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

馮顏聆

（華北電力大學(xué)，河北 保定 071000）

0 引言

三維CAD 技術(shù)主要通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)描述物體空間形狀，是一種新型計(jì)算機(jī)技術(shù)，在服裝、建筑、機(jī)械、動(dòng)漫等行業(yè)均有廣泛應(yīng)用。機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要推力，必須依據(jù)設(shè)計(jì)原理準(zhǔn)確計(jì)算和測量機(jī)械結(jié)構(gòu)，以滿足社會(huì)發(fā)展需求。三維CAD 技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用普及，大幅轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)工作過程，繼而促進(jìn)了機(jī)械設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性，有效提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，創(chuàng)造了巨大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，也是我國機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域現(xiàn)代化發(fā)展的重要標(biāo)志。通過分析研究，確定在機(jī)械設(shè)計(jì)方案建模、機(jī)械設(shè)計(jì)方案形成、機(jī)械CAE 軟件等領(lǐng)域熟練應(yīng)用三維CAD 技術(shù)，充分發(fā)揮其技術(shù)功能，能夠有效改變傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)工藝工作流程，加快機(jī)械設(shè)計(jì)工作智能化、規(guī)范化、集成化發(fā)展進(jìn)程，有效提升機(jī)械設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，促進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域持續(xù)健康發(fā)展。

1 三維CAD 技術(shù)概述

三維CAD 技術(shù)，也稱建模技術(shù)，其核心是幾何建模系統(tǒng)，主要由二維技術(shù)發(fā)展而來。三維CAD 技術(shù)從二維平面繪圖到三維建模經(jīng)歷了多個(gè)發(fā)展階段[1]。例如，最早的計(jì)算機(jī)輔助繪圖，到三維實(shí)體建模的出現(xiàn)，再到二維與三維技術(shù)的交叉融合，最后到如今的綜合性系統(tǒng)，能夠滿足產(chǎn)品自動(dòng)化設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)加工、生產(chǎn)加工環(huán)境等各種相關(guān)技術(shù)的高度集成，具有智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化的特點(diǎn)。在機(jī)械設(shè)計(jì)工作中應(yīng)用三維CAD 技術(shù)，通過三維實(shí)體建模，將零件設(shè)計(jì)圖紙轉(zhuǎn)化為立體幾何，能夠直觀發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的諸多不合理問題。

例如，特征建模，突破了傳統(tǒng)線條和線框設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員可知直接利用倒角、孔、凸臺(tái)等特征表達(dá)零件幾何結(jié)構(gòu)，使其更符合設(shè)計(jì)意圖。同時(shí)，三維CAD 技術(shù)還具備虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真功能，通過虛擬裝配將不同裝配關(guān)系的三維實(shí)體零件裝配，再利用靜干涉檢查技術(shù)檢查設(shè)計(jì)合理性，無需制作樣機(jī)進(jìn)行檢驗(yàn)[2]。而且，針對(duì)有行動(dòng)要求的設(shè)計(jì)，可以運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，確保運(yùn)動(dòng)形成達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2 三維CAD 在機(jī)械設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢

2.1 有效縮短設(shè)計(jì)周期

在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用三維CAD 技術(shù)能夠有效縮短設(shè)計(jì)周期，提升設(shè)計(jì)效率。新機(jī)械設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，使用三維CAD 技術(shù)可以減少很多麻煩的環(huán)節(jié)，只需要重新設(shè)計(jì)部分零件并制造就可以完成設(shè)計(jì)。一方面，三維CAD 技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員先根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)草圖，然后在草圖上施加零件尺寸和幾何約束，確保模型變化在約束內(nèi)變化。這樣在實(shí)體建模后，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化進(jìn)行零件尺寸調(diào)整時(shí)，其他相應(yīng)結(jié)構(gòu)也會(huì)自動(dòng)調(diào)整，進(jìn)行機(jī)械整體改變，獲得全新的實(shí)體模型[3]。同時(shí)，使用該技術(shù)還能夠清晰記錄整個(gè)裝配過程，各個(gè)零件之間的關(guān)系，便于后續(xù)零件位置和形狀的調(diào)整，不需要再像傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)需要重新計(jì)算，大大減輕了零件設(shè)計(jì)工作量，縮短了設(shè)計(jì)周期和開發(fā)流程。

三維CAD 技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的CAD 技術(shù)也有較大的提升，不同于以往的是：以前的CAD 技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要設(shè)計(jì)人員固定好圖形尺寸，進(jìn)行反復(fù)的繪制，并配合多種輔助工具，根據(jù)新需求的實(shí)際情況進(jìn)行新圖紙的改進(jìn)，才能達(dá)到對(duì)圖形中每個(gè)位置的修改，這種技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中花費(fèi)的時(shí)間比較長，而三維CAD 技術(shù)的出現(xiàn)，不用再反復(fù)進(jìn)行圖紙的繪制，在實(shí)際應(yīng)用的過程中，設(shè)計(jì)人員只需了解圖紙修改的實(shí)際數(shù)據(jù)，直接進(jìn)行調(diào)整和修改即可，節(jié)約了圖紙?jiān)O(shè)計(jì)時(shí)間，方便快速完成相關(guān)工作。

2.2 提升機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)程和保管力度

三維CAD 技術(shù)以計(jì)算機(jī)為主要載體，不僅其機(jī)械設(shè)計(jì)增加了渲染和著色功能，三維實(shí)體模型的出現(xiàn)，也為設(shè)計(jì)人員觀察和分析產(chǎn)品內(nèi)外部結(jié)構(gòu)提供了很大便利，使得機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案決定、審批、落實(shí)開發(fā)等走入快車道。同時(shí)，三維CAD 技術(shù)主要依靠計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)，其設(shè)計(jì)圖紙、方案、設(shè)計(jì)內(nèi)容等可以借助計(jì)算機(jī)硬盤、軟盤等分類存儲(chǔ)，還可以隨時(shí)轉(zhuǎn)移至U 盤、光盤等移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備中，便于機(jī)械設(shè)計(jì)人查看，避免出現(xiàn)資料丟失或資料破壞等情況，還能有效杜絕紙質(zhì)資料存儲(chǔ)中因蟲蛀、發(fā)霉、丟失、損壞等導(dǎo)致的資料不全問題發(fā)生，大大提升機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)材料保管力度。

2.3 有效提升機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品質(zhì)量

三維CAD 技術(shù)的應(yīng)用從根本上改變了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)缺陷，提升了機(jī)械設(shè)計(jì)質(zhì)量。例如，在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)采用CADDS、CADDAM、Solid-Edge 等軟件，進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)、虛擬運(yùn)動(dòng)方針、有限元受力分析等，設(shè)計(jì)人員可以直觀觀察到細(xì)微零件變化導(dǎo)致的裝配失誤，從而設(shè)計(jì)最佳的解決方案，保障機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品質(zhì)量。另外，三維CAD 技術(shù)屬于先進(jìn)信息技術(shù)類型，可以借助DXF 輸出方式，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)文件的共享，平面設(shè)計(jì)繪圖功能的升級(jí)，從而加快機(jī)械設(shè)計(jì)一體化。在這種設(shè)計(jì)方式下，不僅設(shè)計(jì)難度降低，設(shè)計(jì)人員的思維也得以開拓，從而設(shè)計(jì)開發(fā)出更具有新意和靈活性的產(chǎn)品。

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

3.1 在機(jī)械設(shè)計(jì)方案建模中應(yīng)用

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，三維CAD 技術(shù)能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)方案直觀立體化呈現(xiàn)出來，便于設(shè)計(jì)人員及性能全方位、多角度地觀察與分析。

一方面，在三維CAD 技術(shù)建模中，立體、框架和表面都是十分常見的建模方式，主要通過立體和表面中框架不同技術(shù)形式，完成設(shè)計(jì)方案建模工作，多用于本身自帶正方形、圓形、圓柱形等基礎(chǔ)圖形[4]。針對(duì)一些設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)計(jì)，則需根據(jù)設(shè)計(jì)方案統(tǒng)籌規(guī)劃，運(yùn)用布爾運(yùn)算方式將這些基礎(chǔ)圖形排列組合，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

另一方面，三維CAD 技術(shù)具有靈活性、調(diào)整性特點(diǎn)，是機(jī)械設(shè)計(jì)重要核心輔助，在實(shí)體建模中通過對(duì)不同零件的分解組合，立方體、圓柱體、環(huán)狀體等不同建模體系的應(yīng)用和重新運(yùn)算，獲得最終完美呈現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的模型。

在這一過程中，設(shè)計(jì)人員需要深入分析機(jī)械產(chǎn)品有限元，拆分設(shè)計(jì)零件，比對(duì)設(shè)計(jì)尺寸，明確設(shè)計(jì)與實(shí)際建模中存在的差異，獲得較為理想的零件應(yīng)用和組合方案[5]。例如，在對(duì)三維鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員要以生產(chǎn)要求為基準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)分析各項(xiàng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)，將其與建模數(shù)據(jù)相互整合，設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案。再將設(shè)計(jì)好的模塊添加至建?？蚣苤?，熟練應(yīng)用各種參考資料、機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置機(jī)械設(shè)計(jì)資料，最終完成三維鋼結(jié)構(gòu)機(jī)械設(shè)計(jì)建模工作。

3.2 在機(jī)械設(shè)計(jì)方案形成中應(yīng)用

在機(jī)械設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員可以利用三維CAD 技術(shù)編輯功能，從零部件角度出發(fā)，可以對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)方案中各個(gè)零部件的參數(shù)和組合形式進(jìn)行編輯處理，將基礎(chǔ)零部件按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行加工、排列，就能形成一套科學(xué)、完整、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案[6]。各種零部件在設(shè)計(jì)的過程中是互不相干的，利用三維CAD 技術(shù)可以將任意兩個(gè)零部件有機(jī)地組合在一起，根據(jù)不同的需求來對(duì)不同的零部件進(jìn)行組合排列，設(shè)計(jì)人員可以借助這一功能，將原有設(shè)計(jì)方案重組、排列，尤其一些零部件繁雜的，重新調(diào)整其組合方式，就能獲得新的零部件機(jī)械設(shè)計(jì)方案，有效提升機(jī)械設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造質(zhì)量。另外，還需結(jié)合應(yīng)用三維ACD/CAM 軟件開發(fā)系統(tǒng)，借助數(shù)據(jù)分析、平面設(shè)計(jì)、曲面造型和立體構(gòu)筑等方式，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行有效應(yīng)用和管理，或者利用軟件進(jìn)行零部件設(shè)計(jì)檢驗(yàn)，借助資源查找器修改某一零部件，構(gòu)建新的機(jī)械產(chǎn)品模型，增加零部件之間的適配性，減少因零部件適配性較低導(dǎo)致的機(jī)械產(chǎn)品裝配失敗，大大提升機(jī)械設(shè)計(jì)有效性，確保設(shè)計(jì)方案順利實(shí)現(xiàn)。

3.3 在機(jī)械CAE 軟件中應(yīng)用

機(jī)械CAE 軟件，屬于機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助工程，包含結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、方案數(shù)據(jù)比對(duì)、設(shè)計(jì)方案分析和機(jī)械方案比對(duì)等多種功能。在機(jī)械設(shè)計(jì)中靈活應(yīng)用這些功能，不僅會(huì)提升設(shè)計(jì)方案科學(xué)合理性，還會(huì)提升設(shè)計(jì)方案規(guī)范性[7]。在實(shí)際應(yīng)用中，可以從模型構(gòu)筑角度出發(fā)，利用三維CAD 技術(shù)進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，然后利用CAE 軟件設(shè)計(jì)分析零部件具體尺寸和造型，對(duì)三維CAD 技術(shù)應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行改正，降低關(guān)鍵設(shè)備損耗，保證機(jī)械設(shè)計(jì)方案實(shí)效性，從而有效延長機(jī)械產(chǎn)品使用壽命。

3.4 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域中，三維CAD 技術(shù)也有著十分廣泛的應(yīng)用。例如，在設(shè)計(jì)聯(lián)合收割機(jī)時(shí)，設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容往往為軸流釘齒脫粒分離裝置進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)流程為：設(shè)計(jì)人員先利用Motion workes系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，隨后將設(shè)計(jì)開發(fā)資料添加至數(shù)據(jù)加工模塊，進(jìn)行三維設(shè)計(jì)。最后，等三維設(shè)計(jì)結(jié)束后，利用ADC/API 技術(shù)將系統(tǒng)合理劃分為不同分部，進(jìn)行獨(dú)立機(jī)械方案設(shè)計(jì)，并且，借助數(shù)據(jù)傳輸或者數(shù)據(jù)共享平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)零部件數(shù)據(jù)連通，進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案合理性，最終生產(chǎn)出符合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械設(shè)備，為農(nóng)業(yè)發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。

4 機(jī)械設(shè)計(jì)中三維CAD 技術(shù)發(fā)展方向

（1）智能化發(fā)展?，F(xiàn)如今的機(jī)械設(shè)計(jì)，人工參與成分較多，各種人工問題頻繁出現(xiàn)，人們智能化需求不斷加強(qiáng)。在未來發(fā)展中，人工智能將與三維CAD 技術(shù)相互融合，形成機(jī)械智能化設(shè)計(jì)領(lǐng)域。在這其中，倘若要對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行測量，測量結(jié)果可直接智能傳輸并分配至對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)模塊中，大幅降低人工成本，也能因此降低人工作業(yè)產(chǎn)生的各種失誤[8]。

（2）規(guī)范化發(fā)展。在時(shí)代發(fā)展趨勢下，三維CAD技術(shù)將不斷增設(shè)各種新的功能，如幾何數(shù)據(jù)建模、工程數(shù)據(jù)建模等。使用該技術(shù)完成機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，不僅僅要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能，更要依據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)方案更具標(biāo)準(zhǔn)型和規(guī)范性。對(duì)此，人們需要使用統(tǒng)一化的數(shù)據(jù)，將思維中各種三維模型轉(zhuǎn)化為實(shí)物，并不斷優(yōu)化調(diào)整，最終設(shè)計(jì)出接近理想化的設(shè)計(jì)方案。其中，精確規(guī)范的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)參考圖發(fā)揮著巨大價(jià)值，在機(jī)械設(shè)計(jì)中按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將進(jìn)一步提升建模精確度，避免后期修改調(diào)整工作量，提升機(jī)械設(shè)計(jì)水平。另外，還要加強(qiáng)對(duì)STEP 體系的關(guān)注，將其與三維CAD 技術(shù)交叉融合，切實(shí)解決參數(shù)化設(shè)計(jì)模型傳輸過程中存在的各種問題。

（3）集成化發(fā)展。三維CAD 技術(shù)在應(yīng)用過程中，倘若缺少其他基礎(chǔ)的配合應(yīng)用，將難以達(dá)成高效、高質(zhì)量工作要求。因此，在未來發(fā)展中，需要注重相關(guān)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，彌補(bǔ)三維CAD 技術(shù)短板，通過集成化的設(shè)計(jì)生產(chǎn)，構(gòu)筑科學(xué)完整的機(jī)械設(shè)計(jì)框架，為設(shè)計(jì)工作完成提供有效技術(shù)保障。例如，在原有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上合理應(yīng)用CAD/CAM 集成化系統(tǒng)，解決異構(gòu)系統(tǒng)平臺(tái)中的XML 或XML-3D 等問題，為集成化和協(xié)同化發(fā)展建立良好環(huán)境。

5 結(jié)語

機(jī)械設(shè)計(jì)和制造業(yè)與高科技領(lǐng)域技術(shù)的結(jié)合已經(jīng)成為一種不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，現(xiàn)代化的信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)結(jié)合并不斷地發(fā)展和創(chuàng)新，從而推動(dòng)著機(jī)械設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)、科技快速發(fā)展趨勢下，只有緊緊抓住時(shí)代發(fā)展機(jī)遇，直面各種艱難局面，準(zhǔn)確把握三維CAD 技術(shù)基本概念，了解該技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用優(yōu)勢，包括有效縮短設(shè)計(jì)周期、提升機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)程和保管力度、有效提升機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品質(zhì)量，積極尋求有效應(yīng)用措施，才能確保其優(yōu)勢充分發(fā)揮。通過分析研究，確定在機(jī)械設(shè)計(jì)方案建模、機(jī)械設(shè)計(jì)方案形成、機(jī)械CAE 軟件等方面熟練應(yīng)用三維CAD 技術(shù)，充分發(fā)揮其技術(shù)功能，能夠有效改變傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)工藝工作流程，加快機(jī)械設(shè)計(jì)工作智能化、規(guī)范化、集成化發(fā)展進(jìn)程，有效提升機(jī)械設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，促進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域持續(xù)健康發(fā)展。