CAD 革命............以及对您的意义

序言
CAD 是一个无趣、呆板、老掉牙的东西。

我清楚地记得第一次冒出这个想法是在什么时候。那是在一个分析师活动上，当时正进行某产品的新功能简介。这个 CAD 工具的最新版本号称包含大约一千项新功能，它的产品经理正解说其中的一项。其实，这些新功能全都是小打小闹的改进，根本谈不上重大突破。我希望我可以说这种简介只是个例外，并不是普遍情况，可惜事与愿违。CAD 基本上就是被创新遗忘的软件应用程序。呃，至少有一段时间是这样的。

不过，就在几年之前，一场革命拉开了帷幕。Google 为普罗大众提供了Sketchup。Spaceclaim 开始提出，3D 技术可以由传统 CAD 用户以外的人员使用。Siemens PLM 通过新发布的同步技术提供了两种建模模式。Autodesk 开始在称为 Fusion 的软件中试验新技术。而最近，PTC 承诺要用 Creo 改变世界。突然之间，CAD 变成了一个很热门、很有活力的话题，值得人们再次谈论它。

但是，这次情况有点不同。它不再是软件提供商之间玩的那套互相小小超越一下的旧把戏。这次不仅仅是为 CAD 专家带来令人兴奋的最新功能，也不仅仅是细化工程图纸。人们谈论的是将草绘工具和建模工具带给一些全新的用户，以及全面的流程变革。看到和了解到 CAD 的一些新用途确实令人兴奋，但是，在兴奋之余，人们同样感到一丝困惑和惊慌。为什么其他人要使用CAD？这样做有什么好处？会不会造成破坏性的后果？这样的问题有一大堆。

这辑电子丛书也许可以帮助解答这些问题。丛书简明扼要地指出，正在进行的这场 CAD 革命如何影响不同的角色和带给组织的启示。所以，请放松下来，领会文中观点。这可能要花上一些时间，不过 CAD 最终值得我们再次这样做。



Chad Jackson 是 LifecycleInsights 公司的创办人和总裁，这是一家研究和咨询公司，专门研究对工程设计最为重要的问题。该公司的研究结果发布在https://engineering-matters.com/ 上。您可以通过电子邮件或拨打电话(512) 284-8080 与 Chad 联系。

行之有效但很费力的模式......
在我们能够了解这场 CAD 革命的影响之前，了解这种技术的 工作方式及其带来的启示很重要。下面简单说一下特征历史记录模式，它是传统 CAD 的基础。
        ●3D 模型的基本组成部分是以参数化方式控制的几何特征，例如基于草绘的拉伸和倒圆角。

        ●特征是按照基于历史记录的顺序次序放置的。此外，连续特征通常使用先前特征的几何作为参照，从而产生类似于父子关系的相关性网络。
      
        ●人们可以通过修改参数尺寸或变量，或者通过动态推送和拉取几何来更改特征。

        ●但是，只能修改用于创建几何的初始特征定义。

       由于这种技术模式以上述方式工作，它给用户带来了一些启示。

       ●利用特征历史记录中的参数化控制和相关性，人们可以非常智能地应对变更，以及实现很有效的设计自动化。模型可以自动变形，以反映不同的产品配置。

        ●不过，这种能力会导致发生间接费用。人们必须获得并保留专业的知识和技能，才能根据特征历史记录网络来构建和处理模型。

略微......自由一点的模式
那么，替代特征历史记录模式的模式是？答案就是显式模式和 直接模式的组合，它的出现其实已经有段时间了。下面我们将 概括介绍它的工作方式。

    ●可以将几何作为特征或单独的操作来创建。之后，会保留几何拓扑定义，而不是记住特征的基于历史记录的顺序次序。因此，特征之间不存在相关性网络。

    ●处理几何的过程包含两个步骤。第一步，用户选择要更改的几何。可以利用几何推断功能来扩大选择范围；此功能自动使用智能方式确定还应修改其他哪些几何。第二步，用户主要使用推/拉/拖动这些交互操作来处理几何。或者，也可以对几何进行参数化修改。

就像前面说的一样，使用这种建模模式也带来了一些启示。

    ●使用这种建模模式所发生的知识和技能间接费用较低。不存在要管理的相关特征网络。

    ●由于不存在相关特征的网络，因此并无设计自动化或智能应对变更的基础。这些模型无法自动变形。

传统 CAD 的现状
随着业界中的建模技术走向成熟，有关如何使用 CAD 的初始想法已正式达成一致。时间一长，这种一致使人们形成了一些成见。实际上，没有人再会对这些成见提出质疑。下面简要列出了这些成见。
      
        ●2D CAD 是给落后者使用的。这并非是最专业的说法，但多年来行业中一直流传着这种说法。使用 2D CAD 一直被描述为过渡到 3D CAD 的中间步骤。继续使用 2D
已被认为是拖拖拉拉，不愿意接受必然发生的改变。随着时间的过去，人们开始认为使用 2D 是很羞于见人的事情。这种看法一直保持不变。

       ●挑选一种 3D 建模模式并坚持使用它。总的来说，特征历史记录模式和直接模式已被视为互斥的。组织常常采用其中一种模式，而且，不管另一种模式有何优点或如
何易于使用，组织都不会重新选择模式。但有时候事情还不只这么简单，两种模式的支持者会非常热烈地展开争论。对许多人说，它已变成私人问题。

CAD 革命的新规则
随着技术革命的来临，CAD 在业界中突然之间再次获得关注。人们开始提出问题。以前那些有关 CAD 的成见是否仍然适用？而在重新思考一些多年来从未被质疑过的问题之后，一些新的想法开始浮现出来。

   ●2D CAD 是一种合理的设计工具。在这里不要误会我的意思。没有人会想回过头来手工创建 2D 图纸。但是，人们一直承认，设计产品确实与编写产品文档不同。因此，对于捕捉概念、开发和完善设计方案以及作出设计决策而言，2D 设计是完全合理的做法。

   ●使用互补性的3D 建模模式。在业界中，许多人都同意每种建模模式都有其优点和弱点。有趣的是，某种模式的优点实际上弥补了另一种模式的弱点。人们的新想法是，同时利用两种模式，也即在两种模式之间切换，并使用恰当的模式来完成恰当的工作。人们不再需要二选一，而是两者都选。

这对 CAD 专家意味着什么？
我们对 CAD 专家的一点认识就是，他们是特征历史记录模式的一流专家。他们已经知道如何建立和巡游相关特征的网络，以及在问题发生时如何诊断问题。他们是所属行业中的高手。

未完全履行的重复使用承诺
特征历史记录建模模式本身具有多个优点，其中之一就是重复使用。其想法一直是将现有的模型转变为包含变更的新模型。不过，有时候会出现一些问题。在不稳定的模中，很小的扭曲都可能会在相关特征的网络中引发一连串的失败。

如果时间允许，CAD 专家能轻松地找出并解决这些问题。但是，在一些情况下，实际上没有这么多时间让他们完全或局部重新建模。不管怎样，他们最终都将宝贵的时间用来修复或重建模型，而不是创建新的模型。

实现重复使用的承诺
对 CAD 专家来说，CAD 的新发展方向就是灵活高效。可以使用直接建模模式来修改旧模型，以及重复使用其他人的模型，而且无需重新创建模型或花费大量时间来修复它。可以使用特征历史记录建模模式来明确定义几何，或以编程方式自动进行建模。不过，最大的好处是，能够以互相补充的方式使用这两种建模模式，从而在恰当的时间提供恰当的工具。

写给 CAD 专家的结语
CAD 专家可以修复或重建模型，以便能将其转变为新的设计方案，这一点确实毋庸置疑。但是，这样做真的是很好地运用了他们的专家技能和知识吗？而利用互补的建模模式可以让他们找到实现最终目标的最快捷途径。这样一来，他们可以更专心地运用自己的专家知识和技能来创建新零件和新产品的模型。

传统 CAD 的问题
在特征历史记录模式中，由于特征之间存在复杂的相关性，因此，CAD 专家经常要修复或重建模型，而不是重复使用模型。

CAD 革命带来的变化
利用通过直接模式和显式模式提供的功能，可以快速轻松地编辑现有的模型，而且无需处理特征。

优点和好处
CAD 专家用在修复或 重建模型上的时间可以改为用来执行新的开发项目。

这对 CAD 经理意味着什么？
在经济不景的时候，经理的日子毫无疑问很难过。对于“带宽”由坐在 CAD 工作站前的人员数量来决定的团队，削减人手会产生不利的影响。在几乎每个项目都人手不足的情况下，工作效率最为重要。

不可预测性降低了工作效率
在特征历史记录模式下处理模型让 CAD 经理又爱又恨，但始终不变的是，这是一项复杂的工作。很难预测的是，团队能否将旧的设计方案转变为新的设计方案，或者团队是否要从头开始重新创建模型。这样一来，按照时间表完成任务变得非常困难。

虽然他们不介意帮助别人，但他们被人没完没了地请求帮助解决 CAD 问题，例如，工程师想为新的概念建立模型，分析师想准备模型以进行仿真，或者，制造工程师想设法找出模型失败的原因，等等。这样一来，他们肯定难以卓有成效地工作。

解决重复使用问题，使其他人能够独立工作
对 CAD 经理来说，这场 CAD 革命带来的一个巨大好处是，消除了与重复使用设计有关的不可预测性。直接建模模式提供了用于处理模型几何的新工具，而且用户不必担心会出现致命的错误。

但是，对 CAD 经理来说，好处并不只是解决了重复使用问题。这场 CAD 革命提出的一部分承诺就是，使其他许多角色能够高效地使用 CAD 工具。这就意味着，即使无法全部消除没完没了的请求，也可以将它们大幅减少。

写给 CAD 经理的结语
对 CAD 经理来说，有两个主要问题降低了工作效率：重复使用设计的不可预测性，以及其他人提出的帮助完成 CAD 工作的请求。这场 CAD 革命正面解决了这两个问题。直接建模模式中的工具直接解决了有关重复使用设计的需求。这场 CAD 革命背后的设想是，为其他角色提供适合他们使用的工具。

传统 CAD 的问题
在特征历史记录模式下，难以预测可以在多大程度上重复使用以前的设计方案。而且，其他角色经常需要帮助才能完成建模任务。

CAD 革命带来的变化
直接模式和显式模式的功能可以提高重复使用率，从而增强可预测性。提供更多使用 CAD 技术的方式，使其他角色能够独立工作。

优点和好处
通过让 CAD 专家和其他角色能够使用恰当的工具来完成恰当的工作，可以在时间表中节约 时间，并使工作量变得 容易预测许多。

这对产品工程师意味着什么？
今天，要成为工程师并非很简单的工作。当您在办公桌、测试实验室、车间和其他任何地方之间奔走时，您必须身兼数职。在这一切之外，您还必须迅速捕捉自己的想法和概念，以便其他人能够采取行动。

在概念设计方面表现反常
捕捉设计概念的最佳方法是什么？一直以来，3D CAD 都似乎是很合适的方法，因为它能够快速研究设计的迭代方案。但是，这种潜力根本没有得到真正的发挥。工程师不断尽力承担起其产品的生命周期责任。因此，他们只能变成很少使用任何应用程序（包括 CAD）的人。这样一来，他们无法专门抽出时间来掌握有效使用特征历史记录模式所需的知识和技能。实际上，工程师经常会反常地使用速度更快、更容易使用的 2D CAD，即使羞于见人也是如此。

无需另费工夫的高效概念设计
对工程师来说，这场 CAD 革命就是使他们无需成为 CAD 专家也能捕捉设计概念。由于使用 2D 草绘或直接建模的障碍相对较少，因此，工程师不需要掌握丰富的知识或技能就能捕捉设计概念。此外，这些建模方法也与特征历史记录模式集成在一起，因而可让 CAD 专家使用特征（而不是重建特征）来构建详细的模型。总之，工程师不必再表现反常。

写给工程师的结语
传统的 CAD 一直都大有希望让工程师能够捕捉设计概念。但是，工程师根本抽不出时间成为 CAD 专家。这场 CAD 革命将 2D和直接建模工具交到工程师手上，使他们无需掌握额外的知识和技能就能高效地捕捉设计概念。简而言之，CAD 已变得可供工程师轻松使用。

传统 CAD 的问题
特征历史记录模式要求工程师掌握额外的知识和技能，这要求太高了，因为工程师并非经常使用此模式。实际上，工程师常常使用 2D绘图工具，这就产生了不可用的交付结果。

CAD 革命带来的变化
利用直接建模和 2D 草绘工具，工程师无需掌握额外的高级技能和知识就能迅速捕捉设计概念和想法。

优点和好处
工程师可以使用可交付的格式独立捕捉设计概念，而 CAD 专家可以利用此格式在设计阶段的后期创建详细的模型。

这对分析师意味着什么？
在分析师眼中，模型几何平凡无奇，既不会刻意关注它，也不会刻意忽视它。它是仿真模型的基础，但老实说，分析师并不关心它是如何创建的。对他们来说，它只是达到目的的手段。

将模型去特征化的挑战
虽然 CAD 模型是仿真模型的基础，但分析师常常会删除一些与仿真无关的几何。不过，不幸的是，由于特征之间存在从属关系，因此，删除一个特征可能会导致其他特征失效，从而使整个模型变得无用。当然，分析师可以掌握技能以进行基于特征历史记录
的建模，但从仿真分析师需要掌握的所有其他知识的角度来看，这种技能确实不是他们要首先掌握的。因此，分析师花费过多的时间来准备模型、在仿真工具中重建模型，或者依靠时间受到限制的 CAD 专家为他们做这些工作。

直接建模使分析师能够独立工作
这场 CAD 革命如何改变现状？事实证明，直接建模模式不仅提供了新的模型修改方式，还提供了快速轻松地删除几何的工具，而且不会在整个相关的特征网络中引发混乱的失败现象。这就意味着，分析师可以独自执行分析准备工作，而无需修复或重建CAD 模型。

写给分析师的结语
模型几何一直对分析师的工作很重要。如果在简化模型或将模型去特征化以准备进行仿真时导致特征失败，则会引起一连串的麻烦。其后果是，分析师可能会浪费大量时间来修复或重建模型，或者等待 CAD 专家施以援手。这场 CAD 革命将直接建模工具交到分析师手上，使他们能够简化模型，而且无需担心特征失败问题。

传统 CAD 的问题
对于在特征历史记录模式下创建的模型，对它们进行简化或去特征化可能会导致失败，从而迫使分析师修复或重建模型。

CAD 革命带来的变化
直接建模模式提供了速度快且易于使用的工具，可以简化模型或将模型去特征化，同时不会引发模型失败的风险。

优点和好处
现在，分析师通常用来修复或重建模型的时间可以改为用来设置和运行更多的仿真。

这对制造工程师意味着什么？
工程师虚拟地设计产品，而制造工程师必须将虚拟的设计变为实物。这不仅包括制定生产过程计划，还包括设计在生产产品时必需的夹具和模具。

缺乏满意的模具设计选择方案
对制造工程师来说，一切工作都要从工程部门发布的 CAD 模型开始。虽然该模型经常是使用特征历史记录模式建立的，但对于并非经常使用此模式的制造工程师来说，模具设计过程本身已经很复杂，因此没有必要使此过程变得再复杂一些。因此，他们可以作出选择。他们可以使用特征历史记录模式设计模具，这将迫使他们使用更复杂的工具。或者，他们也可以将设计方案导入到一个特殊但更容易使用的应用程序中，但这样做会破坏产品模型与模具模型之间的相关性。这两种选择都不是最理想的。

更简单但具有相关性的 CAD 模具设计工具
对制造工程师来说，这场 CAD 革命提供了更简单、更易于使用的模具设计应用程序，而且它们与产品设计集成在一起。它们包括 2D 草绘和直接建模模式提供的功能，甚至还包括特殊工具提供的设计功能，可创建更简单的夹具几何形状。因此，模具设计不再具有过高的复杂性，而且产品变更能以相关的方式传播。

写给制造工程师的结语
过去，制造工程师只能选择使用复杂的应用程序来设计简单的模具，或者选择使用较简单但会破坏相关性的应用程序。这场 CAD 革命带来了具有相关性的恰当功能，使他们不用再作出这种妥协。

传统 CAD 的问题
夹具的几何形状通常很简单，而且无需使用特征历史记录模式提供的用于创建设计模型的复杂功能。

CAD 革命带来的变化
制造工程师可以使用更简单、速度更快的工具 （如直接建模和 2D 草绘）来设计夹具，同时与设计模型保持相关性。

优点和好处
制造工程师不再需要在建模简单性和设计相关性之间作出选择。他们可以两者兼得，从而节省时间和避免错误。

结论：这一切意味着什么？
         在过去几年中，CAD 技术发生了显著的变化，而有关如何使用这种技术的新想法也是如此。不过，仅仅是这样并不一定意味着您应改变您的现状。首先，您必须回答一个重要的问题：这一切对企业意味着什么？从根本上说，这个问题的答案就是，在两个具体方面提高了工作效率。

第 1：使团队成员能够独立使用 CAD
在传统 CAD 的现状下，其他角色将他们遇到的 CAD 难题带给 CAD 专家，请其修复或重建模型。因此，CAD 专家角色的“带宽”一直约束着企业的运作。

在这场 CAD 革命的新规则下，每个角色都拥有适用的 CAD 技术，可让他们独立地完成任务。这些角色包括：
   
    ●用 2D 草绘和直接建模工具捕捉设计概念的工程师。 用直接建模工具简化设计模型以准备进行仿真的分析师。

    ●用2D 草绘和直接建模工具以相关方式设计模具的制造工程师。

最终，这种独立性带来两个好处。

    ●CAD 专家不用再执行许多任务，从而可以抽身出来专心设计新产品。 消除了因等待 CAD 专家完成其他角色的任务而产生的 延误。