三維CAD技術及在機械設計中的應用

摘?要：結合近年我校機械設計課程體系、課程內容以及立體化教學模式的改革和重點課程建設，在學生機械設計課程設計和畢業設計實踐中，主要從機械設計課程設計的設計方法和手段的改進等方面進行了大膽的改革與實踐，逐步實施了從手工繪圖到二維AUTOCAD的應用最終到三維CAD的過渡，在提高學生的設計能力和綜合素質方面得到了較好的效果。三維CAD造型技術也稱建模技術，它是CAD技術的核心。

關鍵詞：機械設計;CAD技術;應用;發展趨勢

機械設計是機械類各專業的專業基礎課。同時，該課程也是工科類專業的基礎必修課。本課程在教學內容方面，著重基本知識、基本理論和基本方法，在培養實踐能力方面，著重設計構思和設計技能的基本訓練。在本課程學習中，綜合運用先修課程中所學的有關知識和技能，結合各種教學實踐環節及課程設計的基本鍛煉，為順利地過渡到學習有關專業課程及進行專業畢業設計打下良好的基礎。

一、 機械設計實踐的現狀

幾個世紀以來，人們用手工繪圖來表達自己的設計理念。圖紙作為工程師的語言，為工程設計技術人員之間進行有效的交流帶來極大方便。然而，隨著科學技術的發展，特別是計算機技術的廣泛應用，手工繪圖已不能滿足機械設計的要求。現在，機械設計手段從20世紀70年代的手工繪圖轉向計算機繪圖，大大提高了繪圖效率和繪圖質量。

目前，CAD技術主要以二維繪圖軟件AUTOCAD為代表，在機械設計實踐中只是教會學生操作和繪制簡單的零件圖，而用AUTOCAD繪制裝配圖以及進行有關的工程分析是非常不便的且很難實現。為此，為了能夠方便地繪制裝配圖，在機械設計實踐教學和畢業設計中逐步地采用了CAXA電子圖版、開目CAD等二維繪圖軟件作為繪圖工具，輔助完成零部件設計。當前，我國制造業已全面完成甩圖板工程，二維CAD技術的普及結束了手工繪圖的歷史，對減輕人工勞動強度，提高經濟效益起到了很明顯的作用。隨著技術的發展，CAD技術正從二維CAD向三維CAD過渡，有相當一部分CAD應用較早的企業已完成了從二維CAD向三維CAD轉換，并取得了巨大的經濟效益和社會效益。企業需要掌握三維CAD技術的專業人才，掌握三維CAD技術已成為工科院校畢業生最基本的要求。因此，在機械設計實踐教學中采用三維CAD技術，已成為我們現在機械設計實踐教學改革的重要內容和等待解決的問題。

二、 三維CAD關鍵技術

三維CAD造型技術也稱建模技術，它是CAD技術的核心。從20世紀60年代至今，三維建模技術的發展經歷了線框建模、曲面建模、實體建模、特征建模、參數化建模、變量化建模，以及當今正在研究的產品集成建模、行為建模等發展過程。三維CAD以三維造型設計為基礎，只要形成了三維模型，各種二維視圖唾手可得。三維CAD技術在產品的三維造型、虛擬裝配、工程圖生成、動態干涉檢驗、機構運動分析和動態仿真、有限元分析等方面帶來了革命性得突破，提高了設計效率和設計質量。三維設計的真正意義不僅僅在于設計模型本身，而是設計出模型的后處理工作。

三維CAD技術主要包括以下內容：三維造型/三維設計、計算機輔助工程分析、機構運動分析/仿真、裝配干涉檢驗、三維轉二維、圖樣檔案管理等。利用這種全過程的三維CAD系統完成設計以后，不僅使設計對象的幾何形狀和性能滿足要求，而且使各方面的指標（強度、剛度、重量和成本等）都達到最佳狀態，這是計算機輔助設計和輔助工程分析的根本目的。三維CAD符合設計者的思維習慣，可以充分發揮設計者創造力和想象力。三維CAD技術不僅解決了產品設計和工程圖繪制的問題，更重要的是利用三維CAD技術實現產品的虛擬設計、運動仿真和優化設計，所生產的三維零件可以直接與CAE/CAM/CAPP等CIMS技術進行數據交換和銜接，是將來實現無圖樣生產的關鍵技術之一，是實現虛擬制造的重要手段。掌握三維CAD技術的使用，已經逐步同使用計算機進行文字處理一樣，成為產品開發、設計人員的一種基本技能。

三、 CAD技術的發展趨勢

隨著計算機性能的提高，網絡通信的普及化、信息處理的智能化，CAD三維技術正向規范化、智能化、集成化的方向發展。

（一）規范化

標準化的趨勢體現在幾個方面：數據模型的規范化、數據交換格式的標準化和CAD資源的規范化等。數據模型應采用STEP標準體系。隨著STEP標準體系的逐步完善，它對于幾何數據、工程數據模型的思想將作為新一代CAD系統的開發指南。靠以前的一些標準接口已經無法完全滿足CAD數據交換的要求。目前，參數化特征模型的傳輸還是一個世界難題，在STEP標準基礎上，相信這一點能有所突破。

（二）智能化

軟件設計的采用即是智能化方面的進步。軟件不僅僅是提供一些繪制的工具由人們去使用，也不再將占線面數據存儲在一起，而忽略其內在聯系。特征和參數的引入使得軟件似乎成為人類（用戶）一個更聰明的助手。CAD軟件應該更大限度地將工程數據概念集成到數據模型中，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，而對于后續分析、CAPP和加工的需要還考慮得不夠。

（三）集成化

集成化是當今CAD技術發展的又一大趨勢。CAD技術不是孤立的。首先，它集成了計算機軟硬件、數據庫、外圍設備、圖形學、網絡及各個應用領域的技術。同時，它又不斷和CAM（計算機輔助制造）、CAPP（計算機輔助工藝流程規劃）、MIS（管理信息系統）、PDM（產品數據管理）以及MRP（制造資源管理）等系統相集成。由于Internet的發展，使得這些設想得以實現。如何構造在Internet體系上的CAD/CAM集成化系統將會是人們追蹤的熱點。特別是在全球經濟一體化的背景下，并行工程、異地設計制造等概念的發展和應用，基于網絡、基于WEB的協同設計制造系統大受青睞。現在已有一些標準，如解決異構系統平臺的XML和XML-3D，以及解決三維圖形、圖像在互聯網上傳輸共享的VRML標準相繼出臺，已經為我們在互聯網的構架下，建立協同設計和協同工作的環境打下了基礎。

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作者簡介：

付志丹，浙江省溫州市，永嘉縣第三職業學校。