CAD应用发展的必然趋势
摘要:绍三维设计特征的意义和应用， 全参数驱动三维模型应用的必要性和可能性； 以及基于CAD进行工程分析和数控加工自动编程的重要性。此外， 指出了AD三维设计技术发展的必然趋势。关键词： 计算机辅助设计； 三维设计； 二维设计； 全参数驱动
现代计算机技术和CAD应用软件技术的发展， 决定了CAD应用应当以显著提高设计质量和设计效率， 明显降低设计成本， 充分缩短设计、生产准备周期， 浓缩和提高优秀的设计经验， 提高整个设计技术的管理水平为目的。
1. 如何认识和理解真正意义的CAD
利用计算机及有关应用软件， 完成传统意义上的二维绘图设计， 人们称其为甩图板。由于现阶段仍以二维工程图作为主要技术文件， 用以指导生产且在一定程度上可以提高设计效率， 因此， 通常称其为CAD。在得到一定的普及之后， 可以发觉， 二维绘图在许多情况下， 不能 完全表述其设计意图， 难于完全表现出思维中零部件的材料、形状、尺寸、相关联零件等三维实体。由于以前手段的限制， 人们不得不通过若干个二维图来描述一个三维设想， 而它的不唯一和完整性， 必须不断修正和完善， 才能表达清楚。 现在人们能够在软件的支持下， 直接由思维中的三维模型开始设计， 有了表达全部几何参数和设计构想的可能， 使得整体设计过程能够在三维模型中分析与研究， 并能使用统一的数据 ， 因而能够更好地完善其设计思想， 从而使设计方案理想化。另外， 支持软件还必须有二维 /三维的全相关
能力， 这样， 无论从二维或是三维对设计的某个部件进行修改后， 能够立即 所有的修改工作。 应用统一的数据进行三维实体设计， 并以此为基础对整体设计或部件进行有限元分析、运动分析、装配的干涉检查、机构仿真、NC程序的自动编制、准确的二维工程图生成以及外形质感、颜色或动画外观效果的渲染。完成对全部设计过程的真正有效辅助的， 成为有明确的技术效果和显著经济效益的CAD。
2. 三维设计的意义与作用
三维CAD系统中的工程图设计与一般二维设计系统不完全相同， 三维CAD系统中的工程图设计可以直接由三维模型投影而成， 从而保证各个视图的正确性， 使用者只需要对视图中个别线条进行调整， 并标注工程符号， 即可满足工程图纸的要求。三维模型设计中包括了产品完整的几何结构， 还可以从三维模型中产生其他各种视图， 除基本标准的三视图外， 还可生成轴测图、向视图、各种剖视图、局部视图等。 由于三维CAD系统中三维/二维的全相关性， 那么， 在不同的设计环境中， 模型都是相互关联的，可以在三维、二维或其他设计环境中直接修改模型的结构和尺寸， 其他的模型可以自动更新。三维/二维的全相关可以保证设计的修改在三维与二维模型中保持一致。 通常的工程设计中， 可以根据三维模型的尺寸， 自动生成二维尺寸， 并可以灵活调整尺寸的种类和位置。
在三维的CAD产品设计中，可以调节渲染所设计产品的一些基本属性，如光源设置，模型属性(颜色、透明度、反射系数等)， 还可以设置模型的颜色、纹理、反射、景深、阴影等效果， 从而达到渲染产品外观的效果。 只有在三维的CAD设计中， 才可能建立进行有限元分析的原始基本数据， 进而实现产品的优化设计。用三维模型在装配状态下进行零件设计， 可避免实际的干涉现象起到事半功倍的作用。 凡此种种， 二维的绘图设计只能在局部勉强达到， 因此， 采用三维设计是设计理念的一种变革，是CAD的真正应用的开始。
3. 全参数化驱动三维模型应用的必要性与可能性
所谓设计模型的建立， 亦即设计数据库的填充过程。而建立数据库的目的， 是在以后的设计装配中引用和修改。其中的某些数据， 最终完成整个设计。因此不能进行参数驱动的三维模型， 在设计中几乎没多少用途。参数化驱动， 包含对于新设计的零件， 引用的标准件和借用件以及其他外部组件， 当然也包含了对各个零部件之间的装配关系、位置关系乃至运动关系等等。 在机械设计中， 设计模型， 就是各种机械零件的实际模型。所有的模型均可以分解成有限品种的构成特征， 而每一种构成特征， 又可以用有限的参数完全约束， 即参数化。因而， 现在的产品设
计中， 全部可以用参数化的三维模型来表述。
三维CAD系统中， 用参数化约束所设计零、部件的尺寸关系； 进而使得所设计的产品更易变更和修改， 管理起来也较二维设计方便可行。 在装配设计中除了在定义零部件之间的关系时需要采用参数化、变量化设计以外， 为了更好地表述设计者的构想意图，也需要参数化和变量化技术来建立装配体中各个零部件之间的特 征形状和尺寸之间的关系， 使得当其中某个零部件的形状和尺寸发生变化时， 其他相关零部件的结构与尺寸也随之改变。支持在装配环境下设计新零件的系统， 可以以已有零件的形状作为参考， 建立新零件与已有零件之间的形状关联。当参考零件的形状和尺寸发生变化时， 新零件的结构与尺寸也随之跟着变动。还可以利用参数化建立装配体中不同零部件之间的尺寸关联， 定义驱动尺寸和参考尺寸。 对于与有阵列分布的特征进行装配的情况， 如螺栓与陈列分布的孔进行装配， 则应能够自动完成其他螺栓与孔之间的装配设计。 诚然， 有些二维的参数化设计， 也可以减轻设计者的劳动强度， 适当地提高设计效率， 可以随心所欲地修改零件的形状和尺寸， 以达到完成设计更新的目的。但三维的参数化设计是在装配设计的大环境建立的， 它可以藉用统一的、无须人为更改的数据， 直接进行必要的结构强度等应力/应变分析， 以保证新设计符合实际工程需要， 而这也是CAD的关键这所在。
4. 三维模型在工程分析与NC编程中的应用
三维CAD系统中， 由于使用了统一的数据库， 在设计的过程中均可对其中的一部分或全部设计，针对将要应用的工作环境及技术要求， 进行应力/应变、结构强度、热力场等一系列的有限元分析计算， 当然必须建立在一系列的试验基础之上。通过分析， 反过来不断修改、完善设计思想， 使之达到统一的完满。例如， 钢结构设计， 通过采用优化设计， 即可节约大量的钢材和型材。
二维的CAD系统中， 由于无法建立可用于工程分析的实体模型， 对设计中的结构强度及热力场分布等计算， 只能依赖于书本中的有关计算公式， 且计算量和劳动强度均很大。如若设计修改， 一切数据都需要重新计算。以致设计出“傻、大、黑、粗”的产品， 既无技术效果可言， 又无经济效益可谈。
三维CAD系统中， 可藉助于三维实体模型及完整的造型结构， 齐全的尺寸和几何约束， 充分的可以参数驱动的数据， 以便完成设计的修改和调整， 零部件的装配、力学分析、运动分析 、模拟仿真、数控加工等CAD设计过程。针对零件未来制造和使用过程的概要表达， 加工方法要求、热处理要求、工件材质、加工测量、加工定位基准的选定及其他一些必须的工艺 求， 利用系统的自动编程和后处理功能， 实现NC自动化编程。再通过必要的模拟仿真， 达到可以直接应用和指导生产。而二维CAD系统将无法完成上述工作， 且人工编程易于受各种不确定因素的干扰， 所编NC程序， 工作效率也难以达到要求 。
5. 结束语
由于不同种类专业的设计习惯、规则、经验、试验方法都不一样， 使三维CAD的推广应用在 一定程度上遇到一些困难。这就要求在选择三维CAD软件时必须充分论证， 选择适合自己专业类别的软件应用， 以达到事半功倍的效果。
三维CAD系统是技术创新和产品设计的有效辅助工具， 也是产品设计的最终出路， 这是无法回避的。如果再集成有有限元分析软件， 将更加显著地提高设计质量和效果。对于大幅度替代或减少试制各个设计部门的协调、配合、设计数据的管理和使用， 具有更大的实际意义。 早日使用三维设计，就会及早取得经济和技术效益， 因为它是CAD应用发展的必然趋势。
作者:张炜男，高级工程师。自20世纪80年代起从事CAD/CAM工作，多次领导主持完成CAD/CAE/CAM 软、
硬件的技术选型工作。主持完成过“微电子技术改造传统产业示范”、“冰山集团CMIS 应用示范”、“冰
山集团CAD应用工程”等工程项目。 摘要:绍三维设计特征的意义和应用， 全参数驱动三维模型应用的必要性和可能性； 以及基于CAD进行工程分析和数控加工自动编程的重要性。此外， 指出了AD三维设计技术发展的必然趋势。
关键词： 计算机辅助设计； 三维设计； 二维设计； 全参数驱动
现代计算机技术和CAD应用软件技术的发展， 决定了CAD应用应当以显著提高设计质量和设计效率， 明显降低设计成本， 充分缩短设计、生产准备周期， 浓缩和提高优秀的设计经验， 提高整个设计技术的管理水平为目的。
1. 如何认识和理解真正意义的CAD
利用计算机及有关应用软件， 完成传统意义上的二维绘图设计， 人们称其为甩图板。由于现阶段仍以二维工程图作为主要技术文件， 用以指导生产且在一定程度上可以提高设计效率， 因此， 通常称其为CAD。在得到一定的普及之后， 可以发觉， 二维绘图在许多情况下， 不能 完全表述其设计意图， 难于完全表现出思维中零部件的材料、形状、尺寸、相关联零件等三维实体。由于以前手段的限制， 人们不得不通过若干个二维图来描述一个三维设想， 而它的不唯一和完整性， 必须不断修正和完善， 才能表达清楚。 现在人们能够在软件的支持下， 直接由思维中的三维模型开始设计， 有了表达全部几何参数和设计构想的可能， 使得整体设计过程能够在三维模型中分析与研究， 并能使用统一的数据 ， 因而能够更好地完善其设计思想， 从而使设计方案理想化。另外， 支持软件还必须有二维 /三维的全相关
能力， 这样， 无论从二维或是三维对设计的某个部件进行修改后， 能够立即 所有的修改工作。 应用统一的数据进行三维实体设计， 并以此为基础对整体设计或部件进行有限元分析、运动分析、装配的干涉检查、机构仿真、NC程序的自动编制、准确的二维工程图生成以及外形质感、颜色或动画外观效果的渲染。完成对全部设计过程的真正有效辅助的， 成为有明确的技术效果和显著经济效益的CAD。
2. 三维设计的意义与作用
三维CAD系统中的工程图设计与一般二维设计系统不完全相同， 三维CAD系统中的工程图设计可以直接由三维模型投影而成， 从而保证各个视图的正确性， 使用者只需要对视图中个别线条进行调整， 并标注工程符号， 即可满足工程图纸的要求。三维模型设计中包括了产品完整的几何结构， 还可以从三维模型中产生其他各种视图， 除基本标准的三视图外， 还可生成轴测图、向视图、各种剖视图、局部视图等。 由于三维CAD系统中三维/二维的全相关性， 那么， 在不同的设计环境中， 模型都是相互关联的，可以在三维、二维或其他设计环境中直接修改模型的结构和尺寸， 其他的模型可以自动更新。三维/二维的全相关可以保证设计的修改在三维与二维模型中保持一致。 通常的工程设计中， 可以根据三维模型的尺寸， 自动生成二维尺寸， 并可以灵活调整尺寸的种类和位置。
在三维的CAD产品设计中，可以调节渲染所设计产品的一些基本属性，如光源设置，模型属性(颜色、透明度、反射系数等)， 还可以设置模型的颜色、纹理、反射、景深、阴影等效果， 从而达到渲染产品外观的效果。 只有在三维的CAD设计中， 才可能建立进行有限元分析的原始基本数据， 进而实现产品的优化设计。用三维模型在装配状态下进行零件设计， 可避免实际的干涉现象起到事半功倍的作用。 凡此种种， 二维的绘图设计只能在局部勉强达到， 因此， 采用三维设计是设计理念的一种变革，是CAD的真正应用的开始。
3. 全参数化驱动三维模型应用的必要性与可能性
所谓设计模型的建立， 亦即设计数据库的填充过程。而建立数据库的目的， 是在以后的设计装配中引用和修改。其中的某些数据， 最终完成整个设计。因此不能进行参数驱动的三维模型， 在设计中几乎没多少用途。参数化驱动， 包含对于新设计的零件， 引用的标准件和借用件以及其他外部组件， 当然也包含了对各个零部件之间的装配关系、位置关系乃至运动关系等等。 在机械设计中， 设计模型， 就是各种机械零件的实际模型。所有的模型均可以分解成有限品种的构成特征， 而每一种构成特征， 又可以用有限的参数完全约束， 即参数化。因而， 现在的产品设
计中， 全部可以用参数化的三维模型来表述。
三维CAD系统中， 用参数化约束所设计零、部件的尺寸关系； 进而使得所设计的产品更易变更和修改， 管理起来也较二维设计方便可行。 在装配设计中除了在定义零部件之间的关系时需要采用参数化、变量化设计以外， 为了更好地表述设计者的构想意图，也需要参数化和变量化技术来建立装配体中各个零部件之间的特 征形状和尺寸之间的关系， 使得当其中某个零部件的形状和尺寸发生变化时， 其他相关零部件的结构与尺寸也随之改变。支持在装配环境下设计新零件的系统， 可以以已有零件的形状作为参考， 建立新零件与已有零件之间的形状关联。当参考零件的形状和尺寸发生变化时， 新零件的结构与尺寸也随之跟着变动。还可以利用参数化建立装配体中不同零部件之间的尺寸关联， 定义驱动尺寸和参考尺寸。 对于与有阵列分布的特征进行装配的情况， 如螺栓与陈列分布的孔进行装配， 则应能够自动完成其他螺栓与孔之间的装配设计。 诚然， 有些二维的参数化设计， 也可以减轻设计者的劳动强度， 适当地提高设计效率， 可以随心所欲地修改零件的形状和尺寸， 以达到完成设计更新的目的。但三维的参数化设计是在装配设计的大环境建立的， 它可以藉用统一的、无须人为更改的数据， 直接进行必要的结构强度等应力/应变分析， 以保证新设计符合实际工程需要， 而这也是CAD的关键这所在。
4. 三维模型在工程分析与NC编程中的应用
三维CAD系统中， 由于使用了统一的数据库， 在设计的过程中均可对其中的一部分或全部设计，针对将要应用的工作环境及技术要求， 进行应力/应变、结构强度、热力场等一系列的有限元分析计算， 当然必须建立在一系列的试验基础之上。通过分析， 反过来不断修改、完善设计思想， 使之达到统一的完满。例如， 钢结构设计， 通过采用优化设计， 即可节约大量的钢材和型材。
二维的CAD系统中， 由于无法建立可用于工程分析的实体模型， 对设计中的结构强度及热力场分布等计算， 只能依赖于书本中的有关计算公式， 且计算量和劳动强度均很大。如若设计修改， 一切数据都需要重新计算。以致设计出“傻、大、黑、粗”的产品， 既无技术效果可言， 又无经济效益可谈。
三维CAD系统中， 可藉助于三维实体模型及完整的造型结构， 齐全的尺寸和几何约束， 充分的可以参数驱动的数据， 以便完成设计的修改和调整， 零部件的装配、力学分析、运动分析 、模拟仿真、数控加工等CAD设计过程。针对零件未来制造和使用过程的概要表达， 加工方法要求、热处理要求、工件材质、加工测量、加工定位基准的选定及其他一些必须的工艺 求， 利用系统的自动编程和后处理功能， 实现NC自动化编程。再通过必要的模拟仿真， 达到可以直接应用和指导生产。而二维CAD系统将无法完成上述工作， 且人工编程易于受各种不确定因素的干扰， 所编NC程序， 工作效率也难以达到要求 。
5. 结束语
由于不同种类专业的设计习惯、规则、经验、试验方法都不一样， 使三维CAD的推广应用在 一定程度上遇到一些困难。这就要求在选择三维CAD软件时必须充分论证， 选择适合自己专业类别的软件应用， 以达到事半功倍的效果。
三维CAD系统是技术创新和产品设计的有效辅助工具， 也是产品设计的最终出路， 这是无法回避的。如果再集成有有限元分析软件， 将更加显著地提高设计质量和效果。对于大幅度替代或减少试制各个设计部门的协调、配合、设计数据的管理和使用， 具有更大的实际意义。 早日使用三维设计，就会及早取得经济和技术效益， 因为它是CAD应用发展的必然趋势。
作者:张炜男，高级工程师。自20世纪80年代起从事CAD/CAM工作，多次领导主持完成CAD/CAE/CAM 软、
硬件的技术选型工作。主持完成过“微电子技术改造传统产业示范”、“冰山集团CMIS 应用示范”、“冰
山集团CAD应用工程”等工程项目。 总结的挺有用的。
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