三维CAD技术在机械设计中的应用
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第 38 卷第 7 期·学术 第 3V8o卷l.3第8 7N期o.7
湖南农机
HUNAN AGRICULTURAL M ACHINERY
2011 年 7 月 July.2011
三维 CAD 技术在机械设计中的应用
温月祥
（秦皇岛市海港区迎宾路广播电视台视听之友报社，河北 秦皇岛 066001）
摘 要：现代计算机在技术和性能上越发成熟，再加之网络的普及和信息的智能化处理技术的提高，三维 CAD 技 术本身也正逐步成熟，因此，正确地把握 CAD 技术的发展趋势对我国机械工程中的设计工作具有深远的意义。
(或输出功率 P 出 )、齿轮啮合效率 η 齿、轴承效率 η 承。设 PI 、P
Ⅱ、PⅢ分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轴的输入功率，单位为 kW，则有 ：
ηηPI=P 入
η η
η
η
η η ηPⅡ=P 入 η 承 η 齿
η η η
η
η
η η ηPⅢ=P 入 η 承 2η 齿 2
η η η
η
Pη
η
出=P
入
η
承
3η
齿
2
5 结语
我国的制造业正随着技术的不断发展而发展壮大， 中国 制造如何转变为中国创造这有赖于产品的设计创新。 在机械 设计中， 三维 CAD 技术是重中之重也是未来的发展趋势 ，它 是企业在激烈的市场竞争环境中立足的法宝。 未来计算机不 断完 善 的功 能 、信 息的 智 能 化处 理 ，这 都 使 CAD 三 维 技 术 的 未来发展前景良好。
2 三维 CAD 技术在机械设计中的具体运用
（1）零部件设计检查。 设计人员能够在三维 CAD 系统的 装配环境中运用简单快捷的操作来设计新的零部件， 同时也
收稿日期：2011-05-12 作者简介：温月祥（1971-），男，河北抚宁人，大学本科，工程师，
主要研究方向：机械设计。
可以通过操作相关的零部件来设计新的零部件。这样，在三维 CAD 技术的支持下 ， 相邻的零部件 之间 可 以 更好 地 结 合 ，减 少了误差，降低了设计的失败率。
关键词：三维；CAD；机械设计
中图分类号：TH16
文献标识码：A
文章编号：1007-8320（2011）07-0077-02
3D CAD technology in the mechanical design application
WEN Yue-xiang
(Qinhuangdao harbor area welcome road, radio and television audio-visual friends newspaper, Qinhuangdao Hebei 066001，China)
Biblioteka Baidu
η η η
ηηPI=P 出/（η 承 3η 齿 2）
η η
η
η
ηη ηPⅡ=P 出/（η 承 3η 齿 ）
（4）促 进 实 现 CDA/CAM 集 成 。 由 于 三 维 设 计 可 以 实 现 CAD/CAM 的集成，这就意味 着 在三 维 CAD 的 技术 下 ，产 品在 从设计到制造的整个全过程，通过信息集成和信息流自动化， 可以保证加工的产品与设计完全精确吻合，使 CAM 可以直接 获取 CAD 的信息进行加工。 而按照传统做法 ，工作人员是根 据 CAD 设计出来的图纸进行数控加工编辑的 ，因此不可避免 地造成了在 CAD 和 CAM 中有两套一样的零件数据 ， 很容易 导致管理上的混乱。
企业对培育 CAD 人 才 的 积极 性 。 因 此造 成 了 精通 三 维 CAD 的技术人员缺乏的情况。
（2）未 实 现 真 正 的 辅 助 设 计 。 就 目 前 而 言 ，很 多 企 业 在 CAD 软件的选择上表现出很多错误的观点。 有些企业采用三 维 CAD 技 术 运 用 CAD 软 件 只 是 简 单 地 为 了 追 求 三 维 效 果 ， 并没有真正的意识到三维 CAD 软件的潜能和三维 CAD 技术 的优势。 对于机械设计， 他们还只是停留在传统的设计方法 上，也仅仅只是利用计算机制图 ，如此 一来 ，CAD 软 件 也就 失 去了它真正的意义和功能。 还有些企业的错误表现在软件的 选 择 上 ， 他 们 盲 目 追 求 那 些 高 端 的 CAD 软 件 ， 如 Pro/Engineer、UG 等。 对于中小型企业来说， 这些功能强大的软件 价 格不菲而且难掌握， 这样一来投入过大而软件的功能却未必 完全发挥。 因此，企业在选择 CAD 软件的时候一定要实事求 是，根据自身的情况、实际需求以及企业近期的发展目标来选 择适宜的软件， 不要盲目追求功能强的软件， 要考虑到性比 价、服务、软件商的技术支持度等各因素。
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湖南农机
2011 年 7 月
可以根据结构尺寸的变化而自行更改以达到合适的效果；同 样，当零件的尺寸和形状发生变化的时候，其他相关结构也会 随之变化。 这样，三维 CAD 技术就可以帮助机械设计减少大 量的工作量，使工作时间减少了近三分之一，而工作效率却提 高 3~5 倍，缩短机械设计的周期，从而提高了生产的效率。
1 三维技术对机械设计的影响
（1）打 造 信 息 化 的 制 造 过 程 。 设 计 人 员 可 以 利 用 现 代 信 息 处理技术实现了数字化的机械设计， 同时还可以运用三维 CAD 实现动感仿真以及虚拟组装，也就是说在产 品 完工 之 前 甚至加工之前就找到问题，尽早解决问题，这样不仅提高了机 械设计的质量和水平， 也缩短了设计的时间。 目前机械设计 已经从以往的绘图发展到如今的虚拟制造、智能设计、三维建 模以及 CAD/CAE/CAM 集成阶段 ， 实现了设计和生产的一体 化流程。
Keywords: 3D; CAD; mechanical design
机械设计是机械工程的基础环节之一， 它对整个机械生 产链起着至关重要的作用，而机械设计的水平和质量很大程 度上都体现在技术水平上。 文章将通过分析三维技术对机械 设计的影响、举例说明三维技术在机械设计中的应用、指出三 维技术对机械设计中的优势以及尚还存在的问题来说明三维 CAD 技术在机械设计中的应用。
（2）零件与装配图的实体生成。 线框模型、表面模型和实 体 模 型 是 CAD 的 三 种 三维 建 模 方 法 ， 拥 有 实 体 建 模 功 能 的 CAD 系统中都有一些基本的体系 ：简 单的 零 件 可以 在 结 构分 析的功能下分解成不同的基本体， 这些基本题通过三维实体 造型和布尔运算，就可以得出零件的三维实体模型；复杂的零 件 ，通 常 是 先 在 二 维 几 何 元 素 构 造 中 定 出 零 件 的 几 面 轮 廓 ，之 后再在三维造型中通过一些操作得到基本体， 最后通过布尔 运算得到三维实体造型。
Abstract: Modern computer technology and performance in the more mature, coupled with the popularity of network and information processing technology to improve intelligence, 3D CAD technology itself is gradually mature, therefore, to correctly grasp the trend of the development of CAD technology in China Mechanical Engineering The design work has far-reaching significance.
3 传动系统的动力参数计算
动力参数计算就是要算出各轴的功率和转矩。
（1）传 动 系 统 的 总 效 率 。 常 用 的 单 路 传 动 系 统 的 总 效 率 为
各 部 分 效 率 乘 积 ，即 η 总 =η1、η2、 … ηn， 式 中 η1、η2、 … ηn， 为 每 一传动机构、每对轴承、联轴器等的效率。 一对滚动轴承或联
4 三维 CAD 技术在机械设计中的不足及分析
在机械设计的过程中，三维 CAD 技术的确具有很大的优 势。 但该技术在实际的推广使用中 ，并不是所有的企业效果 都很好，具体表现在以下几个方面：
（1）缺乏三维 CAD 技术的专业人才 。 首先，三维 CAD 系 统本事就是一个复杂的系统， 不是所有设计人员都很熟练地 掌握的，甚至很多接受过 CAD 系统应用培训的设计人员都对 CAD 的部分功能还很模糊 ，这种情况对设计人 员 完 成机 械 设 计是一个很大的障碍。其次，由于在现代社会人才的流动性很 大，而 且 三维 CAD 技 术 的培 训 成 本很 高 ，这 难 免 打 击 了 某 些
（2）促进零件的装配更加方便与直观 。 由于 CAD 软件的 发展，三维设计形象、直观设计人员再设计零件的时候可以运 用三维实体甚至是带有相当复杂运动关系的三维实体进行设 计 ，实 现 设 计 阶 段 的 模 拟 装 配 、模 拟 运 转 ，从 而 使 设 计 更 加 接 近实际过程。
（3）减少机械设计时间、提高机械设计效率。 在三维设计 中，其基本思想之一就是实现参数化、变量化设计。 无论是传 统 的 CAD 绘图 软 件 还是 现 有 的二 维 绘 图 软 件 都 实 现 不 了 参 数化设计。 但在三维 CAD 的参数化、变量化设计版块中，零件
3 三维 CAD 技术在机械设计中的优势
（1）提 高 机 械 产 品 的 质 量 和 技 术 含 量 。 现 代 机 械 生 产 在 三 维 CAD 技术的支持下，利用先进的设计方法来提高机械设计 的水平保证产品的设计质量，如优化、产品的虚拟设计、有限 元受力分析、运动方针等。机械产品本身就是与信息技术相融 合的 ，再 加之 采 用 CAD、CIMS 组织 生 产 ，如此 一 来 ，机械 产 品 的设计就有了新的发展。
（2）营造创新性的设计氛围。 相对于传统设计，新型设计 依 靠 三维 CAD 技 术 可以 在 设 计阶 段 根 据一 些 新 的 科 技 理 念 和理论及相关的专家系统，进行设计创新，不仅可以建立多种 机构来对比构型，同时由于设计的效果好、立体感强还可以更 加激发设计人员的构思，促使设计人员设计出更好的产品。
（上接第 76 页） 求 来 决 定 ，以 传 动 系 统 结 构 简 单 、尺 寸 紧 凑 、
传动链短、传动精度高、效率高、成本低为原则。 （2）机构布置的顺序。 布置传动机构顺序时，一般应考虑
以 下 几 点 ：① 机 械 运 转 平 稳 、减 小 振 动 。 一 般 将 传 动 平 稳 、动 载 荷小的机构放在高速级。 如带传动传动平稳，能缓冲吸振，并 可过载保护，故一般布置在高速级；而链传动运转不均匀，有 冲击，应布置在低速级。又如斜齿轮传动平稳性比直齿轮传动 好，故常用在高速级或要求传动平稳的场合。②提高传动系统 的效率。蜗杆蜗轮机构传动平稳，但效率低，一般用于中、小功 率间隙运动的场合。对于采用锡青铜为蜗轮材料的蜗杆传动， 应布置在高速级，以利于形成润滑油膜，提高承载能力和传动 效率。 ③结构简单紧凑、易于加工制造。 带传动布置在高速级 不仅使传动平稳，而且可减少传动装置尺寸。一般将改变运动 形 式 的 机 构(如 螺 旋 传 动 、连 杆 机 构 、凸 轮 机 构 等)布 置 在 传 动 系统的最后一级(靠近执 行 机 构或 作 为 执行 机 构)，可使 结 构 紧凑。 大尺寸、大模数的圆锥齿轮加工较困难，因此应尽量放 在高速级并限制其传动比，以减少其直径和模数。④承载能力 大、寿命长 开式齿轮传动的工作环境较差、润滑条件不好， 磨损严重、寿命较短，应布置在低速级。 对采用铝铁青铜或铸 铁作为蜗轮材料的蜗杆传动常布置在低速级， 使齿面滑动速 度较低，以防止产生胶合或严重磨损。
轴器的效率可近似取为 η=0.98～0.99。
（2）功 率 。 传 动 系 统 中 ，对 各 零 件 进 行 工 作 能 力 计 算 时 ，均
以其输入功率为计算功率。
以图 1 所示的二级圆柱齿轮传动系统为例， 介绍各轴功
率的计算 方 法 。 现 已 知 传动 系 统 的输 入 功 率 P 入(单 位 为 kW)
湖南农机
HUNAN AGRICULTURAL M ACHINERY
2011 年 7 月 July.2011
三维 CAD 技术在机械设计中的应用
温月祥
（秦皇岛市海港区迎宾路广播电视台视听之友报社，河北 秦皇岛 066001）
摘 要：现代计算机在技术和性能上越发成熟，再加之网络的普及和信息的智能化处理技术的提高，三维 CAD 技 术本身也正逐步成熟，因此，正确地把握 CAD 技术的发展趋势对我国机械工程中的设计工作具有深远的意义。
(或输出功率 P 出 )、齿轮啮合效率 η 齿、轴承效率 η 承。设 PI 、P
Ⅱ、PⅢ分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轴的输入功率，单位为 kW，则有 ：
ηηPI=P 入
η η
η
η
η η ηPⅡ=P 入 η 承 η 齿
η η η
η
η
η η ηPⅢ=P 入 η 承 2η 齿 2
η η η
η
Pη
η
出=P
入
η
承
3η
齿
2
5 结语
我国的制造业正随着技术的不断发展而发展壮大， 中国 制造如何转变为中国创造这有赖于产品的设计创新。 在机械 设计中， 三维 CAD 技术是重中之重也是未来的发展趋势 ，它 是企业在激烈的市场竞争环境中立足的法宝。 未来计算机不 断完 善 的功 能 、信 息的 智 能 化处 理 ，这 都 使 CAD 三 维 技 术 的 未来发展前景良好。
2 三维 CAD 技术在机械设计中的具体运用
（1）零部件设计检查。 设计人员能够在三维 CAD 系统的 装配环境中运用简单快捷的操作来设计新的零部件， 同时也
收稿日期：2011-05-12 作者简介：温月祥（1971-），男，河北抚宁人，大学本科，工程师，
主要研究方向：机械设计。
可以通过操作相关的零部件来设计新的零部件。这样，在三维 CAD 技术的支持下 ， 相邻的零部件 之间 可 以 更好 地 结 合 ，减 少了误差，降低了设计的失败率。
关键词：三维；CAD；机械设计
中图分类号：TH16
文献标识码：A
文章编号：1007-8320（2011）07-0077-02
3D CAD technology in the mechanical design application
WEN Yue-xiang
(Qinhuangdao harbor area welcome road, radio and television audio-visual friends newspaper, Qinhuangdao Hebei 066001，China)
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η η η
ηηPI=P 出/（η 承 3η 齿 2）
η η
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（4）促 进 实 现 CDA/CAM 集 成 。 由 于 三 维 设 计 可 以 实 现 CAD/CAM 的集成，这就意味 着 在三 维 CAD 的 技术 下 ，产 品在 从设计到制造的整个全过程，通过信息集成和信息流自动化， 可以保证加工的产品与设计完全精确吻合，使 CAM 可以直接 获取 CAD 的信息进行加工。 而按照传统做法 ，工作人员是根 据 CAD 设计出来的图纸进行数控加工编辑的 ，因此不可避免 地造成了在 CAD 和 CAM 中有两套一样的零件数据 ， 很容易 导致管理上的混乱。
企业对培育 CAD 人 才 的 积极 性 。 因 此造 成 了 精通 三 维 CAD 的技术人员缺乏的情况。
（2）未 实 现 真 正 的 辅 助 设 计 。 就 目 前 而 言 ，很 多 企 业 在 CAD 软件的选择上表现出很多错误的观点。 有些企业采用三 维 CAD 技 术 运 用 CAD 软 件 只 是 简 单 地 为 了 追 求 三 维 效 果 ， 并没有真正的意识到三维 CAD 软件的潜能和三维 CAD 技术 的优势。 对于机械设计， 他们还只是停留在传统的设计方法 上，也仅仅只是利用计算机制图 ，如此 一来 ，CAD 软 件 也就 失 去了它真正的意义和功能。 还有些企业的错误表现在软件的 选 择 上 ， 他 们 盲 目 追 求 那 些 高 端 的 CAD 软 件 ， 如 Pro/Engineer、UG 等。 对于中小型企业来说， 这些功能强大的软件 价 格不菲而且难掌握， 这样一来投入过大而软件的功能却未必 完全发挥。 因此，企业在选择 CAD 软件的时候一定要实事求 是，根据自身的情况、实际需求以及企业近期的发展目标来选 择适宜的软件， 不要盲目追求功能强的软件， 要考虑到性比 价、服务、软件商的技术支持度等各因素。
78
湖南农机
2011 年 7 月
可以根据结构尺寸的变化而自行更改以达到合适的效果；同 样，当零件的尺寸和形状发生变化的时候，其他相关结构也会 随之变化。 这样，三维 CAD 技术就可以帮助机械设计减少大 量的工作量，使工作时间减少了近三分之一，而工作效率却提 高 3~5 倍，缩短机械设计的周期，从而提高了生产的效率。
1 三维技术对机械设计的影响
（1）打 造 信 息 化 的 制 造 过 程 。 设 计 人 员 可 以 利 用 现 代 信 息 处理技术实现了数字化的机械设计， 同时还可以运用三维 CAD 实现动感仿真以及虚拟组装，也就是说在产 品 完工 之 前 甚至加工之前就找到问题，尽早解决问题，这样不仅提高了机 械设计的质量和水平， 也缩短了设计的时间。 目前机械设计 已经从以往的绘图发展到如今的虚拟制造、智能设计、三维建 模以及 CAD/CAE/CAM 集成阶段 ， 实现了设计和生产的一体 化流程。
Keywords: 3D; CAD; mechanical design
机械设计是机械工程的基础环节之一， 它对整个机械生 产链起着至关重要的作用，而机械设计的水平和质量很大程 度上都体现在技术水平上。 文章将通过分析三维技术对机械 设计的影响、举例说明三维技术在机械设计中的应用、指出三 维技术对机械设计中的优势以及尚还存在的问题来说明三维 CAD 技术在机械设计中的应用。
（2）零件与装配图的实体生成。 线框模型、表面模型和实 体 模 型 是 CAD 的 三 种 三维 建 模 方 法 ， 拥 有 实 体 建 模 功 能 的 CAD 系统中都有一些基本的体系 ：简 单的 零 件 可以 在 结 构分 析的功能下分解成不同的基本体， 这些基本题通过三维实体 造型和布尔运算，就可以得出零件的三维实体模型；复杂的零 件 ，通 常 是 先 在 二 维 几 何 元 素 构 造 中 定 出 零 件 的 几 面 轮 廓 ，之 后再在三维造型中通过一些操作得到基本体， 最后通过布尔 运算得到三维实体造型。
Abstract: Modern computer technology and performance in the more mature, coupled with the popularity of network and information processing technology to improve intelligence, 3D CAD technology itself is gradually mature, therefore, to correctly grasp the trend of the development of CAD technology in China Mechanical Engineering The design work has far-reaching significance.
3 传动系统的动力参数计算
动力参数计算就是要算出各轴的功率和转矩。
（1）传 动 系 统 的 总 效 率 。 常 用 的 单 路 传 动 系 统 的 总 效 率 为
各 部 分 效 率 乘 积 ，即 η 总 =η1、η2、 … ηn， 式 中 η1、η2、 … ηn， 为 每 一传动机构、每对轴承、联轴器等的效率。 一对滚动轴承或联
4 三维 CAD 技术在机械设计中的不足及分析
在机械设计的过程中，三维 CAD 技术的确具有很大的优 势。 但该技术在实际的推广使用中 ，并不是所有的企业效果 都很好，具体表现在以下几个方面：
（1）缺乏三维 CAD 技术的专业人才 。 首先，三维 CAD 系 统本事就是一个复杂的系统， 不是所有设计人员都很熟练地 掌握的，甚至很多接受过 CAD 系统应用培训的设计人员都对 CAD 的部分功能还很模糊 ，这种情况对设计人 员 完 成机 械 设 计是一个很大的障碍。其次，由于在现代社会人才的流动性很 大，而 且 三维 CAD 技 术 的培 训 成 本很 高 ，这 难 免 打 击 了 某 些
（2）促进零件的装配更加方便与直观 。 由于 CAD 软件的 发展，三维设计形象、直观设计人员再设计零件的时候可以运 用三维实体甚至是带有相当复杂运动关系的三维实体进行设 计 ，实 现 设 计 阶 段 的 模 拟 装 配 、模 拟 运 转 ，从 而 使 设 计 更 加 接 近实际过程。
（3）减少机械设计时间、提高机械设计效率。 在三维设计 中，其基本思想之一就是实现参数化、变量化设计。 无论是传 统 的 CAD 绘图 软 件 还是 现 有 的二 维 绘 图 软 件 都 实 现 不 了 参 数化设计。 但在三维 CAD 的参数化、变量化设计版块中，零件
3 三维 CAD 技术在机械设计中的优势
（1）提 高 机 械 产 品 的 质 量 和 技 术 含 量 。 现 代 机 械 生 产 在 三 维 CAD 技术的支持下，利用先进的设计方法来提高机械设计 的水平保证产品的设计质量，如优化、产品的虚拟设计、有限 元受力分析、运动方针等。机械产品本身就是与信息技术相融 合的 ，再 加之 采 用 CAD、CIMS 组织 生 产 ，如此 一 来 ，机械 产 品 的设计就有了新的发展。
（2）营造创新性的设计氛围。 相对于传统设计，新型设计 依 靠 三维 CAD 技 术 可以 在 设 计阶 段 根 据一 些 新 的 科 技 理 念 和理论及相关的专家系统，进行设计创新，不仅可以建立多种 机构来对比构型，同时由于设计的效果好、立体感强还可以更 加激发设计人员的构思，促使设计人员设计出更好的产品。
（上接第 76 页） 求 来 决 定 ，以 传 动 系 统 结 构 简 单 、尺 寸 紧 凑 、
传动链短、传动精度高、效率高、成本低为原则。 （2）机构布置的顺序。 布置传动机构顺序时，一般应考虑
以 下 几 点 ：① 机 械 运 转 平 稳 、减 小 振 动 。 一 般 将 传 动 平 稳 、动 载 荷小的机构放在高速级。 如带传动传动平稳，能缓冲吸振，并 可过载保护，故一般布置在高速级；而链传动运转不均匀，有 冲击，应布置在低速级。又如斜齿轮传动平稳性比直齿轮传动 好，故常用在高速级或要求传动平稳的场合。②提高传动系统 的效率。蜗杆蜗轮机构传动平稳，但效率低，一般用于中、小功 率间隙运动的场合。对于采用锡青铜为蜗轮材料的蜗杆传动， 应布置在高速级，以利于形成润滑油膜，提高承载能力和传动 效率。 ③结构简单紧凑、易于加工制造。 带传动布置在高速级 不仅使传动平稳，而且可减少传动装置尺寸。一般将改变运动 形 式 的 机 构(如 螺 旋 传 动 、连 杆 机 构 、凸 轮 机 构 等)布 置 在 传 动 系统的最后一级(靠近执 行 机 构或 作 为 执行 机 构)，可使 结 构 紧凑。 大尺寸、大模数的圆锥齿轮加工较困难，因此应尽量放 在高速级并限制其传动比，以减少其直径和模数。④承载能力 大、寿命长 开式齿轮传动的工作环境较差、润滑条件不好， 磨损严重、寿命较短，应布置在低速级。 对采用铝铁青铜或铸 铁作为蜗轮材料的蜗杆传动常布置在低速级， 使齿面滑动速 度较低，以防止产生胶合或严重磨损。
轴器的效率可近似取为 η=0.98～0.99。
（2）功 率 。 传 动 系 统 中 ，对 各 零 件 进 行 工 作 能 力 计 算 时 ，均
以其输入功率为计算功率。
以图 1 所示的二级圆柱齿轮传动系统为例， 介绍各轴功
率的计算 方 法 。 现 已 知 传动 系 统 的输 入 功 率 P 入(单 位 为 kW)