1.5 三維CAD技術(shù)的應(yīng)用

CAD技術(shù)作為當(dāng)代杰出的工程技術(shù)成就，已經(jīng)從根本上改變了過去手工繪圖，通過圖紙組織整個(gè)生產(chǎn)過程的技術(shù)管理模式，成為企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量，加速產(chǎn)品更新?lián)Q代，增強(qiáng)競爭力的必備措施。目前CAD技術(shù)已從二維向三維過渡與轉(zhuǎn)變，因此三維CAD技術(shù)已成為機(jī)械專業(yè)學(xué)生必須掌握的基本技術(shù)之一。與二維設(shè)計(jì)相比，三維CAD設(shè)計(jì)是在裝配設(shè)計(jì)的大環(huán)境下建立的，它可以用統(tǒng)一的、無須人為更改的數(shù)據(jù)，直接進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等應(yīng)力/應(yīng)變分析，以保證新設(shè)計(jì)符合實(shí)際工程需要，而這也正是CAD技術(shù)的關(guān)鍵所在。

1.5.1 三維CAD設(shè)計(jì)的意義與作用

三維CAD系統(tǒng)中，用參數(shù)化約束設(shè)計(jì)零部件的尺寸關(guān)系，使得所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品修改更容易，管理更方便。在裝配設(shè)計(jì)中除了定義零部件之間的關(guān)系時(shí)需要采用參數(shù)化、變量化設(shè)計(jì)以外，為了更好地表述設(shè)計(jì)者的構(gòu)思，也需要用參數(shù)化和變量化技術(shù)來建立裝配體中各個(gè)零部件之間的特征形狀和尺寸之間的關(guān)系，使得當(dāng)其中某個(gè)零部件的形狀和尺寸發(fā)生變化時(shí)，其他相關(guān)零部件的結(jié)構(gòu)與尺寸也隨之改變。三維CAD系統(tǒng)支持在裝配環(huán)境下設(shè)計(jì)新零件，可以用已有零件的形狀作為參考，建立新零件與已有零件之間的形狀關(guān)聯(lián)。當(dāng)參考零件的形狀和尺寸發(fā)生變化時(shí)，新零件的結(jié)構(gòu)與尺寸也隨之變動(dòng)。它還可以利用參數(shù)化建立裝配體中不同零部件之間的尺寸關(guān)聯(lián)，定義驅(qū)動(dòng)尺寸和參考尺寸。

三維CAD系統(tǒng)中，由于使用了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，可借助于完整的三維實(shí)體模型、齊全的尺寸和幾何約束、充分的參數(shù)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，來完成設(shè)計(jì)的修改和調(diào)整、零部件的裝配、力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)仿真、數(shù)控加工等CAD設(shè)計(jì)過程。通過必要的模擬仿真，可以直接應(yīng)用和指導(dǎo)生產(chǎn)。

三維CAD系統(tǒng)中，工程圖可以直接由三維模型投影而成，從而保證各個(gè)視圖的正確性，在系統(tǒng)中可以根據(jù)三維模型的尺寸，自動(dòng)生成二維尺寸，只需要對(duì)視圖中個(gè)別線條進(jìn)行調(diào)整，并標(biāo)注工程符號(hào)，即可滿足工程圖的要求。由于三維CAD系統(tǒng)中三維/二維的全相關(guān)性，在不同的設(shè)計(jì)環(huán)境中的模型都是相互關(guān)聯(lián)的，可以在三維/二維或其他設(shè)計(jì)環(huán)境中直接修改模型的結(jié)構(gòu)和尺寸，其他設(shè)計(jì)環(huán)境中的模型可以自動(dòng)更新，從而可以使得設(shè)計(jì)的修改在三維與二維模型中保持一致。

在三維CAD系統(tǒng)中，可以調(diào)節(jié)渲染所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的一些基本屬性，如光源、模型屬性（顏色等），還可以設(shè)置模型的紋理、反射、景深、陰影等效果，從而達(dá)到渲染產(chǎn)品外觀的目的。

只有在三維CAD設(shè)計(jì)中，才可能建立進(jìn)行有限元分析的原始基本數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)。用三維模型在裝配狀態(tài)下進(jìn)行零件設(shè)計(jì)，可避免實(shí)際的干涉現(xiàn)象，達(dá)到事半功倍的效果。凡此種種，二維的繪圖設(shè)計(jì)只能在局部勉強(qiáng)達(dá)到，因此，采用三維設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)理念的一種變革，是CAD應(yīng)用的真正開始。

1.5.2 三維CAD的設(shè)計(jì)過程

如圖1-10所示，采用三維CAD技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)大體上可以分為三個(gè)階段：

第一階段是設(shè)計(jì)階段，又分產(chǎn)品設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)兩部分，設(shè)計(jì)結(jié)果均以三維造型（模具設(shè)計(jì)有時(shí)以二維圖）給出。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在這一階段的應(yīng)用就稱為CAD，而三維造型則是其中的核心部分。

第二階段是分析階段，即利用產(chǎn)品和模具的三維造型數(shù)據(jù)進(jìn)行成型分析，其分析結(jié)果用于檢驗(yàn)、指導(dǎo)和修正設(shè)計(jì)階段的工作。例如對(duì)于塑料制品，其注射成型分析可預(yù)測產(chǎn)品成型的各種缺陷（如熔接痕、縮痕、變形等），從而優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)，避免因設(shè)計(jì)問題造成的模具返修，甚至報(bào)廢。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在這一階段的應(yīng)用稱為CAE。

第三階段是制造階段，包括模具加工和產(chǎn)品成型。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在這一階段的應(yīng)用稱為CAM：其中的主要內(nèi)容是利用模具三維造型數(shù)據(jù)進(jìn)行的數(shù)控編程與數(shù)控加工。

1.5.3 三維造型技術(shù)的類型

三維造型指在計(jì)算機(jī)上對(duì)一個(gè)三維物體進(jìn)行完整幾何描述，三維造型是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的基本手段，是實(shí)現(xiàn)工程分析、運(yùn)動(dòng)模擬及自動(dòng)繪圖的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)三維造型有以下幾種類型：

1．線框造型

線框造型是CAD/CAM技術(shù)發(fā)展過程中最早應(yīng)用的三維模型，用空間的線條構(gòu)成物體的立體框架，它可以直觀地表達(dá)整個(gè)物體的基本輪廓。這種模型表示的是物體的棱邊，由物體上的點(diǎn)、直線和曲線組成。線框造型可用于進(jìn)行基本的形體操作，如繪圖、平移、旋轉(zhuǎn)等。

2．曲面造型

曲面造型又叫表面造型，是在線框模型的基礎(chǔ)上添加了面的信息。其描述具有一定光滑程度的曲面外形，由若干塊曲面片拼接構(gòu)成描述產(chǎn)品形狀的曲面形狀，能較精確地定義產(chǎn)品的三維幾何形狀。利用表面模型，就可以對(duì)物體進(jìn)行剖面、消隱并獲得數(shù)控加工所需要的表面信息等。曲面造型在工業(yè)造型設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。

3．實(shí)體造型

實(shí)體造型是以立方體、圓柱體、球體、錐體、環(huán)狀體等多種基本體素為單位元素，通過集合運(yùn)算（拼合或布爾運(yùn)算），生成所需要的幾何形體。實(shí)體造型嚴(yán)格定義一個(gè)幾何物體形狀，它與線框模型和曲面模型不同，實(shí)體造型可以精確地預(yù)測出任意復(fù)雜零件的體積、重量、慣性矩等物理性能參數(shù)。由實(shí)體造型生成的形體具有完整的幾何信息，是真實(shí)而唯一的三維物體。

三維模型建立方法按照物體生成的方法不同可分為：體素法和掃描法。

（1）體素法。實(shí)體模型的構(gòu)造常常采用在計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)一些基本體素（如長方體、圓柱體、球體、錐體、圓環(huán)體以及掃描體等），通過集合運(yùn)算（布爾運(yùn)算）生成復(fù)雜形體。實(shí)體建模主要包括兩部分，即體素的定義及描述和體素的運(yùn)算（并、交、差）。

體素是現(xiàn)實(shí)生活中真實(shí)的三維實(shí)體。根據(jù)體素的定義方式，可分為兩大類體素：一類是基本體素，如長方體、球、圓柱、圓錐、圓環(huán)、錐臺(tái)等，如圖1-11所示。另一類是掃描體素，又可分為平面輪廓掃描體素和三維實(shí)體掃描體素。

（2）掃描法。利用基體的變形操作實(shí)現(xiàn)表面形狀較為復(fù)雜的物體的建模方法稱為掃描法，掃描法又分為平面輪廓掃描和整體掃描兩種方法。

基本原理：用曲線、曲面或形體沿某一路徑運(yùn)動(dòng)后生成2D或3D的物體。掃描變換需要兩個(gè)分量：一是給出一個(gè)運(yùn)動(dòng)形體，稱為基體；另一個(gè)是指定形體運(yùn)動(dòng)的路徑。

①平面輪廓掃描法。這種方法的基本設(shè)想是由任一平面輪廓在空間平移一個(gè)距離或繞一固定的軸旋轉(zhuǎn)就會(huì)掃描出一個(gè)實(shí)體，如圖1-12所示。

②整體掃描法。三維實(shí)體掃描法就是首先定義一個(gè)三維實(shí)體作為掃描基體，讓此基體在空間運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)可以是沿某一方向移動(dòng)，也可以是繞某一軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，或繞某一點(diǎn)擺動(dòng)，如圖1-13所示。

4．參數(shù)化造型

參數(shù)化造型也稱之為特征造型，是面向CAD/CAM集成的，向生產(chǎn)過程提供全面完整的產(chǎn)品信息的造型方法，如圖1-14所示。它不僅包含產(chǎn)品的幾何信息，更包含了產(chǎn)品的特征信息。

參數(shù)化造型主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

基于特征：將某些具有代表性的幾何形狀定義為特征，并將其所有尺寸存為可調(diào)參數(shù)，進(jìn)而形成實(shí)體，以此為基礎(chǔ)來進(jìn)行更為復(fù)雜的幾何形體的構(gòu)造。

全約束：將形狀和尺寸聯(lián)合起來考慮，通過尺寸約束來實(shí)現(xiàn)對(duì)幾何形狀的控制。

尺寸驅(qū)動(dòng)：通過編輯尺寸數(shù)值來驅(qū)動(dòng)幾何形狀的改變；尺寸標(biāo)注就不再是“注釋”，而是驅(qū)動(dòng)用的“參數(shù)”了。

全相關(guān)：尺寸參數(shù)的修改導(dǎo)致其他相關(guān)模塊中的相關(guān)尺寸得以全盤更新。