1.1 三维造型技术简介

1.1.1 三维造型的发展史

三维造型技术就是将物体的形状与属性存储在计算机内，通过直观、充分、清楚的表达手段，形成三维几何模型的过程。即三维造型技术是利用计算机系统描述物体形状的技术。它被广泛应用于工程设计和制造的各个领域。如何利用一组数据表示形体，如何控制与处理这些数据，是几何造型中的关键技术。

CAD技术产生于20世纪50年代后期发达国家的航空和军事工业中。1989年，美国国家工程研究院将CAD技术评为1964-1989年十项最杰出的工程技术成就之一。CAD在早期是英文Computer Aided Drafting的缩写，但是随着计算机硬件、软件技术的发展，人们逐步地认识到单纯使用计算机绘图还不能称之为计算机辅助设计，真正的设计是整个产品的设计，它包括产品的构思、功能设计、结构分析、加工制造等，二维工程图设计只是产品设计中一个小的部分。于是CAD改为Computer Aided Design的缩写词，如此CAD不再是辅助绘图，而是整个产品的辅助设计。

在CAD技术发展初期，CAD仅限于计算机辅助绘图，随着三维造型技术的发展，CAD技术才从二维平面绘图发展到三维产品建模，随之产生了三维线框模型、曲面模型和实体造型技术。如今参数化及变量化设计思想和特征模型则代表了当今CAD技术的发展方向。CAD技术是一项综合性的、技术复杂的系统工程，涉及许多学科领域，如计算机科学和工程、计算数学、计算几何、计算机图形显示、数据库技术、网络技术、仿真技术、人工智能学科和技术以及与各领域产品设计有关的专业知识等。

1.1.2 三维造型的未来

1.三维建模技术的创新与融合

近几年，三维CAD在国内得到了越来越广泛的应用，企业中三维CAD替代二维CAD的趋势也越来越明显。同时，CAD厂商也在根据用户需求不断完善CAD软件的三维设计功能。三维建模技术经历了从线框建模、实体/曲面建模到特征建模等发展过程。随着技术的不断进步，又出现了直接建模、同步技术等多种新的先进建模技术，并逐步融合。设计师因此有了更多新的建模手段，从而可实现快速的设计变更和系列化产品设计。图1-1为三维建模技术的发展路线。

三维实体造型技术的核心包括CSG（Constructive Solid Geometry）和B-REP模型。CSG表达建模的顺序过程，B-REP是三维模型的点、线、面、体信息，即造型结果的三维实体信息。特征造型技术是在CSG的基础上，添加了特征树的概念，它是今天流行的各个主流的基于特征造型三维机械CAD系统的核心原理。直接建模的核心是只有B-REP信息，没有CSG信息，它不考虑造型的顺序，所以可以随便修改模型的点、线、面、体，无须考虑保持特征树的有效性，不受到造型顺序的制约。同步技术将特征建模和直接建模相结合，实现在三维环境下，进行尺寸驱动（或者叫参数化设计，Parametric Design）及伸展变形（Stretch）的三维造型方法和约束求解技术，既保留零件的实体特征信息，又能实现尺寸驱动，还能使基于特征的无参数建模和基于特征的参数建模完美兼容，实现三维模型的迅速修改，从而达到快速变更模型设计和产品系列化设计的目的。

为了使设计更加方便、快捷，易于修改，目前市场上主流三维CAD基本融合以上建模技术中的两种或几种建模方式。Siemens PLM Software率先在PLM行业内发布同步技术，形成了直接建模、特征建模、曲面建模和同步技术多种建模方式；PTC收购直接建模工具Cocreate后，整合推出了Creo Direct应用，将Cocreate的直接建模功能融入到Creo平台中，实现了参数化建模与直接建模的融合；SolidWorks 2012版本中将基于历史的参数化建模和直接建模这两种技术有机地融合在一起，既沿用参数化技术的特点，同时也与直接建模技术相结合；Autodesk Inventor Fusion也具备了直接建模功能，能够自由、快速地更改设计，并将直接流程与参数化流程结合到了Autodesk Inventor软件创建的单个数字化模型中。

2.三维CAD技术发展总体趋势

1）集成一体化的CAE/CAM和产品数据管理功能

很多企业虽然在整个流程中引入了CAD/CAE/CAM和产品数据管理功能，但往往由于各个软件系统之间相互孤立而没有发挥其应有的价值，主要表现为：引进非集成的专业CAE/CAM工具，意味着设计人员需要重新掌握新的一套软件，造成工作效率降低；数据格式之间相互独立且不容易转换，影响了与CAD软件之间的数据沟通，无法构成设计、分析、加工的循环创新体系；引入独立的CAE/CAM工具是一笔巨大的成本支出，性价比较低。鉴于以上的原因，很多厂商考虑将CAD/CAE/CAM集成于一体，提供完整的PLM解决方案。这种集成方案的优势在于：①数据的无损失性和相关性；②直接地将工程分析和加工验证结果反馈到设计中去，快速评估，减少物理样机测试；③一体化的数据和流程管理，可以保持数据的安全性及可追溯性。

CAD/CAM/CAE一体化代表性的厂商包括PTC、达索系统、Simense PLM等。PTC公司的Creo Simulate提供结构分析和热分析两个仿真分析模块，既可作为独立软件使用，也可集成在Creo Parametric的统一界面环境下执行其功能；达索系统的ABAQUS for CATIA使用户可以在CATIA内部直接调用ABAQUS求解器进行机械、热和热固耦合等分析，SolidWorks在仿真方面依靠与SolidWorks Simulation的完全集成，使仿真界面、仿真流程无缝融入到SolidWorks的设计过程中，提供了单一屏幕解决方案来进行应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析和优化分析，如图1-2所示。Simense PLM旗下的NX 8.0中也都有相应的仿真解决方案，如图1-3所示。

2）机、电、软一体化协同设计

机械电子几乎贯穿于所有的机械产品中，设计人员不仅要处理机械、电子的设计问题，更要处理机械、电子的集成问题，也就是机电一体化协同的问题。机电一体化概念设计解决方案MCD（Mechatronics Concept Designer），协同运用机械原理、电气原理和自动化原理，加快设计交付速度、减少设计流程后期的集成问题。三维PCB设计，实现MCAD和ECAD的交互，并集成电路板的热分析，确保设计质量。电缆设计，涵盖了电气元器件的定义和管理，电气原理的输入和走线布局，以及最终线缆生产文档的输出。在产品日趋复杂和客户要求越来越高的双重压力下，制造企业特别是高科技电子企业必须同时使用设计工具组（EDA、ECAD、MCAD），才能更好地实现MCAD与ECAD的交互，更快地传递设计变更，让机械工程师和电气工程师得以畅通地交流，从而保证设计的高效和精确。在机电一体化设计方面代表性的厂商如PTC。PTC的Creo中的ECAD-MCAD Collaboration Extension模块可以帮助改善电气设计师和机械设计师之间的设计协作，改善机电详细设计过程、减少协作错误，使机械工程师在提出变更建议之前能够更好地了解其对电气设计的影响，更快速地传递设计变更。

3）三维CAD应用体验的改善

三维CAD厂商从关注功能到关注用户体验转变，如Simense PLM的全息3D技术（HD3D）提供了可视化的模型和信息，如图1-4所示；达索“3D EXPERIENCE（3D体验）”理念通过3D的方式构建了一个完整的逼真体验环境，包括虚拟设计、虚拟仿真、虚拟制造、虚拟运行、虚拟维修；中望3D 2012中，为了改善用户体验加入了全新的Ribbon界面以及Windows操作风格，同时为用户提供了丰富的界面定制功能，满足了个性化需求。

4）满足不同行业的设计需求

每个行业领域的应用都有其行业特点和特殊的需求，针对专业行业领域更需要有针对性的行业解决方案。山大华天的SINOVATION针对铸造和冲压提供了专门的解决方案，如图1-5所示。而中望的3D 2012 全流程塑胶模具解决方案，可以自动分析型芯型腔，提供了丰富的DME\HASCO\MISUMI等标准模架与配件库，满足了塑胶模具行业的设计需求，有效提高了模具设计人员的工作效率。

除了以上几点外，云计算、移动应用也在三维CAD领域兴起，以AutoDesk为首的各大主流CAD厂商积极试水云计算，并在CAD的移动应用方面逐渐兴起。