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关联与表达
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。
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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****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****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。 |
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