三維CAD技術在機械設計中的應用

田煒（呼倫貝爾學院礦業學院，內蒙古呼倫貝爾，021008）

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三維CAD技術在機械設計中的應用

田煒
（呼倫貝爾學院礦業學院，內蒙古呼倫貝爾，021008）

伴隨著科學技術快速進步，三維CAD技術在機械設計中的運用越來越普遍。由于三維CAD技術的使用，使得機械設計的水平達到了一個新高度。本文主要針對三維CAD技術的概念進行簡單的介紹，分析了從實體建模發展到虛擬樣機技術的技術特征，并闡述了虛擬建模的技術技巧。最后探討了機械設計中該技術的應用情況。希望能為我國機械設計行業的發展提供一定的借鑒與參考。

三維CAD技術；機械設計；應用

引言

機械設計是高級教育中十分熱門的一項專業課程。目前，機械設計在日常生活與企業生產中都具有十分廣泛的應用。機械設計學習主要是通過理論學習，并將其運用到實踐當中去。我國的機械設計繪圖技術已經成功從二維向三維轉型，三維CAD技術應用過程主要是利用強大的計算機軟件及功能進行模型構建、分析處理、定型制造的過程。該技術具有成型快、視覺感強、成本低等優勢受到越來越廣泛的使用［1］。同時，伴隨技術進步，使用中的問題也不斷出現。因此，加強三維CAD技術在機械設計應用中的科研工作非常重要。

1　三維CAD技術不斷進步

三維CAD技術即為人們所說的數字立體建模技術，該技術的發展經過了眾多的發展階段，三維CAD技術就是在二維模型的基礎上建立起來的，與二維模型相比，三維模型的構建則更為簡單。因此，只要建立起了三維模型，其模型的構造更加逼真、形象，與實物極其逼近，不僅為設計者提供了實體參考空間，也為改進提供了更大的想象力空間。與此同時，該技術主要使用通過計算機設計完成，因此該技術的使用成本很低，工作效率較高，三維CAD應用關鍵技巧主要包括：一是三維坐標的使用、柱面坐標與球面坐標的使用；二是過濾坐標、參照系坐標使用等。如今學會三維CAD應用的關鍵技巧是成為一位優秀的機械設計者的前提與基礎。

CAx/DFx技術已經創新發展到虛擬樣機技術（VPT，Virtual Prototyping Technology）。其是一種基于虛擬樣機的數字化設計方法，是各領域CAx/DFx技術的發展和延伸。虛擬樣機技術融合了先進建模與仿真技術，特別是現代管理技術，將這些技術應用于復雜產品全生命周期和全系統的設計，并實現綜合管理。與傳統三維CAD設計技術相比，虛擬樣機技術強調系統、全生命周期的觀點，可支持對產品的全方位測試、分析與評估，強調不同領域的虛擬化的協同設計。

虛擬樣機技術是將CAD建模技術、計算機支持的協同工作（CSCW）技術、用戶界面設計、基于知識的推理技術、設計過程管理和文檔化技術、虛擬現實技術集成起來，形成一個完整支持產品設計過程的并行工程方法。

2　三維CAD技術在機械設計中應用特征

2.1有利于機械設計工作效率的提高

三維CAD技術的應用在很大程度上提升了機械設計的工作效率，根據相關數據統計，我們可以發現三維CAD技術與二維相比，工作效率提升了近70%，與此同時，利用三維CAD技術設計的機械模型，在進行改裝時，可以根據設計者的具體需求，對模型的某一個特定部位進行改動，而不需要改動的部位則還是按照原來的模樣投入使用，所以，該技術在很大程度上加快了產品的設計速度，另外，該技術強大的改裝技術，降低了設計人員的產品改造難度，設計人員可以極其簡單地對原產品進行改造，從而獲得一個全新的產品。

2.2有利于產品技術含量的提升

伴隨著科學技術的發展與人們生活需求的日益增長，機械產品的設計對技術性的要求越來越高，產品的技術含量越來越成為考核一個產品性能的重要指標，而三維CAD技術能在很大程度上提升產品的技術含量，該技術的主要通過最新的設計方法保證產品的技術含量，例如受力分析法、優化等方法，甚至部分生產企業擁有較為先進的數控技術，因此，該企業生產的產品不僅技術含量高，且誤差小，產品統一性高，質量好。

2.3實現了機械設計的變量化與數據化

機械設計的變量化與數據化的實現，是產品質量提升的重要原因，纏頭的設計技術主要是通過圖紙、筆以及尺子等工具繪畫圖樣，一旦需要局部改造，則整張設計圖紙都要報廢，需要進行重新繪畫，因此，每張設計圖紙往往是經過多次的重畫得到的，這就在很大程度上加大了設計人員的工作量，降低了工作效率［2］。而當下，設計人員可以利用三維CAD技術進行產品的設計，設計人員只需要在計算機內輸入相關的數據，計算機就會自動生成產品的基本模型，若需要對產品的局部進行修改，則設計師只需要對部分數據進行修改，計算機內的設計模型就會自動產生一定的變動，這在很大程度上降低了設計人員的工作強度，提升了設計人員的工作效率，同時增強了產品模型的精確度與質量。

2.4設計模型更加逼真

在產品的設計過程中，設計人員需要將腦海中構造的模型生動地表現出來，在傳統的設計中，設計人員往往是通過圖紙展示自己的設計模型，而用圖紙進行設計模型的展示則具有較多的局限性，一方面，在圖紙上，產品立體結構的繪畫比較困難，這對設計人員的實力提出了一定的要求，也為設計人員的機械設計造成了很大的困難，另一方面，立體結構的平面化也對觀眾的理解造成了很大的困難。而利用三維CAD技術的機械設計，使得設計模型更加逼真；同時觀眾可以全方位看到設計模型的具體結構，而且模型還可以通過相應的技術進行一定的試用期運行，設計人員根據模擬運行結果進行一定的改進，這在很大程度上降低了設計成本，提升了工作效率，使得產品的設計與功能更能夠符合消費者的需求［3］。

3　三維CAD技術在機械設計中的應用功能

虛擬樣機技術包含三個主要功能模塊，它與實體模型相輔相成。這三個功能模塊：一是3D立體模塊，其具有與實體逼近的模型描述能力；二是人際交互模塊，虛擬樣機技術以虛擬現實技術為基礎，實現產品模型的逼真顯示、動態模仿和人機交互；三是測試評估模塊，針對模型的分析和評價是虛擬樣機技術的關鍵步驟，從理論上要分析模型的結構力學、幾何布局、加工性能、幾何形狀及維護性等方面；從產品制造方面，要分析可制造性和產品性能評價等方面。虛擬樣機已經完成實現軟件化。

3.1虛擬樣機功能

應用虛擬樣機技術，設計人員可以在視覺與聽覺上對設計模型的性能與使用等方面進行一定的虛擬操作，該技術有助于設計人員更加了解產品性能的不足，并進行及時的糾正與修改，該功能是在三維CAD技術的基礎上進行研發的，主要是利用三維CAD技術創造逼真的產品模型，并在虛擬環境中對其性能與質量進行一定的分析，根據各個部件的運行情況，對產品進行必要的修改與完善［4］。因此虛擬樣機功能的使用在很大程度上提升了產品的質量與性能，降低研發成本，提升產品研制效率。如圖1所示為虛擬樣機。

3.2實體建模功能

實體建模功能是三維CAD技術應用最廣泛的一項功能，在計算機的建模中，三維技術已經創造了眾多的基本模型結構，例如正方體、圓柱體、圓臺以及球體等眾多基本模型的結構，設計人員可以根據模型設計的實際需要，通過一些簡單的基本模型結構的拼接得到一個逼真的設計模型。但是該功能也存在部分不足，例如一些結構較為復雜的模型零部件，三維基本模型的結構并不具有其構造，因此，這時就需要通過二維技術先確定零部件的基本結構，然后根據截面的基本形狀，通過相關的計算方法得到設計模型的實際結構。

圖1　虛擬樣機

3.3對零部件的檢查功能

根據上文介紹，眾所周知，通過三維CAD技術，設計人員可以極其簡單地對設計模型的零部件進行一定的改造與變動，可以極其方便地添加零件，還可以快速地去除部分結構。與此同時，該技術還可以使得各個零部件之間的配合更加完美，在很大程度上降低了模型設計的失敗率，另外，關于設計模型的零部件的拼接與拆分都可以通過計算機的零件回放功能，通過動畫的形式，使設計人員更清楚、直觀地看懂零部件的改造過程。

3.4設計與生產的一體化功能

在三維CAD技術的應用過程中，該功能已經從最初的繪圖逐漸發展為目前的數據建模、零件檢查以及虛擬技術等功能。三維設計已經是目前我國機械設計技術最先進的設計技術，該技術在各個領域都得到了十分廣泛的應用，尤其是在企業的設計與生產方面更是具有無可替代的重要應用，例如，美國著名的汽車生產公司福特就通過該技術大大提升了汽車生產的效率與質量，同時，還在很大程度上降低了產品設計的修改概率，并且極其明顯地降低了企業生產的成本［5］。同樣，波音客機也早早就開始進行設計的“無紙化”技術，使得如今的波音飛機的發展一直位于世界前茅。

4　結論

綜上所述，我國機械設計技術由二維到三維的進步是技術發展的必然趨勢，三維CAD技術能夠在很大程度上提升企業產品的創新效率，同時，能夠更好地將設計人員的設計理念進行演繹，伴隨著計算機技術的進步與我國創新理念的發展，三維CAD技術的應用越來越廣泛，因此，本文主要通過對三維CAD技術近幾年發展的實際情況與具體應用，對其相關概念進行了一定的解釋，同時，并分析了該技術提升機械設計的工作效率、提升產品的技術含量、實現了機械設計的變量化與數據化以及使得設計模型更加逼真等應用優勢，最后，本文對三維CAD技術在機械設計中的具體應用進行了簡單的介紹，例如虛擬樣機技術、實體建模功能、對零部件的檢查以及設計與生產的一體化等，僅供參考。

［1］張立榮.三維CAD技術在機械設計中的應用［J］-《煤炭技術》-2014（30）.

［2］曹樹坤.在課堂教學中充分利用三維CAD軟件的模擬功能［J］-《全國機械設計教學研討會》-2014（20）.

［3］郭慶林. 三維CAD技術在機械行業設計中的應用［J］-《電子技術與軟件工程》-2015（01）.

［4］黃淑芳. 現代機械設計中三維CAD技術優勢與應用［J］-《黑龍江科學》-2014（09）.

［5］朱振杰，楊振怡. 三維CAD技術在機械產品制造中的應用研究［J］-《科技與創新》-2016（02）.

Application of Three Dimensional CAD Technology in Mechanical Design

Wei Tian
（School of mining， Hulunbeier University，HulunBuir， Inner Mongolia， 021008， China）

With the rapid improvement of science and technology，use of 3D CAD technology in mechanical design is more common.Due to the use of 3D CAD technology，the technical level of mechanical design has reached a new height，this paper is mainly aimed at the concept of 3D CAD technology are briefly introduced.According to the actual situation of the current development of the technology of some elaborate on the advantages.Finally，a systematic analysis of the application of the technology in Mechanical design，hoping to provide some reference for the development of China's machinery industry design.

3D CAD Technology； Mechanical Design； Application

E-mail: Tw_hlr@163.com

TH11

A

2095-8412 （2016） 03-577-04

田煒（1973-），女，講師。研究方向：機械工程。