前言：尋找寫作靈感？中文期刊網(wǎng)用心挑選的論三維建模在機械產(chǎn)品設(shè)計的應(yīng)用，希望能為您的閱讀和創(chuàng)作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。

摘要：機械產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)的傳統(tǒng)工藝不斷升級轉(zhuǎn)型，結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的運用，很大程度上提升了我國在工業(yè)機械產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)上的壁壘，解放人力、物力的同時，所涉及的產(chǎn)品設(shè)計、制造質(zhì)量等方面有了質(zhì)的飛躍。本文通過對三維建模技術(shù)的運用、分析等進行簡單介紹，向讀者說明三維建模技術(shù)應(yīng)用于我國機械設(shè)計生產(chǎn)方面所表現(xiàn)出的強大技術(shù)。

關(guān)鍵詞：三維建模；機械產(chǎn)品設(shè)計；內(nèi)燃機；技術(shù)應(yīng)用

0 引言

隨著近幾年我國科學(xué)技術(shù)水平的不斷進步，以及在工業(yè)機械制造與設(shè)計領(lǐng)域方面技術(shù)的革新，不斷改變原始笨拙的傳統(tǒng)設(shè)計，使更多創(chuàng)新性的想法與理念融入到現(xiàn)代機械設(shè)計的過程中去。借助三維 CAD、CAM、CAE、Pro/E 等輔助建模軟件技術(shù)的運用，大大提高了內(nèi)燃機等眾多產(chǎn)品設(shè)計的效率以及合格率，很大程度上降低了產(chǎn)品設(shè)計失敗的概率，避免了企業(yè)生產(chǎn)原料的浪費。同時提高了我國機械制造能力的水平，為我國機械制造行業(yè)的發(fā)展，發(fā)揮不可替代的重要作用。

1 常用的三維建模技術(shù)方式

1.1 多邊形建模（Polygon Modeling）

利用多邊形建模（Polygon Modeling）方式進行建模，通常是將點與點之間連成邊，邊與邊之間構(gòu)成面，面與面之間再構(gòu)成一個多邊形，而多個多邊形則會構(gòu)成一個實體。

1.2 曲面建模（NURBS Modeling）

曲面建模（NURBS Modeling）是針對曲面物體所進行造型建模的一種方法。由于此種方法在建模過程中是由點創(chuàng)造曲線，曲線進一步創(chuàng)建成曲面，最后通過渲染軟件進行材質(zhì)、背景、環(huán)境的設(shè)計，實現(xiàn)最終的建模效果圖。

1.3 參數(shù)化建模（Parametric Modeling）

進行參數(shù)化建模（Parametric Modeling），可以精準捕捉所要進行建模對象的所有特征，且在建模過程中可對設(shè)計圖進行相應(yīng)更改，并自動保存更改后的設(shè)計圖內(nèi)容。

1.4 逆向建模（Reverse Modeling）

逆向建模（Reverse Modeling）包括點云逆向建模、照片逆向建模、三維掃描逆向建模等技術(shù)，它主要針對現(xiàn)實存在的人和物進行雷達掃描或照片環(huán)拍的方式進行建模生成。

2 三維 CAD 技術(shù)在機械產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用價值

2.1 技術(shù)運算，輕松實現(xiàn)實體建模

作為被廣泛使用的活塞式內(nèi)燃機，因其具有高效率、質(zhì)量體積輕巧、功率大等優(yōu)勢，成為發(fā)揮汽車動力不可或缺的元件之一。通過對活塞頂部進行載荷試驗，得出關(guān)于內(nèi)燃機整體的安全系數(shù)圖和應(yīng)力圖，并進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)、圖形建模研究，來實現(xiàn)更高安全系數(shù)、更高質(zhì)量的工作能力。接下來通過拉伸、旋轉(zhuǎn)等不同方式進一步得到更豐富的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，使設(shè)計人員更為直觀、清晰的了解所涉及產(chǎn)品的各項有關(guān)內(nèi)容。

2.2 零部件檢查功能，實現(xiàn)更多匹配產(chǎn)品

三維 CAD 技術(shù)可以在裝配產(chǎn)品零部件時，及時捕捉各個零部件特征，進行新的設(shè)計；還能夠針對相鄰位置的零件做出匹配判斷，設(shè)計出更貼合需求的新零件。其中系統(tǒng)中的資源查找器具備過程回放功能，必要時通過此功能進行相應(yīng)檢查，有效避免設(shè)計出不合格、不匹配的產(chǎn)品零部件。通過此項技術(shù)，可以更加突顯三維建模技術(shù)與人工設(shè)計過程所展現(xiàn)的思維方式、設(shè)計能力的相輔相成，使設(shè)計的產(chǎn)品內(nèi)容更加符合自身需求。

2.3 多重技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品真實直觀效果

三維 CAD 技術(shù)包含交互技術(shù)、圖形變換技術(shù)、曲面造型以及實體造型技術(shù)等內(nèi)容。其中，作為不可或缺的交互技術(shù)，是在產(chǎn)品設(shè)計過程當中，使人和機器適時的交換彼此所需要的信息，讓參與設(shè)計的人員可以通過機器將所看到的產(chǎn)品信息情況進行修改或者重新構(gòu)思，非常便捷的掌握到每步操作所展示的結(jié)果，將設(shè)計產(chǎn)品更加直觀的展現(xiàn)出來；圖形變換技術(shù)是將用戶坐標系和圖形輸出設(shè)備坐標系進行聯(lián)結(jié)，可以運用矩陣運算來實現(xiàn)圖形的旋轉(zhuǎn)、平移、縮放甚至是透視變換等不同需求；實體造型技術(shù)（SolidModeling）是在計算機視覺、計算機動畫、計算機虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域建立起的 3D 實體模型技術(shù)。此技術(shù)通過將幾何模型的形狀及屬性等重要信息儲存于計算機中，由計算機生成具有真實感的三維圖形。綜合多項技術(shù)的內(nèi)容，在產(chǎn)品設(shè)計方面凸顯更為真實、直觀的效果，很大程度提升產(chǎn)品設(shè)計的技術(shù)能力和產(chǎn)品質(zhì)量。

2.4 與 CAE 技術(shù)相結(jié)合，促使技術(shù)雙擁護

當三維 CAD 技術(shù)結(jié)合 CAE（工程設(shè)計中的計算機輔助工程）技術(shù)，使包括內(nèi)燃機在內(nèi)的更多領(lǐng)域的機械產(chǎn)品設(shè)計過程更進一步保障產(chǎn)品設(shè)計的準確合理，相應(yīng)的避免了一定設(shè)計成本的損耗；通過對機械產(chǎn)品進行“虛擬樣機”的使用，避免了過去“物理樣機”的資源浪費，對于整個產(chǎn)品設(shè)計周期的可靠性，以及產(chǎn)品質(zhì)量上做出了更多保障性工作；對產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)過程及時預(yù)檢，將一些潛在問題提前做出處理，幫助企業(yè)減少各項費用支出，降低不合格產(chǎn)品的發(fā)生概率，降低不必要的損失；同時，具有針對產(chǎn)品設(shè)計的優(yōu)化功能，通過對比來找出最適合的一項設(shè)計方案，節(jié)約設(shè)計生產(chǎn)的時間，一定程度上縮減了時間周期，使設(shè)計生產(chǎn)效率更高更快。通過對兩種技術(shù)的結(jié)合，形成彼此相擁護的技術(shù)疊加，促使機械產(chǎn)品設(shè)計更有保障、更穩(wěn)定、更人性化。

2.5 結(jié)合逆向工程技術(shù)，優(yōu)化機械產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)

逆向工程是根據(jù) CAD、CAM、CAE 等技術(shù)手段進行描述 3D 虛擬模型的結(jié)構(gòu)特征、處理流程、技術(shù)規(guī)格等數(shù)據(jù)要素，幫助企業(yè)檢測出是否存在產(chǎn)品知識產(chǎn)權(quán)被侵犯，尋找更多證據(jù)進行論證。同時，逆向工程技術(shù)的使用已經(jīng)被我國相關(guān)法律合法化；在幫助企業(yè)降低產(chǎn)品開發(fā)成本與風(fēng)險的同時，大大縮短了新產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)周期，促進企業(yè)產(chǎn)品更新?lián)Q代，提高企業(yè)市場競爭力；加速企業(yè)產(chǎn)品在造型和系列化方面的設(shè)計能力；利用直接制模和間接制模兩種方法，尤其針對金屬模具等小批量的產(chǎn)品零件的制造更為快捷方便，具有較高開發(fā)前景。逆向工程對于參與設(shè)計人員提出了更高要求，由于使用此項技術(shù)很是考驗參與設(shè)計人員的技術(shù)研發(fā)能力，且涉及的研發(fā)成本較為昂貴，綜合考慮，只有具備更高技術(shù)水平的人員才能運用此項技術(shù)，才能保障機械產(chǎn)品設(shè)計的技術(shù)不被破壞，順利完成模型的建設(shè)工作。

2.6 利用多股簧曲線公式推導(dǎo)建立三維實體模型

例如，將坐標系 S 設(shè)為固定坐標系，其中多股簧中心線與坐標原點 O 進行重合，使多股簧掃描的起始點都在XOY 平面內(nèi)，且將 Z 軸確定為掃描方向，向右旋轉(zhuǎn)使多股簧鋼索正向纏繞。另，將坐標系 S’的原點沿鋼索纏繞的螺旋線軌跡移動，同時能夠分別與 X、Z、Y 軸旋轉(zhuǎn)得到一定角度的動坐標系。由于單根鋼絲的移動軌跡可以作為坐標系 S’中的點，在該坐標系進行移動時，同樣的也可以作為作為坐標系 S 的移動軌跡。將多股簧的直徑設(shè)為 D，時間為 t，速度為 W1，根據(jù)多股簧擰角和升角的關(guān)系可以得出鋼索擰轉(zhuǎn)的速度 W2，可得出以下運動組合：①以右手定則沿 X 軸進行旋轉(zhuǎn)，得出旋轉(zhuǎn)角度 Θ0，且將 Θ0作為螺旋升角；②以右手定則沿 Z 軸進行旋轉(zhuǎn)，得出旋轉(zhuǎn)角度 a，且a=W1t；③以右手定則沿 Y 軸進行旋轉(zhuǎn)，得出旋轉(zhuǎn)角度 β，且β=W2t；④坐標原點進行平移得出∞ ’，且∞ ’記為{R0}。在 S 坐標系中將點 M 標記為{R}，且{R}=（X Y Z）T，同理，在 S’坐標系中將點 M 標記為{R’}，且{R’}=（X’Y’Z’）T，[P1]、[P2]、[P3]分別沿 X、Z、Y’軸進行旋轉(zhuǎn)，并分別得出旋轉(zhuǎn)角度 Θ0、a、β 的轉(zhuǎn)換矩陣：{R}=[P1][P2][P3]{R’}+{R0} （1）由坐標變換原理進行[P1]、[P2]、[P3]矩陣的求解，只要找出新舊坐標系中關(guān)于坐標軸夾角的關(guān)系，利用幾何知識進行矩陣求解便可迎刃而解，其求解如下：最后將[P1]、[P2]、[P3]、{R0}代入式（1）就可以得到多股簧簧絲的曲線。

3 三維建模技術(shù)在機械設(shè)計中的具體應(yīng)用———以 內(nèi)燃機設(shè)計為例在當前的內(nèi)燃機設(shè)計中，CAD 技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，具體如下：

3.1 在內(nèi)燃機曲軸層面設(shè)計中的應(yīng)用

曲軸是內(nèi)燃機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的核心運動零部件。設(shè)計人員可以應(yīng)用 CAD 軟件對內(nèi)燃機的曲軸進行三維實體造型（圖 1），然后利用軟件的計算分析功能得到曲軸的各項重要參數(shù)（如體積、形心、慣性矩等）。隨后，設(shè)計軟件可以通過 CAD 軟件對內(nèi)燃機曲軸進行動力計算和后續(xù)各種計算，當發(fā)現(xiàn)內(nèi)燃機曲軸出現(xiàn)質(zhì)量偏心位移問題后，便根據(jù)計算結(jié)果對曲軸結(jié)構(gòu)進行及時改進，減少質(zhì)量偏心，確保機械設(shè)備穩(wěn)定運行。

3.2 在內(nèi)燃機螺旋類零部件設(shè)計中的應(yīng)用

影響內(nèi)燃機螺旋類零部件（如散熱器螺旋翅片管）質(zhì)量的關(guān)鍵因素是這些零部件的螺旋線的標準度。若這些零部件螺旋線不標準，則直接導(dǎo)致后續(xù)無法準確計算出這些零部件的換熱情況，從而導(dǎo)致內(nèi)燃機換熱故障。設(shè)計人員可以應(yīng)用 CAD 軟件繪制出十分標準的螺旋線（圖 2）。如此，CAD 技術(shù)的應(yīng)用就大大提高了內(nèi)燃機螺旋類零部件的精準度。

3.3 在內(nèi)燃機曲柄連桿設(shè)計中的應(yīng)用

內(nèi)燃機中的曲柄連桿是實現(xiàn)熱功交換的重要機構(gòu)。曲柄連桿可以大致分為大頭和小頭兩部分，精準確定大頭和小頭的連接點是曲柄連桿設(shè)計的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的方法很難精準確定這個連接。為此，設(shè)計人員可以應(yīng)用 CAD 軟件繪制出曲柄連桿的三維圖形，然后利用軟件的計算分析功能精準確定大頭和小頭的連接點，為后續(xù)曲柄連桿動力計算提供精確數(shù)據(jù)。

3.4 在內(nèi)燃機活塞設(shè)計中的應(yīng)用

采用傳統(tǒng)方法很難測量內(nèi)燃機活塞的溫度。為此，設(shè)計人員可以應(yīng)用 CAD 軟件繪制出活塞三維圖形（圖 3），然后借助有限元分析軟件對內(nèi)燃機活塞三維溫度場計算分析，得到內(nèi)燃機活塞三維溫度場分布情況，為后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計和改進提供依據(jù)，提升內(nèi)燃機活塞設(shè)計質(zhì)量。

4 CAD 技術(shù)在機械產(chǎn)品設(shè)計中的發(fā)展

4.1 擁有更加智能化的圖標菜單

設(shè)計優(yōu)良的圖表菜單結(jié)構(gòu)的智能化不僅有效促進設(shè)計周期的進步，其他層面更進一步提高設(shè)計人員的工作積極性；當相應(yīng)的圖標菜單操作減少，很大程度上的工作效率也隨之提高；符合優(yōu)良的菜單結(jié)構(gòu)應(yīng)該是簡潔明了、直觀便捷的，能夠根據(jù)操作使用的頻率來進行位置調(diào)節(jié)和自動組合。

4.2 擁有動態(tài)引導(dǎo)器

大多數(shù)的傳統(tǒng)軟件使用當中，常是伴隨移動光標的位置而隨意的彈出需要進行的操作模式。在進一步的發(fā)展趨勢下，能夠伴隨移動光標的位置變換，動態(tài)引導(dǎo)器可以自動識別、判斷所要建模模型的各項元素，快速理解使用者的設(shè)計意圖，將常用的操作步驟進行記憶儲存，適時地提醒操作者進行下一步將要使用的內(nèi)容，充分詮釋智能化的應(yīng)用。

4.3 發(fā)展功能高度集成化的 CAX 體系

CAD 軟件的優(yōu)化主要通過兩種途徑方法進行。首先，改進軟件的整體性能，將內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法進一步優(yōu)化，實現(xiàn)更進一步的簡潔性；其次，改進功能集成性，在同一個軟件體系結(jié)構(gòu)下可以實現(xiàn)更多應(yīng)用功能的集成。因此，CAX 軟件的運用就可以完成所涉及產(chǎn)品的開發(fā)功能。

5 結(jié)語

伴隨我國機械制造業(yè)水平的發(fā)展進步，三維建模技術(shù)的應(yīng)用發(fā)揮著巨大的貢獻，并帶領(lǐng)更高水平的技術(shù)為我國經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮不可替代的作用。

作者：李志鵬 單位：烏海職業(yè)技術(shù)學(xué)院