三維CAD 技術在機械設計中的應用探究

馮顏聆

（華北電力大學，河北 保定 071000）

0 引言

三維CAD 技術主要通過計算機系統描述物體空間形狀，是一種新型計算機技術，在服裝、建筑、機械、動漫等行業均有廣泛應用。機械設計領域是我國經濟發展重要推力，必須依據設計原理準確計算和測量機械結構，以滿足社會發展需求。三維CAD 技術在機械設計領域的應用普及，大幅轉變了傳統機械設計工作過程，繼而促進了機械設計的科學性、合理性，有效提升產品設計效率和質量，創造了巨大社會經濟效益，也是我國機械設計領域現代化發展的重要標志。通過分析研究，確定在機械設計方案建模、機械設計方案形成、機械CAE 軟件等領域熟練應用三維CAD 技術，充分發揮其技術功能，能夠有效改變傳統機械設計工藝工作流程，加快機械設計工作智能化、規范化、集成化發展進程，有效提升機械設計效率和質量，促進機械設計領域持續健康發展。

1 三維CAD 技術概述

三維CAD 技術，也稱建模技術，其核心是幾何建模系統，主要由二維技術發展而來。三維CAD 技術從二維平面繪圖到三維建模經歷了多個發展階段[1]。例如，最早的計算機輔助繪圖，到三維實體建模的出現，再到二維與三維技術的交叉融合，最后到如今的綜合性系統，能夠滿足產品自動化設計、設計加工、生產加工環境等各種相關技術的高度集成，具有智能化、網絡化、集成化的特點。在機械設計工作中應用三維CAD 技術，通過三維實體建模，將零件設計圖紙轉化為立體幾何，能夠直觀發現設計中存在的諸多不合理問題。

例如，特征建模，突破了傳統線條和線框設計，設計人員可知直接利用倒角、孔、凸臺等特征表達零件幾何結構，使其更符合設計意圖。同時，三維CAD 技術還具備虛擬裝配和運動仿真功能，通過虛擬裝配將不同裝配關系的三維實體零件裝配，再利用靜干涉檢查技術檢查設計合理性，無需制作樣機進行檢驗[2]。而且，針對有行動要求的設計，可以運動仿真技術進行檢驗，確保運動形成達到設計要求。

2 三維CAD 在機械設計中的優勢

2.1 有效縮短設計周期

在機械設計領域應用三維CAD 技術能夠有效縮短設計周期，提升設計效率。新機械設計開發過程中，使用三維CAD 技術可以減少很多麻煩的環節，只需要重新設計部分零件并制造就可以完成設計。一方面，三維CAD 技術的應用實現了參數化設計，設計人員先根據設計要求設計草圖，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變化。這樣在實體建模后，設計人員在進行后續優化進行零件尺寸調整時，其他相應結構也會自動調整，進行機械整體改變，獲得全新的實體模型[3]。同時，使用該技術還能夠清晰記錄整個裝配過程，各個零件之間的關系，便于后續零件位置和形狀的調整，不需要再像傳統機械設計需要重新計算，大大減輕了零件設計工作量，縮短了設計周期和開發流程。

三維CAD 技術相對于傳統的CAD 技術也有較大的提升，不同于以往的是：以前的CAD 技術在實際應用中，往往需要設計人員固定好圖形尺寸，進行反復的繪制，并配合多種輔助工具，根據新需求的實際情況進行新圖紙的改進，才能達到對圖形中每個位置的修改，這種技術在實際應用中花費的時間比較長，而三維CAD 技術的出現，不用再反復進行圖紙的繪制，在實際應用的過程中，設計人員只需了解圖紙修改的實際數據，直接進行調整和修改即可，節約了圖紙設計時間，方便快速完成相關工作。

2.2 提升機械產品設計進程和保管力度

三維CAD 技術以計算機為主要載體，不僅其機械設計增加了渲染和著色功能，三維實體模型的出現，也為設計人員觀察和分析產品內外部結構提供了很大便利，使得機械產品設計方案決定、審批、落實開發等走入快車道。同時，三維CAD 技術主要依靠計算機系統進行作業，其設計圖紙、方案、設計內容等可以借助計算機硬盤、軟盤等分類存儲，還可以隨時轉移至U 盤、光盤等移動存儲設備中，便于機械設計人查看，避免出現資料丟失或資料破壞等情況，還能有效杜絕紙質資料存儲中因蟲蛀、發霉、丟失、損壞等導致的資料不全問題發生，大大提升機械產品設計材料保管力度。

2.3 有效提升機械設計產品質量

三維CAD 技術的應用從根本上改變了傳統機械設計缺陷，提升了機械設計質量。例如，在機械設計時采用CADDS、CADDAM、Solid-Edge 等軟件，進行機械產品虛擬設計、虛擬運動方針、有限元受力分析等，設計人員可以直觀觀察到細微零件變化導致的裝配失誤，從而設計最佳的解決方案，保障機械設計產品質量。另外，三維CAD 技術屬于先進信息技術類型，可以借助DXF 輸出方式，實現機械設計文件的共享，平面設計繪圖功能的升級，從而加快機械設計一體化。在這種設計方式下，不僅設計難度降低，設計人員的思維也得以開拓，從而設計開發出更具有新意和靈活性的產品。

3 三維CAD 技術在機械設計中的應用策略

3.1 在機械設計方案建模中應用

在機械設計中，三維CAD 技術能夠將設計方案直觀立體化呈現出來，便于設計人員及性能全方位、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形式，完成設計方案建模工作，多用于本身自帶正方形、圓形、圓柱形等基礎圖形[4]。針對一些設計結構復雜的設計，則需根據設計方案統籌規劃，運用布爾運算方式將這些基礎圖形排列組合，達到設計要求。

另一方面，三維CAD 技術具有靈活性、調整性特點，是機械設計重要核心輔助，在實體建模中通過對不同零件的分解組合，立方體、圓柱體、環狀體等不同建模體系的應用和重新運算，獲得最終完美呈現設計方案的模型。

在這一過程中，設計人員需要深入分析機械產品有限元，拆分設計零件，比對設計尺寸，明確設計與實際建模中存在的差異，獲得較為理想的零件應用和組合方案[5]。例如，在對三維鋼結構進行機械設計時，設計人員要以生產要求為基準，統計分析各項試驗設計參數，將其與建模數據相互整合，設計出科學合理的設計方案。再將設計好的模塊添加至建模框架中，熟練應用各種參考資料、機械設計知識和經驗，設置機械設計資料，最終完成三維鋼結構機械設計建模工作。

3.2 在機械設計方案形成中應用

在機械設計方案設計過程中，設計人員可以利用三維CAD 技術編輯功能，從零部件角度出發，可以對機械設計方案中各個零部件的參數和組合形式進行編輯處理，將基礎零部件按照設計方案進行加工、排列，就能形成一套科學、完整、系統的設計方案[6]。各種零部件在設計的過程中是互不相干的，利用三維CAD 技術可以將任意兩個零部件有機地組合在一起，根據不同的需求來對不同的零部件進行組合排列，設計人員可以借助這一功能，將原有設計方案重組、排列，尤其一些零部件繁雜的，重新調整其組合方式，就能獲得新的零部件機械設計方案，有效提升機械設計與生產制造質量。另外，還需結合應用三維ACD/CAM 軟件開發系統，借助數據分析、平面設計、曲面造型和立體構筑等方式，對機械設計參數進行有效應用和管理，或者利用軟件進行零部件設計檢驗，借助資源查找器修改某一零部件，構建新的機械產品模型，增加零部件之間的適配性，減少因零部件適配性較低導致的機械產品裝配失敗，大大提升機械設計有效性，確保設計方案順利實現。

3.3 在機械CAE 軟件中應用

機械CAE 軟件，屬于機械設計應用計算機輔助工程，包含結構設計優化、方案數據比對、設計方案分析和機械方案比對等多種功能。在機械設計中靈活應用這些功能，不僅會提升設計方案科學合理性，還會提升設計方案規范性[7]。在實際應用中，可以從模型構筑角度出發，利用三維CAD 技術進行建模設計，然后利用CAE 軟件設計分析零部件具體尺寸和造型，對三維CAD 技術應用中存在的問題進行改正，降低關鍵設備損耗，保證機械設計方案實效性，從而有效延長機械產品使用壽命。

3.4 在農業領域中應用

在農業生產制造領域中，三維CAD 技術也有著十分廣泛的應用。例如，在設計聯合收割機時，設計的核心內容往往為軸流釘齒脫粒分離裝置進行三維設計，主要設計流程為：設計人員先利用Motion workes系統進行設計開發，隨后將設計開發資料添加至數據加工模塊，進行三維設計。最后，等三維設計結束后，利用ADC/API 技術將系統合理劃分為不同分部，進行獨立機械方案設計，并且，借助數據傳輸或者數據共享平臺實現各個零部件數據連通，進一步驗證設計方案合理性，最終生產出符合農業生產的機械設備，為農業發展作出了貢獻。

4 機械設計中三維CAD 技術發展方向

（1）智能化發展。現如今的機械設計，人工參與成分較多，各種人工問題頻繁出現，人們智能化需求不斷加強。在未來發展中，人工智能將與三維CAD 技術相互融合，形成機械智能化設計領域。在這其中，倘若要對機械機構進行測量，測量結果可直接智能傳輸并分配至對應數據模塊中，大幅降低人工成本，也能因此降低人工作業產生的各種失誤[8]。

（2）規范化發展。在時代發展趨勢下，三維CAD技術將不斷增設各種新的功能，如幾何數據建模、工程數據建模等。使用該技術完成機械設計時，不僅僅要實現產品功能，更要依據實際使用情況進行個性化設計，使得設計方案更具標準型和規范性。對此，人們需要使用統一化的數據，將思維中各種三維模型轉化為實物，并不斷優化調整，最終設計出接近理想化的設計方案。其中，精確規范的設計數據、設計參考圖發揮著巨大價值，在機械設計中按照規范標準進行設計，將進一步提升建模精確度，避免后期修改調整工作量，提升機械設計水平。另外，還要加強對STEP 體系的關注，將其與三維CAD 技術交叉融合，切實解決參數化設計模型傳輸過程中存在的各種問題。

（3）集成化發展。三維CAD 技術在應用過程中，倘若缺少其他基礎的配合應用，將難以達成高效、高質量工作要求。因此，在未來發展中，需要注重相關技術的開發應用，彌補三維CAD 技術短板，通過集成化的設計生產，構筑科學完整的機械設計框架，為設計工作完成提供有效技術保障。例如，在原有網絡基礎上合理應用CAD/CAM 集成化系統，解決異構系統平臺中的XML 或XML-3D 等問題，為集成化和協同化發展建立良好環境。

5 結語

機械設計和制造業與高科技領域技術的結合已經成為一種不可逆轉的趨勢，現代化的信息技術和自動化技術結合并不斷地發展和創新，從而推動著機械設計和制造技術的進步和發展。在社會經濟、科技快速發展趨勢下，只有緊緊抓住時代發展機遇，直面各種艱難局面，準確把握三維CAD 技術基本概念，了解該技術在機械設計中的應用優勢，包括有效縮短設計周期、提升機械產品設計進程和保管力度、有效提升機械設計產品質量，積極尋求有效應用措施，才能確保其優勢充分發揮。通過分析研究，確定在機械設計方案建模、機械設計方案形成、機械CAE 軟件等方面熟練應用三維CAD 技術，充分發揮其技術功能，能夠有效改變傳統機械設計工藝工作流程，加快機械設計工作智能化、規范化、集成化發展進程，有效提升機械設計效率和質量，促進機械設計領域持續健康發展。