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

摘?要：結(jié)合近年我校機(jī)械設(shè)計(jì)課程體系、課程內(nèi)容以及立體化教學(xué)模式的改革和重點(diǎn)課程建設(shè)，在學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐中，主要從機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法和手段的改進(jìn)等方面進(jìn)行了大膽的改革與實(shí)踐，逐步實(shí)施了從手工繪圖到二維AUTOCAD的應(yīng)用最終到三維CAD的過渡，在提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和綜合素質(zhì)方面得到了較好的效果。三維CAD造型技術(shù)也稱建模技術(shù)，它是CAD技術(shù)的核心。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì);CAD技術(shù);應(yīng)用;發(fā)展趨勢

機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械類各專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。同時，該課程也是工科類專業(yè)的基礎(chǔ)必修課。本課程在教學(xué)內(nèi)容方面，著重基本知識、基本理論和基本方法，在培養(yǎng)實(shí)踐能力方面，著重設(shè)計(jì)構(gòu)思和設(shè)計(jì)技能的基本訓(xùn)練。在本課程學(xué)習(xí)中，綜合運(yùn)用先修課程中所學(xué)的有關(guān)知識和技能，結(jié)合各種教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)及課程設(shè)計(jì)的基本鍛煉，為順利地過渡到學(xué)習(xí)有關(guān)專業(yè)課程及進(jìn)行專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。

一、 機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐的現(xiàn)狀

幾個世紀(jì)以來，人們用手工繪圖來表達(dá)自己的設(shè)計(jì)理念。圖紙作為工程師的語言，為工程設(shè)計(jì)技術(shù)人員之間進(jìn)行有效的交流帶來極大方便。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，手工繪圖已不能滿足機(jī)械設(shè)計(jì)的要求。現(xiàn)在，機(jī)械設(shè)計(jì)手段從20世紀(jì)70年代的手工繪圖轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)繪圖，大大提高了繪圖效率和繪圖質(zhì)量。

目前，CAD技術(shù)主要以二維繪圖軟件AUTOCAD為代表，在機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐中只是教會學(xué)生操作和繪制簡單的零件圖，而用AUTOCAD繪制裝配圖以及進(jìn)行有關(guān)的工程分析是非常不便的且很難實(shí)現(xiàn)。為此，為了能夠方便地繪制裝配圖，在機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中逐步地采用了CAXA電子圖版、開目CAD等二維繪圖軟件作為繪圖工具，輔助完成零部件設(shè)計(jì)。當(dāng)前，我國制造業(yè)已全面完成甩圖板工程，二維CAD技術(shù)的普及結(jié)束了手工繪圖的歷史，對減輕人工勞動強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效益起到了很明顯的作用。隨著技術(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)正從二維CAD向三維CAD過渡，有相當(dāng)一部分CAD應(yīng)用較早的企業(yè)已完成了從二維CAD向三維CAD轉(zhuǎn)換，并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。企業(yè)需要掌握三維CAD技術(shù)的專業(yè)人才，掌握三維CAD技術(shù)已成為工科院校畢業(yè)生最基本的要求。因此，在機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)中采用三維CAD技術(shù)，已成為我們現(xiàn)在機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)改革的重要內(nèi)容和等待解決的問題。

二、 三維CAD關(guān)鍵技術(shù)

三維CAD造型技術(shù)也稱建模技術(shù)，它是CAD技術(shù)的核心。從20世紀(jì)60年代至今，三維建模技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了線框建模、曲面建模、實(shí)體建模、特征建模、參數(shù)化建模、變量化建模，以及當(dāng)今正在研究的產(chǎn)品集成建模、行為建模等發(fā)展過程。三維CAD以三維造型設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，只要形成了三維模型，各種二維視圖唾手可得。三維CAD技術(shù)在產(chǎn)品的三維造型、虛擬裝配、工程圖生成、動態(tài)干涉檢驗(yàn)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析和動態(tài)仿真、有限元分析等方面帶來了革命性得突破，提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。三維設(shè)計(jì)的真正意義不僅僅在于設(shè)計(jì)模型本身，而是設(shè)計(jì)出模型的后處理工作。

三維CAD技術(shù)主要包括以下內(nèi)容：三維造型/三維設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工程分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析/仿真、裝配干涉檢驗(yàn)、三維轉(zhuǎn)二維、圖樣檔案管理等。利用這種全過程的三維CAD系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)以后，不僅使設(shè)計(jì)對象的幾何形狀和性能滿足要求，而且使各方面的指標(biāo)（強(qiáng)度、剛度、重量和成本等）都達(dá)到最佳狀態(tài)，這是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助工程分析的根本目的。三維CAD符合設(shè)計(jì)者的思維習(xí)慣，可以充分發(fā)揮設(shè)計(jì)者創(chuàng)造力和想象力。三維CAD技術(shù)不僅解決了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工程圖繪制的問題，更重要的是利用三維CAD技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)、運(yùn)動仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)，所生產(chǎn)的三維零件可以直接與CAE/CAM/CAPP等CIMS技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和銜接，是將來實(shí)現(xiàn)無圖樣生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)虛擬制造的重要手段。掌握三維CAD技術(shù)的使用，已經(jīng)逐步同使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行文字處理一樣，成為產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計(jì)人員的一種基本技能。

三、 CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著計(jì)算機(jī)性能的提高，網(wǎng)絡(luò)通信的普及化、信息處理的智能化，CAD三維技術(shù)正向規(guī)范化、智能化、集成化的方向發(fā)展。

（一）規(guī)范化

標(biāo)準(zhǔn)化的趨勢體現(xiàn)在幾個方面：數(shù)據(jù)模型的規(guī)范化、數(shù)據(jù)交換格式的標(biāo)準(zhǔn)化和CAD資源的規(guī)范化等。數(shù)據(jù)模型應(yīng)采用STEP標(biāo)準(zhǔn)體系。隨著STEP標(biāo)準(zhǔn)體系的逐步完善，它對于幾何數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)模型的思想將作為新一代CAD系統(tǒng)的開發(fā)指南。靠以前的一些標(biāo)準(zhǔn)接口已經(jīng)無法完全滿足CAD數(shù)據(jù)交換的要求。目前，參數(shù)化特征模型的傳輸還是一個世界難題，在STEP標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，相信這一點(diǎn)能有所突破。

（二）智能化

軟件設(shè)計(jì)的采用即是智能化方面的進(jìn)步。軟件不僅僅是提供一些繪制的工具由人們?nèi)ナ褂茫膊辉賹⒄季€面數(shù)據(jù)存儲在一起，而忽略其內(nèi)在聯(lián)系。特征和參數(shù)的引入使得軟件似乎成為人類（用戶）一個更聰明的助手。CAD軟件應(yīng)該更大限度地將工程數(shù)據(jù)概念集成到數(shù)據(jù)模型中，例如目前，CAD軟件的特征模型主要是解決零件幾何造型的問題，而對于后續(xù)分析、CAPP和加工的需要還考慮得不夠。

（三）集成化

集成化是當(dāng)今CAD技術(shù)發(fā)展的又一大趨勢。CAD技術(shù)不是孤立的。首先，它集成了計(jì)算機(jī)軟硬件、數(shù)據(jù)庫、外圍設(shè)備、圖形學(xué)、網(wǎng)絡(luò)及各個應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)。同時，它又不斷和CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）、CAPP（計(jì)算機(jī)輔助工藝流程規(guī)劃）、MIS（管理信息系統(tǒng)）、PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）以及MRP（制造資源管理）等系統(tǒng)相集成。由于Internet的發(fā)展，使得這些設(shè)想得以實(shí)現(xiàn)。如何構(gòu)造在Internet體系上的CAD/CAM集成化系統(tǒng)將會是人們追蹤的熱點(diǎn)。特別是在全球經(jīng)濟(jì)一體化的背景下，并行工程、異地設(shè)計(jì)制造等概念的發(fā)展和應(yīng)用，基于網(wǎng)絡(luò)、基于WEB的協(xié)同設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)大受青睞。現(xiàn)在已有一些標(biāo)準(zhǔn)，如解決異構(gòu)系統(tǒng)平臺的XML和XML-3D，以及解決三維圖形、圖像在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸共享的VRML標(biāo)準(zhǔn)相繼出臺，已經(jīng)為我們在互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架下，建立協(xié)同設(shè)計(jì)和協(xié)同工作的環(huán)境打下了基礎(chǔ)。

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作者簡介：

付志丹，浙江省溫州市，永嘉縣第三職業(yè)學(xué)校。