1.1 CAD/CAM技术概述

CAD/CAM技术的发展和应用已经成为衡量一个国家科技现代化与工业现代化水平的重要指标。本节主要介绍三维设计技术的意义、任务及其建模方法等。

1.1.1 三维设计基础

与二维设计相比，三维参数化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的关键所在。

1．三维设计的意义与作用

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。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。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，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，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效果。

只有在三维的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。

2．CAD/CAM的功能和任务

CAD/CAM的主要任务是对产品设计制造过程中的信息进行处理。这些信息主要包括：需求分析、概念设计、设计建模、设计分析、设计评价和设计表示、加工工艺分析、数控编程等。其工作流程如图1-1所示。

3．CAD建模方式与方法

常用建模方式与方法见表1-1。随着CAD／CAM的发展，产品模型研究和集成的要求迫切需要建立一个统一的产品信息模型，以满足设计、加工和检验等需要。特征建模正是针对这一问题而进行的一项卓有成效的探索，这种技术对几何形体的定义不仅限于名义形状的描述，还包括规定的公差、表面处理以及其他制造信息和类似的几何处理。面向设计过程、制造过程的特征建模方法，克服了几何造型的缺陷，是一种理想的产品建模方式。

1.1.2 三维设计软件快速入门

所有的三维视图、三维动画都是通过专业的三维设计软件制作的。不同的三维设计软件的主要侧重功能不一样，正确了解每个软件的特性有助于读者更好地运用三维设计软件。

1．CAD/CAM系统组成

由一定硬件和软件组成的供辅助设计与制造使用的系统称为CAD/CAM系统。

（1）CAD/CAM系统的硬件

CAD/CAM系统的硬件由主机和外围设备组成，如图1-2所示。

（2）CAD/CAM系统的软件

CAD/CAM系统的软件可分为3个层次：系统软件、支撑软件和应用软件。

系统软件指操作系统和系统实用程序等，它用于计算机的管理、控制和维护。其包括操作系统、编译系统和系统实用程序。

支撑软件包括：几何建模软件，如SolidWorks等；数据库管理系统，如FoxPro工程数据库等；工程分析及计算软件，如ANSYS等；机构分析软件，如ADAMS等；文档制作软件，如Word等。

应用软件是用户为解决各类实际问题，在系统软件的支持下设计、开发的程序，或利用支撑软件进行二次开发形成的程序。

2．产品对CAD软件功能的需求

不同企业因产品结构、生产方式和组织管理形式不同，对CAD软件的功能有不同需求。从大多数企业和CAD应用情况来看，对CAD软件的功能大致有如下需求。

1）计算机二维绘图功能。“甩掉图板”把科技人员从烦琐的手工绘图中解放出来，是CAD应用工程的主要目标，也是CAD技术的最基本功能。

2）三维CAD/CAM功能。可以解决企业的三维设计、虚拟设计与装配、机构运动分析、应力应变分析、钣金件的展开等困难，使企业走向真正的CAD设计。

3）计算机辅助工艺设计（CAPP）功能。生产工艺是企业从设计到加工的桥梁，CAPP软件应具有工艺设计、工艺设计任务管理、材料定额管理等功能，实现工艺过程标准化，保证获得高质量的工艺规程，提高企业工艺编制的效率和标准化程度。

4）产品数据管理PDM。复杂产品的设计和开发，不仅要考虑产品设计开发结果，而且必须考虑产品设计开发过程的管理与控制，管理产品生命周期的所有数据（包括图样技术文档）以及产品开发的工艺过程，使CAD/CAPP/CAM等系统实现数据的共享，使产品设计工作保持规范化，保证图样、工艺卡、加工代码、技术资料等的安全性。

5）企业的应用软件。企业在引进二维/三维CAD/CAPP/CAE/CAM/PDM的基础上，针对本企业的技术特征所进行的二次开发，如汉化、厂标、行业标库建设、图库的扩充等。根据本企业产品的特点，建立分析、仿真优化、成本分析等专用或专业CAD系统，并和引进的CAD系统集成，形成本企业的CAD系统。

3．市场上流行的CAD系统技术特点

CAD软件可分为高端工作站CAD系统、中端微机CAD系统和低端微机CAD系统3类。

1）高端工作站CAD系统。这类系统的特点是以UNIX操作系统为支撑平台。比较流行的有：Pro/Engineer软件、I-DEAS软件和UG软件。

2）中端微机CAD系统。随着计算机技术的发展，基于Windows技术的微机CAD系统也迅速发展。目前，国际上流行的有SolidWorks软件和MDT软件等，国内也推出清华CAD工程中心的GEMS及华正公司的CAXA-ME。

3）低端微机CAD系统。纯二维CAD系统在国外已经不多，应用比较广泛的是AutoCAD软件。

4．软件的选用原则

以上简单介绍了几种CAD/CAM软件，选择适合自己的软件时一般应考虑以下几个因素。

1）系统功能与能力配置。目前，CAD/CAM系统的系统软件和支撑软件很多，且大多采用了模块化结构和即插即用的连接与安装方式。不同的功能通过不同的软件模块实现，通过组装不同模块的软件构成不同规模和功能的系统。因此，要根据系统的功能要求确定系统所需要的软件模块和规模。

2）软件性能价格比。与硬件系统一样，选定软件产品时，也要进行系统的调研与比较，选择满足要求、运行稳定可靠、容错性好、人机界面友好、具有良好性能价格比的产品。同时，要注意欲购软件的版本号，该版本推出的日期相比之前版本的功能改进等方面。

3）与硬件的匹配性。不同的软件往往要求不同的硬件环境支持。如果软、硬件都需配置，则要先选软件，再选硬件，软件决定着CAD/CAM系统的功能。如果已有硬件，只配软件，则要考虑硬件能力，配备相应档次的软件。大多数软件分工作站版和微机版，有的是跨平台的。

4）二次开发能力与环境。为高质、高效地发挥CAD/CAM软件作用，通常都需要进行二次开发，要了解所选软件是否具备二次开发的能力、开放性程度、所提供的二次开发工具、进行二次开发所需要的环境和编程语言等。

5）开放性。所选软件应与CAD/CAM系统中的设备、其他软件和通用数据库具有良好的接口、数据格式转换和集成能力，具有与绘图仪或打印机等设备的接口，具备升级能力，便于系统的应用和扩展。

6）可靠性。所选软件应在遇到一些极限处理情况或某些误操作时，能进行相应处理而不产生系统死机和系统崩溃的现象。

5．SolidWorks快速入门

SolidWorks作为三维设计软件，具有全面的零件及装配建模功能，利用该软件还可快速生成工程图。下面将通过建立举重杠铃的三维零件模型、组装装配体以及生成杠铃片零件工程图的实际操作过程，领略SolidWorks特征造型及装配的方便快捷，初步体会SolidWorks的主要功能、基本工作流程及其操作方法。内容包括建立杠铃杆和杠铃片的零件模型、杠铃轮对装配体、生成杠铃片工程图。

（1）杠铃杆实体造型

1）启动SolidWorks“零件”模块。

选择“开始”→“程序”→“SolidWorks”命令，在弹出的“新建SolidWorks文件”对话框中，选中零件单击“确定”按钮，进入SolidWorks的“零件”造型界面。选择“文件”→“保存”命令，在弹出的“文件”对话框中设置文件名为“杠铃杆”，单击“保存”按钮。

2）杠铃杆造型。

① 绘截面：选择右视基准面。单击草图工具栏上的“草图绘制”→“圆”按钮，指针变为将指针移到草图原点，单击并移动指针，再次单击完成圆的绘制。单击“智能尺寸”按钮。选择圆线，移动指针单击放置该直径尺寸的位置，将直径设置为50mm，单击“确定”按钮

② 拉杆身：在CommandManager中单击“特征”→“拉伸凸台/基体”按钮，在图1-3所示的对话框中选“两侧对称”，设为2200mm，单击“确定”按钮。单击视图工具栏上的“整屏显示全图”按钮，以显示整个杠铃杆的全图并使其居中于图形区域。

③ 分抓手：选择前视基准面。单击草图工具栏上的“草图绘制”→“矩形工具”，如图1-4所示绘制两个相距1000mm，宽100mm的矩形，两者关于原点对称。选择“插入”→“曲线”→“分割线”命令，单击杠铃杆圆柱面，单击“确定”按钮。

2）杠铃片造型

1）新建“零件”。

选择“文件”→“新建”命令，在弹出的“新建SolidWorks文件”对话框中，单击零件按钮，再单击“确定”按钮，进入SolidWorks的“零件”造型界面。选择“文件”→“保存”命令，在弹出的对话框设置文件名为“杠铃片”，单击“保存”按钮。

2）造片体。

① 绘制截面：选择前视基准面。单击草图工具栏上的“草图绘制”→“圆”按钮，将指针移到草图原点，单击并移动指针，再次单击即完成圆的绘制。单击“智能尺寸”按钮，选择圆，移动指针单击放置该直径尺寸的位置，将直径设置为450mm，单击“确定”按钮。

② 拉片体：在CommandManager中单击“特征”→“拉伸凸台/基体”按钮，在拉伸对话框中设“两侧对称”，设为100mm，单击“确定”按钮。

3）打片孔

① 绘孔圆：利用旋转工具选择片体端面。单击草图工具栏上的“草图绘制”→“圆”按钮，将指针移到草图原点，单击并移动指针，再次单击即完成圆的绘制。单击智能尺寸按钮，选择圆，移动指针单击放置该直径尺寸的位置，将直径设置为50mm，单击“确定”按钮。

② 切孔体：在CommandManager中单击“特征”→“拉伸切除”按钮，如图1-5所示，设为“完全贯穿”，单击“确定”按钮。单击“视图定向”→“等轴测”按钮以显示等轴测。

4）挖片面

① 绘槽圆：选择片体前端面。单击草图工具栏上的“草图绘制”→“圆”按钮，将指针移到草图原点，单击并移动指针，再次单击即完成内圆的绘制。重复上述步骤绘制外圆，单击“智能尺寸”按钮，如图1-6所示，将内圆和外圆直径分别设置为150mm和350mm，单击“确定”按钮。

② 挖片槽：在CommandManager中单击“特征”→“拉伸切除”按钮，设为“给定深度”，深度为20mm，斜度为30度，单击“确定”按钮。

③ 镜像面：在CommandManager中单击“镜像”按钮，如图1-7所示，在打开的特征树中选“前视基准面”为镜像面，选“切除-拉伸2”为要镜像的特征，单击“确定”按钮。

3）杠铃组装

1）生成新的装配文档。单击标准工具栏上的“新建”按钮。新建SolidWorks文件对话框出现。单击“装配体”按钮，然后单击“确定”按钮，新装配窗口出现。

2）插入杠铃杆。在“插入零部件”对话框中单击“浏览”按钮，在图1-8所示的对话框中，找到“杠铃杆”零件后，单击“打开”按钮。再单击“确定”按钮即可插入杠铃杆，该零件默认为固定零件。单击“视图定向”→“等轴测”按钮以显示等轴测。选择“文件”→“保存”命令，在弹出文件对话框设文件名为“杠铃”，单击“确定”按钮。

3）插入杠铃片。在CommandManager中单击“装配体”→“插入零部件”按钮，单击“浏览”按钮，找到杠铃片，单击“打开”按钮，在图形区空白处单击，即插入杠铃片。重复上述步骤，插入另一个杠铃片，如图1-9所示。

4）设定杆片同心配合。在装配工具栏中单击“配合”按钮，在图形区中选中杠铃杆柱面和杠铃片孔圆柱面，如图1-10所示，选中“同轴心”，单击“确定”按钮完成同心配合。重复上述步骤完成杠铃杆和另一个杠铃片同心配合。

5）设定片面内侧距配合。在装配工具栏上单击“配合”按钮，在图形区中选中两杠铃片内侧面，设距离为2000mm，单击“确定”按钮完成杠铃片距离配合，如图1-11所示。

6）设定片内侧面对称。在装配工具栏上单击“配合按钮，选择高级配合中的“对称”如图1-12所示，在图形区中选中两杠铃片内侧面，在设计树中选择杠铃杆右视面为对称面，单击“确定”按钮完成杠铃片内侧面对称配合，如图1-13所示。

4）杠铃工程图

1）生成新的工程图文档。单击标准工具栏上的“新建”按钮，“新建SolidWorks文件”对话框出现。如图1-14所示，单击“工程图”按钮。在弹出的“图纸格式/大小”对话框中单击“确定”按钮接受系统默认设置，新工程图窗口出现。

2）生成标准三视图。单击“视图布局”→“标准三视图”按钮，如图1-15所示，在弹出的“标准三视图”对话框中浏览到杠铃文件，并单击“确定”按钮。选择“文件”→“保存”命令，在弹出文件对话框设文件名为“杠铃”，单击“确定”按钮。

3）调整视图比例。在设计树中单击鼠标右键（以下简称右击）“图纸格式1”，从弹出的快捷菜单中选择“属性”命令，设置图纸比例为1：2.5，单击“确定”按钮，拖动视图定位。

4）标注尺寸。单击“局部放大”按钮，将“右侧视图”放大，然后单击“草图”→“智能尺寸”按钮后，在绘图区中分别单击左、右杠铃片的内侧线来标注杠铃片内侧距。

5）验关联

打开杠铃片，选中片面为草图平面，单击“视图定向”→“正视于”按钮，在其上绘制一个圆，使用“拉伸切除”命令中的“完全贯穿”选项生成孔后保存。然后，分别打开杠铃装配文件和工程图文件，可见两文件的杠铃均已经添加了辐板孔。说明零件、装配和工程图是全相关的。

（6）添材料

打开杠铃装配文件，如图1-16所示，在装配设计树中右击杠铃杆中的“材质”，从弹出的快捷菜单中选择“黄铜”命令，右击杠铃片＜1＞中的“材质”，从弹出的快捷菜单中选择“橡胶”命令，零件赋予相应材料并变为相应颜色。

（7）称重量

在杠铃装配环境中，选择“工具”→“质量属性”命令，弹出图1-17所示的“质量属性”对话框，可知杠铃质量为62.265千克。

（8）核强度

打开杠铃杆零件文件，如图1-18所示，单击“办公室产品”中的“SolidWorks Simulition”启动分析功能，如图1-19所示。

在“SolidWorks Simulition”中的“算例顾问”中选择“新算例”，单击“确定”按钮进入默认的静力分析。

单击工具栏“夹具顾问”中的“固定几何体”，选中两个手把圆柱面，单击“确定”按钮。单击“外载荷顾问”中的“力”，如图1-20所示，选中杠铃杆两端面，在力属性对话框中选中“选定方向”单选按钮，在特征树中单击“上视基准面”为载荷法向面，输入杠铃片重量载荷300N，选中“反向”，单击“确定”按钮。单击工具栏中的运行，计算结果如图1-21所示。

6．三维设计软件应用总结

在传统的机械产品三维造型设计中，产品实体模型是设计者利用固定的尺寸值得到的，零件的结构形状不能灵活地改变，一旦零件尺寸发生改变，必须重新绘制其对应的几何模型。基于特征参数化的设计技术是一种面向产品制造全过程的描述信息和信息关系，利用参数化技术进行设计时图形的修改非常容易，用户构造几何模型时可以集中于概念和整体设计，因此可以充分发挥设计人员的创造性，提高设计效率。

由以上杠铃建模过程可见：SolidWorks等三维CAD软件具有“机械制造仿真、所见即所得和牵一发动全身”的特点，且一般都拥有“造零件、装机械、出图样”的3种基本功能和相关分析等扩展功能。各种基本功能的操作步骤总结如下。

1）造零件的过程：画草图、造特征、制零件。

2）装机械的过程：插地基、添零件、设配合。

3）出图样的过程：选格式、投视图、添注解。

7．三维设计的建模层次

由以上分析可知，三维设计的产品造型分为4个层次：草图、特征、零件和产品，如图1-22所示。其中特征是三维造型的基本单元。

草图提供生成特征的基本信息，如拉伸特征的截面，扫描特征中的轮廓与路径等，草图中存在着几何约束与尺寸约束。从草图生成特征需要追加特征构建参数，如拉伸特征的深度、旋转特征的回转角度等。在特征层次中，特征之间的关系十分复杂，既包括类似于草图中的尺寸约束和几何约束，又包括特征之间的父子关系和时序关系。一系列的特征经过组合、剪裁、阵列、镜像等操作形成零件模型，零件模型中需要体现设计意图，反映产品的基本特性。

8．学习三维设计软件的方法

1）要有明确的设计思路。要明白三维设计不仅为了直观，更重要的是为了贯彻设计思想、减少错误、提高设计效率。将三维软件运用到产品CAD的过程中，非常重要的就是要有设计思路。这是很难传授的，也是极其重要的。没有设计思路，就等于没有了设计灵魂，只是单一的“搭积木”方式，往往会事倍功半。

2）要注重学练结合。三维软件的实践性很强，如果只学而不用，就永远也学不好。要学会在用中学习，这样才能达到好的学习效果。同时，要有扎实的理论基础。一般来说，机械设计人员一定要掌握的课程包括几何学、机械制图、材料学、公差与配合、机构学等。三维设计通常就是零件加工过程的计算机仿真。

3）培养对美学的认识。现代的工业设计很大程度上依赖美学和工程学的结合。随着社会的发展和进步，人们对产品的美观程度有了相当程度的要求，要搞好设计必须从美学和工程学两个方面入手，工程方面在学校里学得很多，实践中也会积累一些，美学则相对较难。