論三維建模技術在機械產品設計中的應用

李志鵬

摘要：機械產品設計生產的傳統工藝不斷升級轉型，結合現代科學技術的運用，很大程度上提升了我國在工業機械產品設計生產上的壁壘，解放人力、物力的同時，所涉及的產品設計、制造質量等方面有了質的飛躍。本文通過對三維建模技術的運用、分析等進行簡單介紹，向讀者說明三維建模技術應用于我國機械設計生產方面所表現出的強大技術。

Abstract： The traditional process of mechanical product design and production， combined with the application of modern science and technology， has greatly enhanced the barriers to the design and production of industrial machinery products， liberated manpower and material resources， and made a qualitative leap in product design and manufacturing quality.This paper introduces the application and analysis of 3D modeling technology， and explains the powerful technology of 3D modeling technology in mechanical design and production.

關鍵詞：三維建模;機械產品設計;內燃機;技術應用

Key words： 3D modeling;mechanical product design;internal combustion engine;technology application

中圖分類號：TB47??????????????????????????????????? 文獻標識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0216-03

0? 引言

隨著近幾年我國科學技術水平的不斷進步，以及在工業機械制造與設計領域方面技術的革新，不斷改變原始笨拙的傳統設計，使更多創新性的想法與理念融入到現代機械設計的過程中去。借助三維CAD、CAM、CAE、Pro/E等輔助建模軟件技術的運用，大大提高了內燃機等眾多產品設計的效率以及合格率，很大程度上降低了產品設計失敗的概率，避免了企業生產原料的浪費。同時提高了我國機械制造能力的水平，為我國機械制造行業的發展，發揮不可替代的重要作用。

1? 常用的三維建模技術方式

1.1 多邊形建模（Polygon Modeling）

利用多邊形建模（Polygon Modeling）方式進行建模，通常是將點與點之間連成邊，邊與邊之間構成面，面與面之間再構成一個多邊形，而多個多邊形則會構成一個實體。

1.2 曲面建模（NURBS Modeling）

曲面建模（NURBS Modeling）是針對曲面物體所進行造型建模的一種方法。由于此種方法在建模過程中是由點創造曲線，曲線進一步創建成曲面，最后通過渲染軟件進行材質、背景、環境的設計，實現最終的建模效果圖。

1.3 參數化建模（Parametric Modeling）

進行參數化建模（Parametric Modeling），可以精準捕捉所要進行建模對象的所有特征，且在建模過程中可對設計圖進行相應更改，并自動保存更改后的設計圖內容。

1.4 逆向建模（Reverse Modeling）

逆向建模（Reverse Modeling）包括點云逆向建模、照片逆向建模、三維掃描逆向建模等技術，它主要針對現實存在的人和物進行雷達掃描或照片環拍的方式進行建模生成。

2? 三維CAD技術在機械產品設計中的應用價值

2.1 技術運算，輕松實現實體建模

作為被廣泛使用的活塞式內燃機，因其具有高效率、質量體積輕巧、功率大等優勢，成為發揮汽車動力不可或缺的元件之一。通過對活塞頂部進行載荷試驗，得出關于內燃機整體的安全系數圖和應力圖，并進行相應的數據、圖形建模研究，來實現更高安全系數、更高質量的工作能力。接下來通過拉伸、旋轉等不同方式進一步得到更豐富的產品結構，使設計人員更為直觀、清晰的了解所涉及產品的各項有關內容。

2.2 零部件檢查功能，實現更多匹配產品

三維CAD技術可以在裝配產品零部件時，及時捕捉各個零部件特征，進行新的設計;還能夠針對相鄰位置的零件做出匹配判斷，設計出更貼合需求的新零件。其中系統中的資源查找器具備過程回放功能，必要時通過此功能進行相應檢查，有效避免設計出不合格、不匹配的產品零部件。通過此項技術，可以更加突顯三維建模技術與人工設計過程所展現的思維方式、設計能力的相輔相成，使設計的產品內容更加符合自身需求。

2.3 多重技術實現產品真實直觀效果

三維CAD技術包含交互技術、圖形變換技術、曲面造型以及實體造型技術等內容。其中，作為不可或缺的交互技術，是在產品設計過程當中，使人和機器適時的交換彼此所需要的信息，讓參與設計的人員可以通過機器將所看到的產品信息情況進行修改或者重新構思，非常便捷的掌握到每步操作所展示的結果，將設計產品更加直觀的展現出來;圖形變換技術是將用戶坐標系和圖形輸出設備坐標系進行聯結，可以運用矩陣運算來實現圖形的旋轉、平移、縮放甚至是透視變換等不同需求;實體造型技術（Solid Modeling）是在計算機視覺、計算機動畫、計算機虛擬現實等領域建立起的3D實體模型技術。此技術通過將幾何模型的形狀及屬性等重要信息儲存于計算機中，由計算機生成具有真實感的三維圖形。綜合多項技術的內容，在產品設計方面凸顯更為真實、直觀的效果，很大程度提升產品設計的技術能力和產品質量。

2.4 與CAE技術相結合，促使技術雙擁護

當三維CAD技術結合CAE（工程設計中的計算機輔助工程）技術，使包括內燃機在內的更多領域的機械產品設計過程更進一步保障產品設計的準確合理，相應的避免了一定設計成本的損耗;通過對機械產品進行“虛擬樣機”的使用，避免了過去“物理樣機”的資源浪費，對于整個產品設計周期的可靠性，以及產品質量上做出了更多保障性工作;對產品設計生產過程及時預檢，將一些潛在問題提前做出處理，幫助企業減少各項費用支出，降低不合格產品的發生概率，降低不必要的損失;同時，具有針對產品設計的優化功能，通過對比來找出最適合的一項設計方案，節約設計生產的時間，一定程度上縮減了時間周期，使設計生產效率更高更快。通過對兩種技術的結合，形成彼此相擁護的技術疊加，促使機械產品設計更有保障、更穩定、更人性化。

2.5 結合逆向工程技術，優化機械產品設計生產

逆向工程是根據CAD、CAM、CAE等技術手段進行描述3D虛擬模型的結構特征、處理流程、技術規格等數據要素，幫助企業檢測出是否存在產品知識產權被侵犯，尋找更多證據進行論證。同時，逆向工程技術的使用已經被我國相關法律合法化;在幫助企業降低產品開發成本與風險的同時，大大縮短了新產品的設計、開發周期，促進企業產品更新換代，提高企業市場競爭力;加速企業產品在造型和系列化方面的設計能力;利用直接制模和間接制模兩種方法，尤其針對金屬模具等小批量的產品零件的制造更為快捷方便，具有較高開發前景。逆向工程對于參與設計人員提出了更高要求，由于使用此項技術很是考驗參與設計人員的技術研發能力，且涉及的研發成本較為昂貴，綜合考慮，只有具備更高技術水平的人員才能運用此項技術，才能保障機械產品設計的技術不被破壞，順利完成模型的建設工作。

2.6 利用多股簧曲線公式推導建立三維實體模型

例如，將坐標系S設為固定坐標系，其中多股簧中心線與坐標原點O進行重合，使多股簧掃描的起始點都在XOY平面內，且將Z軸確定為掃描方向，向右旋轉使多股簧鋼索正向纏繞。另，將坐標系S’的原點沿鋼索纏繞的螺旋線軌跡移動，同時能夠分別與X、Z、Y軸旋轉得到一定角度的動坐標系。由于單根鋼絲的移動軌跡可以作為坐標系S’中的點，在該坐標系進行移動時，同樣的也可以作為作為坐標系S的移動軌跡。將多股簧的直徑設為D，時間為t，速度為W1，根據多股簧擰角和升角的關系可以得出鋼索擰轉的速度W2，可得出以下運動組合：

①以右手定則沿X軸進行旋轉，得出旋轉角度Θ0，且將Θ0作為螺旋升角;

②以右手定則沿Z軸進行旋轉，得出旋轉角度a，且a=W1t;

③以右手定則沿Y軸進行旋轉，得出旋轉角度β，且β=W2t;

④坐標原點進行平移得出’，且’記為{R0}。

在S坐標系中將點M標記為{R}，且{R}=（X Y Z）T，同理，在S’坐標系中將點M標記為{R’}，且{R’}=（X’ Y’ Z’）T，[P1]、[P2]、[P3]分別沿X、Z、Y’軸進行旋轉，并分別得出旋轉角度Θ0、a、β的轉換矩陣：

{R}=[P1][P2][P3]{R’}+{R0}??????? （1）

由坐標變換原理進行[P1]、[P2]、[P3]矩陣的求解，只要找出新舊坐標系中關于坐標軸夾角的關系，利用幾何知識進行矩陣求解便可迎刃而解，其求解如下：

最后將[P1]、[P2]、[P3]、{R0}代入式（1）就可以得到多股簧簧絲的曲線。

3? 三維建模技術在機械設計中的具體應用——以內燃機設計為例

在當前的內燃機設計中，CAD技術應用十分廣泛，具體如下：

3.1 在內燃機曲軸層面設計中的應用

曲軸是內燃機內部結構的核心運動零部件。設計人員可以應用CAD軟件對內燃機的曲軸進行三維實體造型（圖1），然后利用軟件的計算分析功能得到曲軸的各項重要參數（如體積、形心、慣性矩等）。隨后，設計軟件可以通過CAD軟件對內燃機曲軸進行動力計算和后續各種計算，當發現內燃機曲軸出現質量偏心位移問題后，便根據計算結果對曲軸結構進行及時改進，減少質量偏心，確保機械設備穩定運行。

3.2 在內燃機螺旋類零部件設計中的應用

影響內燃機螺旋類零部件（如散熱器螺旋翅片管）質量的關鍵因素是這些零部件的螺旋線的標準度。若這些零部件螺旋線不標準，則直接導致后續無法準確計算出這些零部件的換熱情況，從而導致內燃機換熱故障。設計人員可以應用CAD軟件繪制出十分標準的螺旋線（圖2）。如此，CAD技術的應用就大大提高了內燃機螺旋類零部件的精準度。

3.3 在內燃機曲柄連桿設計中的應用

內燃機中的曲柄連桿是實現熱功交換的重要機構。曲柄連桿可以大致分為大頭和小頭兩部分，精準確定大頭和小頭的連接點是曲柄連桿設計的關鍵。傳統的方法很難精準確定這個連接。為此，設計人員可以應用CAD軟件繪制出曲柄連桿的三維圖形，然后利用軟件的計算分析功能精準確定大頭和小頭的連接點，為后續曲柄連桿動力計算提供精確數據。

3.4 在內燃機活塞設計中的應用

采用傳統方法很難測量內燃機活塞的溫度。為此，設計人員可以應用CAD軟件繪制出活塞三維圖形（圖3），然后借助有限元分析軟件對內燃機活塞三維溫度場計算分析，得到內燃機活塞三維溫度場分布情況，為后續結構設計和改進提供依據，提升內燃機活塞設計質量。

4? CAD技術在機械產品設計中的發展

4.1 擁有更加智能化的圖標菜單

設計優良的圖表菜單結構的智能化不僅有效促進設計周期的進步，其他層面更進一步提高設計人員的工作積極性;當相應的圖標菜單操作減少，很大程度上的工作效率也隨之提高;符合優良的菜單結構應該是簡潔明了、直觀便捷的，能夠根據操作使用的頻率來進行位置調節和自動組合。

4.2 擁有動態引導器

大多數的傳統軟件使用當中，常是伴隨移動光標的位置而隨意的彈出需要進行的操作模式。在進一步的發展趨勢下，能夠伴隨移動光標的位置變換，動態引導器可以自動識別、判斷所要建模模型的各項元素，快速理解使用者的設計意圖，將常用的操作步驟進行記憶儲存，適時地提醒操作者進行下一步將要使用的內容，充分詮釋智能化的應用。

4.3 發展功能高度集成化的CAX體系

CAD軟件的優化主要通過兩種途徑方法進行。首先，改進軟件的整體性能，將內部的數據結構和算法進一步優化，實現更進一步的簡潔性;其次，改進功能集成性，在同一個軟件體系結構下可以實現更多應用功能的集成。因此，CAX軟件的運用就可以完成所涉及產品的開發功能。

5? 結語

伴隨我國機械制造業水平的發展進步，三維建模技術的應用發揮著巨大的貢獻，并帶領更高水平的技術為我國經濟發展發揮不可替代的作用。

參考文獻：

[1]孫國棟.三維建模技術在機械產品設計中的應用[J].電子制作，2015（2）.

[2]蔡海毅.三維CAD技術在機械設計中的應用[J].河南科技，2020（5）.

[3]吳翠楊.CAD 技術在內燃機設計中的應用探析[J].內燃機與配件，2021（3）：200-201.

[4]鄧文強.三維CAD技術在內燃機設計中的應用[J].技術與市場，2017，24（2）：86.