三维设计在机械设计中的辅助作用浅析

杨丽艳

（浙江省嘉兴市机械研究所有限责任公司，浙江 嘉兴 314000）

机械设计的最终目的是向市场提供集优质、高效、经济和实用与一体的产品，使之能在日益激烈的市场竞争中立于不败之地,取得显著的社会效益和经济效益。所以,为了能更好、更及时地解决现实中遇到的一些问题,我们每一个真正的设计者都应该在把握全局设计的同时,重视新概念、新思想、新理论和新技术的运用（其中也包括借助一些三维设计软件），以实现更直观、更生动展现事物本身特点和更全面、更科学地考虑和解决问题的目的。

现在市场上流行的功能全面的三维软件也早以进入了实用阶段，除了经典的Autodesk 公司开发的AutoCAD 以外，还有Solidworks,Solid Edge,Pro/Engineer 和UG等等，在这里就不再介绍各个软件的应用技巧了,而就结合一些基本思想和基本方法，把三维设计软件在机械设计中的所起到的作用和相关的例子进行一下简单的阐述。

1 三维设计的一大优势是通过其建立的产品模型具有较强的直观性和美观性。

随着社会的不断发展和进步，现代工业设计很大程度上已经依赖于美学和工程学的结合，无论是什么样的产品，人们对其美观程度都有了一定程度的要求，所以对于一个设计者来说，就是要把产品的工业造型和本身的质量摆在同等重要的位置，这样才能争取到最大的市场份额。

我们知道在利用任何计算机软件进行工程产品的辅助设计时，都需要建立相应的数学模型，也即是物理系统的抽象表示。传统的二维图形是利用点、线、面来向人们最终展示一个三维模型，但无论是设计人员还是加工人员都需要经过专门的训练才能在脑中将二维视图转化成三维实体，这一点是勿容置疑的。现在所介绍的三维设计正是利用三维实体造型技术把一个几乎真实的模型摆在你的面前（尤其是经过渲染以后的模型），不仅可以从各个视角观察实体，还可以及时暴露产品外观设计中的一些缺陷和不合理的地方，使整个产品在外观上更接近真实的美观。

下面图一就是一个梅花套筒从各个角度观察的示例，就以此来形象地说明一下上面的观点了。

2 三维设计的运用有助于设计者真正做到了思维过程和设计过程一致，帮助建立三维思维模式，这样可以在一定程度上省去了中间环节，加上一些设计过程的相关技术的运用，可以大大缩短产品的开发周期。

因为同上一点所提到的一样，设计者在设计产品时，其本意就是为了表达三维构思，最终的产品也是一个三维立体的事物，所以如果能在产品设计的最初就以三维的软件为工具设计和开发产品，不正是一个最直接，最接近真实效果的手段。尤其是当设计者所面对的是一个结构相对复杂和需要设计者有一定空间感的东西，甚至于设计者的构思还不完全时，三维设计就能在帮助设计者合理分解设计步骤，顺利完成其整个的构思，完善容易忽视的细节，一直到最后反复检查产品起到相当关键的作用。例如：现在已经在应用中的液压集成块的设计（具体参见图二），就是一个比较典型的运用三维设计软件例子了。在设计人员有了初步的液压原理图以后，就与CAD 技术相结合，利用三维设计软件根据集成元件中所示的阀底板各油孔的相对位置坐标绘制集成块三维立体图，并能以直观的方式观察其连通情况。这样不仅能使液压系统结构更紧凑，而且若以后液压系统有变化，也可以利用三维设计的一大特点--参数化和全相关性，先从三维模型处修改，观察其修改设计的可行性，直到设计出相对合理的液压集成块，从而降低了设计错误的发生，极大地提高了设计效率。

3 三维设计软件的运用,实现了给设计人员提供一个开放的，并行的以及相互合作和交流的平台的可能，避免了不必要的重复开发。因为三维设计的模块化设计，可以让尽可能需要参加的设计人员参加近来，他们之间即能相互独立，又可以相互关联，其中信息的流向是双向的，使得设计的过程变得科学、动态和透明，也就是现在所说的并行工程(Concurrent Engineering),其关键是用并行设计方法代替串行设计的方法。对于这一点来说，尤其适用于一些大型的、综合性的设备的设计和研发。同时这种基于并行工程的集成方法也是离不开特征库和公共数据库的支持，所以相信在不久的将来，三维设计会在越来越多的领域里有自己不可替代的位置。

4 随着计算机技术的不断发展，传统的集合造型方法已经难于完全满足现在机械设计的要求。例如：它除了零件的几何尺寸以外，没有包含别的太多的信息，例如加工、制造和工艺方面的信息。

而与此同时，三维设计软件所绘制的三维几何模型信息量大，产品信息的定义、存储、传递都是采用三维数据结构。产品数据除了形状、大小、位置等几何拓扑信息以外，还包括零件间的装配关系、运动关系、制造工艺以及材质等方面的信息，甚至还可以通过定义不同的参数，来实现产品的参数化设计，为实现 CAD／CAPP／CAE／CAM的集成创造良好的条件。

随着机械制造业向CIMS（Computer Integrated Manufacturing System 计算机集成制造系统）或 IMS（Intelligent Manufacturing System 智能制造系统）的不断发展发展，CAD／CAPP／CAE／CAM的集成化要求将会是未来发展的趋势。为达到此目的，以下是几个不得不面对的问题：

CAD 模块的几何建模系统，除提供几何形状及拓扑信息外，还必须提供零件的工艺信息、检测信息、组织信息及结构分析信息等；CAPP 模块能直接从CAD 模块中获取零件的几何信息、工艺信息和材料信息等，以替代零件信息描述的输入；为了优化和改进产品设计，单一无缝的CAD/CAE 界面是使用的基础；须适应多种数控系统NC 加工控制指令的生成。

但以上所有这些都离不开三维绘图软件的参与。因为利用三维机械设计软件进行零件和装配体的建立、建立工程图，这个环节不是孤立的，它其实是与产品的计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助分析（CAE）、计算机辅助工艺管理（CAPP）以及产品数据管理（PDM）和生命周期管理（PLM）有广泛和密切的联系。所以在具体操作上还有更深层次的关于文件属性的定义，模板和符号库的定制等等许多需要注意的问题。所以，看似表面简单的三维建模，其实只有满足了更深层次的内容和要求，才能称得上是真正意义上的三维建模。

以上是一些在平时工作中，用到三维软件设计部分机械产品时的一点点简单的理解和体会，只是对三维设计在机械设计中所起大的辅助作用的肤浅认识。随着近年来我国机械制造业的不断发展，相信在不久的将来三维设计必定会起到越来越重要的作用，成为未来产品设计必须努力的方向。

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