淺析三維CAD技術在機械設計中的應用

屈福康

（廣東工業大學華立學院，廣東 廣州 511325）

三維CAD技術相對于傳統的設計技術來說優勢十分明顯，其能夠顯著提升機械設計的效率、質量，減少機械設計周期，使得機械設計過程中不同部門之間的溝通、交流更加高效、更加迅速、更加協調，有助于實現產品的系統化、通用化以及標準化。

1 三維CAD技術與產品設計

計算機技術的發展與成熟推動了第三次技術革命。計算機輔助設計技術（computer aided design）已經成為了工業領域應用中不可忽視的重要技術。計算機輔助設計技術綜合數值計算、仿真模擬、幾何模型處理、圖形學、數據庫管理系統等方面的內容，將抽象、分離、獨立的設計變得具體化、形象化，能夠將虛擬現實的技術將產品的材質、色彩、形狀通過計算機真實、形象的展現出來，并且將產品設計的過程開展詳細的數據化管理，進而實現產品設計的系統化、規范化。從上個世紀60年代開始，三維建模技術歷經了線框建模、曲面建模與特征建模的發展歷程。伴隨著CAD技術的成熟與發展，三維建模技術已經出現了同步技術、直接建模等多種成熟先進的建模技術，使得設計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，三維實體造型技術，即為Solid Modeling，該技術核心為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、線、面、體的相關信息。

2 三維CAD技術在機械設計中的優勢

2.1 縮短了機械設計周期

采用三維CAD技術可以大大縮短機械設計周期，顯著提升機械設計的效率。使用三維CAD技術可以只針對其中的部分零件進行重新設計與制造，而大部分的零部件設計都將保持不變，從而提高了機械設計的效率。同時，三維CAD技術擁有高度的變形設計功能，能夠通過快速重構的方式來獲得全新的機械產品。

2.2 使得機械零件設計更加便捷

利用三維CAD技術可以在裝配環境中設計新的零件，也可以通過零件的相鄰零件的位置、狀態、特征來設計新的零件，快捷、高效，全面保證了新的零件與相鄰零件的精準配合，避免了單獨設計零件而可能出現的裝配誤差。例如，可以在裝配環境中根據零件箱體的形狀與其他配合要求快速的獲取設計所需要的箱蓋。

2.3 修改機械零件便捷

三維CAD技術中擁有查找器功能，在完成機械零件設計造型時可以通過資源查找器來列出完成該零件設計過程中完成的所有指令，分別點擊不同指令就可以清晰的了解零件在設計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再現零件造型的全部過程，通過真實形象的動畫再次檢查核實零件的設計過程。另外，也可以通過點擊資源查找器中相對應的命令來完成。

2.4 提升機械產品設計的質量

三維CAD技術運用了先進的設計方法，通過優化有限元受力分析的方式來保證產品設計質量。同時，利用數控加工手段還可以使用CAD、CAPP、CAM等方式來對零件進行加工，以強化一致性，提升產品質量。

2.5 裝配零件更加直觀

利用三維CAD技術中的資源查找器功能可以查看到機械零件的裝配路徑，得知零件之間的裝配關系。如果裝配錯誤或出現矛盾，查找器則會顯示錯誤提示。同時，可以對機械設計中的零件裝配情況進行核實檢查，如果發現問題則可及時對零件以及零件裝配進行修改，以保證機械設計的正確性。利用三維CAD技術還可以根據設計需求來隱藏零件展示。在隱藏現實外部零部件后則可以清晰的看到內部的裝配零件與結構，以便對機械設計內部進行調整。在完成機械部件的裝配模型后還可以根據設計需求進行運動演示，對于具有運動行程標準的可以檢驗其是否達到相關要求。也可以對于靜態環境下處于正常狀態，而運動中可能出現的碰撞也可以精準的檢驗出來，進而及時的對機械設計產品進行調整修改，以保證機械設計產品的精確度。

3 三維CAD技術在機械設計中的應用

3.1 三維CAD技術在機械設計中的功能應用

（1）零件與裝配圖生產零件實體建模。三維CAD建模方式主要分為三種類別，分別為線框建模、表面模型以及實體模型。在三維CAD技術中存在眾多能夠實現實體建模的CAD軟件的常用基本體系。例如，常用的AutoCAD的三維實體造型模塊中就擁有立方體、球體、圓柱體、環狀體等不同體系。針對簡單的零部件可以對其進行深入的結構分析，并且利用“交、并、差”布爾等運算方式來獲得所需零件的三維實體造型。對于復雜的零件改造過程由于其本體難以全面細致的拆分開來，因此基本的三維CAD體系難以滿足機械三維實體造型的更高要求。然而，可以在二維幾何元素構造中定義零件的截面輪廓，進而在三維實體造型中通過拉伸、旋轉、縮小、放大等處理來獲得新的基本體，并且通過“交、并、差”布爾等運算方式來獲取所需零件的三維實體造型。

（2）機械設計零部件檢查。利用三維CAD技術可以在裝配環境中設計新的零件，還可以通過相鄰零件的區域位置來設計出新的零件，方便、快捷、高效，避免了獨立設計零件而出現的設計不匹配的情況。三維CAD技術中資源查找器的零件回放功能還能夠再現零件造型的過程，以便更好的對零件進行檢驗。三維CAD技術在進行機械設計的過程中與人的設計思維習慣與設計方式更加匹配，整個設計過程可以在三維模型中完成。

3.2 三維CAD技術在機械設計中的具體應用

（1）三維CAD技術在機械建模進程中的應用。三維CAD技術可以使得機械設計過程變得更加形象，其可以被廣泛運用在機械建模過程中。三維CAD技術能夠靈活的完成機械設計所需要的橢圓形、圓形以及圓柱體。假如機械設計中涉及到結構較為復雜的形狀，則需要利用布爾運算，將計算機系統中自由的圖形進行排列設計，結合機械設計的具體情況來進行布爾運算，以提升機械設計的效率與準確度。

（2）三維CAD技術在機械CAE中的應用。機械CAE的主要功能在于對機械設計的結構進行優化，并且對機械設計中涉及的數據進行比較，進而確定最優的機械設計方案，并且對機械設計方案進行合理的評估。三維CAD技術可以被應用在機械CAE當中，對設計模型結構進行調整，以保證機械設計可以開展。三維CAD技術可以輔助CAE開展使用年限預估、工程數據分析、強度設計評價、仿真動力分析、結構優化設計等，對于實現CAE功能有著一定的積極作用。

（3）三維CAD技術在農業機械設計中的應用。三維CAD技術在農業機械設計中的應用十分普遍。例如，三維CAD技術已經被普及應用到農用收割機的設計當中。收割機的機械設計主要以分離裝置設計為基礎，利用三維CAD技術可以對收割機內部的各項參數進行深入的分析與對比，并且制定合理的收割機機械設計方案，將收割機內部的數據結合在一起，完成數據傳遞與共享。

4 三維CAD技術在機械設計中的發展趨勢

近幾年來伴隨著計算技術與互聯網技術的發展，三維CAD技術已經普遍廣泛運用到機械設計的工作中，并且已經朝著智能化、規范化以及虛擬網絡化的方向發展。

4.1 智能化

三維CAD技術在機械設計運用中的智能化發展主要體現在參數設計與特點造型兩個方面。用戶在使用三維CAD技術的過程中可以通過輸入零件結構的參數、特征來使得機械設計工作更加快捷。三維CAD技術將不僅僅局限在機械設計的繪制工作，而是會更加普遍的運用在CAPP、機械設計加工等具體需求上。

4.2 規范化

利用三維CAD技術在機械設計中的規范化發展趨勢主要體現為數據交換格式標準化、數據模型規范化以及CAD資源規范化等方面。數據模型可以使用STEP標準體系。就當前三維CAD技術在機械設計中的應用現狀來看，現有的標準接口難以滿足CAD的數據交換、傳輸需求。參數化特征模型傳輸處于發展瓶頸時期，在未來的發展過程中三維CAD技術在機械設計中的應用將朝著更加規范化標準化的方向發展。

4.3 虛擬網絡化

伴隨著計算機技術、互聯網技術的發展，三維CAD技術也得到了優化與成熟，并且已經逐漸從單機使用狀態轉變成為了網絡化使用狀態。虛擬網絡化的三維CAD技術出現，給機械設計帶來的了巨大的便捷。用戶可以在虛擬網絡化的狀態下全面掌握機械設計中的問題與缺陷，并且利用互聯網大數據來參考同類機械零部件的設計，進而更好的支持機械設計工作的開展。

5 結語

三維CAD技術在機械設計領域的應用十分廣泛。在機械設計中三維CAD技術擁有著無可比擬的優勢，能夠提升機械設計的效率、縮短機械設計時間、提升機械設計質量，為機械設計帶來便捷與高效。雖然當前三維CAD技術在機械設計的運用中還存在著一定的缺陷，但是伴隨著科學技術等級進步，三維CAD技術必然將會更加成熟，為機械設計領域提供更加便捷的功能。

[1]孫健.企業應用國產三維CAD技術應注意的若干問題[J].科技情報開發與經濟,2005,(01),156-158.

[2]楊剛,王偉東,楊文靜.淺析三維CAD技術在我國機械制造業中的應用[J].黑龍江史志,2013,(15),297.