機(jī)械設(shè)計(jì)三維CAD技術(shù)應(yīng)用研究

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摘要：機(jī)械設(shè)計(jì)是較早應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的領(lǐng)域之一，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)械設(shè)計(jì)方法也發(fā)生了巨大的改變，特別是三維cad技術(shù)的逐漸成熟，使得利用三位維CAD技術(shù)對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行三維建模仿真和虛擬裝配得以實(shí)現(xiàn)并取得了優(yōu)異的效果。本文簡單介紹了三維CAD技術(shù)及其在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用，使得人們清晰地認(rèn)識(shí)三維CAD技術(shù)的優(yōu)勢及其今后的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：三維CAD技術(shù)；機(jī)械設(shè)計(jì)；三維建模仿真；虛擬裝配

機(jī)械設(shè)計(jì)是指根據(jù)市場需求，對機(jī)械的工作原理、運(yùn)動(dòng)方式、結(jié)構(gòu)、能量和力的傳遞方式、組成機(jī)械的各個(gè)零件的形狀尺寸和材料等進(jìn)行構(gòu)思、分析和計(jì)算，然后將其組成構(gòu)件轉(zhuǎn)化成具體的描述（零件圖、裝配圖）并作為制造依據(jù)的工作過程。其間，設(shè)計(jì)對象從最初單一功能產(chǎn)品變成復(fù)雜的系統(tǒng)，人們需要在設(shè)計(jì)中運(yùn)用集成、系統(tǒng)方法解決設(shè)計(jì)問題。傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品往往僅存在于圖紙上，未得到制造，存在諸多不合理，使得錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)難以被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的重要性日益凸顯，其核心是幾何建模系統(tǒng)，它是一種虛擬仿真技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、建筑、動(dòng)漫、服裝等行業(yè)。這種技術(shù)改變了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)工作過程，使得機(jī)械設(shè)計(jì)的合理性大幅提升，產(chǎn)品開發(fā)周期大大縮短，成為衡量國家科技現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。

1三維CAD技術(shù)的發(fā)展

三維CAD技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)利用一組數(shù)據(jù)來描述物體空間形狀的技術(shù)。它伴隨著CAD技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，從二維平面繪圖發(fā)展到三維產(chǎn)品建模，經(jīng)歷了如下幾個(gè)階段。第一代產(chǎn)生于20世紀(jì)50年代后期發(fā)達(dá)國家的航空和軍事工業(yè)中，1989年，美國國家工程研究院將CAD技術(shù)評為1964—1989年十項(xiàng)最杰出的工程技術(shù)成就之一。但該技術(shù)應(yīng)用之初，只是使用計(jì)算機(jī)輔助繪圖，還沒辦法達(dá)到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。第二代出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，這個(gè)階段的CAD系統(tǒng)解決了表面模型技術(shù)只能表達(dá)形體的外形表面信息，難以準(zhǔn)確地表達(dá)零件其他特性的問題，發(fā)展出三維實(shí)體建模模型。這使得精確表達(dá)零件的全部屬性得以實(shí)現(xiàn)，帶來了CAD技術(shù)的迅速發(fā)展。第三代始于20世紀(jì)80年代中期。CAD系統(tǒng)開始出現(xiàn)了基于特征建模和基于約束的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，使得二、三維模型的修改具有實(shí)時(shí)相關(guān)性。這兩種方法彼此交叉融合，使得CAD技術(shù)進(jìn)一步提升，其應(yīng)用場景也不斷擴(kuò)大，特別是該系統(tǒng)中的二、三維模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)輔助制造所需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是相同的，實(shí)現(xiàn)了不同體系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一（CAD/CAM的信息集成）。第四代是最新系統(tǒng)，目前的CAD系統(tǒng)已從一個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，發(fā)展為全面支持產(chǎn)品自動(dòng)化設(shè)計(jì)、加工的方法和理論、設(shè)計(jì)工具、生產(chǎn)加工環(huán)境各相關(guān)技術(shù)高度集成的綜合系統(tǒng)。這使設(shè)計(jì)工作實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、集成化和智能化，最終達(dá)到降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量和縮短設(shè)計(jì)周期的目的［1］。

2三維CAD技術(shù)的優(yōu)勢

2.1在設(shè)計(jì)過程中采用三維實(shí)體建模

三維實(shí)體建模使得零件設(shè)計(jì)所見即所得，能夠直觀地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上存在的問題；三維實(shí)體具有數(shù)字體積和曲面面積，便于后續(xù)工藝設(shè)計(jì)，同時(shí)，可賦予三維實(shí)體不同的材質(zhì)特性，從而對產(chǎn)品的性能、成本進(jìn)行核算。

2.2特征建模

特征作為組成零件的實(shí)體模型的基本元素，描述了產(chǎn)品的功能要素及其工程含義，是零件自身信息的集合。在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，依托三維CAD技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可直接用凸臺(tái)、孔、倒角等特征來表達(dá)零件的幾何結(jié)構(gòu)，已不再局限于傳統(tǒng)的線條和線框，使其在設(shè)計(jì)過程中對零件的結(jié)構(gòu)把握更好，更符合設(shè)計(jì)意圖，極大地提高了設(shè)計(jì)效率［2-3］。

2.3參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)是一種基于約束的并能用尺寸驅(qū)動(dòng)模型變化的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員可在設(shè)計(jì)之初進(jìn)行草圖設(shè)計(jì)，再根據(jù)設(shè)計(jì)要求逐漸在草圖上施加幾何和尺寸約束，根據(jù)約束變化驅(qū)動(dòng)模型變化。這樣得到的實(shí)體模型，使得設(shè)計(jì)人員在后續(xù)優(yōu)化過程中只需要修改幾個(gè)對應(yīng)的參數(shù)，就可獲得更新后的實(shí)體模型，不用再像傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，只能重新計(jì)算，可大大縮短開發(fā)流程。

2.4虛擬裝配與運(yùn)動(dòng)仿真

三維CAD技術(shù)除了零件實(shí)體建模外，還提供了虛擬裝配［4-5］。相比傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法，通過運(yùn)用三維技術(shù)，設(shè)計(jì)人員已不再需要制作樣機(jī)來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性，可直接運(yùn)用不同的裝配關(guān)系將各個(gè)三維實(shí)體零件裝配起來，并運(yùn)用靜干涉檢查的方式，檢查設(shè)計(jì)的合理性，縮短了產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間。同時(shí)，三維CAD技術(shù)還提供了運(yùn)動(dòng)仿真，除了在靜態(tài)干涉檢查通過的情況下，避免了動(dòng)態(tài)干涉的出現(xiàn)，還針對有一定運(yùn)動(dòng)行程要求的機(jī)構(gòu)，可檢驗(yàn)運(yùn)動(dòng)行程是否達(dá)到要求，以保證設(shè)計(jì)的正確性。

3三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

基于上述三維CAD技術(shù)的優(yōu)勢，人們不難看出其在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中有如下應(yīng)用。

3.1零部件實(shí)體建模

基于現(xiàn)代三維CAD技術(shù)的設(shè)計(jì)軟件為三維實(shí)體建模提供了多種建模方式，使得零件建模過程得以簡化。例如，對于簡單結(jié)構(gòu)的零件，可運(yùn)用制圖知識(shí)，將零件分解成基本幾何體，分別建模后，再通過布爾運(yùn)算進(jìn)行組合，從而獲得所需的三維實(shí)體模型；對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件，則可以采用草圖工具，繪制出平面輪廓，再通過實(shí)體編輯工具，生成所需實(shí)體模型。有了三維實(shí)體模型，設(shè)計(jì)人員即可從各個(gè)角度直觀地觀察和調(diào)整所設(shè)計(jì)的零件，能夠更好地發(fā)揮自身的創(chuàng)造能力和想象能力，機(jī)械設(shè)計(jì)效率極大地提升。

3.2交互性提升

機(jī)械設(shè)計(jì)中非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計(jì)占據(jù)了很重要的一部分，而對于非標(biāo)設(shè)計(jì)過程來講，很重要的一點(diǎn)是與客戶進(jìn)行交互，以滿足客戶需求作為出發(fā)點(diǎn)，在交互過程中需要進(jìn)行實(shí)物的呈現(xiàn)，但是，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)階段往往無法直接進(jìn)行樣機(jī)制作，會(huì)造成與客戶的溝通交流不暢。三維CAD技術(shù)就可以很好地解決這個(gè)問題，它可以通過三維技術(shù)將機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念以及樣機(jī)進(jìn)行模擬展示，能直觀地展示給客戶樣機(jī)的信息，從而提高了設(shè)計(jì)人員與客戶的交互性。

3.3集成制造系統(tǒng)

隨著科技水平的不斷提升，現(xiàn)有制造行業(yè)的裝備已逐漸升級到數(shù)控機(jī)床和加工中心，這些數(shù)控加工裝備基本都可與市面上的三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行對接。當(dāng)三維CAD軟件完成產(chǎn)品模型建模后，可直接由CAD軟件模擬出加工刀具路徑，由設(shè)計(jì)人員檢查無誤完畢后，生成數(shù)控程序，再通過數(shù)據(jù)接口同步輸送至數(shù)控設(shè)備中，完成產(chǎn)品的加工，使得三維CAD技術(shù)不停留在設(shè)計(jì)階段，而是延伸到制造過程，極大地提升了生產(chǎn)效率。

4三維CAD技術(shù)給機(jī)械設(shè)計(jì)帶來的影響

三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中所表現(xiàn)出來的優(yōu)勢改變了傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)程，充分發(fā)揮創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)制造全面信息化奠定基礎(chǔ)。具體來說，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)偏重設(shè)計(jì)人員的工作經(jīng)驗(yàn)，忽視了創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要性，而借助三維CAD技術(shù)，可取代手工設(shè)計(jì)計(jì)算，依托機(jī)械設(shè)計(jì)原理，與其他學(xué)科交叉形成設(shè)計(jì)理論體系，使設(shè)計(jì)方案利用專家系統(tǒng)建立多種機(jī)構(gòu)對比，僅需要借助現(xiàn)有相關(guān)產(chǎn)品的資料，改變產(chǎn)品某些結(jié)構(gòu)，即可激發(fā)設(shè)計(jì)人員的構(gòu)思能力，產(chǎn)生創(chuàng)新構(gòu)思方案設(shè)計(jì)。日益進(jìn)步的信息處理技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了機(jī)械設(shè)計(jì)、制造過程的數(shù)字化，還保證了產(chǎn)品在初步設(shè)計(jì)之后，整個(gè)建造完成之前，可利用三維CAD技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬裝配及動(dòng)態(tài)仿真，在產(chǎn)品生產(chǎn)加工前就找出問題的所在，避免返工，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。另外，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，信息傳輸速度不斷提升，三維CAD技術(shù)也具備了遠(yuǎn)程協(xié)助、協(xié)同設(shè)計(jì)等功能，使得設(shè)計(jì)人員可直接多人針對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)時(shí)異地討論，異地現(xiàn)場修改，同樣提升了設(shè)計(jì)水平。

5三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中面臨的問題

三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域已呈現(xiàn)了其強(qiáng)大的優(yōu)勢，使得設(shè)計(jì)效率大大提升，但目前，在我國諸多的相關(guān)企業(yè)中，三維CAD技術(shù)的推廣及應(yīng)用還未完全普及，主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

5.1未能實(shí)現(xiàn)真正的輔助設(shè)計(jì)

目前，大部分的機(jī)械設(shè)計(jì)人員還僅停留在三維設(shè)計(jì)軟件的表層應(yīng)用上，即僅完成三維建模、模擬裝配、運(yùn)動(dòng)仿真等，僅僅只是為了追求三維表達(dá)效果。但實(shí)際上，現(xiàn)有三維CAD軟件的功能已日趨強(qiáng)大，三維效果的表達(dá)僅是其中的一個(gè)功能，它已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)集設(shè)計(jì)、加工制造、生產(chǎn)管理為一體的系統(tǒng)體系。這是大部分機(jī)械設(shè)計(jì)人員還沒有清楚認(rèn)識(shí)到的，其缺乏全過程的設(shè)計(jì)思維，因此，三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用還不夠深入。

5.2高端專業(yè)的CAD技術(shù)人員欠缺

三維CAD技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，其應(yīng)用依靠對應(yīng)的三維設(shè)計(jì)軟件，而要發(fā)揮出應(yīng)有的效果，還是要依靠能夠熟練應(yīng)用三維CAD技術(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì)人員，目前，我國中小型企業(yè)很少花費(fèi)較大的精力去對相關(guān)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行三維軟件培訓(xùn)，設(shè)計(jì)人員還是得依靠自學(xué)，使得CAD技術(shù)人員的能力達(dá)不到要求，造成高端人員的短缺。

5.3數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

三維CAD技術(shù)發(fā)展至今，其行業(yè)領(lǐng)先設(shè)計(jì)軟件主要有SolidWorks、UG、Pro/Engineer等主流軟件，其都具有自己的數(shù)據(jù)格式。目前國際上一直推行CAD標(biāo)準(zhǔn)化，這幾個(gè)軟件也有對應(yīng)提供數(shù)據(jù)格式，但還存在諸多轉(zhuǎn)換問題，造成軟件系統(tǒng)在數(shù)據(jù)交換等方面存在很多問題，給不同軟件使用者在進(jìn)行交流協(xié)作時(shí)帶來不便。

6三維CAD技術(shù)未來發(fā)展方向

6.1集成化

生產(chǎn)制造企業(yè)中，設(shè)計(jì)制造管理構(gòu)成主要生產(chǎn)活動(dòng)，三維CAD技術(shù)發(fā)展趨勢是系統(tǒng)集成化，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)自動(dòng)化程度。集成化可以是CAD系統(tǒng)內(nèi)部模塊集成，如工程領(lǐng)域CATD與CAM集成，軟件標(biāo)準(zhǔn)化是CAD集成化的重要保證，需要制定系列標(biāo)準(zhǔn)，使軟件實(shí)現(xiàn)開放，提高CAD系統(tǒng)集成度，使設(shè)計(jì)步驟有效利用三維CAD技術(shù)形成設(shè)計(jì)自動(dòng)化。

6.2信息化

隨著Internet技術(shù)迅速發(fā)展，CAD產(chǎn)品可以使企業(yè)直接將企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)三維模型集成到自定義在線目錄中，通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)交流，使得設(shè)計(jì)人員直接調(diào)用產(chǎn)品模型，有效減少重復(fù)勞動(dòng)，基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作模式對提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量是十分重要的。6.3標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)的建立統(tǒng)一是實(shí)現(xiàn)三維CAD技術(shù)集成化的必要條件。復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)是由不同企業(yè)、部門的協(xié)作分工完成的。機(jī)械產(chǎn)品零部件的信息存在于不同的地點(diǎn)、不同的PC機(jī)和不同的三維CAD系統(tǒng)，使得最后在裝配制造中會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品信息表達(dá)的差異性。為了消除這一差異，產(chǎn)品信息在各系統(tǒng)之間必須采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)，即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)國際化，如IG⁃ES標(biāo)準(zhǔn)、PDDI標(biāo)準(zhǔn)、PDES標(biāo)準(zhǔn)和STEP標(biāo)準(zhǔn)等，標(biāo)準(zhǔn)化是三維CAD技術(shù)的重要發(fā)展趨勢。

6.4智能化

設(shè)計(jì)是一個(gè)人類創(chuàng)造性活動(dòng)領(lǐng)域，是含有高度智能的，也是傳統(tǒng)機(jī)械所無法替代的。但隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)加上機(jī)器學(xué)習(xí)，使得計(jì)算機(jī)模擬人類的思維活動(dòng)，如形象思維、抽象思維和創(chuàng)造性思維等已成為可能。因此，三維CAD技術(shù)發(fā)展的一個(gè)必然方向?qū)⑹侵悄蹸AD，它不僅僅是簡單地將現(xiàn)有的三維CAD技術(shù)與人工智能技術(shù)相結(jié)合，而是要深入研究人類設(shè)計(jì)的思維過程，建立人類設(shè)計(jì)的思維模型，再用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)來表達(dá)和模擬，只有這樣才能產(chǎn)生高效的CAD系統(tǒng)，飛躍式地提升三維CAD技術(shù)的效率。

7結(jié)語

我國的制造業(yè)已逐步發(fā)展壯大，與發(fā)達(dá)國家的差距也逐步縮短，特別是在中國制造向中國創(chuàng)造轉(zhuǎn)變的過程中，三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用貢獻(xiàn)巨大，該技術(shù)將是今后機(jī)械智造的一個(gè)重要發(fā)展方向，也會(huì)發(fā)揮更重要的作用。

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作者：蔡海毅 單位：泉州職業(yè)技術(shù)大學(xué)