三维造型技术在产品设计中的应用

【摘要】经过漫长的发展岁月，产品设计手段在不断地提高，不断进步，不断成熟。从最早的手工绘图，到现在的广泛的使用计算机辅助设计来进行产品的设计，并且以后还会有更先进的设计手段出现。本文介绍了Pro/E参数化设计对产品设计的影响。然后通过三维造型软件Pro/E的机构功能实现动态仿真，实现了产品的设计，模拟装配，模拟运行等过程，充分体现了三维造型技术在机械产品设计当中的应用价值及应用前景，并且结合了相关的资料讨论了一下三维设计的发展趋势。

【关键词】三维造型技术，产品设计，TOP-DOWN，装配

经过漫长的发展岁月，产品设计手段在不断地提高，不断进步，不断成熟。从最早的手工绘图，到现在的广泛的使用计算机辅助设计来进行产品的设计，三维造型技术已经成为现代产品设计方法的主流。工程设计业和制造业已经进入到了三维设计时代,并得到了广泛的应用,三维设计被越来越多的设计人员所接受和认可。因此,三维设计软件应用人才的需求更为迫切,培养社会需求人才已成为我们急需解决的问题。

1.三维造型的意义

1.1 三维造型能准确地表达技术人员的设计意图，更符合人们的思维方式和设计习惯；能组建进行有限元分析的原始数据，从而进行几何形状的优化设计，并能实现CAD/CAE/CAPP/CAM的集成；能够通过着色和渲染功能得到设计方案的三维效果图，使得设计人员和决策人员能全面准确地了解其外观，有助于设计的决策，缩短周期，加快产品开发；能够分析产品的动态特性，对工程项目的成本进行预算；三维造型设计是实现设计、制造一体化的基础，为工程设计带来巨大的变革，把设计推上前所未有的高度。

1.2 三维造型技术的优势。三维造型技术之所以能迅速成为CAD技术的主流，是因为它有许多传统的平面二维设计所无法比拟的优越性，人们头脑中所构思的设计对象就是三维实物，三维设计对结构描述更加真实、更准确更全面，克服了二维设计中可想而不可见的缺点，是技术进步的必然趋势。

①三维造型比二位图形更接近真实对象。

②三维造型可以转变多个视图，并可标注带有尺寸的二维产品图，从而获得二者的最佳形式。对于模型的任何修改将自动反应到相应的视图上。

③三维模型可生成具有真实感的渲染图。产品图示是非常有价值的，单渲染图常常可以清楚地展现一个设计，并有利于找出设计缺陷和验证设计。

④三维造型软件可以同过第三方的程序将模型转换为数控加工的格式。

如下图为同一零件三维造型与二维工程图比较图：

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1.3 目前比较流行的三维造型软件介绍：

①CATIA是法国Dassault公司发展的一套完整的高档3D CAD／CAM／CAE一体化软件。支持复杂曲面造型和复杂装配。零件间的接触自动地对连接进行定义，加快了装配件的设计进度。CATIA与ANSYS之间有非常好的接口。CATIA的零件可直接转化为ANSYS可以兼容的模型，为复杂有限元分析提供了较好的平台。

②UG是高中档软件的杰出代表，功能模块齐全，是Unigraphics Solutions公司的拳头产品。优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起。UG一个最大的特点就是混合建模，在一个模型中允许存在无相关性特征，可以局部参数化曲面造型。在曲面造型、数控加工方面是强项，但在分析方面较为薄弱。UG软件中的UG／Routing模块使得管道、管系、导管、水道和钢结构等走线应用的装配件建立更加方便快捷，在水利、石油、化工及各种液压系统等工程中的应用逐渐广泛。

③Pro／Engineer是美国参数技术公司的产品。PTC公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械CAD／CAE／CAM的传统观念。该软件操作较为复杂，存储空间大，但二维绘图工具不完善。Pro／E中的Toolkit是进行流体机械(泵、水轮机、喷灌机、风机、压气机等)计算机辅助设计及结构分析的良好工具。

2.三维造型技术在产品设计上的应用

2.1 零件的建模。CAD的三维建模方式有三种，即线框建模、表面模型和实体模型。在许多具有实体建模功能的CAD软件中，都有一些基本体，如长方体，球体，圆柱体，圆锥体，圆环等。对于简单的零件，可通过对其进行结构分析，将其分解为若干基本体，对基本体进行三维实体造型，之后再对其进行布尔运算，可得出渐渐的三维实体造型。

对于有些复杂的零件，往往难以分解成若干个基本体，使组合或分解后产生的基本体过多，导致成型困难。所以，仅有基本体系还不能完全满足机器零件三维造型的要求。为此，可以构造零件的界面轮廓，然后通过拉伸或者旋转得到新的体，进而通过布尔运算得到所需要零件的三维实体造型。

2.2 产品的装配与仿真。装配时从最底层次的子装配体开始逐层装配，直至最上层装配体。采用这种方法便于数据管理，能减少各层次装配元素的数目，降低分析的复杂度，便于对模型进行快速有效的修改。产品装配与机构仿真是三维造型的一项重要功能。当设计师进行产品组装与机构仿真时，能将设计师的设计意图直观的进行表达，可以以动态的方式将产品进行模拟的运行，也能从中检验机构是否存在不合理的像干涉、自由度不满足等缺陷。该项功能对设计师提供重要帮助。

2.3 TOP-DOWN设计。在Pro/e、UG中给我们提供了一种十分方便的设计方法——TOP-DOWN设计。TOP-DOWN设计是指从已完成的产品进行分析，然后向下设计。将产品的主框架作为主组件，并将产品分解为组件、子组件，然后标识主组件元件及其相关特征，最后了解组件内部及组件之间的关系，并评估产品的装配方式。掌握了这些信息，就能规划设计并在模型中总体设计意图。

TOP_DOWN 设计有很多优点，它既可以管理大型组件，又能有效地掌握设计意图，使组织结构明确，不仅能在同一设计小组间迅速传递设计信息、达到信息共享的目的，也能在不同的设计小组间同样传递相同的设计信息，达到协同作战的目的。这样在设计初期，通过严谨的沟通管理，能让不同的设计部门同步进行产品的设计和开发。

3.结束语

三维造型技术，是目前产品设计中最流行的设计手段，通过三维实体设计提高企业的设计水平，已经为大多数企业认可，但如何将三维实体技术应用于加工制造，更加明显的体现出三维实体技术的经济效益，是目前所有企业面临的问题。三维实体设计作为一种先进的设计技术，已经在众多的机械制造企业取得了重大的成功，特别是通过三维的动态仿真技术，提前杜绝了多数的设计问题，企业能够取得明显的经济效益。近年来随着国外先进三维设计软件在模具行业的不断应用，众多模具企业纷纷采用三维实体设计手段，模具的设计水平得到了较大的提高。

参考文献

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