蔡海毅

摘 要：機械設(shè)計是較早應(yīng)用計算機輔助設(shè)計的領(lǐng)域之一，隨著計算機技術(shù)的不斷進步，機械設(shè)計方法也發(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)對機械產(chǎn)品進行三維建模仿真和虛擬裝配得以實現(xiàn)并取得了優(yōu)異的效果。本文簡單介紹了三維CAD技術(shù)及其在機械設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用，使得人們清晰地認識三維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);機械設(shè)計;三維建模仿真;虛擬裝配

中圖分類號：TH122;TP391.72 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）05-0057-03

Abstract： Mechanical design is one of the early fields of applying computer-aided design. With the continuous advancement of computer technology， mechanical design method has also undergone tremendous changes， especially the gradual maturity of 3D CAD technology， which makes it possible to achieve 3D modeling simulation and virtual assembly of mechanical products using 3D CAD technology and achieve excellent results. This paper briefly introduced 3D CAD technology and its application in the field of mechanical design， making people clearly understand the advantages of 3D CAD technology and its future development trends.

Keywords： 3D CAD technology;mechanical design;3D modeling and simulation;virtual assembly

機械設(shè)計是指根據(jù)市場需求，對機械的工作原理、運動方式、結(jié)構(gòu)、能量和力的傳遞方式、組成機械的各個零件的形狀尺寸和材料等進行構(gòu)思、分析和計算，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)計中運用集成、系統(tǒng)方法解決設(shè)計問題。傳統(tǒng)機械設(shè)計出的產(chǎn)品往往僅存在于圖紙上，未得到制造，存在諸多不合理，使得錯誤的設(shè)計難以被及時發(fā)現(xiàn)。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，三維CAD技術(shù)在機械設(shè)計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)用于機械、建筑、動漫、服裝等行業(yè)。這種技術(shù)改變了傳統(tǒng)機械設(shè)計工作過程，使得機械設(shè)計的合理性大幅提升，產(chǎn)品開發(fā)周期大大縮短，成為衡量國家科技現(xiàn)代化水平的重要標志。

1 三維CAD技術(shù)的發(fā)展

三維CAD技術(shù)是通過計算機系統(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)歷了如下幾個階段。

第一代產(chǎn)生于20世紀50年代后期發(fā)達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，只是使用計算機輔助繪圖，還沒辦法達到計算機輔助設(shè)計。

第二代出現(xiàn)于20世紀70年代，這個階段的CAD系統(tǒng)解決了表面模型技術(shù)只能表達形體的外形表面信息，難以準確地表達零件其他特性的問題，發(fā)展出三維實體建模模型。這使得精確表達零件的全部屬性得以實現(xiàn)，帶來了CAD技術(shù)的迅速發(fā)展。

第三代始于20世紀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)計方法，使得二、三維模型的修改具有實時相關(guān)性。這兩種方法彼此交叉融合，使得CAD技術(shù)進一步提升，其應(yīng)用場景也不斷擴大，特別是該系統(tǒng)中的二、三維模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與計算機輔助制造所需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是相同的，實現(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)已從一個設(shè)計系統(tǒng)，發(fā)展為全面支持產(chǎn)品自動化設(shè)計、加工的方法和理論、設(shè)計工具、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)計工作實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、集成化和智能化，最終達到降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量和縮短設(shè)計周期的目的[1]。

2 三維CAD技術(shù)的優(yōu)勢

2.1 在設(shè)計過程中采用三維實體建模

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

2.2 特征建模

特征作為組成零件的實體模型的基本元素，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。在機械設(shè)計過程中，依托三維CAD技術(shù)，設(shè)計人員可直接用凸臺、孔、倒角等特征來表達零件的幾何結(jié)構(gòu)，已不再局限于傳統(tǒng)的線條和線框，使其在設(shè)計過程中對零件的結(jié)構(gòu)把握更好，更符合設(shè)計意圖，極大地提高了設(shè)計效率[2-3]。

2.3 參數(shù)化設(shè)計

參數(shù)化設(shè)計是一種基于約束的并能用尺寸驅(qū)動模型變化的設(shè)計。設(shè)計人員可在設(shè)計之初進行草圖設(shè)計，再根據(jù)設(shè)計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)動模型變化。這樣得到的實體模型，使得設(shè)計人員在后續(xù)優(yōu)化過程中只需要修改幾個對應(yīng)的參數(shù)，就可獲得更新后的實體模型，不用再像傳統(tǒng)的設(shè)計方法，只能重新計算，可大大縮短開發(fā)流程。

2.4 虛擬裝配與運動仿真

三維CAD技術(shù)除了零件實體建模外，還提供了虛擬裝配[4-5]。相比傳統(tǒng)機械設(shè)計方法，通過運用三維技術(shù)，設(shè)計人員已不再需要制作樣機來檢驗設(shè)計的合理性，可直接運用不同的裝配關(guān)系將各個三維實體零件裝配起來，并運用靜干涉檢查的方式，檢查設(shè)計的合理性，縮短了產(chǎn)品開發(fā)時間。同時，三維CAD技術(shù)還提供了運動仿真，除了在靜態(tài)干涉檢查通過的情況下，避免了動態(tài)干涉的出現(xiàn)，還針對有一定運動行程要求的機構(gòu)，可檢驗運動行程是否達到要求，以保證設(shè)計的正確性。

3 三維CAD技術(shù)在機械設(shè)計中的應(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械設(shè)計過程中有如下應(yīng)用。

3.1 零部件實體建模

基于現(xiàn)代三維CAD技術(shù)的設(shè)計軟件為三維實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，可運用制圖知識，將零件分解成基本幾何體，分別建模后，再通過布爾運算進行組合，從而獲得所需的三維實體模型;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，再通過實體編輯工具，生成所需實體模型。有了三維實體模型，設(shè)計人員即可從各個角度直觀地觀察和調(diào)整所設(shè)計的零件，能夠更好地發(fā)揮自身的創(chuàng)造能力和想象能力，機械設(shè)計效率極大地提升。

3.2 交互性提升

機械設(shè)計中非標設(shè)備的設(shè)計占據(jù)了很重要的一部分，而對于非標設(shè)計過程來講，很重要的一點是與客戶進行交互，以滿足客戶需求作為出發(fā)點，在交互過程中需要進行實物的呈現(xiàn)，但是，傳統(tǒng)設(shè)計階段往往無法直接進行樣機制作，會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問題，它可以通過三維技術(shù)將機械產(chǎn)品的設(shè)計理念以及樣機進行模擬展示，能直觀地展示給客戶樣機的信息，從而提高了設(shè)計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)計軟件進行對接。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)給機械設(shè)計帶來的影響

三維CAD技術(shù)在機械設(shè)計領(lǐng)域中所表現(xiàn)出來的優(yōu)勢改變了傳統(tǒng)的機械設(shè)計進程，充分發(fā)揮創(chuàng)新性設(shè)計，為實現(xiàn)制造全面信息化奠定基礎(chǔ)。具體來說，傳統(tǒng)設(shè)計偏重設(shè)計人員的工作經(jīng)驗，忽視了創(chuàng)新設(shè)計的重要性，而借助三維CAD技術(shù)，可取代手工設(shè)計計算，依托機械設(shè)計原理，與其他學(xué)科交叉形成設(shè)計理論體系，使設(shè)計方案利用專家系統(tǒng)建立多種機構(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)計人員的構(gòu)思能力，產(chǎn)生創(chuàng)新構(gòu)思方案設(shè)計。

日益進步的信息處理技術(shù)不僅實現(xiàn)了機械設(shè)計、制造過程的數(shù)字化，還保證了產(chǎn)品在初步設(shè)計之后，整個建造完成之前，可利用三維CAD技術(shù)實現(xiàn)虛擬裝配及動態(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)計時間，提高了設(shè)計質(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)也具備了遠程協(xié)助、協(xié)同設(shè)計等功能，使得設(shè)計人員可直接多人針對設(shè)計方案進行實時異地討論，異地現(xiàn)場修改，同樣提升了設(shè)計水平。

5 三維CAD技術(shù)在機械設(shè)計中面臨的問題

三維CAD技術(shù)在機械設(shè)計領(lǐng)域已呈現(xiàn)了其強大的優(yōu)勢，使得設(shè)計效率大大提升，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)在如下幾個方面。

5.1 未能實現(xiàn)真正的輔助設(shè)計

目前，大部分的機械設(shè)計人員還僅停留在三維設(shè)計軟件的表層應(yīng)用上，即僅完成三維建模、模擬裝配、運動仿真等，僅僅只是為了追求三維表達效果。但實際上，現(xiàn)有三維CAD軟件的功能已日趨強大，三維效果的表達僅是其中的一個功能，它已經(jīng)發(fā)展成為一個集設(shè)計、加工制造、生產(chǎn)管理為一體的系統(tǒng)體系。這是大部分機械設(shè)計人員還沒有清楚認識到的，其缺乏全過程的設(shè)計思維，因此，三維CAD技術(shù)在機械設(shè)計中的應(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)的機械設(shè)計人員，目前，我國中小型企業(yè)很少花費較大的精力去對相關(guān)設(shè)計人員進行三維軟件培訓(xùn)，設(shè)計人員還是得依靠自學(xué)，使得CAD技術(shù)人員的能力達不到要求，造成高端人員的短缺。

5.3 數(shù)據(jù)標準化

三維CAD技術(shù)發(fā)展至今，其行業(yè)領(lǐng)先設(shè)計軟件主要有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標準化，這幾個軟件也有對應(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行交流協(xié)作時帶來不便。

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)計制造管理構(gòu)成主要生產(chǎn)活動，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)計自動化程度。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，軟件標準化是CAD集成化的重要保證，需要制定系列標準，使軟件實現(xiàn)開放，提高CAD系統(tǒng)集成度，使設(shè)計步驟有效利用三維CAD技術(shù)形成設(shè)計自動化。

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)標準化產(chǎn)品的動態(tài)三維模型集成到自定義在線目錄中，通過互聯(lián)網(wǎng)實時交流，使得設(shè)計人員直接調(diào)用產(chǎn)品模型，有效減少重復(fù)勞動，基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作模式對提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量是十分重要的。

6.3 標準化

產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標準的建立統(tǒng)一是實現(xiàn)三維CAD技術(shù)集成化的必要條件。復(fù)雜機械產(chǎn)品的生產(chǎn)是由不同企業(yè)、部門的協(xié)作分工完成的。機械產(chǎn)品零部件的信息存在于不同的地點、不同的PC機和不同的三維CAD系統(tǒng)，使得最后在裝配制造中會出現(xiàn)產(chǎn)品信息表達的差異性。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)格式標準，即實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式標準國際化，如IGES標準、PDDI標準、PDES標準和STEP標準等，標準化是三維CAD技術(shù)的重要發(fā)展趨勢。

6.4 智能化

設(shè)計是一個人類創(chuàng)造性活動領(lǐng)域，是含有高度智能的，也是傳統(tǒng)機械所無法替代的。但隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)加上機器學(xué)習(xí)，使得計算機模擬人類的思維活動，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)計的思維過程，建立人類設(shè)計的思維模型，再用計算機信息技術(shù)來表達和模擬，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)在機械設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用貢獻巨大，該技術(shù)將是今后機械智造的一個重要發(fā)展方向，也會發(fā)揮更重要的作用。

參考文獻：

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