三维CAD技术在机械设计中的应用

田炜（呼伦贝尔学院矿业学院，内蒙古呼伦贝尔，021008）



三维CAD技术在机械设计中的应用

田炜
（呼伦贝尔学院矿业学院，内蒙古呼伦贝尔，021008）

伴随着科学技术快速进步，三维CAD技术在机械设计中的运用越来越普遍。由于三维CAD技术的使用，使得机械设计的水平达到了一个新高度。本文主要针对三维CAD技术的概念进行简单的介绍，分析了从实体建模发展到虚拟样机技术的技术特征，并阐述了虚拟建模的技术技巧。最后探讨了机械设计中该技术的应用情况。希望能为我国机械设计行业的发展提供一定的借鉴与参考。

三维CAD技术；机械设计；应用

引言

机械设计是高级教育中十分热门的一项专业课程。目前，机械设计在日常生活与企业生产中都具有十分广泛的应用。机械设计学习主要是通过理论学习，并将其运用到实践当中去。我国的机械设计绘图技术已经成功从二维向三维转型，三维CAD技术应用过程主要是利用强大的计算机软件及功能进行模型构建、分析处理、定型制造的过程。该技术具有成型快、视觉感强、成本低等优势受到越来越广泛的使用［1］。同时，伴随技术进步，使用中的问题也不断出现。因此，加强三维CAD技术在机械设计应用中的科研工作非常重要。

1　三维CAD技术不断进步

三维CAD技术即为人们所说的数字立体建模技术，该技术的发展经过了众多的发展阶段，三维CAD技术就是在二维模型的基础上建立起来的，与二维模型相比，三维模型的构建则更为简单。因此，只要建立起了三维模型，其模型的构造更加逼真、形象，与实物极其逼近，不仅为设计者提供了实体参考空间，也为改进提供了更大的想象力空间。与此同时，该技术主要使用通过计算机设计完成，因此该技术的使用成本很低，工作效率较高，三维CAD应用关键技巧主要包括：一是三维坐标的使用、柱面坐标与球面坐标的使用；二是过滤坐标、参照系坐标使用等。如今学会三维CAD应用的关键技巧是成为一位优秀的机械设计者的前提与基础。

CAx/DFx技术已经创新发展到虚拟样机技术（VPT，Virtual Prototyping Technology）。其是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，是各领域CAx/DFx技术的发展和延伸。虚拟样机技术融合了先进建模与仿真技术，特别是现代管理技术，将这些技术应用于复杂产品全生命周期和全系统的设计，并实现综合管理。与传统三维CAD设计技术相比，虚拟样机技术强调系统、全生命周期的观点，可支持对产品的全方位测试、分析与评估，强调不同领域的虚拟化的协同设计。

虚拟样机技术是将CAD建模技术、计算机支持的协同工作（CSCW）技术、用户界面设计、基于知识的推理技术、设计过程管理和文档化技术、虚拟现实技术集成起来，形成一个完整支持产品设计过程的并行工程方法。

2　三维CAD技术在机械设计中应用特征

2.1有利于机械设计工作效率的提高

三维CAD技术的应用在很大程度上提升了机械设计的工作效率，根据相关数据统计，我们可以发现三维CAD技术与二维相比，工作效率提升了近70%，与此同时，利用三维CAD技术设计的机械模型，在进行改装时，可以根据设计者的具体需求，对模型的某一个特定部位进行改动，而不需要改动的部位则还是按照原来的模样投入使用，所以，该技术在很大程度上加快了产品的设计速度，另外，该技术强大的改装技术，降低了设计人员的产品改造难度，设计人员可以极其简单地对原产品进行改造，从而获得一个全新的产品。

2.2有利于产品技术含量的提升

伴随着科学技术的发展与人们生活需求的日益增长，机械产品的设计对技术性的要求越来越高，产品的技术含量越来越成为考核一个产品性能的重要指标，而三维CAD技术能在很大程度上提升产品的技术含量，该技术的主要通过最新的设计方法保证产品的技术含量，例如受力分析法、优化等方法，甚至部分生产企业拥有较为先进的数控技术，因此，该企业生产的产品不仅技术含量高，且误差小，产品统一性高，质量好。

2.3实现了机械设计的变量化与数据化

机械设计的变量化与数据化的实现，是产品质量提升的重要原因，缠头的设计技术主要是通过图纸、笔以及尺子等工具绘画图样，一旦需要局部改造，则整张设计图纸都要报废，需要进行重新绘画，因此，每张设计图纸往往是经过多次的重画得到的，这就在很大程度上加大了设计人员的工作量，降低了工作效率［2］。而当下，设计人员可以利用三维CAD技术进行产品的设计，设计人员只需要在计算机内输入相关的数据，计算机就会自动生成产品的基本模型，若需要对产品的局部进行修改，则设计师只需要对部分数据进行修改，计算机内的设计模型就会自动产生一定的变动，这在很大程度上降低了设计人员的工作强度，提升了设计人员的工作效率，同时增强了产品模型的精确度与质量。

2.4设计模型更加逼真

在产品的设计过程中，设计人员需要将脑海中构造的模型生动地表现出来，在传统的设计中，设计人员往往是通过图纸展示自己的设计模型，而用图纸进行设计模型的展示则具有较多的局限性，一方面，在图纸上，产品立体结构的绘画比较困难，这对设计人员的实力提出了一定的要求，也为设计人员的机械设计造成了很大的困难，另一方面，立体结构的平面化也对观众的理解造成了很大的困难。而利用三维CAD技术的机械设计，使得设计模型更加逼真；同时观众可以全方位看到设计模型的具体结构，而且模型还可以通过相应的技术进行一定的试用期运行，设计人员根据模拟运行结果进行一定的改进，这在很大程度上降低了设计成本，提升了工作效率，使得产品的设计与功能更能够符合消费者的需求［3］。

3　三维CAD技术在机械设计中的应用功能

虚拟样机技术包含三个主要功能模块，它与实体模型相辅相成。这三个功能模块：一是3D立体模块，其具有与实体逼近的模型描述能力；二是人际交互模块，虚拟样机技术以虚拟现实技术为基础，实现产品模型的逼真显示、动态模仿和人机交互；三是测试评估模块，针对模型的分析和评价是虚拟样机技术的关键步骤，从理论上要分析模型的结构力学、几何布局、加工性能、几何形状及维护性等方面；从产品制造方面，要分析可制造性和产品性能评价等方面。虚拟样机已经完成实现软件化。

3.1虚拟样机功能

应用虚拟样机技术，设计人员可以在视觉与听觉上对设计模型的性能与使用等方面进行一定的虚拟操作，该技术有助于设计人员更加了解产品性能的不足，并进行及时的纠正与修改，该功能是在三维CAD技术的基础上进行研发的，主要是利用三维CAD技术创造逼真的产品模型，并在虚拟环境中对其性能与质量进行一定的分析，根据各个部件的运行情况，对产品进行必要的修改与完善［4］。因此虚拟样机功能的使用在很大程度上提升了产品的质量与性能，降低研发成本，提升产品研制效率。如图1所示为虚拟样机。

3.2实体建模功能

实体建模功能是三维CAD技术应用最广泛的一项功能，在计算机的建模中，三维技术已经创造了众多的基本模型结构，例如正方体、圆柱体、圆台以及球体等众多基本模型的结构，设计人员可以根据模型设计的实际需要，通过一些简单的基本模型结构的拼接得到一个逼真的设计模型。但是该功能也存在部分不足，例如一些结构较为复杂的模型零部件，三维基本模型的结构并不具有其构造，因此，这时就需要通过二维技术先确定零部件的基本结构，然后根据截面的基本形状，通过相关的计算方法得到设计模型的实际结构。

图1　虚拟样机

3.3对零部件的检查功能

根据上文介绍，众所周知，通过三维CAD技术，设计人员可以极其简单地对设计模型的零部件进行一定的改造与变动，可以极其方便地添加零件，还可以快速地去除部分结构。与此同时，该技术还可以使得各个零部件之间的配合更加完美，在很大程度上降低了模型设计的失败率，另外，关于设计模型的零部件的拼接与拆分都可以通过计算机的零件回放功能，通过动画的形式，使设计人员更清楚、直观地看懂零部件的改造过程。

3.4设计与生产的一体化功能

在三维CAD技术的应用过程中，该功能已经从最初的绘图逐渐发展为目前的数据建模、零件检查以及虚拟技术等功能。三维设计已经是目前我国机械设计技术最先进的设计技术，该技术在各个领域都得到了十分广泛的应用，尤其是在企业的设计与生产方面更是具有无可替代的重要应用，例如，美国著名的汽车生产公司福特就通过该技术大大提升了汽车生产的效率与质量，同时，还在很大程度上降低了产品设计的修改概率，并且极其明显地降低了企业生产的成本［5］。同样，波音客机也早早就开始进行设计的“无纸化”技术，使得如今的波音飞机的发展一直位于世界前茅。

4　结论

综上所述，我国机械设计技术由二维到三维的进步是技术发展的必然趋势，三维CAD技术能够在很大程度上提升企业产品的创新效率，同时，能够更好地将设计人员的设计理念进行演绎，伴随着计算机技术的进步与我国创新理念的发展，三维CAD技术的应用越来越广泛，因此，本文主要通过对三维CAD技术近几年发展的实际情况与具体应用，对其相关概念进行了一定的解释，同时，并分析了该技术提升机械设计的工作效率、提升产品的技术含量、实现了机械设计的变量化与数据化以及使得设计模型更加逼真等应用优势，最后，本文对三维CAD技术在机械设计中的具体应用进行了简单的介绍，例如虚拟样机技术、实体建模功能、对零部件的检查以及设计与生产的一体化等，仅供参考。

［1］张立荣.三维CAD技术在机械设计中的应用［J］-《煤炭技术》-2014（30）.

［2］曹树坤.在课堂教学中充分利用三维CAD软件的模拟功能［J］-《全国机械设计教学研讨会》-2014（20）.

［3］郭庆林. 三维CAD技术在机械行业设计中的应用［J］-《电子技术与软件工程》-2015（01）.

［4］黄淑芳. 现代机械设计中三维CAD技术优势与应用［J］-《黑龙江科学》-2014（09）.

［5］朱振杰，杨振怡. 三维CAD技术在机械产品制造中的应用研究［J］-《科技与创新》-2016（02）.

Application of Three Dimensional CAD Technology in Mechanical Design

Wei Tian
（School of mining， Hulunbeier University，HulunBuir， Inner Mongolia， 021008， China）

With the rapid improvement of science and technology，use of 3D CAD technology in mechanical design is more common.Due to the use of 3D CAD technology，the technical level of mechanical design has reached a new height，this paper is mainly aimed at the concept of 3D CAD technology are briefly introduced.According to the actual situation of the current development of the technology of some elaborate on the advantages.Finally，a systematic analysis of the application of the technology in Mechanical design，hoping to provide some reference for the development of China's machinery industry design.

3D CAD Technology； Mechanical Design； Application

E-mail: Tw_hlr@163.com

TH11

A

2095-8412 （2016） 03-577-04

田炜（1973-），女，讲师。研究方向：机械工程。