对CAD技术的看法

2.3 设计还是绘图
    CAD技术的目标究竟是什么？这是一个有很长历史、涉及到了一些领导者和权威们的争论：“究竟什么是CAD的D，是Drawing还是Design”？设计中肯定要生成二维工程图，但这是设计全过程的一小部分，是工程师最熟悉，也是困难最少的部分，并不是最需要有人帮一把的部分。所以CAD的D应当是Design。 为什么这个问题长期以来争论不休？主要原因有：
    1〉参加这个讨论的人，现场设计能力和设计经验到底怎样？真的都是有经验的成熟设计师吗？还是机械专业毕业，但从没有独立做过成套设计的准工程师？
    2〉微机CAD软件是较幼稚的系统，其能力较弱，事实上老版本的AutoCAD确实只会画二维图形。由于我国科普工作做得相当差，新知识传播通道太少，工程师在职进修的机会也相当少。
    3〉增值软件开发商手中的主要开发者是缺乏工程设计经验的大学生，说不清设计过程究竟是怎样的。可别小看这个“设计经验”，在这上边失之毫厘，在她编写的软件中就会谬之千里。最近出版的一本大学机械制图教科书，还在教给学生如何用C语言编程，驱动绘图机绘制直线、圆和简单的几何图样。在这样的教材教导下的大学生，不要说设计经验，连基本概念都有问题。
    4〉机械设计是各种设计中最麻烦，最不容易规范的，似乎能作得成的事也就是画二维工程图。
    5〉不少应用技术的推广者或者培训教师也没有真正搞清这个问题，自己也是设计经验不足，以其昏昏，如何能使人昭昭。 设计，有两种主要模式：创成设计和检索设计。只有以创成设计为主的条件下，才是我们自己的产品开发设计模式，才具有市场竞争力，才有明确的经济效益。而检索设计主要是在已经成熟的设计方案基础上的提高，这是工装类设计的最主要模式。完成创成式设计的辅助，才是使用 CAD 系统的方向，才是具有明确经济效益的方式。 从传统设计过程来说，确实有抄图的成分，但最主要的工作内容是创建一个新的二维表达。比如说设计一根磨床主轴，在一开始构思时，自然说不清有几段台阶，各自多长，只是有了一个粗略的概念，很可能在以后的设计过程中，这个初始概念下的参数，被修改得面目全非。等到了设计快结束时，这根轴的参数才明确下来，才能建立正式的二维工程图。因此，在一般设计中，总要经过方案草图、装配草图、零部件图、正式总装图、正式零件图… 这样的几轮绘图工作，很少有画完了零件图或装配图就完事大吉的情况。因此说二维图形参数化的方法是辅助制图而不是辅助设计。而对于一个机械工程师来说，绘制二维工程图是他的看家本领，要不要用计算机辅助真是无所谓。从这个意义上讲，用图板还是用计算机，没有本质区别。 但，AutoCAD这个软件在二维图处理上，具有独特的、极强的几何设计功能，精度也极可*。如果将AutoCAD作为有限设计数据库来使用，在掌握了操作技巧或者用不太复杂的程序辅助一下，就能解决许多解析法难以解决的工程数据求解或是专业设计模拟这样真正的CAD需求，有效地提高设计质量。如果要在二维图形中真正进行辅助设计，这个CAGD模式确实是一条路子。比如笔者在1989年作为主设计研制的“圆形分布多轴钻削动力头CAD系统”软件，就将工程师六天的工作量减少到了半天。按设计任务单所列参数，输出六个数据就进入自动设计成图过程。在实用考核中取得了设计结果免检的信誉。这是在AutoCAD R9中完成的工作。可见，建立二维设计数据库，在二维绘图范围内也是很有应用潜力的。#p#分页标题#e#

3.从三维开始设计是必然趋势     3.1 三维设计还二维设计
    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第一象限（美国是第三象限）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。这种表达信息是极不完整的，而且绘图、读图要经过专门训练人进行，以便“纠正”人类头脑中原始的、关于几何形体表达的“错误”。 如果能直接以三维概念开始设计，在现有的软件支持下，这个模型至少有可能表达出设计构思的全部几何参数，整个设计过程可以完全在三维模型上讨论，对设计的辅助就很容易迅速扩大的全过程，设计的全部流程都能使用统一的数据，这是发达国家CAD的今天，也是我们明天的微机CAD。 从三维开始的设计，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，支持软件必须有从三维生成二维工作图，并双向关联的能力；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。 这样才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、NC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需求都能充分满足，这才是对设计全过程的有效的辅助，这才是有明确技术效益和经济效益的CAD。 如果做到了这一点，传统的以二维工作图为主的设计资料管理将变成三维设计数据的保存和管理，而工科大学的机械制图课就可以大幅度删砍，尽量保留学生的三维原始概念，二维工程图的画法也应随之大幅度简化。 在我国，近期内实现波音777那样的全数字化设计还不可能，但是在机械系统实施从三维概念开始的、基于微机的CAD是条件具备的，可以指望解决传统设计中前文所列的难点。这样作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。#p#分页标题#e#

    3.2 只有三维设计才是真正意义上、创成设计的CAD
    许多二维参数化软件商告诉我，有了二维参数化，你可以随心所欲地修改零件的形状和尺寸，完成设计更新，这多么好啊。可我从来不敢相信这样的观点。修改零件的尺寸是很容易的，问题是我怎么敢改。要敢改，起码必须进行力学分析，否则这个连杆断了怎么办？我们这些学工的人，都完整地学了理力和材力，经过了三、五年的设计工作后，你的这些知识还剩多少？不经常使用的知识就会忘记，不经常使用的原因不是不需要，而是太麻烦：作一根轴的弯扭组合校核还算凑合，你把发动机缸盖分析一下试试。设计质量提不高，许多问题出在这个分析上。看到国外的设计小巧轻薄，而我们的同类设计傻大黑粗，刚度反而不好，原因谁都会说：材料没有用到关键的地方。哪里是最需要材料的关键部位？找不到这个部位，设计仍然是傻大黑粗。可见，应力应变分析在CAD中是极其重要的内容。只有三维设计，才有可能组建进行有限元分析的原始数据，进而进行零件几何形状的优化设计。否则就是传统的设计方法：进行多次的台架试验甚至样机考核试验，成本之高、周期之长，是现代市场经济无法容忍的。 机会对每个设计师都是公平的，在需求确定之后，谁先设计出来、谁先制造成功，谁就会有市场，有经济效益。常有这样的情况，按国外造型的一次性打火机，我们再制造一个，注塑完成后，一眼就看出来不一样。为什么？你的注塑模具没有放出足够的局部收缩量。在这个问题上，传统的二维设计毫无办法。 在装配状态下讨论零件设计，使每个工程师都有的梦想。二维设计只能在局部上勉强做到，而三维设计必然能实现这个梦想。

    3.3 能直接进入三维设计吗
    有一个类似的讨论，我们现在的电子类专业大学教学，是半导体原理讲起，之后是二极管、三极管、单管放大、复合放大、小规模集成电路… 这样的顺序讲硬件。然后从二进制、各种进制的转换、机器指令、到一般程序设计… 这样的顺序讲软件。这里强调的是个“体系”。于是，学生在校期间很难接触到最新的软件技术，要想接触最新技术，目前可能要在学校学十年，将来技术进一步发展，十五年也不一定毕业。因为“体系”太庞大了，要不怎么叫知识爆炸呢。 实际上，计算机应用技术完全没有必要从二进制学起。一个完全不知道怎样将十进制数转换成二进制的人，照样能用好计算机。因为计算机应用的目的就是“将我们已知如何做的事情自动化”，而十进制转换成二进制，是早就已知如何做了的，早就自动化了的，用户已经不必知道和介入这个过程了。如果计算机不能越来越多地接过人类已经确认的工作过程，实现自动化，就不会有越来越多的计算机系统投入使用。 因此，计算机软件应用特色是：利用软件提供的功能，根据你的题目要求，完成想做的事情。至于软件内部究竟是怎样完成的，没有必要去操心。只要你真的明确自己要做什么（实际上这也不容易）。在软件应用上来说，软件能力有多强，你的应用结果就有多好，完全不必象在大学那样，从二进制学起。 可见，跳过二维工程绘图软件应用阶段，直接从三维设计开始，完全没有问题。当然，在三维建模中要用到的二维图线生成技术，还是必须掌握的。 对于一个成熟的设计师来说，进入三维设计最大的障碍不是软件应用技术，而是自己的思考方法。由于多年来习惯于二维工程图表达，习惯于读图中一系列规则的使用，对于描述三维模型上各个特征的类型和相互关系，从思考方法上已经生疏。在这一方面，甚至不如一个新毕业的大学的生接受能力。把自己的思维模式“返朴归真”，是一个必须经历的过程。恢复人类本能的三维模型描述，并不算困难，如果在一个有经验的教师引导下，会很快达到要求。#p#分页标题#e#