三维CAD 技术在机械设计中的应用探究

冯颜聆

（华北电力大学，河北 保定 071000）

0 引言

三维CAD 技术主要通过计算机系统描述物体空间形状，是一种新型计算机技术，在服装、建筑、机械、动漫等行业均有广泛应用。机械设计领域是我国经济发展重要推力，必须依据设计原理准确计算和测量机械结构，以满足社会发展需求。三维CAD 技术在机械设计领域的应用普及，大幅转变了传统机械设计工作过程，继而促进了机械设计的科学性、合理性，有效提升产品设计效率和质量，创造了巨大社会经济效益，也是我国机械设计领域现代化发展的重要标志。通过分析研究，确定在机械设计方案建模、机械设计方案形成、机械CAE 软件等领域熟练应用三维CAD 技术，充分发挥其技术功能，能够有效改变传统机械设计工艺工作流程，加快机械设计工作智能化、规范化、集成化发展进程，有效提升机械设计效率和质量，促进机械设计领域持续健康发展。

1 三维CAD 技术概述

三维CAD 技术，也称建模技术，其核心是几何建模系统，主要由二维技术发展而来。三维CAD 技术从二维平面绘图到三维建模经历了多个发展阶段[1]。例如，最早的计算机辅助绘图，到三维实体建模的出现，再到二维与三维技术的交叉融合，最后到如今的综合性系统，能够满足产品自动化设计、设计加工、生产加工环境等各种相关技术的高度集成，具有智能化、网络化、集成化的特点。在机械设计工作中应用三维CAD 技术，通过三维实体建模，将零件设计图纸转化为立体几何，能够直观发现设计中存在的诸多不合理问题。

例如，特征建模，突破了传统线条和线框设计，设计人员可知直接利用倒角、孔、凸台等特征表达零件几何结构，使其更符合设计意图。同时，三维CAD 技术还具备虚拟装配和运动仿真功能，通过虚拟装配将不同装配关系的三维实体零件装配，再利用静干涉检查技术检查设计合理性，无需制作样机进行检验[2]。而且，针对有行动要求的设计，可以运动仿真技术进行检验，确保运动形成达到设计要求。

2 三维CAD 在机械设计中的优势

2.1 有效缩短设计周期

在机械设计领域应用三维CAD 技术能够有效缩短设计周期，提升设计效率。新机械设计开发过程中，使用三维CAD 技术可以减少很多麻烦的环节，只需要重新设计部分零件并制造就可以完成设计。一方面，三维CAD 技术的应用实现了参数化设计，设计人员先根据设计要求设计草图，然后在草图上施加零件尺寸和几何约束，确保模型变化在约束内变化。这样在实体建模后，设计人员在进行后续优化进行零件尺寸调整时，其他相应结构也会自动调整，进行机械整体改变，获得全新的实体模型[3]。同时，使用该技术还能够清晰记录整个装配过程，各个零件之间的关系，便于后续零件位置和形状的调整，不需要再像传统机械设计需要重新计算，大大减轻了零件设计工作量，缩短了设计周期和开发流程。

三维CAD 技术相对于传统的CAD 技术也有较大的提升，不同于以往的是：以前的CAD 技术在实际应用中，往往需要设计人员固定好图形尺寸，进行反复的绘制，并配合多种辅助工具，根据新需求的实际情况进行新图纸的改进，才能达到对图形中每个位置的修改，这种技术在实际应用中花费的时间比较长，而三维CAD 技术的出现，不用再反复进行图纸的绘制，在实际应用的过程中，设计人员只需了解图纸修改的实际数据，直接进行调整和修改即可，节约了图纸设计时间，方便快速完成相关工作。

2.2 提升机械产品设计进程和保管力度

三维CAD 技术以计算机为主要载体，不仅其机械设计增加了渲染和着色功能，三维实体模型的出现，也为设计人员观察和分析产品内外部结构提供了很大便利，使得机械产品设计方案决定、审批、落实开发等走入快车道。同时，三维CAD 技术主要依靠计算机系统进行作业，其设计图纸、方案、设计内容等可以借助计算机硬盘、软盘等分类存储，还可以随时转移至U 盘、光盘等移动存储设备中，便于机械设计人查看，避免出现资料丢失或资料破坏等情况，还能有效杜绝纸质资料存储中因虫蛀、发霉、丢失、损坏等导致的资料不全问题发生，大大提升机械产品设计材料保管力度。

2.3 有效提升机械设计产品质量

三维CAD 技术的应用从根本上改变了传统机械设计缺陷，提升了机械设计质量。例如，在机械设计时采用CADDS、CADDAM、Solid-Edge 等软件，进行机械产品虚拟设计、虚拟运动方针、有限元受力分析等，设计人员可以直观观察到细微零件变化导致的装配失误，从而设计最佳的解决方案，保障机械设计产品质量。另外，三维CAD 技术属于先进信息技术类型，可以借助DXF 输出方式，实现机械设计文件的共享，平面设计绘图功能的升级，从而加快机械设计一体化。在这种设计方式下，不仅设计难度降低，设计人员的思维也得以开拓，从而设计开发出更具有新意和灵活性的产品。

3 三维CAD 技术在机械设计中的应用策略

3.1 在机械设计方案建模中应用

在机械设计中，三维CAD 技术能够将设计方案直观立体化呈现出来，便于设计人员及性能全方位、多角度地观察与分析。

一方面，在三维CAD 技术建模中，立体、框架和表面都是十分常见的建模方式，主要通过立体和表面中框架不同技术形式，完成设计方案建模工作，多用于本身自带正方形、圆形、圆柱形等基础图形[4]。针对一些设计结构复杂的设计，则需根据设计方案统筹规划，运用布尔运算方式将这些基础图形排列组合，达到设计要求。

另一方面，三维CAD 技术具有灵活性、调整性特点，是机械设计重要核心辅助，在实体建模中通过对不同零件的分解组合，立方体、圆柱体、环状体等不同建模体系的应用和重新运算，获得最终完美呈现设计方案的模型。

在这一过程中，设计人员需要深入分析机械产品有限元，拆分设计零件，比对设计尺寸，明确设计与实际建模中存在的差异，获得较为理想的零件应用和组合方案[5]。例如，在对三维钢结构进行机械设计时，设计人员要以生产要求为基准，统计分析各项试验设计参数，将其与建模数据相互整合，设计出科学合理的设计方案。再将设计好的模块添加至建模框架中，熟练应用各种参考资料、机械设计知识和经验，设置机械设计资料，最终完成三维钢结构机械设计建模工作。

3.2 在机械设计方案形成中应用

在机械设计方案设计过程中，设计人员可以利用三维CAD 技术编辑功能，从零部件角度出发，可以对机械设计方案中各个零部件的参数和组合形式进行编辑处理，将基础零部件按照设计方案进行加工、排列，就能形成一套科学、完整、系统的设计方案[6]。各种零部件在设计的过程中是互不相干的，利用三维CAD 技术可以将任意两个零部件有机地组合在一起，根据不同的需求来对不同的零部件进行组合排列，设计人员可以借助这一功能，将原有设计方案重组、排列，尤其一些零部件繁杂的，重新调整其组合方式，就能获得新的零部件机械设计方案，有效提升机械设计与生产制造质量。另外，还需结合应用三维ACD/CAM 软件开发系统，借助数据分析、平面设计、曲面造型和立体构筑等方式，对机械设计参数进行有效应用和管理，或者利用软件进行零部件设计检验，借助资源查找器修改某一零部件，构建新的机械产品模型，增加零部件之间的适配性，减少因零部件适配性较低导致的机械产品装配失败，大大提升机械设计有效性，确保设计方案顺利实现。

3.3 在机械CAE 软件中应用

机械CAE 软件，属于机械设计应用计算机辅助工程，包含结构设计优化、方案数据比对、设计方案分析和机械方案比对等多种功能。在机械设计中灵活应用这些功能，不仅会提升设计方案科学合理性，还会提升设计方案规范性[7]。在实际应用中，可以从模型构筑角度出发，利用三维CAD 技术进行建模设计，然后利用CAE 软件设计分析零部件具体尺寸和造型，对三维CAD 技术应用中存在的问题进行改正，降低关键设备损耗，保证机械设计方案实效性，从而有效延长机械产品使用寿命。

3.4 在农业领域中应用

在农业生产制造领域中，三维CAD 技术也有着十分广泛的应用。例如，在设计联合收割机时，设计的核心内容往往为轴流钉齿脱粒分离装置进行三维设计，主要设计流程为：设计人员先利用Motion workes系统进行设计开发，随后将设计开发资料添加至数据加工模块，进行三维设计。最后，等三维设计结束后，利用ADC/API 技术将系统合理划分为不同分部，进行独立机械方案设计，并且，借助数据传输或者数据共享平台实现各个零部件数据连通，进一步验证设计方案合理性，最终生产出符合农业生产的机械设备，为农业发展作出了贡献。

4 机械设计中三维CAD 技术发展方向

（1）智能化发展。现如今的机械设计，人工参与成分较多，各种人工问题频繁出现，人们智能化需求不断加强。在未来发展中，人工智能将与三维CAD 技术相互融合，形成机械智能化设计领域。在这其中，倘若要对机械机构进行测量，测量结果可直接智能传输并分配至对应数据模块中，大幅降低人工成本，也能因此降低人工作业产生的各种失误[8]。

（2）规范化发展。在时代发展趋势下，三维CAD技术将不断增设各种新的功能，如几何数据建模、工程数据建模等。使用该技术完成机械设计时，不仅仅要实现产品功能，更要依据实际使用情况进行个性化设计，使得设计方案更具标准型和规范性。对此，人们需要使用统一化的数据，将思维中各种三维模型转化为实物，并不断优化调整，最终设计出接近理想化的设计方案。其中，精确规范的设计数据、设计参考图发挥着巨大价值，在机械设计中按照规范标准进行设计，将进一步提升建模精确度，避免后期修改调整工作量，提升机械设计水平。另外，还要加强对STEP 体系的关注，将其与三维CAD 技术交叉融合，切实解决参数化设计模型传输过程中存在的各种问题。

（3）集成化发展。三维CAD 技术在应用过程中，倘若缺少其他基础的配合应用，将难以达成高效、高质量工作要求。因此，在未来发展中，需要注重相关技术的开发应用，弥补三维CAD 技术短板，通过集成化的设计生产，构筑科学完整的机械设计框架，为设计工作完成提供有效技术保障。例如，在原有网络基础上合理应用CAD/CAM 集成化系统，解决异构系统平台中的XML 或XML-3D 等问题，为集成化和协同化发展建立良好环境。

5 结语

机械设计和制造业与高科技领域技术的结合已经成为一种不可逆转的趋势，现代化的信息技术和自动化技术结合并不断地发展和创新，从而推动着机械设计和制造技术的进步和发展。在社会经济、科技快速发展趋势下，只有紧紧抓住时代发展机遇，直面各种艰难局面，准确把握三维CAD 技术基本概念，了解该技术在机械设计中的应用优势，包括有效缩短设计周期、提升机械产品设计进程和保管力度、有效提升机械设计产品质量，积极寻求有效应用措施，才能确保其优势充分发挥。通过分析研究，确定在机械设计方案建模、机械设计方案形成、机械CAE 软件等方面熟练应用三维CAD 技术，充分发挥其技术功能，能够有效改变传统机械设计工艺工作流程，加快机械设计工作智能化、规范化、集成化发展进程，有效提升机械设计效率和质量，促进机械设计领域持续健康发展。