三维设计软件和技术在机械设计中的应用 (1)

三维设计软件和技术在机械设计中的应用

摘要：随着计算机图形技术的发展与成熟，在机械设计中CAD 三维软件作用越来越重要。它的优点是简单、准确、方便和快捷等。通过三维设计，我们可以得到产品的三维模型以及虚拟产品的效果图,还有根据三维模型输出的完美的、标准化的工程图纸。由于它的巨大优势，CAD 三维设计已经成为机械设计的主要发展方向。

关键词：机械设计三维软件 CAD 应用

Application of 3D design software and technology in machine design

Abstract：With the development and maturity of computer graphics technology, CAD

3D-software is becoming more and more important in machine design.Briefness,accuracy, convenience and speediness are its advantages.Through 3D design,We can get 3D model and design sketch of virtual product,and perfect, standardized engineering drawing. Be-cause of its huge advantage, CAD 3D design is becoming the main development direc-tion of machine design.

Keywords: Machine design 3D-software CAD Application

0 引言

随着计算机图形学的飞速发展、数据库技术的提高，还有微型计算机性能的改善，计算机已经普及到越来越多的行业中。对于机械设计，传统的设计方法都是设计人员通过画图板，铅笔，制图工具，来设计图形。这样的设计方法不但使工作变得复杂、枯燥，而且浪费了很多的资源和时间。如今已经很少看到设计人员用纸笔画图了，取而代之的是CAD软件。通过CAD软件来设计图形使设计人员节约了很多时间，提高了设计的质量和精度，做到了传统设计方法无法做到的一些事情。目前在这个领域，模拟传统作图过程的CAD二维设计软件已经得到广泛的应用，而CAD 三维设计软件也日渐红火起来。CAD三维设计技术有着和传统设计不同的思想和方法，并且有着极大的优势，它的出现和发展，是我们机械设计上的一大进步。

本文将从各个方面介绍三维设计技术、常用的三维设计软件和它们在机械设计中的应用情况。

1 三维设计软件综述

目前三维设计软件已经渗透到各个工程领域，并有着广阔的市场前景。三维设计软件与二维设计软件有着不同的设计思想，并且在许多功能方面有着二维设计软件不可比拟的优势。

1.1三维设计的主要思想

传统2D设计中，设计者是根据对零件或装配体设计期望的结果直接绘制二维图。而在三维

设计中，是从平面-草图-特征-零件-装配体这一思路出发，直接生成零件和装配体的三维模型，

再导出对应的二维图纸。在三维设计中，对零件进行三维建模, 实质是对零件加工过程进行模拟和对零件加工工艺过程进行描述, 是在三维软件的环境下进行的虚拟加工。

一般来说，建模常用的方法有旋转法、层叠法、加工法。

旋转法: 在一幅草图上画出零件的多个复杂外形特征, 通过旋转命令“一步到位”生成零件。但此方法仅仅适合回转零件，而且仅适用于回转零件外形轮廓特征建模。

层叠法：单独建立零件各段的每个特征, 用堆积的方式, 将各段堆叠起来。通过上述实例不难发现, 该方法局部性强, 缺乏总体布局, 没有毛坯选择,没有总体的特征规划。但此方法适用于大型焊接件,其建模思想与焊接方法正好吻合。

加工法：是模拟零件实际加工过程。首先生成零件基本特征（如拉伸、旋转、去除材料、倒角等），也就是实际加工的毛坯。然后一道道工序逐渐加工，生成成品。加工法最符合实际生产过程，它的建模顺序符合实际加工步骤，也符合专业设计者的设计过程。因此，在建模之前，有必要对产品零件进行特征规划，这样不仅使设计者对后续建模有总体把握, 而且对于最后编辑修改也很方便[1]。

1.2三维设计软件的优势

利用三维软件，设计者可准确、轻松地得到想要的三维模型，并且在此基础上可以完成许多2D软件不可能完全的功能，如：

（1）对复杂体进行体积、重量的计算。

（2）对构件的运动进行仿真。

（3）对零件进行应力分析。

（4）根据用户设置的几何约束条件对零件进行装配。

（5）演示功能。

（6）快速导出二维图纸。

2 市场主流三维设计软件介绍

从上一节对三维设计软件优势的分析中，我们可以大致得出结论，一个比较完善的三维设计软件应具备以下基本功能：

(1) 科学计算与分析功能：能够完成产品常规设计、优化设计、可靠性分析、有限元分析、动态分析、运动模拟仿真、应力分析等科学计算。

(2) 图形处理功能:如二维交互图形技术、三维几何造型、图形仿真模拟及其图形输入输出功能等。

(3) 数据管理与数据交换功能:如数据库管理、不同CAD系统间的数据交换和接口功能等。

(4) 其它功能:如进行文档制作、编辑及文字处理功能、二次开发功能和网络功能等[2]。

由于三维设计软件需要漫长的开发过程和高端的开发技术，市场上不可能出现很多三维设计软件。目前市场上较主流的软件有Autodesk Inventor、Solidworks、Pro Engineer、CATIA、UG等。

2.1 Autodesk Inventor

Inventor 是由美国的Autodesk 公司于1999 年发行的一种基于特征的实体造型系统。经过多年的发展，已经成为一种包含最新技术的基于特征的参数化实体造型软件。Inventor 的理念是使操作尽量简单化，一个掌握基本Windows 操作的用户，经过一天的培训，就可以基本掌握Inventor 三维建模技术，并应用到生产实际中去。

作为一款中端CAD 软件，Inventor 以简单操作、优惠价格、人性化操作界面受到了业内的广泛支持，在机械加工、电子、码头、船舶、制造业等领域有着广泛的应用，尤其是在中小企业得到了广泛的使用。

2.2 Solidworks

SolidWorks 是由美国SolidWorks 公司发行的，

是第一款基于Windows 操作系统开发的三维CAD 软

件，具有操作简单、易学易用、兼容性高的特点。

SolidWorks 是一个基于特征的、参数化的实体造型

系统，这也是当前CAD 软件的主体趋势。SolidWorks

采用单一的数据库，用户在使用SolidWorks 进行建

模时，既可以创建单一的三维实体模型，也可以由三

维实体自动生成各种工程视图; SolidWorks 是应用最广泛的中端三维建模软件，在制造业领域和机械设计行业里都有应用。由于SolidWorks 也是发行最早的中端三维建模软件，在国际上享有较高的声誉，国际通用性比较强，国外的许多大学、企业应用很多。

2.3 Pro Engineer

Pro/Engineer 是美国参数技术公司PTC 推

出的基于CAD/CAE/CAM 的软件包，其最突出的特

点在于它的参数化建模、基于特征、全尺寸约束、

全数据相关、尺寸驱动设计修改。参数化使得产

品设计过程中的各个环节联系在一起，任何一个

环节中发生零件尺寸的修改都可以自动映射到

整个建模环境中。

Pro/Engineer 号称“震撼业界的机械设计软件和世界最强大的模具设计软件”，自推出以来，由于其强大的功能，很快得到业内人士的普遍欢迎，并迅速成为当今世界最为流行的高端CAD 软件之一。自上世纪90年代中期，国内许多大型企业开始选用，发展至今，已拥有相当大的用户群。 2.4 CATIA

CATIA 是一款高端CAD 软件，具有三维设计、结构设计、曲面造型、二维转换、运动模拟、有限元分析、逆向工程、美工设计、数控加工等功能。CATIA 功能强大的同时操作也比较复杂，图1 solidworks 2010启动界面

图2 Pro Engineer 野火版5.0