三維CAD技術在機械設計中的應用

蔡海毅

摘 要：機械設計是較早應用計算機輔助設計的領域之一，隨著計算機技術的不斷進步，機械設計方法也發生了巨大的改變，特別是三維CAD技術的逐漸成熟，使得利用三位維CAD技術對機械產品進行三維建模仿真和虛擬裝配得以實現并取得了優異的效果。本文簡單介紹了三維CAD技術及其在機械設計領域的應用，使得人們清晰地認識三維CAD技術的優勢及其今后的發展趨勢。

關鍵詞：三維CAD技術;機械設計;三維建模仿真;虛擬裝配

中圖分類號：TH122;TP391.72 文獻標識碼：A 文章編號：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

機械設計是指根據市場需求，對機械的工作原理、運動方式、結構、能量和力的傳遞方式、組成機械的各個零件的形狀尺寸和材料等進行構思、分析和計算，然后將其組成構件轉化成具體的描述（零件圖、裝配圖）并作為制造依據的工作過程。其間，設計對象從最初單一功能產品變成復雜的系統，人們需要在設計中運用集成、系統方法解決設計問題。傳統機械設計出的產品往往僅存在于圖紙上，未得到制造，存在諸多不合理，使得錯誤的設計難以被及時發現。隨著計算機技術的快速發展，三維CAD技術在機械設計中的重要性日益凸顯，其核心是幾何建模系統，它是一種虛擬仿真技術，被廣泛應用于機械、建筑、動漫、服裝等行業。這種技術改變了傳統機械設計工作過程，使得機械設計的合理性大幅提升，產品開發周期大大縮短，成為衡量國家科技現代化水平的重要標志。

1 三維CAD技術的發展

三維CAD技術是通過計算機系統利用一組數據來描述物體空間形狀的技術。它伴隨著CAD技術的發展而發展，從二維平面繪圖發展到三維產品建模，經歷了如下幾個階段。

第一代產生于20世紀50年代后期發達國家的航空和軍事工業中，1989年，美國國家工程研究院將CAD技術評為1964—1989年十項最杰出的工程技術成就之一。但該技術應用之初，只是使用計算機輔助繪圖，還沒辦法達到計算機輔助設計。

第二代出現于20世紀70年代，這個階段的CAD系統解決了表面模型技術只能表達形體的外形表面信息，難以準確地表達零件其他特性的問題，發展出三維實體建模模型。這使得精確表達零件的全部屬性得以實現，帶來了CAD技術的迅速發展。

第三代始于20世紀80年代中期。CAD系統開始出現了基于特征建模和基于約束的參數化設計方法，使得二、三維模型的修改具有實時相關性。這兩種方法彼此交叉融合，使得CAD技術進一步提升，其應用場景也不斷擴大，特別是該系統中的二、三維模型的數據結構與計算機輔助制造所需要的數據結構是相同的，實現了不同體系數據結構的統一（CAD/CAM的信息集成）。

第四代是最新系統，目前的CAD系統已從一個設計系統，發展為全面支持產品自動化設計、加工的方法和理論、設計工具、生產加工環境各相關技術高度集成的綜合系統。這使設計工作實現網絡化、集成化和智能化，最終達到降低產品成本、提高產品設計質量和縮短設計周期的目的[1]。

2 三維CAD技術的優勢

2.1 在設計過程中采用三維實體建模

三維實體建模使得零件設計所見即所得，能夠直觀地發現設計上存在的問題;三維實體具有數字體積和曲面面積，便于后續工藝設計，同時，可賦予三維實體不同的材質特性，從而對產品的性能、成本進行核算。

2.2 特征建模

特征作為組成零件的實體模型的基本元素，描述了產品的功能要素及其工程含義，是零件自身信息的集合。在機械設計過程中，依托三維CAD技術，設計人員可直接用凸臺、孔、倒角等特征來表達零件的幾何結構，已不再局限于傳統的線條和線框，使其在設計過程中對零件的結構把握更好，更符合設計意圖，極大地提高了設計效率[2-3]。

2.3 參數化設計

參數化設計是一種基于約束的并能用尺寸驅動模型變化的設計。設計人員可在設計之初進行草圖設計，再根據設計要求逐漸在草圖上施加幾何和尺寸約束，根據約束變化驅動模型變化。這樣得到的實體模型，使得設計人員在后續優化過程中只需要修改幾個對應的參數，就可獲得更新后的實體模型，不用再像傳統的設計方法，只能重新計算，可大大縮短開發流程。

2.4 虛擬裝配與運動仿真

三維CAD技術除了零件實體建模外，還提供了虛擬裝配[4-5]。相比傳統機械設計方法，通過運用三維技術，設計人員已不再需要制作樣機來檢驗設計的合理性，可直接運用不同的裝配關系將各個三維實體零件裝配起來，并運用靜干涉檢查的方式，檢查設計的合理性，縮短了產品開發時間。同時，三維CAD技術還提供了運動仿真，除了在靜態干涉檢查通過的情況下，避免了動態干涉的出現，還針對有一定運動行程要求的機構，可檢驗運動行程是否達到要求，以保證設計的正確性。

3 三維CAD技術在機械設計中的應用

基于上述三維CAD技術的優勢，人們不難看出其在機械設計過程中有如下應用。

3.1 零部件實體建模

基于現代三維CAD技術的設計軟件為三維實體建模提供了多種建模方式，使得零件建模過程得以簡化。例如，對于簡單結構的零件，可運用制圖知識，將零件分解成基本幾何體，分別建模后，再通過布爾運算進行組合，從而獲得所需的三維實體模型;對于復雜結構的零部件，則可以采用草圖工具，繪制出平面輪廓，再通過實體編輯工具，生成所需實體模型。有了三維實體模型，設計人員即可從各個角度直觀地觀察和調整所設計的零件，能夠更好地發揮自身的創造能力和想象能力，機械設計效率極大地提升。

3.2 交互性提升

機械設計中非標設備的設計占據了很重要的一部分，而對于非標設計過程來講，很重要的一點是與客戶進行交互，以滿足客戶需求作為出發點，在交互過程中需要進行實物的呈現，但是，傳統設計階段往往無法直接進行樣機制作，會造成與客戶的溝通交流不暢。三維CAD技術就可以很好地解決這個問題，它可以通過三維技術將機械產品的設計理念以及樣機進行模擬展示，能直觀地展示給客戶樣機的信息，從而提高了設計人員與客戶的交互性。

3.3 集成制造系統

隨著科技水平的不斷提升，現有制造行業的裝備已逐漸升級到數控機床和加工中心，這些數控加工裝備基本都可與市面上的三維設計軟件進行對接。當三維CAD軟件完成產品模型建模后，可直接由CAD軟件模擬出加工刀具路徑，由設計人員檢查無誤完畢后，生成數控程序，再通過數據接口同步輸送至數控設備中，完成產品的加工，使得三維CAD技術不停留在設計階段，而是延伸到制造過程，極大地提升了生產效率。

4 三維CAD技術給機械設計帶來的影響

三維CAD技術在機械設計領域中所表現出來的優勢改變了傳統的機械設計進程，充分發揮創新性設計，為實現制造全面信息化奠定基礎。具體來說，傳統設計偏重設計人員的工作經驗，忽視了創新設計的重要性，而借助三維CAD技術，可取代手工設計計算，依托機械設計原理，與其他學科交叉形成設計理論體系，使設計方案利用專家系統建立多種機構對比，僅需要借助現有相關產品的資料，改變產品某些結構，即可激發設計人員的構思能力，產生創新構思方案設計。

日益進步的信息處理技術不僅實現了機械設計、制造過程的數字化，還保證了產品在初步設計之后，整個建造完成之前，可利用三維CAD技術實現虛擬裝配及動態仿真，在產品生產加工前就找出問題的所在，避免返工，縮短了設計時間，提高了設計質量和效率。另外，隨著網絡技術的不斷發展，信息傳輸速度不斷提升，三維CAD技術也具備了遠程協助、協同設計等功能，使得設計人員可直接多人針對設計方案進行實時異地討論，異地現場修改，同樣提升了設計水平。

5 三維CAD技術在機械設計中面臨的問題

三維CAD技術在機械設計領域已呈現了其強大的優勢，使得設計效率大大提升，但目前，在我國諸多的相關企業中，三維CAD技術的推廣及應用還未完全普及，主要體現在如下幾個方面。

5.1 未能實現真正的輔助設計

目前，大部分的機械設計人員還僅停留在三維設計軟件的表層應用上，即僅完成三維建模、模擬裝配、運動仿真等，僅僅只是為了追求三維表達效果。但實際上，現有三維CAD軟件的功能已日趨強大，三維效果的表達僅是其中的一個功能，它已經發展成為一個集設計、加工制造、生產管理為一體的系統體系。這是大部分機械設計人員還沒有清楚認識到的，其缺乏全過程的設計思維，因此，三維CAD技術在機械設計中的應用還不夠深入。

5.2 高端專業的CAD技術人員欠缺

三維CAD技術具有諸多優勢，其應用依靠對應的三維設計軟件，而要發揮出應有的效果，還是要依靠能夠熟練應用三維CAD技術的機械設計人員，目前，我國中小型企業很少花費較大的精力去對相關設計人員進行三維軟件培訓，設計人員還是得依靠自學，使得CAD技術人員的能力達不到要求，造成高端人員的短缺。

5.3 數據標準化

三維CAD技術發展至今，其行業領先設計軟件主要有SolidWorks、UG、Pro/Engineer等主流軟件，其都具有自己的數據格式。目前國際上一直推行CAD標準化，這幾個軟件也有對應提供數據格式，但還存在諸多轉換問題，造成軟件系統在數據交換等方面存在很多問題，給不同軟件使用者在進行交流協作時帶來不便。

6 三維CAD技術未來發展方向

6.1 集成化

生產制造企業中，設計制造管理構成主要生產活動，三維CAD技術發展趨勢是系統集成化，提高產品設計自動化程度。集成化可以是CAD系統內部模塊集成，如工程領域CATD與CAM集成，軟件標準化是CAD集成化的重要保證，需要制定系列標準，使軟件實現開放，提高CAD系統集成度，使設計步驟有效利用三維CAD技術形成設計自動化。

6.2 信息化

隨著Internet技術迅速發展，CAD產品可以使企業直接將企業標準化產品的動態三維模型集成到自定義在線目錄中，通過互聯網實時交流，使得設計人員直接調用產品模型，有效減少重復勞動，基于網絡的協作模式對提高產品設計質量是十分重要的。

6.3 標準化

產品數據交換標準的建立統一是實現三維CAD技術集成化的必要條件。復雜機械產品的生產是由不同企業、部門的協作分工完成的。機械產品零部件的信息存在于不同的地點、不同的PC機和不同的三維CAD系統，使得最后在裝配制造中會出現產品信息表達的差異性。為了消除這一差異，產品信息在各系統之間必須采用統一的數據格式標準，即實現數據格式標準國際化，如IGES標準、PDDI標準、PDES標準和STEP標準等，標準化是三維CAD技術的重要發展趨勢。

6.4 智能化

設計是一個人類創造性活動領域，是含有高度智能的，也是傳統機械所無法替代的。但隨著人工智能技術的發展，大數據加上機器學習，使得計算機模擬人類的思維活動，如形象思維、抽象思維和創造性思維等已成為可能。因此，三維CAD技術發展的一個必然方向將是智能CAD，它不僅僅是簡單地將現有的三維CAD技術與人工智能技術相結合，而是要深入研究人類設計的思維過程，建立人類設計的思維模型，再用計算機信息技術來表達和模擬，只有這樣才能產生高效的CAD系統，飛躍式地提升三維CAD技術的效率。

7 結語

我國的制造業已逐步發展壯大，與發達國家的差距也逐步縮短，特別是在中國制造向中國創造轉變的過程中，三維CAD技術在機械設計領域的應用貢獻巨大，該技術將是今后機械智造的一個重要發展方向，也會發揮更重要的作用。

參考文獻：

[1]張立榮.三維CAD技術在機械設計中的應用[J].煤炭技術，2011（2）：16-18.

[2]王麗麗.CAD技術在現代機械設計中應用分析[J].黑龍江科技信息，2011（21）：1.

[3]張飛飛.三維CAD技術在機械設計中的應用探究[J].農機使用與維修，2019（12）：5-6.

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[5]章勇.機械設計與加工中的CAD/CAM技術分析[J].集成電路應用，2019（12）：116-117.