三維設(shè)計在機械設(shè)計中的輔助作用淺析

楊麗艷

（浙江省嘉興市機械研究所有限責(zé)任公司，浙江 嘉興 314000）

機械設(shè)計的最終目的是向市場提供集優(yōu)質(zhì)、高效、經(jīng)濟和實用與一體的產(chǎn)品，使之能在日益激烈的市場競爭中立于不敗之地,取得顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。所以,為了能更好、更及時地解決現(xiàn)實中遇到的一些問題,我們每一個真正的設(shè)計者都應(yīng)該在把握全局設(shè)計的同時,重視新概念、新思想、新理論和新技術(shù)的運用（其中也包括借助一些三維設(shè)計軟件），以實現(xiàn)更直觀、更生動展現(xiàn)事物本身特點和更全面、更科學(xué)地考慮和解決問題的目的。

現(xiàn)在市場上流行的功能全面的三維軟件也早以進入了實用階段，除了經(jīng)典的Autodesk 公司開發(fā)的AutoCAD 以外，還有Solidworks,Solid Edge,Pro/Engineer 和UG等等，在這里就不再介紹各個軟件的應(yīng)用技巧了,而就結(jié)合一些基本思想和基本方法，把三維設(shè)計軟件在機械設(shè)計中的所起到的作用和相關(guān)的例子進行一下簡單的闡述。

1 三維設(shè)計的一大優(yōu)勢是通過其建立的產(chǎn)品模型具有較強的直觀性和美觀性。

隨著社會的不斷發(fā)展和進步，現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計很大程度上已經(jīng)依賴于美學(xué)和工程學(xué)的結(jié)合，無論是什么樣的產(chǎn)品，人們對其美觀程度都有了一定程度的要求，所以對于一個設(shè)計者來說，就是要把產(chǎn)品的工業(yè)造型和本身的質(zhì)量擺在同等重要的位置，這樣才能爭取到最大的市場份額。

我們知道在利用任何計算機軟件進行工程產(chǎn)品的輔助設(shè)計時，都需要建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，也即是物理系統(tǒng)的抽象表示。傳統(tǒng)的二維圖形是利用點、線、面來向人們最終展示一個三維模型，但無論是設(shè)計人員還是加工人員都需要經(jīng)過專門的訓(xùn)練才能在腦中將二維視圖轉(zhuǎn)化成三維實體，這一點是勿容置疑的。現(xiàn)在所介紹的三維設(shè)計正是利用三維實體造型技術(shù)把一個幾乎真實的模型擺在你的面前（尤其是經(jīng)過渲染以后的模型），不僅可以從各個視角觀察實體，還可以及時暴露產(chǎn)品外觀設(shè)計中的一些缺陷和不合理的地方，使整個產(chǎn)品在外觀上更接近真實的美觀。

下面圖一就是一個梅花套筒從各個角度觀察的示例，就以此來形象地說明一下上面的觀點了。

2 三維設(shè)計的運用有助于設(shè)計者真正做到了思維過程和設(shè)計過程一致，幫助建立三維思維模式，這樣可以在一定程度上省去了中間環(huán)節(jié)，加上一些設(shè)計過程的相關(guān)技術(shù)的運用，可以大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

因為同上一點所提到的一樣，設(shè)計者在設(shè)計產(chǎn)品時，其本意就是為了表達三維構(gòu)思，最終的產(chǎn)品也是一個三維立體的事物，所以如果能在產(chǎn)品設(shè)計的最初就以三維的軟件為工具設(shè)計和開發(fā)產(chǎn)品，不正是一個最直接，最接近真實效果的手段。尤其是當設(shè)計者所面對的是一個結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜和需要設(shè)計者有一定空間感的東西，甚至于設(shè)計者的構(gòu)思還不完全時，三維設(shè)計就能在幫助設(shè)計者合理分解設(shè)計步驟，順利完成其整個的構(gòu)思，完善容易忽視的細節(jié)，一直到最后反復(fù)檢查產(chǎn)品起到相當關(guān)鍵的作用。例如：現(xiàn)在已經(jīng)在應(yīng)用中的液壓集成塊的設(shè)計（具體參見圖二），就是一個比較典型的運用三維設(shè)計軟件例子了。在設(shè)計人員有了初步的液壓原理圖以后，就與CAD 技術(shù)相結(jié)合，利用三維設(shè)計軟件根據(jù)集成元件中所示的閥底板各油孔的相對位置坐標繪制集成塊三維立體圖，并能以直觀的方式觀察其連通情況。這樣不僅能使液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊，而且若以后液壓系統(tǒng)有變化，也可以利用三維設(shè)計的一大特點--參數(shù)化和全相關(guān)性，先從三維模型處修改，觀察其修改設(shè)計的可行性，直到設(shè)計出相對合理的液壓集成塊，從而降低了設(shè)計錯誤的發(fā)生，極大地提高了設(shè)計效率。

3 三維設(shè)計軟件的運用,實現(xiàn)了給設(shè)計人員提供一個開放的，并行的以及相互合作和交流的平臺的可能，避免了不必要的重復(fù)開發(fā)。因為三維設(shè)計的模塊化設(shè)計，可以讓盡可能需要參加的設(shè)計人員參加近來，他們之間即能相互獨立，又可以相互關(guān)聯(lián)，其中信息的流向是雙向的，使得設(shè)計的過程變得科學(xué)、動態(tài)和透明，也就是現(xiàn)在所說的并行工程(Concurrent Engineering),其關(guān)鍵是用并行設(shè)計方法代替串行設(shè)計的方法。對于這一點來說，尤其適用于一些大型的、綜合性的設(shè)備的設(shè)計和研發(fā)。同時這種基于并行工程的集成方法也是離不開特征庫和公共數(shù)據(jù)庫的支持，所以相信在不久的將來，三維設(shè)計會在越來越多的領(lǐng)域里有自己不可替代的位置。

4 隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的集合造型方法已經(jīng)難于完全滿足現(xiàn)在機械設(shè)計的要求。例如：它除了零件的幾何尺寸以外，沒有包含別的太多的信息，例如加工、制造和工藝方面的信息。

而與此同時，三維設(shè)計軟件所繪制的三維幾何模型信息量大，產(chǎn)品信息的定義、存儲、傳遞都是采用三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品數(shù)據(jù)除了形狀、大小、位置等幾何拓撲信息以外，還包括零件間的裝配關(guān)系、運動關(guān)系、制造工藝以及材質(zhì)等方面的信息，甚至還可以通過定義不同的參數(shù)，來實現(xiàn)產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計，為實現(xiàn) CAD／CAPP／CAE／CAM的集成創(chuàng)造良好的條件。

隨著機械制造業(yè)向CIMS（Computer Integrated Manufacturing System 計算機集成制造系統(tǒng)）或 IMS（Intelligent Manufacturing System 智能制造系統(tǒng)）的不斷發(fā)展發(fā)展，CAD／CAPP／CAE／CAM的集成化要求將會是未來發(fā)展的趨勢。為達到此目的，以下是幾個不得不面對的問題：

CAD 模塊的幾何建模系統(tǒng)，除提供幾何形狀及拓撲信息外，還必須提供零件的工藝信息、檢測信息、組織信息及結(jié)構(gòu)分析信息等；CAPP 模塊能直接從CAD 模塊中獲取零件的幾何信息、工藝信息和材料信息等，以替代零件信息描述的輸入；為了優(yōu)化和改進產(chǎn)品設(shè)計，單一無縫的CAD/CAE 界面是使用的基礎(chǔ)；須適應(yīng)多種數(shù)控系統(tǒng)NC 加工控制指令的生成。

但以上所有這些都離不開三維繪圖軟件的參與。因為利用三維機械設(shè)計軟件進行零件和裝配體的建立、建立工程圖，這個環(huán)節(jié)不是孤立的，它其實是與產(chǎn)品的計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助分析（CAE）、計算機輔助工藝管理（CAPP）以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）和生命周期管理（PLM）有廣泛和密切的聯(lián)系。所以在具體操作上還有更深層次的關(guān)于文件屬性的定義，模板和符號庫的定制等等許多需要注意的問題。所以，看似表面簡單的三維建模，其實只有滿足了更深層次的內(nèi)容和要求，才能稱得上是真正意義上的三維建模。

以上是一些在平時工作中，用到三維軟件設(shè)計部分機械產(chǎn)品時的一點點簡單的理解和體會，只是對三維設(shè)計在機械設(shè)計中所起大的輔助作用的膚淺認識。隨著近年來我國機械制造業(yè)的不斷發(fā)展，相信在不久的將來三維設(shè)計必定會起到越來越重要的作用，成為未來產(chǎn)品設(shè)計必須努力的方向。

[1]李月景.圖象識別技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1985.

[2]楊彭基.交互式計算機圖形顯示學(xué)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1985.

[3]孫家廣，陳玉健.辜凱寧煸著.計算機輔助幾何造型技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1990.

[4]趙艷霞.現(xiàn)代工程設(shè)計圖學(xué)(Solid Edge 三維繪圖設(shè)計部分)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[5]王國業(yè).AutoCAD2008 中文版三維實例教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[6]田東.SolidWorks2005 三維機械設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[7]童水光等.機械CAD/CAM 現(xiàn)狀及推廣應(yīng)用[J].計算機輔助設(shè)計與制造，1996，（8）：6-7.

[8]蔡漢明，陳清奎等.機械CAD/CAM 技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.