1.5 三维CAD技术的应用

CAD技术作为当代杰出的工程技术成就，已经从根本上改变了过去手工绘图，通过图纸组织整个生产过程的技术管理模式，成为企业提高产品质量，加速产品更新换代，增强竞争力的必备措施。目前CAD技术已从二维向三维过渡与转变，因此三维CAD技术已成为机械专业学生必须掌握的基本技术之一。与二维设计相比，三维CAD设计是在装配设计的大环境下建立的，它可以用统一的、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，而这也正是CAD技术的关键所在。

1.5.1 三维CAD设计的意义与作用

三维CAD系统中，用参数化约束设计零部件的尺寸关系，使得所设计的产品修改更容易，管理更方便。在装配设计中除了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思，也需要用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。三维CAD系统支持在装配环境下设计新零件，可以用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变动。它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。

三维CAD系统中，由于使用了统一的数据库，可借助于完整的三维实体模型、齐全的尺寸和几何约束、充分的参数驱动数据，来完成设计的修改和调整、零部件的装配、力学分析、运动仿真、数控加工等CAD设计过程。通过必要的模拟仿真，可以直接应用和指导生产。

三维CAD系统中，工程图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，在系统中可以根据三维模型的尺寸，自动生成二维尺寸，只需要对视图中个别线条进行调整，并标注工程符号，即可满足工程图的要求。由于三维CAD系统中三维/二维的全相关性，在不同的设计环境中的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，其他设计环境中的模型可以自动更新，从而可以使得设计的修改在三维与二维模型中保持一致。

在三维CAD系统中，可以调节渲染所设计产品的一些基本属性，如光源、模型属性（颜色等），还可以设置模型的纹理、反射、景深、阴影等效果，从而达到渲染产品外观的目的。

只有在三维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，达到事半功倍的效果。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应用的真正开始。

1.5.2 三维CAD的设计过程

如图1-10所示，采用三维CAD技术的产品开发大体上可以分为三个阶段：

第一阶段是设计阶段，又分产品设计和模具设计两部分，设计结果均以三维造型（模具设计有时以二维图）给出。计算机辅助技术在这一阶段的应用就称为CAD，而三维造型则是其中的核心部分。

第二阶段是分析阶段，即利用产品和模具的三维造型数据进行成型分析，其分析结果用于检验、指导和修正设计阶段的工作。例如对于塑料制品，其注射成型分析可预测产品成型的各种缺陷（如熔接痕、缩痕、变形等），从而优化产品设计和模具设计，避免因设计问题造成的模具返修，甚至报废。计算机辅助技术在这一阶段的应用称为CAE。

第三阶段是制造阶段，包括模具加工和产品成型。计算机辅助技术在这一阶段的应用称为CAM：其中的主要内容是利用模具三维造型数据进行的数控编程与数控加工。

1.5.3 三维造型技术的类型

三维造型指在计算机上对一个三维物体进行完整几何描述，三维造型是实现计算机辅助设计的基本手段，是实现工程分析、运动模拟及自动绘图的基础。计算机三维造型有以下几种类型：

1．线框造型

线框造型是CAD/CAM技术发展过程中最早应用的三维模型，用空间的线条构成物体的立体框架，它可以直观地表达整个物体的基本轮廓。这种模型表示的是物体的棱边，由物体上的点、直线和曲线组成。线框造型可用于进行基本的形体操作，如绘图、平移、旋转等。

2．曲面造型

曲面造型又叫表面造型，是在线框模型的基础上添加了面的信息。其描述具有一定光滑程度的曲面外形，由若干块曲面片拼接构成描述产品形状的曲面形状，能较精确地定义产品的三维几何形状。利用表面模型，就可以对物体进行剖面、消隐并获得数控加工所需要的表面信息等。曲面造型在工业造型设计中得到了广泛的应用。

3．实体造型

实体造型是以立方体、圆柱体、球体、锥体、环状体等多种基本体素为单位元素，通过集合运算（拼合或布尔运算），生成所需要的几何形体。实体造型严格定义一个几何物体形状，它与线框模型和曲面模型不同，实体造型可以精确地预测出任意复杂零件的体积、重量、惯性矩等物理性能参数。由实体造型生成的形体具有完整的几何信息，是真实而唯一的三维物体。

三维模型建立方法按照物体生成的方法不同可分为：体素法和扫描法。

（1）体素法。实体模型的构造常常采用在计算机内存储一些基本体素（如长方体、圆柱体、球体、锥体、圆环体以及扫描体等），通过集合运算（布尔运算）生成复杂形体。实体建模主要包括两部分，即体素的定义及描述和体素的运算（并、交、差）。

体素是现实生活中真实的三维实体。根据体素的定义方式，可分为两大类体素：一类是基本体素，如长方体、球、圆柱、圆锥、圆环、锥台等，如图1-11所示。另一类是扫描体素，又可分为平面轮廓扫描体素和三维实体扫描体素。

（2）扫描法。利用基体的变形操作实现表面形状较为复杂的物体的建模方法称为扫描法，扫描法又分为平面轮廓扫描和整体扫描两种方法。

基本原理：用曲线、曲面或形体沿某一路径运动后生成2D或3D的物体。扫描变换需要两个分量：一是给出一个运动形体，称为基体；另一个是指定形体运动的路径。

①平面轮廓扫描法。这种方法的基本设想是由任一平面轮廓在空间平移一个距离或绕一固定的轴旋转就会扫描出一个实体，如图1-12所示。

②整体扫描法。三维实体扫描法就是首先定义一个三维实体作为扫描基体，让此基体在空间运动，运动可以是沿某一方向移动，也可以是绕某一轴线转动，或绕某一点摆动，如图1-13所示。

4．参数化造型

参数化造型也称之为特征造型，是面向CAD/CAM集成的，向生产过程提供全面完整的产品信息的造型方法，如图1-14所示。它不仅包含产品的几何信息，更包含了产品的特征信息。

参数化造型主要技术特点如下：

基于特征：将某些具有代表性的几何形状定义为特征，并将其所有尺寸存为可调参数，进而形成实体，以此为基础来进行更为复杂的几何形体的构造。

全约束：将形状和尺寸联合起来考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的控制。

尺寸驱动：通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变；尺寸标注就不再是“注释”，而是驱动用的“参数”了。

全相关：尺寸参数的修改导致其他相关模块中的相关尺寸得以全盘更新。