机械设计三维CAD技术应用研究
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摘要：机械设计是较早应用计算机辅助设计的领域之一，随着计算机技术的不断进步，机械设计方法也发生了巨大的改变，特别是三维cad技术的逐渐成熟，使得利用三位维CAD技术对机械产品进行三维建模仿真和虚拟装配得以实现并取得了优异的效果。本文简单介绍了三维CAD技术及其在机械设计领域的应用，使得人们清晰地认识三维CAD技术的优势及其今后的发展趋势。
关键词：三维CAD技术；机械设计；三维建模仿真；虚拟装配
机械设计是指根据市场需求，对机械的工作原理、运动方式、结构、能量和力的传递方式、组成机械的各个零件的形状尺寸和材料等进行构思、分析和计算，然后将其组成构件转化成具体的描述（零件图、装配图）并作为制造依据的工作过程。其间，设计对象从最初单一功能产品变成复杂的系统，人们需要在设计中运用集成、系统方法解决设计问题。传统机械设计出的产品往往仅存在于图纸上，未得到制造，存在诸多不合理，使得错误的设计难以被及时发现。随着计算机技术的快速发展，三维CAD技术在机械设计中的重要性日益凸显，其核心是几何建模系统，它是一种虚拟仿真技术，被广泛应用于机械、建筑、动漫、服装等行业。这种技术改变了传统机械设计工作过程，使得机械设计的合理性大幅提升，产品开发周期大大缩短，成为衡量国家科技现代化水平的重要标志。
1三维CAD技术的发展
三维CAD技术是通过计算机系统利用一组数据来描述物体空间形状的技术。它伴随着CAD技术的发展而发展，从二维平面绘图发展到三维产品建模，经历了如下几个阶段。第一代产生于20世纪50年代后期发达国家的航空和军事工业中，1989年，美国国家工程研究院将CAD技术评为1964—1989年十项最杰出的工程技术成就之一。但该技术应用之初，只是使用计算机辅助绘图，还没办法达到计算机辅助设计。第二代出现于20世纪70年代，这个阶段的CAD系统解决了表面模型技术只能表达形体的外形表面信息，难以准确地表达零件其他特性的问题，发展出三维实体建模模型。这使得精确表达零件的全部属性得以实现，带来了CAD技术的迅速发展。第三代始于20世纪80年代中期。CAD系统开始出现了基于特征建模和基于约束的参数化设计方法，使得二、三维模型的修改具有实时相关性。这两种方法彼此交叉融合，使得CAD技术进一步提升，其应用场景也不断扩大，特别是该系统中的二、三维模型的数据结构与计算机辅助制造所需要的数据结构是相同的，实现了不同体系数据结构的统一（CAD/CAM的信息集成）。第四代是最新系统，目前的CAD系统已从一个设计系统，发展为全面支持产品自动化设计、加工的方法和理论、设计工具、生产加工环境各相关技术高度集成的综合系统。这使设计工作实现网络化、集成化和智能化，最终达到降低产品成本、提高产品设计质量和缩短设计周期的目的［1］。
2三维CAD技术的优势
2.1在设计过程中采用三维实体建模
三维实体建模使得零件设计所见即所得，能够直观地发现设计上存在的问题；三维实体具有数字体积和曲面面积，便于后续工艺设计，同时，可赋予三维实体不同的材质特性，从而对产品的性能、成本进行核算。
2.2特征建模
特征作为组成零件的实体模型的基本元素，描述了产品的功能要素及其工程含义，是零件自身信息的集合。在机械设计过程中，依托三维CAD技术，设计人员可直接用凸台、孔、倒角等特征来表达零件的几何结构，已不再局限于传统的线条和线框，使其在设计过程中对零件的结构把握更好，更符合设计意图，极大地提高了设计效率［2-3］。
2.3参数化设计
参数化设计是一种基于约束的并能用尺寸驱动模型变化的设计。设计人员可在设计之初进行草图设计，再根据设计要求逐渐在草图上施加几何和尺寸约束，根据约束变化驱动模型变化。这样得到的实体模型，使得设计人员在后续优化过程中只需要修改几个对应的参数，就可获得更新后的实体模型，不用再像传统的设计方法，只能重新计算，可大大缩短开发流程。
2.4虚拟装配与运动仿真
三维CAD技术除了零件实体建模外，还提供了虚拟装配［4-5］。相比传统机械设计方法，通过运用三维技术，设计人员已不再需要制作样机来检验设计的合理性，可直接运用不同的装配关系将各个三维实体零件装配起来，并运用静干涉检查的方式，检查设计的合理性，缩短了产品开发时间。同时，三维CAD技术还提供了运动仿真，除了在静态干涉检查通过的情况下，避免了动态干涉的出现，还针对有一定运动行程要求的机构，可检验运动行程是否达到要求，以保证设计的正确性。
3三维CAD技术在机械设计中的应用
基于上述三维CAD技术的优势，人们不难看出其在机械设计过程中有如下应用。
3.1零部件实体建模
基于现代三维CAD技术的设计软件为三维实体建模提供了多种建模方式，使得零件建模过程得以简化。例如，对于简单结构的零件，可运用制图知识，将零件分解成基本几何体，分别建模后，再通过布尔运算进行组合，从而获得所需的三维实体模型；对于复杂结构的零部件，则可以采用草图工具，绘制出平面轮廓，再通过实体编辑工具，生成所需实体模型。有了三维实体模型，设计人员即可从各个角度直观地观察和调整所设计的零件，能够更好地发挥自身的创造能力和想象能力，机械设计效率极大地提升。
3.2交互性提升
机械设计中非标设备的设计占据了很重要的一部分，而对于非标设计过程来讲，很重要的一点是与客户进行交互，以满足客户需求作为出发点，在交互过程中需要进行实物的呈现，但是，传统设计阶段往往无法直接进行样机制作，会造成与客户的沟通交流不畅。三维CAD技术就可以很好地解决这个问题，它可以通过三维技术将机械产品的设计理念以及样机进行模拟展示，能直观地展示给客户样机的信息，从而提高了设计人员与客户的交互性。
3.3集成制造系统
随着科技水平的不断提升，现有制造行业的装备已逐渐升级到数控机床和加工中心，这些数控加工装备基本都可与市面上的三维设计软件进行对接。当三维CAD软件完成产品模型建模后，可直接由CAD软件模拟出加工刀具路径，由设计人员检查无误完毕后，生成数控程序，再通过数据接口同步输送至数控设备中，完成产品的加工，使得三维CAD技术不停留在设计阶段，而是延伸到制造过程，极大地提升了生产效率。
4三维CAD技术给机械设计带来的影响
三维CAD技术在机械设计领域中所表现出来的优势改变了传统的机械设计进程，充分发挥创新性设计，为实现制造全面信息化奠定基础。具体来说，传统设计偏重设计人员的工作经验，忽视了创新设计的重要性，而借助三维CAD技术，可取代手工设计计算，依托机械设计原理，与其他学科交叉形成设计理论体系，使设计方案利用专家系统建立多种机构对比，仅需要借助现有相关产品的资料，改变产品某些结构，即可激发设计人员的构思能力，产生创新构思方案设计。日益进步的信息处理技术不仅实现了机械设计、制造过程的数字化，还保证了产品在初步设计之后，整个建造完成之前，可利用三维CAD技术实现虚拟装配及动态仿真，在产品生产加工前就找出问题的所在，避免返工，缩短了设计时间，提高了设计质量和效率。另外，随着网络技术的不断发展，信息传输速度不断提升，三维CAD技术也具备了远程协助、协同设计等功能，使得设计人员可直接多人针对设计方案进行实时异地讨论，异地现场修改，同样提升了设计水平。
5三维CAD技术在机械设计中面临的问题
三维CAD技术在机械设计领域已呈现了其强大的优势，使得设计效率大大提升，但目前，在我国诸多的相关企业中，三维CAD技术的推广及应用还未完全普及，主要体现在如下几个方面。
5.1未能实现真正的辅助设计
目前，大部分的机械设计人员还仅停留在三维设计软件的表层应用上，即仅完成三维建模、模拟装配、运动仿真等，仅仅只是为了追求三维表达效果。但实际上，现有三维CAD软件的功能已日趋强大，三维效果的表达仅是其中的一个功能，它已经发展成为一个集设计、加工制造、生产管理为一体的系统体系。这是大部分机械设计人员还没有清楚认识到的，其缺乏全过程的设计思维，因此，三维CAD技术在机械设计中的应用还不够深入。
5.2高端专业的CAD技术人员欠缺
三维CAD技术具有诸多优势，其应用依靠对应的三维设计软件，而要发挥出应有的效果，还是要依靠能够熟练应用三维CAD技术的机械设计人员，目前，我国中小型企业很少花费较大的精力去对相关设计人员进行三维软件培训，设计人员还是得依靠自学，使得CAD技术人员的能力达不到要求，造成高端人员的短缺。
5.3数据标准化
三维CAD技术发展至今，其行业领先设计软件主要有SolidWorks、UG、Pro/Engineer等主流软件，其都具有自己的数据格式。目前国际上一直推行CAD标准化，这几个软件也有对应提供数据格式，但还存在诸多转换问题，造成软件系统在数据交换等方面存在很多问题，给不同软件使用者在进行交流协作时带来不便。
6三维CAD技术未来发展方向
6.1集成化
生产制造企业中，设计制造管理构成主要生产活动，三维CAD技术发展趋势是系统集成化，提高产品设计自动化程度。集成化可以是CAD系统内部模块集成，如工程领域CATD与CAM集成，软件标准化是CAD集成化的重要保证，需要制定系列标准，使软件实现开放，提高CAD系统集成度，使设计步骤有效利用三维CAD技术形成设计自动化。
6.2信息化
随着Internet技术迅速发展，CAD产品可以使企业直接将企业标准化产品的动态三维模型集成到自定义在线目录中，通过互联网实时交流，使得设计人员直接调用产品模型，有效减少重复劳动，基于网络的协作模式对提高产品设计质量是十分重要的。6.3标准化产品数据交换标准的建立统一是实现三维CAD技术集成化的必要条件。复杂机械产品的生产是由不同企业、部门的协作分工完成的。机械产品零部件的信息存在于不同的地点、不同的PC机和不同的三维CAD系统，使得最后在装配制造中会出现产品信息表达的差异性。为了消除这一差异，产品信息在各系统之间必须采用统一的数据格式标准，即实现数据格式标准国际化，如IG⁃ES标准、PDDI标准、PDES标准和STEP标准等，标准化是三维CAD技术的重要发展趋势。
6.4智能化
设计是一个人类创造性活动领域，是含有高度智能的，也是传统机械所无法替代的。但随着人工智能技术的发展，大数据加上机器学习，使得计算机模拟人类的思维活动，如形象思维、抽象思维和创造性思维等已成为可能。因此，三维CAD技术发展的一个必然方向将是智能CAD，它不仅仅是简单地将现有的三维CAD技术与人工智能技术相结合，而是要深入研究人类设计的思维过程，建立人类设计的思维模型，再用计算机信息技术来表达和模拟，只有这样才能产生高效的CAD系统，飞跃式地提升三维CAD技术的效率。
7结语
我国的制造业已逐步发展壮大，与发达国家的差距也逐步缩短，特别是在中国制造向中国创造转变的过程中，三维CAD技术在机械设计领域的应用贡献巨大，该技术将是今后机械智造的一个重要发展方向，也会发挥更重要的作用。
参考文献：
［1］张立荣.三维CAD技术在机械设计中的应用［J］.煤炭技术，2011（2）：16-18.
［2］王丽丽.CAD技术在现代机械设计中应用分析［J］.黑龙江科技信息，2011（21）：1.
［3］张飞飞.三维CAD技术在机械设计中的应用探究［J］.农机使用与维修，2019（12）：5-6.
［4］于航.CAD在机械设计中的应用及价值研究［J］.南方农机，2019（22）：274.
［5］章勇.机械设计与加工中的CAD/CAM技术分析［J］.集成电路应用，2019（12）：116-117.
作者：蔡海毅 单位：泉州职业技术大学
