三维设计是必然趋势

二维CAD更像是绘图工具，而应用CAD软件的宗旨是设计（Design），而不是绘图（Drawing），因此三维CAD才是企业产品设计长远发展的必然趋势。

软硬件技术创新的飞速发展，催生了新的CAD软件能力，而对设计与三维CAD技术的理解和使用，就是现在需要讨论并明确的基本问题，这些问题无论对用户还是软件商，都是很重要的。三维CAD技术发展到今天，无论是用户效果还是软件能力，进展是十分迅速的，未来可以用“任重道远”、“前途光明”来概括。笔者将从以下几个主要方面展开讨论，希望使读者对三维CAD技术有个更清晰的认知。

二维CAD的尴尬

任何设计总要绘图，因为工程师无法记住自己的设计（那怕是较简单）中的全部细节，图形表达就是惟一可能的方法; 而所表达的结果一定是与现有的，或者未来的真实结果直接相关。这些图首先是给设计者自己看，为了记住、研究和配凑设计自己的构思; 其次是给别的工程师看，为了互相讨论交流，共同合作完成设计; 最后是为了给制造者看，为了将设计意图在制造车间变成实际。

在设计的全过程中，构思的原始冲动是三维概念，这是毫无疑问的; 设计实施的结果也是三维实体，这也毫无疑问。在传统的设计中，在这两者之间的信息传递竟然全是二维的图形和文字表达，这种颠过来再倒过去的现象似乎是天经地义。为了能够比较圆满地做到这一点，学者们费尽心思，为我们制定了工程图表达标准，在学校里，教师用200多小时训练学生，是为了忘记人类的三维描述习惯，重新建立二维投影的表述规则，并在设计过程中进一步强化这些表述技术。

其实，产生这种现象的根本原因是人们还没能找到一种更合适的手段，在这个东西尚未制成的时候，就能用不太复杂的创建和解释。而当时可能的方法也就是绘图和写字了，这应当是惟一的原因。

二维CAD的出现，使得绘图的工具发生了变化，使人们解脱了图纸和铅笔的束缚。二维计算机绘图对于普及CAD技术曾经起到了极为重要的作用，也是进入更高层次的应用十分必要的技术准备。

但是，CAD技术的应用结果应当是 源于传统设计，并高于传统设计。而事实是到现在为止，二维CAD技术没能解决设计中最别扭的几个问题。换句话说，如果一个机械工程师，自我感觉绘图的能力不足，需要有人帮着绘图，我就想问这个工程师: “你还会做什么？你的看家本事最起码就是画图了！”在传统绘图设计过程中，工程师们感到最别扭的、最影响设计质量的、最需要有人辅助的几个问题是什么？常见的问题可能有下列几项:

复杂的投影线生成问题、漏标尺寸漏画图线的问题、机构的几何关系和运动关系的分析讨论问题、设计的更新与修改问题、设计工程管理问题、装配关系的确定问题、基于装配的关联设计问题等。

这些困扰着工程师设计过程的难点，从原理上说，要在基于二维工程图的基础上解决是很难实现的。这是因为工程图仅仅是设计结果的表达，还不是设计构思的真实表达。

CAD的核心任务: 关联与表达

什么是CAD的核心任务？可以很简单地概括为: 关联与表达，对设计的全过程进行关联与表达的全面支持。如果是这样，二维工程图只是这些需要支持的操作中的一小部分。CAD技术的目标究竟是什么？这是一个有很长历史的争论: “CAD中的D究竟是什么涵义，是Drawing还是Design”？

设计中肯定要生成二维工程图，这部分永远不能缺少。这是工程师最熟悉、困难最少的部分，所以对于相关软件这部分功能比较容易掌握; 这也是软件商们能比较清楚地理解并且实现的部分。但是这些并不是我们最急迫需要解决的部分，CAD中的D应当是Design。

1．什么是关联？

能单独地设计出一个零件吗？笔者的回答是: 绝对不能。即使是标准件的螺丝钉。因为从来没有任何零件可能被“单独”使用的，而任何零件被设计出来的惟一目的就是“与相关结构一起被使用。”

例如无把手的喝水用的纸杯子。没有见过直径200mm的这种设计，因为不可能卖出去。杯子是与人手“关联使用”的零件，因此设计时需要按照人类手的统计学大小设计杯子的主要尺寸和形状。可见，必须进行关联的（而不是独立的）、与相关零件配合进行的设计，才可能是正确的，这是任何设计师都应当理解和掌握的常识。这就是“关联”。

同理，无论使用什么样的CAD系统，使用中都必须始终把握“基于装配的关联设计”这样一种基础的数据结构和流程。至于人与软件各自负担多大比例的这种关联控制，随软件的能力而不同。由于CAD软件提供的功能的不同和算法的限制，这样的关联可能由使用者控制，可能用数据表控制，也可能由软件提供的某种功能实现。但无论如何，独立的零件设计是不可能实现的，除非您是“描图员”，照着已经设计好的底子抄图，或者照着已经设计好的底子建模，但这已不是“设计”的意思了。

在“抄图”的基础上讨论任何技术方法，实际上都没有意义，因为抄图不是设计。但是，确实有些使用者照着已有的设计图纸做了所有的零件模型，之后把它们堆砌在一起，做成看起来很像的机器，认为自己已经在三维设计了。甚至某些软件销售商，也把这样的范例作为自己软件功能优秀的证据，这实在是很可悲的现象。

2．为什么强调CAD软件的关联能力？

粗略地看设计，它是个不断配凑的过程。无论结果的表达是工程图还是三维模形，实质上都是“一系列设计条件和参数的关联”。例如: 螺旋桨的安装孔与发动机输出轴之间的设计关联，就是以输出轴作为设计基准，对安装孔做关联设计。

如果我们有办法在CAD软件中建立这种关联，那么在系列设计中，一旦更换了发动机，螺旋桨上的相关结构就能自动更新。这就是“关联”设计模式的出发点，也就是对实际设计思维的比较完整的表达。这也是任何可以称之为“设计”的思维中共性的、典型的东西。

笔者想明确强调，这种“关联”，不是某些CAD软件所带来的“新的设计思维”，而是把工程师设计过程中共性的规则“模拟实现”而已，在可处理的数据上能更精确、在几何模型关系上也越加接近完整。所以，CAD软件在表达设计思维中的“关联”能力，将成为考核这个软件设计支持能力的主要指标。

3．什么是表达？

人在设计零件时的原始冲动是三维的，是有颜色、材料、硬度、形状、尺寸、位置、相关零件、制造工艺等关联概念的三维实体，甚至是带有相当复杂的运动关系的三维实体。只是由于以前的手段有限，人们不得不共同约定了在某个象限中平行正投影的二维视图表达规则，用有限个相关联的二维投影图表达自己的三维设想。这种表达是不完整的，而且绘图和读图都要经过专门训练才能进行，这属于不完整的表达或者不实际的表达。

设计的原型存在于一个或几个工程师的头脑中，但是实现这个设计（包括确定方案、决定细节、制造零件、机器总装和调试等）可不是仅依靠这几个人就能完成的。所以，把设计师的想法完整地告诉给其他人，就是“表达”的典型任务。其中包括: 三维零件模型的设计思维表达、三维装配的设计思维表达、相关联的二维工程图、零件清单等，还应当包括: 真实渲染表达、装配分解、动作模拟等。

4．三维CAD可以完整地关联与表达

玉柴工程机械有限公司开发的挖掘机三维外观图，使用三维CAD后，新产品开发周期由5个月减少到1.5个月，工作效率提高3倍。

为什么三维CAD可以完整地关联与表达？因为这种方式可以最大限度地接近真实。

如果能直接以三维概念开始设计，在CAD软件支持下，这个模型至少有可能表达出设计构思的全部几何参数，对设计的辅助就很容易迅速扩大到全过程，设计的全部流程都能使用统一的数据。同时，二维工程图的表达仍然要遵守传统设计的要求，因为加工、装配现场还不可能安装计算机系统。这样，软件必须支持从三维生成二维工作图，并具备关联更改的能力; 为了能在设计中配凑和修改尺寸形状，支持软件又必须有三维实体全面尺寸约束和特征修改能力。

这样就有可能建立充分而完整的设计数据库，并以此为基础，进一步进行应力应变分析、制件质量属性分析、空间运动分析、装配干涉分析、CNC控制可加工性分析、高正确率的二维工程图生成、外观色彩和造型效果评价、商业广告造型与动画生成等一系列的表达需求都能充分满足。

这才是对设计全过程的有效辅助，这才是有明确技术效益和经济效益的CAD，还可以解决传统设计中的难点。这样做肯定会明显提高设计的质量，随之而来的是提高设计的速度。

陈伯雄

汉略（上海）信息技术有限公司产品设计部总监，著有《AutoCAD R14中文版高级应用教程》、《Inventor机械设计应用技术》、《Inventor R6机械设计应用――技巧与范例》等多部专著。曾任一汽Autodesk 集团培训中心主任、Autodesk中国地区ATC管理中心技术总监、大恒CAD事业部首席技术顾问、Autodesk中国专家顾问。

“用自己的技术，为别人解决问题，是最痛快的事情; 为别人解决问题，是提高自己、丰富自己最为有效的手段。想为中国人CAD应用水平的提高做几件实事，这就是理想。”

人是CAD系统的统帅

一个CAD系统的组成包括硬件、软件和使用者，无论设计软件的能力有多强，人的操作才是决定这个软件使用效果的决定性因素。同一个CAD软件在不同的人手中，会有相当不同的使用效果。这可能取决于下列条件: 对自己要做的设计的理解到底有多深？在建模之前的设计数据准备是否足够充分？对自己的专业设计经验和知识面到底有多宽？对自己使用的软件功能到底掌握了多少？

可见，在追求软件应用效果的时候，设计人员首先应当检查自己的准备是否充足。不能设想，一个设计经验不足的新工程师，会完成一个正确的三维零件模型。即使是对软件十分了解的应用程序开发商，也可能由于专业设计知识的贫乏，经常在他的程序中露怯，这样的例子相当常见。

工程师使用CAD系统，尤其是三维设计系统，原有的技术准备肯定不足，必须修正自己的一些概念，这是技术进步的必然。软件应用只靠自己“悟”，是要走许多弯路的; 还可能看了一些参考书，而书的作者无意中灌输了一些不正确的应用方法，而你却将这些方法当成权威的观点。总之，要完善自己的专业设计知识，要参加正规的软件应用培训，使自己在CAD系统中发挥统帅作用。

有这样一种观点: 按照软件的“设计理念”使用软件进行自己的设计。这种观点认为，CAD应用过程的主要因素是软件，而不是使用者，因此使用者需要克服自我，去适应软件。笔者认为这种观点是不对的，在专业设计问题上，最高权威不是软件，而是设计者。因此在CAD技术的应用过程中，必须“以我为主”，就是按照应用者的设计思路去使用软件的功能。这可能有以下几种结果:

用户的要求能够由软件功能直接完成，这当然是最顺利的，说明你选用这个软件的想法相当准确。

软件没有提供用户要求的直接功能，解决这类问题的方法不是顺应软件的功能而放弃这种功能要求，应当是采用迂回战术并实现，这说明软件的选择也是比较合适的。

软件没有提供用户要求的功能，迂回战术和专业程序补充也不能实现。这说明该软件不适合你的设计要求，或者是你提出了不合理的使用要求，比如想要绘制几个二维视图，要求软件生成对应的三维模型; 再如要求进行上万个零件的全参数化装配。之所以说这类要求不合理，是因为在实际的工程设计过程中，或者从人类现有的技术和思维结果上讨论，实现这样的要求是不可能的，或者是没有必要的。这种情况下，只能提高用户自己的设计能力和理论水平了。

总之，在任何CAD软件的使用上，必须以我（成熟的专业设计师）为主，以我的设计思路和原始数据为主，软件永远是辅助者。学习软件功能和操作方法的过程，就像学外语的过程，结果不是改变自己要表达的内容，而是改变表达的方法。按照软件的设计思路进行设计的观点，会使设计的精华，也就是工程师的创造性受到很大的限制。当然，如果仅是抄图，建立一个看起来像就行的三维模型，也就无所谓了。

另一方面，CAD技术中有不少“因为发明而产生的需求”。也就是说，可能因为CAD软件的介入，使传统的设计过程产生新的模式。例如: 在因特网上进行设计组的相互配合和设计结果的引用，设计素材库的建立与使用，设计数据结构的重新整理和定义等。

需要对软件深入的理解，才能掌握和使用这些新的技术方法。这是一些“源于传统设计、高于传统设计”的模式，仍是以传统设计技术为基础的，仍需要使用者在设计能力上具有足够的水平。

三维CAD应用前景广阔

创建三维零件模型，不仅仅是为了造型，正确的模型应当为以后的许多使用（如设计的修改和调整、参加装配、力学分析、运动分析、数控加工等）准备好充分的数据和参数驱动，这是造型的近期目标。这就要求所创建出的零件造型结构完整，尺寸和几何约束齐全、正确，并基于装配关系和装配使用进行关联设计。

由于大家不同专业的设计习惯、规则和经验等都相当不一致，这是造成机械设计CAD应用推广中的困难之一。以机械专业通用的情况进行分析，可以得出下面几个要点。

产品CAD设计的最终出路在于三维设计，这是无法回避的。早日进入三维设计，就会早一天取得经济效益和技术效益。三维设计软件必须有依照零件或者装配模型投影生成二维工程图的功能，并有关联的能力。使用三维CAD软件，对工程师对于自己设计的理解，提出了比现在更高的要求，以便掌握三维建模的主要思路和技巧。

以三维设计软件为平台，应至少集成进来有限元分析软件组成应用系统，才能真正提高设计质量。

CAD系统可能自动完成的是我们已经熟悉的、定型的设计过程。通过CAD系统软件，能给工程师提供许多包含确定设计经验的应用程序，达到设计知识传递和保存的作用。软件商在这方面能够进行富有成效的工作。

CAD系统之所以能够帮助工程师提高设计质量，是因为软件中包含有许多成熟的设计功能，可直接参与设计过程，对于防止设计错误具有明确的作用。从这个意义上讨论，对工程师的常规设计能力要求可以有所放松。当然，相关软件的编写是否能够符合专业设计的要求，也是必须注意的事情。三维CAD系统是技术创新和产品设计的有效辅助工具，对于大幅度替代试制、台架试验，对于各个设计部分的协调、配合，对于设计数据的管理和使用等，比起传统的二维设计软件，具有更大的实际意义。

三维CAD软件的使用，对于软件本身的功能和质量，对于软件应用的正规培训，对于售后技术支持，都提出了比二维设计系统更高的要求。

CAD软件的使用效果如何，关键在于软件使用者的各方面状况。在CAD系统中，人（用户）是最为关键的一方。许多企业的领导者，没有认识到这个问题的重要性。实际上，对于人才继续教育的投资，是企业技术进步投资中重要的、不可缺少的部分。

软件厂商举足轻重

通过对如下几个问题的分析和回答，可以看出，软件厂商对于三维CAD使用和发展的作用至关重要。

1．谁确立的规则？是软件设计者。

规则是软件设计者根据从一部分未来用户那里听说的设计需要、或者同类软件所的新功能，再经过自己的理解和总结之后，结合自己所掌握的数学模型和程序设计实现技术而确立的。

这里有两个要素: 一是数学模型的创建和使用，这是研究数学的人们创立的。随着技术进步，这个模型也在完善，能力逐渐加强，标志是能够越来越多地模拟人的思维和表达。所以我们看到CAD软件已经比过去的“能耐”大多了。但是，这种计算模型只不过是人类的一小部分思维的模仿，要做到完全地、同等能力地模仿人类在设计过程中的思维是不可能的。

二是软件工程师对专业设计需求的理解。这是最有问题的环节，要不怎么叫“隔行如隔山”，设计人员对于某设计的思考过程，很难被一个软件工程师真正理解。机械设计的“专业知识”可不是“常识”，也不是非专业人员能够很容易理解和掌握的，即便是机械设计手册中相关功能的软件实现之后，你可能还会感到许多不顺利，这就是规则上的差异。

因此，CAD使用者的规则与CAD创立者的规则不一致，这是在许多软件中的事实。虽然这种状况正在改进中，但将永远不可能满足需要。

2．谁来执行规则？是软件使用者。

软件使用者按照自己的设计需求，依据软件的规则（如果提供了对应的规则解释），来完成自己的使用过程。这些使用规则，在没有CAD软件之前就早已被确定和实施了，而且不可能依据软件能否做到而明显改变这些已有规则。

因此，执行者对于软件现有规则的理解和掌握程度，就成为使用软件中的瓶颈所在。客观设计规则和软件实际规则之间的差异是永恒的，只是会越来越小。

3．谁能解释规则？不甚明确。

这是个相当奇怪的现象，软件厂商在自己的使用说明中，都不肯明确地解释相关规则，只是说:“如果你怎样，于是会怎样。”究竟在内部按什么规则处理，极少能说明白。于是在使用CAD软件进行设计的过程中，最常见的现象是人在与软件较劲，这几乎是永恒的主题了: “你怎么就做不到这个要求呢？这不是很简单吗？”

谁来解决这个问题？谁来告诉我们在某软件中怎样实现我的设计要求的规则？利用软件的在线帮助不能解决问题，因为它只有某个功能的解释，而没有解决设计需求的方法; 还因为帮助文件的编写者不是软件编写者，可能也没有像用户一样深入地使用软件，其中的错误是不可避免的。教科书也很难解决问题，实际上许多作者对软件使用的理解还不如读者深透。

所以，软件厂商如果不能确切地解释自己的规则，还有谁能干这件事呢？

4．谁去完善规则？当然是软件开发商。

需要完善的具体内容和结果如何，将取决于他们对这些问题的理解。还是隔行如隔山，最后的结果不会完全是用户的意见，所以规则的完善还不会是用户所希望的那样。

笔者与CAD技术有着深厚的缘分，从CAD的设计使用者、到品头评足者、到二次开发者、到传播教学者，现在是CAD软件研发公司的产品设计部门主管，在亲手进行CAD设计功能的策划与实现。

笔者认为，三维CAD技术的使用和开发，可以用“任重道远”和“前途光明”两个词来形容。无论对于用户还是开发商，传播正确的基本概念和具体技术，则是推进用户与开发商双方进展的关键一环。随着我国逐渐从为别人制造的模式走向为自己设计的模式，三维CAD以及相关软件，必将成为工程师手里不可或缺的利器。

链接:协同CAD功能分析

■ 上海大学 刘锬

在信息化和数字化时代里，面对激烈的市场竞争环境，一个企业如何以团队精神（Team Work）和信息技术缩短其产品的开发周期（Time），提高产品质量（Quality），降低成本（Cost）和加强销售服务（Service）是其生存和发展的关键之一。这已经超越了设计人员个人的能力和单机的CAD 系统的功能，发展计算机支持的协同设计（CSCD）工具和系统已成为一种必然的需求。

与二维设计相比，三维设计具有以下优点: 直观; 能实现模拟装配并能快速检测零件间的配合干涉情况; 方便协同设计; 是实现CAD/CAM 一体化的基础; 从设计方案的三维模型，可以快速方便地获得传统的投影视图等。但实现利用三维CAD技术进行工程设计的过程中还需要解决一系列的相关技术问题，其中协同设计方法、模拟装配方法及零件间的配合干涉情况检测方法、图纸化方法等是技术难点。CAD协同系统通常包括如下功能。

1．图文档管理

对大多数企业来说，需要使用许多不同的计算机系统和不同的计算机软件来产生产品整个生命周期内所需要的各种数据，而这些计算机系统和软件有可能建立在不同的网络体系上。在这种情况下，工程CAD 协同设计平台的电子资料库和文档管理提供了对分布式异构数据的存储、检索和管理功能。电子资料的安全机制使管理员可定义不同的角色并赋予这些角色不同的数据访问权限和范围，通过给用户分配相应的角色使数据只能被经过授权的用户获取或修改。同时，在CAD 协同设计平台中对电子数据的与变更必须经过事先定义的审批流程后才能生效，这样就使用户得到的总是经过审批的正确信息。

2．工作流程管理

提供一种企业级的技术规范，包括办公流程管理和项目开发流程管理，办公流程管理包括来文登记与分发流程及文件起草与流程; 项目流程管理按项目任务合理组织工作流程，以便各工作小组成员能按指令相互协作，快速完成工作任务。同时还能跟踪工作任务进程，需要时可及时调整流程与项目任务再分配，获取最大效率。

3．项目管理

可以有效组织和管理项目实施过程中所涉及到的任务安排，任务计划开始与完成时间，人员组织安排等诸多要素。项目组的角色即项目组的成员，一个项目组中，由于其成员担任的职务不同，权限也不同。每个用户至少有一个角色，角色是完成某些系统功能所必备的身份。在实际操作中模型台将根据用户的等级、角色以及在团队中的身份，对用户的每一次操作做出权限判别。

4．协同设计中的版本控制问题

在协同设计中掌握产品的开发过程是十分必要的: 这是因为一个功能与性能完善的产品的问世，必然要经过创意、初样、中试、正样、定型、更新等不同阶段，每个阶段的设计及中间结果，都是在前一阶段结果的基础上进行增量式的设计，不是一切从头开始，这样既能保证产品质量控制也可缩短设计开发周期。因此，产品设计开发的版本管理与控制就显得十分重要，这在一般集中式产品设计中相对容易管理，然而在分布式协同设计中，由于多方人员参与设计、对象模型的不一致和多重性、数据库的分布性、同步控制的复杂性等原因，如何保证对设计产品的版本（数据库）有效的、有权限的、分散与集中相结合的、前后一致的、而又不是繁冗的管理控制就很关键。