論三維建模技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李志鵬

摘要：機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)的傳統(tǒng)工藝不斷升級(jí)轉(zhuǎn)型，結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的運(yùn)用，很大程度上提升了我國(guó)在工業(yè)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)上的壁壘，解放人力、物力的同時(shí)，所涉及的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造質(zhì)量等方面有了質(zhì)的飛躍。本文通過(guò)對(duì)三維建模技術(shù)的運(yùn)用、分析等進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，向讀者說(shuō)明三維建模技術(shù)應(yīng)用于我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)生產(chǎn)方面所表現(xiàn)出的強(qiáng)大技術(shù)。

Abstract： The traditional process of mechanical product design and production， combined with the application of modern science and technology， has greatly enhanced the barriers to the design and production of industrial machinery products， liberated manpower and material resources， and made a qualitative leap in product design and manufacturing quality.This paper introduces the application and analysis of 3D modeling technology， and explains the powerful technology of 3D modeling technology in mechanical design and production.

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

Key words： 3D modeling;mechanical product design;internal combustion engine;technology application

中圖分類號(hào)：TB47??????????????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????????????????????????????????? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）21-0216-03

0? 引言

隨著近幾年我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，以及在工業(yè)機(jī)械制造與設(shè)計(jì)領(lǐng)域方面技術(shù)的革新，不斷改變?cè)急孔镜膫鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)，使更多創(chuàng)新性的想法與理念融入到現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的過(guò)程中去。借助三維CAD、CAM、CAE、Pro/E等輔助建模軟件技術(shù)的運(yùn)用，大大提高了內(nèi)燃機(jī)等眾多產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率以及合格率，很大程度上降低了產(chǎn)品設(shè)計(jì)失敗的概率，避免了企業(yè)生產(chǎn)原料的浪費(fèi)。同時(shí)提高了我國(guó)機(jī)械制造能力的水平，為我國(guó)機(jī)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(jìn)行建模，通常是將點(diǎn)與點(diǎn)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(gè)多邊形，而多個(gè)多邊形則會(huì)構(gòu)成一個(gè)實(shí)體。

1.2 曲面建模（NURBS Modeling）

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

1.3 參數(shù)化建模（Parametric Modeling）

進(jìn)行參數(shù)化建模（Parametric Modeling），可以精準(zhǔn)捕捉所要進(jìn)行建模對(duì)象的所有特征，且在建模過(guò)程中可對(duì)設(shè)計(jì)圖進(jìn)行相應(yīng)更改，并自動(dòng)保存更改后的設(shè)計(jì)圖內(nèi)容。

1.4 逆向建模（Reverse Modeling）

逆向建模（Reverse Modeling）包括點(diǎn)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(duì)現(xiàn)實(shí)存在的人和物進(jìn)行雷達(dá)掃描或照片環(huán)拍的方式進(jìn)行建模生成。

2? 三維CAD技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值

2.1 技術(shù)運(yùn)算，輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)體建模

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

2.2 零部件檢查功能，實(shí)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(shí)，及時(shí)捕捉各個(gè)零部件特征，進(jìn)行新的設(shè)計(jì);還能夠針對(duì)相鄰位置的零件做出匹配判斷，設(shè)計(jì)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(guò)程回放功能，必要時(shí)通過(guò)此功能進(jìn)行相應(yīng)檢查，有效避免設(shè)計(jì)出不合格、不匹配的產(chǎn)品零部件。通過(guò)此項(xiàng)技術(shù)，可以更加突顯三維建模技術(shù)與人工設(shè)計(jì)過(guò)程所展現(xiàn)的思維方式、設(shè)計(jì)能力的相輔相成，使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品內(nèi)容更加符合自身需求。

2.3 多重技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品真實(shí)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(shí)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(jì)過(guò)程當(dāng)中，使人和機(jī)器適時(shí)的交換彼此所需要的信息，讓參與設(shè)計(jì)的人員可以通過(guò)機(jī)器將所看到的產(chǎn)品信息情況進(jìn)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(jì)產(chǎn)品更加直觀的展現(xiàn)出來(lái);圖形變換技術(shù)是將用戶坐標(biāo)系和圖形輸出設(shè)備坐標(biāo)系進(jìn)行聯(lián)結(jié)，可以運(yùn)用矩陣運(yùn)算來(lái)實(shí)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(shí)體造型技術(shù)（Solid Modeling）是在計(jì)算機(jī)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)、計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域建立起的3D實(shí)體模型技術(shù)。此技術(shù)通過(guò)將幾何模型的形狀及屬性等重要信息儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)中，由計(jì)算機(jī)生成具有真實(shí)感的三維圖形。綜合多項(xiàng)技術(shù)的內(nèi)容，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面凸顯更為真實(shí)、直觀的效果，很大程度提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(hù)

當(dāng)三維CAD技術(shù)結(jié)合CAE（工程設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)輔助工程）技術(shù)，使包括內(nèi)燃機(jī)在內(nèi)的更多領(lǐng)域的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程更進(jìn)一步保障產(chǎn)品設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確合理，相應(yīng)的避免了一定設(shè)計(jì)成本的損耗;通過(guò)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行“虛擬樣機(jī)”的使用，避免了過(guò)去“物理樣機(jī)”的資源浪費(fèi)，對(duì)于整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程及時(shí)預(yù)檢，將一些潛在問(wèn)題提前做出處理，幫助企業(yè)減少各項(xiàng)費(fèi)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(shí)，具有針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的優(yōu)化功能，通過(guò)對(duì)比來(lái)找出最適合的一項(xiàng)設(shè)計(jì)方案，節(jié)約設(shè)計(jì)生產(chǎn)的時(shí)間，一定程度上縮減了時(shí)間周期，使設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率更高更快。通過(guò)對(duì)兩種技術(shù)的結(jié)合，形成彼此相擁護(hù)的技術(shù)疊加，促使機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)

逆向工程是根據(jù)CAD、CAM、CAE等技術(shù)手段進(jìn)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(cè)出是否存在產(chǎn)品知識(shí)產(chǎn)權(quán)被侵犯，尋找更多證據(jù)進(jìn)行論證。同時(shí)，逆向工程技術(shù)的使用已經(jīng)被我國(guó)相關(guān)法律合法化;在幫助企業(yè)降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本與風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，大大縮短了新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)周期，促進(jìn)企業(yè)產(chǎn)品更新?lián)Q代，提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力;加速企業(yè)產(chǎn)品在造型和系列化方面的設(shè)計(jì)能力;利用直接制模和間接制模兩種方法，尤其針對(duì)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(kāi)發(fā)前景。逆向工程對(duì)于參與設(shè)計(jì)人員提出了更高要求，由于使用此項(xiàng)技術(shù)很是考驗(yàn)參與設(shè)計(jì)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(yùn)用此項(xiàng)技術(shù)，才能保障機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shí)體模型

例如，將坐標(biāo)系S設(shè)為固定坐標(biāo)系，其中多股簧中心線與坐標(biāo)原點(diǎn)O進(jìn)行重合，使多股簧掃描的起始點(diǎn)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(biāo)系S’的原點(diǎn)沿鋼索纏繞的螺旋線軌跡移動(dòng)，同時(shí)能夠分別與X、Z、Y軸旋轉(zhuǎn)得到一定角度的動(dòng)坐標(biāo)系。由于單根鋼絲的移動(dòng)軌跡可以作為坐標(biāo)系S’中的點(diǎn)，在該坐標(biāo)系進(jìn)行移動(dòng)時(shí)，同樣的也可以作為作為坐標(biāo)系S的移動(dòng)軌跡。將多股簧的直徑設(shè)為D，時(shí)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(yùn)動(dòng)組合：

①以右手定則沿X軸進(jìn)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(jìn)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(jìn)行旋轉(zhuǎn)，得出旋轉(zhuǎn)角度β，且β=W2t;

④坐標(biāo)原點(diǎn)進(jìn)行平移得出’，且’記為{R0}。

在S坐標(biāo)系中將點(diǎn)M標(biāo)記為{R}，且{R}=（X Y Z）T，同理，在S’坐標(biāo)系中將點(diǎn)M標(biāo)記為{R’}，且{R’}=（X’ Y’ Z’）T，[P1]、[P2]、[P3]分別沿X、Z、Y’軸進(jìn)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(biāo)變換原理進(jìn)行[P1]、[P2]、[P3]矩陣的求解，只要找出新舊坐標(biāo)系中關(guān)于坐標(biāo)軸夾角的關(guān)系，利用幾何知識(shí)進(jìn)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(jī)械設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用——以內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)為例

在當(dāng)前的內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中，CAD技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，具體如下：

3.1 在內(nèi)燃機(jī)曲軸層面設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

曲軸是內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的核心運(yùn)動(dòng)零部件。設(shè)計(jì)人員可以應(yīng)用CAD軟件對(duì)內(nèi)燃機(jī)的曲軸進(jìn)行三維實(shí)體造型（圖1），然后利用軟件的計(jì)算分析功能得到曲軸的各項(xiàng)重要參數(shù)（如體積、形心、慣性矩等）。隨后，設(shè)計(jì)軟件可以通過(guò)CAD軟件對(duì)內(nèi)燃機(jī)曲軸進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算和后續(xù)各種計(jì)算，當(dāng)發(fā)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)曲軸出現(xiàn)質(zhì)量偏心位移問(wèn)題后，便根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)曲軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行及時(shí)改進(jìn)，減少質(zhì)量偏心，確保機(jī)械設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 在內(nèi)燃機(jī)螺旋類零部件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

影響內(nèi)燃機(jī)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(biāo)準(zhǔn)度。若這些零部件螺旋線不標(biāo)準(zhǔn)，則直接導(dǎo)致后續(xù)無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算出這些零部件的換熱情況，從而導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)換熱故障。設(shè)計(jì)人員可以應(yīng)用CAD軟件繪制出十分標(biāo)準(zhǔn)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(jī)螺旋類零部件的精準(zhǔn)度。

3.3 在內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

內(nèi)燃機(jī)中的曲柄連桿是實(shí)現(xiàn)熱功交換的重要機(jī)構(gòu)。曲柄連桿可以大致分為大頭和小頭兩部分，精準(zhǔn)確定大頭和小頭的連接點(diǎn)是曲柄連桿設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的方法很難精準(zhǔn)確定這個(gè)連接。為此，設(shè)計(jì)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(jì)算分析功能精準(zhǔn)確定大頭和小頭的連接點(diǎn)，為后續(xù)曲柄連桿動(dòng)力計(jì)算提供精確數(shù)據(jù)。

3.4 在內(nèi)燃機(jī)活塞設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

采用傳統(tǒng)方法很難測(cè)量?jī)?nèi)燃機(jī)活塞的溫度。為此，設(shè)計(jì)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(duì)內(nèi)燃機(jī)活塞三維溫度場(chǎng)計(jì)算分析，得到內(nèi)燃機(jī)活塞三維溫度場(chǎng)分布情況，為后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供依據(jù)，提升內(nèi)燃機(jī)活塞設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4? CAD技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的發(fā)展

4.1 擁有更加智能化的圖標(biāo)菜單

設(shè)計(jì)優(yōu)良的圖表菜單結(jié)構(gòu)的智能化不僅有效促進(jìn)設(shè)計(jì)周期的進(jìn)步，其他層面更進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)人員的工作積極性;當(dāng)相應(yīng)的圖標(biāo)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(jiǎn)潔明了、直觀便捷的，能夠根據(jù)操作使用的頻率來(lái)進(jìn)行位置調(diào)節(jié)和自動(dòng)組合。

4.2 擁有動(dòng)態(tài)引導(dǎo)器

大多數(shù)的傳統(tǒng)軟件使用當(dāng)中，常是伴隨移動(dòng)光標(biāo)的位置而隨意的彈出需要進(jìn)行的操作模式。在進(jìn)一步的發(fā)展趨勢(shì)下，能夠伴隨移動(dòng)光標(biāo)的位置變換，動(dòng)態(tài)引導(dǎo)器可以自動(dòng)識(shí)別、判斷所要建模模型的各項(xiàng)元素，快速理解使用者的設(shè)計(jì)意圖，將常用的操作步驟進(jìn)行記憶儲(chǔ)存，適時(shí)地提醒操作者進(jìn)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(guò)兩種途徑方法進(jìn)行。首先，改進(jìn)軟件的整體性能，將內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法進(jìn)一步優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步的簡(jiǎn)潔性;其次，改進(jìn)功能集成性，在同一個(gè)軟件體系結(jié)構(gòu)下可以實(shí)現(xiàn)更多應(yīng)用功能的集成。因此，CAX軟件的運(yùn)用就可以完成所涉及產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)功能。

5? 結(jié)語(yǔ)

伴隨我國(guó)機(jī)械制造業(yè)水平的發(fā)展進(jìn)步，三維建模技術(shù)的應(yīng)用發(fā)揮著巨大的貢獻(xiàn)，并帶領(lǐng)更高水平的技術(shù)為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮不可替代的作用。

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