本文就裝備制造業(yè)的振興與三維 CAD技術在機械設計中的應用談一點看法，以供業(yè)內(nèi)同行借鑒參考。

一、CAD技術應用的現(xiàn)狀

所有的設計都要畫圖，這是因為工程師無法完毅記住自己所作設計中的全部細節(jié) (那怕是較簡單的)，用文字記載也不完整，因此圖形表達就是唯一的方法。這些圖首先是給設計者自己看，為了記住和研究設計構(gòu)思:其次是給別的工程師看，為 了互相討論交流:最后是為了給制造者看，為了將設計意圖變成實物。在設計的全過程中.原始構(gòu)思是三維 (3D)實體，這也是毫無疑問的。但是，在傳統(tǒng)的設計中，這兩者之間的信息傳遞竟然完全依靠二維(2D)的圖形表達。以AutoCAD為代表的2D圖形數(shù) 字化軟件對于CAD技術在我國的普及應用起到了重要的作用，也為今天CAD技術的發(fā)展奠定了十分必要的技術基礎。

然而2D機械CAD技術沒能解決傳統(tǒng)設計中的一些問題，對提高設計質(zhì)量的作用有限，那么影響設計質(zhì)量和效益的一些問題是什么?筆者認為有以下幾點:

1、復雜的投影線生成

對于繪制鑄鍛件毛坯的零件圖，輪廓的相貫線和截交線畫不明白，設計師常常在繪制 2D圖紙時相當頭疼。

2、漏標尺寸，漏畫圖線

即使經(jīng)過幾個人的審校，漏標尺寸和缺少線條的現(xiàn)象仍時有發(fā)生。

3、應力應變分析

修改零件 (如連桿)的尺寸是很容易的，問題是怎么改。要修改必須進行力學分析，否則這個連桿斷了怎么辦?國外的產(chǎn)品設計小巧輕，而我們的同類產(chǎn)品設計卻傻大笨重，且剛度不好。

4、數(shù)控加工處理

經(jīng)常有這樣的情況，按照國外的產(chǎn)品成型制塑料制品，一眼就看出來不一樣。為什么?我們注塑模具沒有給出足夠的局部收縮鼻。在這些復雜的三維問題上，依賴傳統(tǒng)的 2D設計方法無法解決。

5、設計的更新與修改

CAD 應用中的設計工程管理工作也變得日益重要，有些 CAD 應用單位，已積累了成千上萬張的圖紙，而且在繼續(xù)增多。這些文件中除了圖形信息外，還有大量的設計參數(shù)等非圖形信息，不僅要管理圖形信息，還需要工具軟件來處理這些復雜的設計參數(shù)管理問題。

二、關于2D圖形的繪制

"CAD"的 "D"是什么的問題長期以來沒有共識，其原因有三:一是多年以來 CAD軟件屬于較幼稚的系統(tǒng)，其能力較弱，事實上AutoCAD R9之前的版本只適于畫2D圖形:二是相關軟件開發(fā)商中往往缺乏工程設計經(jīng)驗，不能深刻理解實際設計過程和具體加工方法:三是機械設計是各種設計中比較麻 煩和比較不規(guī)范的，而其中比較容易做的事也就是畫2D工程圖。實際設計中，2D繪圖工作中包括抄圖，但重要的是創(chuàng)建新結(jié)構(gòu)的圖形表達方法。譬如說設計一根車床主軸，在開始構(gòu)思時，說不準應有幾段臺階，各有多長。開始制定的粗略數(shù)據(jù)，很可能在以后的設計過程中被修改得面目全非，只是到了設計快結(jié)束時，主軸的參數(shù)才 真止明確下來，所以說實際上零件具體參數(shù)并不是在設計一開始就能確定的。一般的設計過程，總要經(jīng)過方案草圖、裝配草圖、拆零部件圖、正式總裝圖這樣的四部 分繪圖工作。因此說 2D 圖形繪制的方法是輔助繪圖而非輔助設計。

因此工程師盼望著 CAD技術在輔助設計方面的用處。實際上AutoCAD在2D圖形處理中的幾何設計功能極強，精度也非常可靠，在掌握了操作技巧或者用不太復雜的 AutoLISP程序輔助一下，就能解決許多數(shù)學解析法難以解決的工程數(shù)據(jù)求解問題，所以筆者認為，"Design設計"才是應用 CAD 的真正益處，它能有效地提高設計質(zhì)量。

三、從三維開始設計是必然趨勢

人在現(xiàn)實生活中看到的3D實體，是有顏色、材料、硬度、形狀、尺寸、位置等概念的實體，甚至是帶有相當復雜的運動關系的3D實體。由于以前的表達手段有 限，在機械制圖中人們不得不共同約定了與第一象限平行正投影的規(guī)則，用幾個相關聯(lián)的2D投影圖表達自己的3D設計。這種信息表達是不完整的，而且繪圖、讀 圖要經(jīng)過專門訓練，如果能直接從 3D概念開始設計，這樣的 3D模型就能表達出設計構(gòu)思所需的全部幾何參數(shù)。只有從三維開始設計，CAD軟件對設計的輔助作用就會很容易擴展和貫穿到產(chǎn)品開發(fā)全過程。

從3D開始的設計，仍然需要2D工程圖的表達，而且要遵守傳統(tǒng)設計的規(guī)范，因此作為CAD基礎軟件，必須具各從3D白動生成2D的工程圖。并且具有雙向關 聯(lián)的能力。以此為基礎，進一步進行應力應變分析、零件質(zhì)量屬性分析、空間運動分析、裝配千涉分析、數(shù)字控制可加工性分析、準確的 2D工程圖生成、外觀色彩和造型效果評價、裝配產(chǎn)品爆炸圖、產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)管理等一系列的需求都應能充分予以滿足，這才是 CAD技術對設計全過程的有效的輔助，而且是有明確技術效益和經(jīng)濟效益的 CAD.因此，傳統(tǒng)的以 2D工程圖為主的圖形設計的資料管理將變成 3D設計數(shù)據(jù)的保存和管理，從而使高職院校的機械制圖課就可以大幅度刪減，盡量保留學生的3D原始概念，隨之而來的是 2DC程圖的畫法也應隨之大幅度簡化。

美國Autodesk公司的產(chǎn)品INVENTOR是目前的很好用的軟件之一。它是建立在 AutoCAD2002的基礎上，具有AutoCAD的全部2D圖形處理功能，并且增加了大量針對機械設計的支持功能。它對于 3D造型，是基于特征、基于尺寸約束和兒何約束的參數(shù)化造型方法，有較好的3D與2D雙向關聯(lián)的能力。對于 3D曲面，有良好的造型、修整功能.INVENTOR的另一大特色是為其他公司的應用軟件集成到特定的用戶環(huán)境下提供了相當方便的二次開發(fā)接口，這也是對 傳統(tǒng) AutoCAD開放結(jié)構(gòu)的有效繼承和發(fā)展。

對于復雜的投影線生成，漏標尺寸，漏畫圖線的問題，在INVENTOR中是很容易解決的、在INVENTOR中，并不直接生成2D 工程圖，而是首先繪制草圖，僅對某些標注尺寸而要人為作些修改和補充。

正確可靠的 2D投影線，意味若拜易畫錯的復雜投影和漏畫圖線的事不會發(fā)生了，對于標尺寸的問題，在INVENTOR中是自動解決的，如果對 3D造型的尺寸約束不完格，INVENTOR會提示你缺少若干個尺寸或幾何約束，因此很少會漏標尺寸。

INVENTOR中參數(shù)化特征建模功能，在處理由切削加工方式所得到的實體時，可以說是100%成功，那怕是含有相當復雜的造型和尺寸。而對于有大量過渡 圓角和拔模斜度的鑄般造零件，也有相當滿意的成功率。總之，對中等復雜程度的零件造型和全部尺寸驅(qū)動都是完美的。對于更加復雜的曲面設計表達與產(chǎn)品造 型，INVENTOR中的曲面模塊具有相當出色的功能，工程設計人員終于有了一個真正得力的助手。

對于部件機構(gòu)的空間運動和動力學的分析討論，在完成了3D設計的概念后，在INVENTOR中加載相關的專業(yè)應用軟件就可以進行，其操作和結(jié)果都和我們很 熟悉的 AutoCAD用戶界面相似。對于應力應變分析，我們同時結(jié)合有限元分析軟件如(Dynamic Designer , Visual Nastran FEA)，可以對復雜的機械系統(tǒng)進行完整的運動學和動力學仿真。能夠計算出機械系統(tǒng)零件的運動情況，包括位移、速度、加速度和作用力及反作用力，還可以作 山零件的強度和結(jié)構(gòu)分析。

由于 INVENTOR是以參數(shù)化三維特征建模為設計數(shù)據(jù)的表達，所以對于數(shù)控加工的分析處理提供了得天獨厚的條件。目前基于INVENTOR開發(fā)的多種CAM 軟件也有許多，如從2D到3D粗加工、半精加工到最后的精加工，從刀位軌跡生成到數(shù)控 (NC)代碼轉(zhuǎn)換，都是十分順利的:處理速度也相當快。

對于設計的更新與修改，INVENTOR也有獨到之處，NIVENTOR中的三維建模模塊本來就是3D參數(shù)化造型系統(tǒng)。例如尺寸修改，可以在 3D造型上修改，也可以在與之相關 2D工程圖上修改，然后重新生成3D模型和2D相關圖紙。對于設計下程管理，這只能由中國人自己完成，因為我們的設計習慣和管理要求與國外有所不同。目前 國內(nèi)己有一些優(yōu)秀的軟件和解決方案，如 (Morrowsoft,CAXA)協(xié)同管理解決方案，通過應用 OA,ERP等現(xiàn)代信息化管理工具，將極大地提高企業(yè)資源配置和生產(chǎn)流程管理能力。

四、三維CAD技術應用的幾點思考

1.掌握和運用3D設計軟件是有難度的

據(jù)筆者的經(jīng)驗，高職學生年輕，學得快但用得不好;面向企業(yè)經(jīng)驗豐富的工程師，大多數(shù)己不適應按 3D概念進行設計構(gòu)思，他們用平行正投影表達 3D實體的思考方法己根深蒂固了。在學習3D設計軟件之前，針對高職學生就是首先要解決基礎知識和技術準備的問題。

2、任課教師本身的水平和經(jīng)驗不夠，這可能是教學中最致命的問題

比起 2D圖形處理來說，3D設計更需要進行培訓，不少學生用AutoCAD畫2D圖相當熟練，但在進入 3D設計時，無論從概念還是造型技巧上，都感到相當生疏。高職院校應該加人資金投入，對任課教師培訓，使他們盡早成為"雙師型"。

3、學校實訓設備問題

在 CAD系統(tǒng)中有三個成員:硬件、軟件和使用者，使用者是這個系統(tǒng)中的重要因素;設備在 CAD 系統(tǒng)的應用效果上起著關鍵作用。必須明確使用 CAD系統(tǒng)要解決什么問題?怎樣的結(jié)果才是想要的?什么功能對學校的專業(yè)設計是最關鍵的?并不是軟件功能越多、越強就越好，要看做什么用。所以必須結(jié)合高 職院校人才培養(yǎng)目標、專業(yè)建設和教學實際需求，合理有效并且經(jīng)濟地配置資源。

綜上所述，使用 INVENTOR為主要支撐軟件的3D設計系統(tǒng)，明顯提高機械CAD應用效果的條件己經(jīng)基本具備，我們應當重新對CAD技術在機械設計中的應用效果及水平 和投入規(guī)模進行確認，努力提高教學質(zhì)量和學生動手能力、從CAD/CAE/CAM的系統(tǒng)集成入手，采用合理的3D設計解決方案，正確選擇代表 CAD技術開發(fā)方向的專業(yè)增值軟件，大力開展產(chǎn)學研訓相結(jié)合，真正將 CAD 的軟、硬件和師資投入轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，轉(zhuǎn)化為高職院校的社會效益和經(jīng)濟效益。

免費下載3D可視化方案：