论三维建模技术在机械产品设计中的应用

李志鹏

摘要：机械产品设计生产的传统工艺不断升级转型，结合现代科学技术的运用，很大程度上提升了我国在工业机械产品设计生产上的壁垒，解放人力、物力的同时，所涉及的产品设计、制造质量等方面有了质的飞跃。本文通过对三维建模技术的运用、分析等进行简单介绍，向读者说明三维建模技术应用于我国机械设计生产方面所表现出的强大技术。

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.

关键词：三维建模;机械产品设计;内燃机;技术应用

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

中图分类号：TB47                                    文獻标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）21-0216-03

0  引言

随着近几年我国科学技术水平的不断进步，以及在工业机械制造与设计领域方面技术的革新，不断改变原始笨拙的传统设计，使更多创新性的想法与理念融入到现代机械设计的过程中去。借助三维CAD、CAM、CAE、Pro/E等辅助建模软件技术的运用，大大提高了内燃机等众多产品设计的效率以及合格率，很大程度上降低了产品设计失败的概率，避免了企业生产原料的浪费。同时提高了我国机械制造能力的水平，为我国机械制造行业的发展，发挥不可替代的重要作用。

1  常用的三维建模技术方式

1.1 多边形建模（Polygon Modeling）

利用多边形建模（Polygon Modeling）方式进行建模，通常是将点与点之间连成边，边与边之间构成面，面与面之间再构成一个多边形，而多个多边形则会构成一个实体。

1.2 曲面建模（NURBS Modeling）

曲面建模（NURBS Modeling）是针对曲面物体所进行造型建模的一种方法。由于此种方法在建模过程中是由点创造曲线，曲线进一步创建成曲面，最后通过渲染软件进行材质、背景、环境的设计，实现最终的建模效果图。

1.3 参数化建模（Parametric Modeling）

进行参数化建模（Parametric Modeling），可以精准捕捉所要进行建模对象的所有特征，且在建模过程中可对设计图进行相应更改，并自动保存更改后的设计图内容。

1.4 逆向建模（Reverse Modeling）

逆向建模（Reverse Modeling）包括点云逆向建模、照片逆向建模、三维扫描逆向建模等技术，它主要针对现实存在的人和物进行雷达扫描或照片环拍的方式进行建模生成。

2  三维CAD技术在机械产品设计中的应用价值

2.1 技术运算，轻松实现实体建模

作为被广泛使用的活塞式内燃机，因其具有高效率、质量体积轻巧、功率大等优势，成为发挥汽车动力不可或缺的元件之一。通过对活塞顶部进行载荷试验，得出关于内燃机整体的安全系数图和应力图，并进行相应的数据、图形建模研究，来实现更高安全系数、更高质量的工作能力。接下来通过拉伸、旋转等不同方式进一步得到更丰富的产品结构，使设计人员更为直观、清晰的了解所涉及产品的各项有关内容。

2.2 零部件检查功能，实现更多匹配产品

三维CAD技术可以在装配产品零部件时，及时捕捉各个零部件特征，进行新的设计;还能够针对相邻位置的零件做出匹配判断，设计出更贴合需求的新零件。其中系统中的资源查找器具备过程回放功能，必要时通过此功能进行相应检查，有效避免设计出不合格、不匹配的产品零部件。通过此项技术，可以更加突显三维建模技术与人工设计过程所展现的思维方式、设计能力的相辅相成，使设计的产品内容更加符合自身需求。

2.3 多重技术实现产品真实直观效果

三维CAD技术包含交互技术、图形变换技术、曲面造型以及实体造型技术等内容。其中，作为不可或缺的交互技术，是在产品设计过程当中，使人和机器适时的交换彼此所需要的信息，让参与设计的人员可以通过机器将所看到的产品信息情况进行修改或者重新构思，非常便捷的掌握到每步操作所展示的结果，将设计产品更加直观的展现出来;图形变换技术是将用户坐标系和图形输出设备坐标系进行联结，可以运用矩阵运算来实现图形的旋转、平移、缩放甚至是透视变换等不同需求;实体造型技术（Solid Modeling）是在计算机视觉、计算机动画、计算机虚拟现实等领域建立起的3D实体模型技术。此技术通过将几何模型的形状及属性等重要信息储存于计算机中，由计算机生成具有真实感的三维图形。综合多项技术的内容，在产品设计方面凸显更为真实、直观的效果，很大程度提升产品设计的技术能力和产品质量。

2.4 与CAE技术相结合，促使技术双拥护

当三维CAD技术结合CAE（工程设计中的计算机辅助工程）技术，使包括内燃机在内的更多领域的机械产品设计过程更进一步保障产品设计的准确合理，相应的避免了一定设计成本的损耗;通过对机械产品进行“虚拟样机”的使用，避免了过去“物理样机”的资源浪费，对于整个产品设计周期的可靠性，以及产品质量上做出了更多保障性工作;对产品设计生产过程及时预检，将一些潜在问题提前做出处理，帮助企业减少各项费用支出，降低不合格产品的发生概率，降低不必要的损失;同时，具有针对产品设计的优化功能，通过对比来找出最适合的一项设计方案，节约设计生产的时间，一定程度上缩减了时间周期，使设计生产效率更高更快。通过对两种技术的结合，形成彼此相拥护的技术叠加，促使机械产品设计更有保障、更稳定、更人性化。

2.5 结合逆向工程技术，优化机械产品设计生产

逆向工程是根据CAD、CAM、CAE等技术手段进行描述3D虚拟模型的结构特征、处理流程、技术规格等数据要素，帮助企业检测出是否存在产品知识产权被侵犯，寻找更多证据进行论证。同时，逆向工程技术的使用已经被我国相关法律合法化;在帮助企业降低产品开发成本与风险的同时，大大缩短了新产品的设计、开发周期，促进企业产品更新换代，提高企业市场竞争力;加速企業产品在造型和系列化方面的设计能力;利用直接制模和间接制模两种方法，尤其针对金属模具等小批量的产品零件的制造更为快捷方便，具有较高开发前景。逆向工程对于参与设计人员提出了更高要求，由于使用此项技术很是考验参与设计人员的技术研发能力，且涉及的研发成本较为昂贵，综合考虑，只有具备更高技术水平的人员才能运用此项技术，才能保障机械产品设计的技术不被破坏，顺利完成模型的建设工作。

2.6 利用多股簧曲线公式推导建立三维实体模型

例如，将坐标系S设为固定坐标系，其中多股簧中心线与坐标原点O进行重合，使多股簧扫描的起始点都在XOY平面内，且将Z轴确定为扫描方向，向右旋转使多股簧钢索正向缠绕。另，将坐标系S’的原点沿钢索缠绕的螺旋线轨迹移动，同时能够分别与X、Z、Y轴旋转得到一定角度的动坐标系。由于单根钢丝的移动轨迹可以作为坐标系S’中的点，在该坐标系进行移动时，同样的也可以作为作为坐标系S的移动轨迹。将多股簧的直径设为D，时间为t，速度为W1，根据多股簧拧角和升角的关系可以得出钢索拧转的速度W2，可得出以下运动组合：

①以右手定则沿X轴进行旋转，得出旋转角度Θ0，且将Θ0作为螺旋升角;

②以右手定则沿Z轴进行旋转，得出旋转角度a，且a=W1t;

③以右手定则沿Y轴进行旋转，得出旋转角度β，且β=W2t;

④坐标原点进行平移得出’，且’记为{R0}。

在S坐标系中将点M标记为{R}，且{R}=（X Y Z）T，同理，在S’坐标系中将点M标记为{R’}，且{R’}=（X’ Y’ Z’）T，[P1]、[P2]、[P3]分别沿X、Z、Y’轴进行旋转，并分别得出旋转角度Θ0、a、β的转换矩阵：

{R}=[P1][P2][P3]{R’}+{R0}        （1）

由坐标变换原理进行[P1]、[P2]、[P3]矩阵的求解，只要找出新旧坐标系中关于坐标轴夹角的关系，利用几何知识进行矩阵求解便可迎刃而解，其求解如下：

最后将[P1]、[P2]、[P3]、{R0}代入式（1）就可以得到多股簧簧丝的曲线。

3  三维建模技术在机械设计中的具体应用——以内燃机设计为例

在当前的内燃机设计中，CAD技术应用十分广泛，具体如下：

3.1 在内燃机曲轴层面设计中的应用

曲轴是内燃机内部结构的核心运动零部件。设计人员可以应用CAD软件对内燃机的曲轴进行三维实体造型（图1），然后利用软件的计算分析功能得到曲轴的各项重要参数（如体积、形心、惯性矩等）。随后，设计软件可以通过CAD软件对内燃机曲轴进行动力计算和后续各种计算，当发现内燃机曲轴出现质量偏心位移问题后，便根据计算结果对曲轴结构进行及时改进，减少质量偏心，确保机械设备稳定运行。

3.2 在内燃机螺旋类零部件设计中的应用

影响内燃机螺旋类零部件（如散热器螺旋翅片管）质量的关键因素是这些零部件的螺旋线的标准度。若这些零部件螺旋线不标准，则直接导致后续无法准确计算出这些零部件的换热情况，从而导致内燃机换热故障。设计人员可以应用CAD软件绘制出十分标准的螺旋线（图2）。如此，CAD技术的应用就大大提高了内燃机螺旋类零部件的精准度。

3.3 在内燃机曲柄连杆设计中的应用

内燃机中的曲柄连杆是实现热功交换的重要机构。曲柄连杆可以大致分为大头和小头两部分，精准确定大头和小头的连接点是曲柄连杆设计的关键。传统的方法很难精准确定这个连接。为此，设计人员可以应用CAD软件绘制出曲柄连杆的三维图形，然后利用软件的计算分析功能精准确定大头和小头的连接点，为后续曲柄连杆动力计算提供精确数据。

3.4 在内燃机活塞设計中的应用

采用传统方法很难测量内燃机活塞的温度。为此，设计人员可以应用CAD软件绘制出活塞三维图形（图3），然后借助有限元分析软件对内燃机活塞三维温度场计算分析，得到内燃机活塞三维温度场分布情况，为后续结构设计和改进提供依据，提升内燃机活塞设计质量。

4  CAD技术在机械产品设计中的发展

4.1 拥有更加智能化的图标菜单

设计优良的图表菜单结构的智能化不仅有效促进设计周期的进步，其他层面更进一步提高设计人员的工作积极性;当相应的图标菜单操作减少，很大程度上的工作效率也随之提高;符合优良的菜单结构应该是简洁明了、直观便捷的，能够根据操作使用的频率来进行位置调节和自动组合。

4.2 拥有动态引导器

大多数的传统软件使用当中，常是伴随移动光标的位置而随意的弹出需要进行的操作模式。在进一步的发展趋势下，能够伴随移动光标的位置变换，动态引导器可以自动识别、判断所要建模模型的各项元素，快速理解使用者的设计意图，将常用的操作步骤进行记忆储存，适时地提醒操作者进行下一步将要使用的内容，充分诠释智能化的应用。

4.3 发展功能高度集成化的CAX体系

CAD软件的优化主要通过两种途径方法进行。首先，改进软件的整体性能，将内部的数据结构和算法进一步优化，实现更进一步的简洁性;其次，改进功能集成性，在同一个软件体系结构下可以实现更多应用功能的集成。因此，CAX软件的运用就可以完成所涉及产品的开发功能。

5  结语

伴随我国机械制造业水平的发展进步，三维建模技术的应用发挥着巨大的贡献，并带领更高水平的技术为我国经济发展发挥不可替代的作用。

参考文献：

[1]孙国栋.三维建模技术在机械产品设计中的应用[J].电子制作，2015（2）.

[2]蔡海毅.三维CAD技术在机械设计中的应用[J].河南科技，2020（5）.

[3]吴翠杨.CAD 技术在内燃机设计中的应用探析[J].内燃机与配件，2021（3）：200-201.

[4]邓文强.三维CAD技术在内燃机设计中的应用[J].技术与市场，2017，24（2）：86.