現(xiàn)三維CAD技術(shù)集成化的必要條件。復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)是由不同企業(yè)、部門的協(xié)作分工完成的。機(jī)械產(chǎn)品零部件的信息存在于不同的地點(diǎn)、不同的PC機(jī)和不同的三維CAD系統(tǒng)，使得最后在裝配制造中會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品信息表達(dá)的差異性。為了消除這一差異，產(chǎn)品信息在各系統(tǒng)之間必須采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)，即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際化，如IGES標(biāo)準(zhǔn)、PDDI標(biāo)準(zhǔn)、PDES標(biāo)準(zhǔn)和STEP標(biāo)準(zhǔn)等，標(biāo)準(zhǔn)化是三維CAD技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)。

6.4 智能化

設(shè)計(jì)是一個(gè)人類創(chuàng)造性活動(dòng)領(lǐng)域，是含有高度智能的，也是傳統(tǒng)機(jī)械所無(wú)法替代的。但隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)加上機(jī)器學(xué)習(xí)，使得計(jì)算機(jī)模擬人類的思維活動(dòng)，如形象思維、抽象思維和創(chuàng)造性思維等已成為可能。因此，三維CAD技術(shù)發(fā)展的一個(gè)必然方向?qū)⑹侵悄蹸AD，它不僅僅是簡(jiǎn)單地將現(xiàn)有的三維CAD技術(shù)與人工智能技術(shù)相結(jié)合，而是要深入研究人類設(shè)計(jì)的思維過(guò)程，建立人類設(shè)計(jì)的思維模型，再用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)來(lái)表達(dá)和模擬，只有這樣才能產(chǎn)生高效的CAD系統(tǒng)，飛躍式地提升三維CAD技術(shù)的效率。

7 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)的制造業(yè)已逐步發(fā)展壯大，與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距也逐步縮短，特別是在中國(guó)制造向中國(guó)創(chuàng)造轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用貢獻(xiàn)巨大，該技術(shù)將是今后機(jī)械智造的一個(gè)重要發(fā)展方向，也會(huì)發(fā)揮更重要的作用。

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