CAD三維技術與機械設計結合應用學習的淺析

【摘 要】本文就機械制造業的發展與三維CAD技術在機械設計中的應用談一點看法，以供業內同行借鑒參考。

【關鍵詞】CAD 機械設計 應用

人在現實生活中看到的3D實體，是有顏色、材料、硬度、外形、尺寸、位置等概念的實體，甚至是帶有相當復雜的運動關系的3D實體。由于以前的表達手段有限，在機械制圖中人們不得不共同約定了與第一象限平行正投影的規則，用幾個相關聯的2D投影圖表達自己的3D設計。這種信息表達是不完整的，而且繪圖、讀圖要經過專門練習，假如能直接從3D概念開始設計，這樣的3D模型就能表達出設計構思所需的全部幾何參數。只有從三維開始設計，CAD軟件對設計的輔助作用就會很輕易擴展和貫穿到產品開發全過程。

從3D開始的設計，仍然需要2D工程圖的表達，而且要遵守傳統設計的規范，因此作為CAD基礎軟件，必須具備從3D白動生成2D的工程圖。并且具有雙向關聯的能力。以此為基礎，進一步進行應力應變分析、零件質量屬性分析、空間運動分析、裝配千涉分析、數字控制可加工性分析、準確的2D工程圖生成、外觀色彩和造型效果評價、裝配產品爆炸圖、產品設計數據治理等一系列的需求都應能充分予以滿足，這才是CAD技術對設計全過程的有效的輔助，而且是有明確技術效益和經濟效益的CAD.因此，傳統的以2D工程圖為主的圖形設計的資料治理將變成3D設計數據的保存和治理，從而使高職院校的機械制圖課就可以大幅度刪減，盡量保留學生的3D原始概念，隨之而來的是2D工程圖的畫法也應隨之大幅度簡化。

美國Autodesk公司的產品INVENTOR是目前很好用的軟件之一。它是建立在AutoCAD的基礎上，具有AutoCAD的全部2D圖形處理功能，并且增加了大量針對機械設計的支持功能。它對于3D造型，是基于特征、基于尺寸約束和兒何約束的參數化造型方法，有較好的3D與2D雙向關聯的能力。對于3D曲面，有良好的造型、修整功能。INVENTOR的另一大特色是為其他公司的應用軟件集成到特定的用戶環境下提供了相當方便的二次開發接口，這也是對傳統AutoCAD開放結構的有效繼續和發展。對于復雜的投影線生成，漏標尺寸，漏畫圖線的問題，在INVENTOR中是很輕易解決的、在INVENTOR中，并不直接生成2D工程圖，而是首先繪制草圖，僅對某些標注尺寸而要人為作些修改和補充。

對于部件機構的空間運動和動力學的分析討論，在完成了3D設計的概念后，在INVENTOR中加載相關的專業應用軟件就可以進行，其操作和結果都和我們很熟悉的AutoCAD用戶界面相似。對于應力應變分析，我們同時結合有限元分析軟件如（Dynamic Designer ， Visual Nastran FEA），可以對復雜的機械系統進行完整的運動學和動力學仿真。能夠計算出機械系統零件的運動情況，包括位移、速度、加速度和作用力及反作用力，還可以作零件的強度和結構分析。

由于INVENTOR是以參數化三維特征建模為設計數據的表達，所以對于數控加工的分析處理提供了得天獨厚的條件。目前基于INVENTOR開發的多種CAM軟件也有許多，如從2D到3D粗加工、半精加工到最后的精加工，從刀位軌跡生成到數控（NC）代碼轉換，都是十分順利的：處理速度也相當快。對于設計的更新與修改，INVENTOR也有獨到之處，NIVENTOR中的三維建模模塊本來就是3D參數化造型系統。例如尺寸修改，可以在3D造型上修改，也可以在與之相關2D工程圖上修改，然后重新生成3D模型和2D相關圖紙。對于設計下程治理，這只能由中國人自己完成，因為我們的設計習慣和治理要求與國外有所不同。目前國內已有一些優秀的軟件和解決方案，如（Morrowsoft，CAXA）協同治理解決方案，通過應用OA，ERP等現代信息化治理工具，將極大地提高企業資源配置和生產流程治理能力。

對于三維CAD技術的應用有以下幾點思考

一、把握和運用3D設計軟件是有難度的

據筆者的經驗，高職學生年輕，學得快但用得不好；面向企業經驗豐富的工程師，大多數已不適應按3D概念進行設計構思，他們用平行正投影表達3D實體的思考方法已根深蒂固了。在學習3D設計軟件之前，針對高職學生就是首先要解決基礎知識和技術預備的問題。

二、任課教師本身的水平和經驗不夠，這可能是教學中最致命的問題

比起2D圖形處理來說，3D設計更需要進行培訓，不少學生用AutoCAD畫2D圖相當熟練，但在進入3D設計時，無論從概念還是造型技巧上，都感到相當生疏。高職院校應該加大資金投入，對任課教師培訓，使他們盡早成為“雙師型”。

三、學校實訓設備問題

在CAD系統中有三個成員：硬件、軟件和使用者，使用者是這個系統中的重要因素；設備在CAD系統的應用效果上起著要害作用。必須明確使用CAD系統要解決什么問題？怎樣的結果才是想要的？什么功能對學校的專業設計是最要害的？并不是軟件功能越多、越強就越好，要看做什么用。所以必須結合高職院校人才培養目標、專業建設和教學實際需求，合理有效并且經濟地配置資源。

綜上所述，使用INVENTOR為主要支撐軟件的3D設計系統，明顯提高機械CAD應用效果的條件已經基本具備，我們應當重新對CAD技術在機械設計中的應用效果及水平和投入規模進行確認，努力提高教學質量和學生動手能力、從CAD/CAE/CAM的系統集成入手，采用合理的3D設計解決方案，正確選擇代表CAD技術開發方向的專業增值軟件，大力開展產學研訓相結合，真正將CAD的軟、硬件和師資投入轉化為生產力，轉化為高職院校的社會效益和經濟效益。