1.1 三維設計技術基礎

制造業的全球化和信息化，催生了一門產品開發綜合性應用技術——計算機輔助設計與制造（Computer Aided Designand Computer Aided Manufacturing，CAD/CAM）。該技術是新一代數字化、虛擬化、智能化設計平臺的基礎，是培育創新型人才的重要手段。

1.1.1 CAD/CAM技術概述

與二維設計相比，三維參數化設計真正實現了計算機輔助繪圖向計算機輔助設計的轉變。用三維模型表達產品設計理念，不僅更為直觀、高效，而包含了質量、材料、結構等物理、工程特性的三維功能模型，可以實現真正的虛擬設計和優化設計。

1. 三維設計的意義與作用

三維CAD系統中，用參數化約束來表達零部件的設計意圖，三維/二維全相關，修改在三維與二維模型中保持一致，使得所設計的產品修改更容易，管理更方便。三維CAD系統中，由于使用了統一的數據庫，在裝配狀態下進行零件設計，可避免干涉現象，起到事半功倍的作用。三維CAD系統中，工程圖直接由三維模型投影而成，生成的工程圖更準確；可以渲染產品的顏色等屬性和紋理等效果，所見即所得；可以進行機構運動等計算機輔助工程（Computer Aided Engineer，CAE）、CAM數控加工仿真分析。凡此種種，采用三維設計是設計理念的一種變革，是CAD應用的真正開始。

使用三維CAD的目的主要是：表達設計思維，繪圖/建模不是設計的終極目標；提高修改速度，零件設計必須實現關聯；實現制造仿真——設計就是模擬加工和裝配。

2. CAD/CAM的功能和任務

圖1-1為鐵路車輪的設計過程示例，分析可知CAD/CAM的主要任務是對產品設計制造過程中的信息進行處理。信息主要包括設計制造中的設計需求分析、概念設計、設計建模、設計分析、設計評價和設計表示、加工工藝分析、數控編程等。其工作流程，如圖1-2所示。

1.1.2 三維設計工具簡介

不同三維設計軟件的主要側重功能不一樣，正確地了解每個軟件的特性有助于更好地掌握三維設計軟件。

1. 機械三維設計軟件的類型

機械三維設計包括CAD設計軟件[如SolidWorks、CATIA、UGNX（Unigraphics）、Pro/E（Pro/ENGINEER）等]、CAE分析軟件（如ANSYS等）、機構分析軟件（如ADAMS等）、CAM數控加工軟件、CAPP工藝軟件、PDM/PLM協同管理軟件等。

2. 軟件的選用原則

企業在選擇CAD軟件的時候，應先對自身的需求以及企業實力做出客觀的評價。主要從以下5方面來考慮軟件的選擇。

1）軟件功能：在選擇CAD軟件時，軟件的功能是否能夠滿足用戶的需要是最關鍵的一點。這里所指的軟件功能不僅僅包括軟件的CAD功能，還包括軟件所提供的二次開發環境、與其他CAD軟件的數據交換能力、是否能夠與其他CAM/CAE等數字產品設計軟件較好地集成等。當然，作為設計軟件，CAD功能是其中最為重要的。一款優秀的CAD軟件應在提供了強大的幾何（曲線、曲面）造型能力的基礎上，還應具有參數化設計功能，三維實體模型與二維工程圖形應能轉化并關聯。企業應視自身需要選擇具有相應功能的CAD軟件。

2）軟件及其配套硬件的性價比：軟件的功能是否滿足企業發展的要求是非常重要的，另外價格也是一個因素。

3）軟件的集成化程度：目前很多大型CAD軟件實際上都與CAM/CAE相結合，集三維繪圖、零部件裝配、運動仿真、有限元分析、數控加工動態顯示等功能于一身，企業應視自身需求選用。

4）軟件學習和使用的難度：一個好的CAD軟件還應滿足易學易用的要求。

5）升級方法及技術支援：升級方式可以參考企業所要購買軟件的前幾個版本所用的升級方式。技術支援主要包括軟件商提供的技術培訓以及方式如軟硬件維護及方式等。

3. 做一名合格的機械三維設計人員

做一名合格的機械三維設計人員，學習三維設計軟件時，應該注意掌握以下學習方法。

1）明確設計思想。要明白三維設計不僅為了直觀，更重要的是為了貫徹設計思想，減少錯誤，提高設計效率。沒有設計思想，就等于沒有了設計靈魂，只是單一的“搭積木”，往往會事倍功半。

2）注重學練結合。三維軟件的實踐性很強，“光學不練等于白干，光練不看等于傻干，邊看邊練事半功倍”。

3）夯實基礎知識。三維設計通常就是零件加工過程的計算機仿真。一般來說，機械設計人員一定要掌握機械制圖、公差與配合、機構學等基礎知識，了解制造工藝過程。

4）培養美學認識。現代的工業設計很大程度上依賴美學和工程學的結合。隨著社會的發展和進步，人們對產品的美觀程度有了較高的要求，要做設計必須從美學和工程學兩方面入手，工程方面在學校里學得很多，實踐中也會積累一些，美學則相對較難。

1.1.3 三維設計快速入門

1. 快速入門引例—啞鈴三維設計

下面通過在SolidWorks中建立圖1-3所示啞鈴的設計過程，領略三維設計的基本流程及特點。具體過程如下。

（1）造鈴片

1）新建零件。

選擇“文件”→“新建”命令，在彈出的“新建SolidWorks文件”對話框中，選中“零件”，單擊“確定”按鈕，進入SolidWorks“零件”造型界面。選擇“文件”→“保存”命令，在彈出的文件對話框中設文件名為“鈴片.sldprt”，單擊“保存”按鈕。

2）造片體。

●繪制截面：選擇右視基準面，單擊“草圖”工具欄上的“草圖繪制”→“圓”，單擊坐標原點，拖動繪制圓，單擊“智能尺寸”，選擇圓，將直徑設置為140mm，單擊“確定”按鈕。

●拉片體：在工具欄中單擊“特征”→“拉伸凸臺/基體”，如圖1-4所示，在“拉伸”對話框中選擇“兩側對稱”，設為40mm，單擊“確定”按鈕。

3）打通孔。

●繪孔圓：選鈴片端面，單擊草圖工具欄上的“草圖繪制”→“圓”，單擊坐標原點，拖動繪制圓，單擊“智能尺寸”，將圓直徑設置為24mm，單擊“確定”按鈕。

●切孔體：在工具條中單擊“特征”→“拉伸切除”，如圖1-5所示，設為“完全貫穿”，單擊“確定”按鈕。

4）倒圓角。

在工具條中單擊“特征”→“圓角”，如圖1-6所示，單擊圓柱面，選擇“完整預覽”單選按鈕，設圓角參數為5.00mm，單擊“確定”按鈕。最后選擇“文件”→“保存”命令。

（2）改手柄

1）另存為。

在啞鈴片編輯環境，選擇“文件”→“另存為”命令，設置文件名為“手柄.sldprt”，單擊“保存”按鈕。

2）改柄身。

●改直徑：如圖1-7所示，在設計樹中右擊“凸臺-拉伸1”，在彈出的快捷菜單中選擇“編輯草圖”，雙擊直徑尺寸，修改為30mm，單擊“確定”按鈕。單擊“更新”按鈕。

●改長度：如圖1-8所示，在設計樹中右擊“凸臺-拉伸1”，在彈出的快捷菜單中選擇“編輯特征”，將長度修改為200mm，單擊“確定”按鈕。

3）改柄頭。

●改左頭：在設計樹中右擊“切除-拉伸1”，在彈出的快捷菜單中選擇“編輯特征”，如圖1-9所示。選擇“給定深度”，“尺寸”為40mm，選擇“反側切除”復選框，單擊“確定”按鈕。

●刪圓角：在設計樹中右擊“圓角1”，在彈出的快捷菜單中選擇“刪除”命令，再在彈出的對話框中單擊“是”按鈕。

●鏡右頭：在“特征”工具欄中單擊“鏡像”，如圖1-10所示，選擇“鏡像面/基準面”為“右視基準面”，選擇“要鏡像的特征”為“切除-拉伸1”，單擊“確定”按鈕。

（3）裝啞鈴

1）生成新裝配。

單擊“標準”工具欄上的“新建”。在彈出的“新建Solidworks文件”對話框中選擇“裝配體”，然后單擊“確定”按鈕。

2）裝手柄。

在“插入零部件”對話框中單擊“瀏覽”按鈕，在圖1-11所示的對話框中，找到并選擇“手柄”文件后，單擊“打開”按鈕。再單擊“確定”按鈕即可插入杠鈴桿。選擇“文件”→“保存”命令，在彈出的對話框中設文件名為“啞鈴”，單擊“確定”按鈕。

3）裝左鈴片。

●插鈴片：在工具欄中單擊“裝配體”→“插入零部件”按鈕，單擊“瀏覽”按鈕，找到并選擇“鈴片”文件，單擊“打開”按鈕，在圖形區空白處單擊，即插入鈴片。

●設同心：在“裝配”工具欄上單擊“配合”按鈕，在圖形區中選中杠鈴桿柱面和杠鈴片孔圓柱面，如圖1-12所示，選中“同軸心”，單擊“確定”按鈕完成輪軸同心配合。重復上述步驟完成杠鈴桿和另一個杠鈴片的同心配合。

●設重合：在“裝配”工具欄上單擊“配合”按鈕，在圖形區中選中鈴片側面和手柄安裝面，如圖1-13所示，在“標準配合”中選擇“重合”，單擊“確定”按鈕。

4）裝右鈴片：重復上述步驟，插入另一個鈴片，結果如圖1-14所示，并保存為“啞鈴.sldasm”。

（4）出圖紙

1）生成新的工程圖文檔。

單擊“標準”工具欄上的“新建”按鈕，彈出“新建SolidWorks文件”對話框，單擊“工程圖”按鈕，單擊“確定”按鈕，彈出“新工程圖”窗口。

2）生成標準三視圖。

單擊“視圖布局”上的“標準三視圖”按鈕，在彈出的“標準三視圖”對話框中找到“啞鈴.sldasm”文件，并單擊“確定”按鈕。選擇“文件”→“保存”命令，在彈出的對話框中設“文件名”為“啞鈴”，單擊“確定”按鈕。

3）標注尺寸。

單擊“注解”工具欄上的“模型項目”按鈕，單擊“確定”按鈕，再單擊“是”按鈕，完成尺寸標注。保存為“啞鈴裝配圖.sldasm”。

（5）添材料

打開啞鈴裝配文件，如圖1-15所示，在裝配設計樹中右擊“手柄”中的“材質”，在彈出的快捷菜單中選擇“黃銅”，零件被賦予相應材料并變為相應顏色。重復上述步驟為鈴片之一設置“材料”為“紅銅”即可。

（6）稱質量

在啞鈴裝配環境中，選擇“評估”→“質量屬性”命令，彈出如圖1-16所示的“質量屬性”對話框，可知杠鈴質量為11.584千克。

（7）驗關聯

打開鈴片，如圖1-17所示，右擊“草圖1”，在彈出的快捷菜單中選擇“編輯草圖”，修改鈴片直徑為100mm。單擊工具欄上的“更新”按鈕，完成零件更新。然后，打開啞鈴裝配文件測量可見質量變為6.240千克；打開啞鈴工程圖，可見鈴片直徑變為100。這說明零件、裝配和工程圖是全相關的。

2. 三維設計的要點

（1）三維CAD軟件建模特點

由舉重啞鈴建模過程可見：SolidWorks等三維CAD軟件具有“機械制造仿真、所見即所得和牽一發動全身”的特點。

（2）三維設計的建模層次

由以上分析可知，三維設計分為4個層次：草圖、特征、零件和產品，如圖1-18所示。在三維設計中，“草圖設計是基礎，特征設計是關鍵，零件設計是核心，裝配設計是目標，圖紙設計是成果”。

（3）三維CAD軟件建模步驟

SolidWorks等三維CAD軟件一般都擁有“制零件、裝機械、出圖紙”的3種基本功能。各種基本功能的操作步驟可總結為以下三步曲。

●制零件：畫草圖、造特征、制零件。

●裝機械：添零件、設配合、裝機械。

●出圖紙：投視圖、添注解、出圖紙。