浅析三维CAD技术在机械设计中的应用

屈福康

（广东工业大学华立学院，广东 广州 511325）

三维CAD技术相对于传统的设计技术来说优势十分明显，其能够显著提升机械设计的效率、质量，减少机械设计周期，使得机械设计过程中不同部门之间的沟通、交流更加高效、更加迅速、更加协调，有助于实现产品的系统化、通用化以及标准化。

1 三维CAD技术与产品设计

计算机技术的发展与成熟推动了第三次技术革命。计算机辅助设计技术（computer aided design）已经成为了工业领域应用中不可忽视的重要技术。计算机辅助设计技术综合数值计算、仿真模拟、几何模型处理、图形学、数据库管理系统等方面的内容，将抽象、分离、独立的设计变得具体化、形象化，能够将虚拟现实的技术将产品的材质、色彩、形状通过计算机真实、形象的展现出来，并且将产品设计的过程开展详细的数据化管理，进而实现产品设计的系统化、规范化。从上个世纪60年代开始，三维建模技术历经了线框建模、曲面建模与特征建模的发展历程。伴随着CAD技术的成熟与发展，三维建模技术已经出现了同步技术、直接建模等多种成熟先进的建模技术，使得设计师拥有了更加丰富的建模手段以及更加广阔的选择空间。例如，三维实体造型技术，即为Solid Modeling，该技术核心为CSG（Constructive Solid Geometry）以及B-REP模型。CSG所传递的为建模的顺序，而B-REP模型则是三维模型中所涉及的点、线、面、体的相关信息。

2 三维CAD技术在机械设计中的优势

2.1 缩短了机械设计周期

采用三维CAD技术可以大大缩短机械设计周期，显著提升机械设计的效率。使用三维CAD技术可以只针对其中的部分零件进行重新设计与制造，而大部分的零部件设计都将保持不变，从而提高了机械设计的效率。同时，三维CAD技术拥有高度的变形设计功能，能够通过快速重构的方式来获得全新的机械产品。

2.2 使得机械零件设计更加便捷

利用三维CAD技术可以在装配环境中设计新的零件，也可以通过零件的相邻零件的位置、状态、特征来设计新的零件，快捷、高效，全面保证了新的零件与相邻零件的精准配合，避免了单独设计零件而可能出现的装配误差。例如，可以在装配环境中根据零件箱体的形状与其他配合要求快速的获取设计所需要的箱盖。

2.3 修改机械零件便捷

三维CAD技术中拥有查找器功能，在完成机械零件设计造型时可以通过资源查找器来列出完成该零件设计过程中完成的所有指令，分别点击不同指令就可以清晰的了解零件在设计过程中所完成的步骤。并且使用资源查找器中的零件回放功能中真实再现零件造型的全部过程，通过真实形象的动画再次检查核实零件的设计过程。另外，也可以通过点击资源查找器中相对应的命令来完成。

2.4 提升机械产品设计的质量

三维CAD技术运用了先进的设计方法，通过优化有限元受力分析的方式来保证产品设计质量。同时，利用数控加工手段还可以使用CAD、CAPP、CAM等方式来对零件进行加工，以强化一致性，提升产品质量。

2.5 装配零件更加直观

利用三维CAD技术中的资源查找器功能可以查看到机械零件的装配路径，得知零件之间的装配关系。如果装配错误或出现矛盾，查找器则会显示错误提示。同时，可以对机械设计中的零件装配情况进行核实检查，如果发现问题则可及时对零件以及零件装配进行修改，以保证机械设计的正确性。利用三维CAD技术还可以根据设计需求来隐藏零件展示。在隐藏现实外部零部件后则可以清晰的看到内部的装配零件与结构，以便对机械设计内部进行调整。在完成机械部件的装配模型后还可以根据设计需求进行运动演示，对于具有运动行程标准的可以检验其是否达到相关要求。也可以对于静态环境下处于正常状态，而运动中可能出现的碰撞也可以精准的检验出来，进而及时的对机械设计产品进行调整修改，以保证机械设计产品的精确度。

3 三维CAD技术在机械设计中的应用

3.1 三维CAD技术在机械设计中的功能应用

（1）零件与装配图生产零件实体建模。三维CAD建模方式主要分为三种类别，分别为线框建模、表面模型以及实体模型。在三维CAD技术中存在众多能够实现实体建模的CAD软件的常用基本体系。例如，常用的AutoCAD的三维实体造型模块中就拥有立方体、球体、圆柱体、环状体等不同体系。针对简单的零部件可以对其进行深入的结构分析，并且利用“交、并、差”布尔等运算方式来获得所需零件的三维实体造型。对于复杂的零件改造过程由于其本体难以全面细致的拆分开来，因此基本的三维CAD体系难以满足机械三维实体造型的更高要求。然而，可以在二维几何元素构造中定义零件的截面轮廓，进而在三维实体造型中通过拉伸、旋转、缩小、放大等处理来获得新的基本体，并且通过“交、并、差”布尔等运算方式来获取所需零件的三维实体造型。

（2）机械设计零部件检查。利用三维CAD技术可以在装配环境中设计新的零件，还可以通过相邻零件的区域位置来设计出新的零件，方便、快捷、高效，避免了独立设计零件而出现的设计不匹配的情况。三维CAD技术中资源查找器的零件回放功能还能够再现零件造型的过程，以便更好的对零件进行检验。三维CAD技术在进行机械设计的过程中与人的设计思维习惯与设计方式更加匹配，整个设计过程可以在三维模型中完成。

3.2 三维CAD技术在机械设计中的具体应用

（1）三维CAD技术在机械建模进程中的应用。三维CAD技术可以使得机械设计过程变得更加形象，其可以被广泛运用在机械建模过程中。三维CAD技术能够灵活的完成机械设计所需要的椭圆形、圆形以及圆柱体。假如机械设计中涉及到结构较为复杂的形状，则需要利用布尔运算，将计算机系统中自由的图形进行排列设计，结合机械设计的具体情况来进行布尔运算，以提升机械设计的效率与准确度。

（2）三维CAD技术在机械CAE中的应用。机械CAE的主要功能在于对机械设计的结构进行优化，并且对机械设计中涉及的数据进行比较，进而确定最优的机械设计方案，并且对机械设计方案进行合理的评估。三维CAD技术可以被应用在机械CAE当中，对设计模型结构进行调整，以保证机械设计可以开展。三维CAD技术可以辅助CAE开展使用年限预估、工程数据分析、强度设计评价、仿真动力分析、结构优化设计等，对于实现CAE功能有着一定的积极作用。

（3）三维CAD技术在农业机械设计中的应用。三维CAD技术在农业机械设计中的应用十分普遍。例如，三维CAD技术已经被普及应用到农用收割机的设计当中。收割机的机械设计主要以分离装置设计为基础，利用三维CAD技术可以对收割机内部的各项参数进行深入的分析与对比，并且制定合理的收割机机械设计方案，将收割机内部的数据结合在一起，完成数据传递与共享。

4 三维CAD技术在机械设计中的发展趋势

近几年来伴随着计算技术与互联网技术的发展，三维CAD技术已经普遍广泛运用到机械设计的工作中，并且已经朝着智能化、规范化以及虚拟网络化的方向发展。

4.1 智能化

三维CAD技术在机械设计运用中的智能化发展主要体现在参数设计与特点造型两个方面。用户在使用三维CAD技术的过程中可以通过输入零件结构的参数、特征来使得机械设计工作更加快捷。三维CAD技术将不仅仅局限在机械设计的绘制工作，而是会更加普遍的运用在CAPP、机械设计加工等具体需求上。

4.2 规范化

利用三维CAD技术在机械设计中的规范化发展趋势主要体现为数据交换格式标准化、数据模型规范化以及CAD资源规范化等方面。数据模型可以使用STEP标准体系。就当前三维CAD技术在机械设计中的应用现状来看，现有的标准接口难以满足CAD的数据交换、传输需求。参数化特征模型传输处于发展瓶颈时期，在未来的发展过程中三维CAD技术在机械设计中的应用将朝着更加规范化标准化的方向发展。

4.3 虚拟网络化

伴随着计算机技术、互联网技术的发展，三维CAD技术也得到了优化与成熟，并且已经逐渐从单机使用状态转变成为了网络化使用状态。虚拟网络化的三维CAD技术出现，给机械设计带来的了巨大的便捷。用户可以在虚拟网络化的状态下全面掌握机械设计中的问题与缺陷，并且利用互联网大数据来参考同类机械零部件的设计，进而更好的支持机械设计工作的开展。

5 结语

三维CAD技术在机械设计领域的应用十分广泛。在机械设计中三维CAD技术拥有着无可比拟的优势，能够提升机械设计的效率、缩短机械设计时间、提升机械设计质量，为机械设计带来便捷与高效。虽然当前三维CAD技术在机械设计的运用中还存在着一定的缺陷，但是伴随着科学技术等级进步，三维CAD技术必然将会更加成熟，为机械设计领域提供更加便捷的功能。

[1]孙健.企业应用国产三维CAD技术应注意的若干问题[J].科技情报开发与经济,2005,(01),156-158.

[2]杨刚,王伟东,杨文静.浅析三维CAD技术在我国机械制造业中的应用[J].黑龙江史志,2013,(15),297.