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摘要：系統(tǒng)分析了在各種先進(jìn)制造模式中如何應(yīng)用CAD技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提高工程設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率，對(duì)于不同的制造模式采取不同的CAD方法，使CAD技術(shù)完全適應(yīng)先進(jìn)制造模式的需求。

關(guān)鍵詞：CIMS；并行工程；敏捷制造；虛擬制造

0前言

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)是近幾十年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興的綜合計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù),它的應(yīng)用和發(fā)展已經(jīng)成為衡量一個(gè)企業(yè)工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。特別是在當(dāng)今市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的條件下，要想贏(yíng)得競(jìng)爭(zhēng)，企業(yè)必須以最快的上市速度、最好的質(zhì)量、最低的成本、最優(yōu)的服務(wù)、最利于環(huán)境的產(chǎn)品滿(mǎn)足用戶(hù)的不同需求。在各種先進(jìn)的制造模式中，CAD技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。無(wú)論是并行設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)，還是環(huán)保設(shè)計(jì)都離不開(kāi)現(xiàn)代CAD技術(shù)的應(yīng)用。應(yīng)用現(xiàn)代CAD技術(shù)能使設(shè)計(jì)工作實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、集成化和智能化，以求達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期短、成本低和高質(zhì)量的目標(biāo)。

1CAD技術(shù)在并行工程中的應(yīng)用

并行工程和協(xié)同工作是一種新型的設(shè)計(jì)模式，通過(guò)把先進(jìn)的企業(yè)管理和先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)結(jié)合在一起，采用并行化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念及其相關(guān)過(guò)程，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)早期全面考慮產(chǎn)品的制造過(guò)程和生命周期。并行工程的設(shè)計(jì)方法強(qiáng)調(diào)功能和過(guò)程的集成。在對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行集成的前提下，優(yōu)化和重組產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科專(zhuān)家群體協(xié)同工作的工作方式。

（1）將企業(yè)實(shí)施的各種串行過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿泄こ蹋笤谶M(jìn)行上游工作環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的同時(shí)，盡可能多的考慮下游工作環(huán)節(jié)的工作。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初始階段，應(yīng)全面考慮后續(xù)制造的相關(guān)問(wèn)題，對(duì)產(chǎn)品的可靠性、可制造性、可測(cè)試性、規(guī)范性和成本可計(jì)算性進(jìn)行設(shè)計(jì)，盡早考慮產(chǎn)品整個(gè)生命周期中的所有設(shè)計(jì)因素，以求達(dá)到各項(xiàng)設(shè)計(jì)工作的協(xié)調(diào)一致，力爭(zhēng)設(shè)計(jì)工作一次完成。

（2）并行工程的實(shí)施需要建立多學(xué)科協(xié)作的組織形式，運(yùn)用可制造性設(shè)計(jì)DFM方法開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。當(dāng)采用這種設(shè)計(jì)方法時(shí)，由于需要集體合作，所以個(gè)體的設(shè)計(jì)結(jié)果應(yīng)該信息共享，設(shè)計(jì)規(guī)范統(tǒng)一，應(yīng)用集體的智慧和經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)生高質(zhì)量、低成本的產(chǎn)品。

（3）在進(jìn)行產(chǎn)品的并行設(shè)計(jì)時(shí)，要選擇合適的軟件工具和方法，選定的軟件能對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造周期進(jìn)行全程服務(wù)。在設(shè)計(jì)、制造周期中的數(shù)據(jù)交換應(yīng)符合STEP標(biāo)準(zhǔn)，便于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM。通過(guò)這些CAD技術(shù)的應(yīng)用使產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)集體所有成員都組合在同一個(gè)信息環(huán)境中，保證所有成員得到最新、最準(zhǔn)確的產(chǎn)品信息，協(xié)同一致的完成設(shè)計(jì)任務(wù)。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)早期全面地考慮產(chǎn)品的制造周期。

2CAD技術(shù)在敏捷制造中的應(yīng)用

精良（LeanProduction,LP）生產(chǎn)是一種新的生產(chǎn)模式，這種生產(chǎn)方式在日本企業(yè)中得到了推廣應(yīng)用，并且取得了成功，促進(jìn)了日本經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。在精良生產(chǎn)方式中，從生產(chǎn)操作、組織管理、經(jīng)營(yíng)方式等各方面，找出一切不能為產(chǎn)品增值的活動(dòng)和人員，加以改革，進(jìn)而杜絕浪費(fèi)，提高經(jīng)濟(jì)效益。精良生產(chǎn)方式實(shí)現(xiàn)了精良管理、精良設(shè)計(jì)、協(xié)同配套、用戶(hù)至上、高素質(zhì)人員的集成。在此基礎(chǔ)上，美國(guó)的制造業(yè)界提出了敏捷制造（AgileManufacturing,AM）的先進(jìn)制造模式，為了實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)制造的敏捷性，采取現(xiàn)代通訊手段，通過(guò)快速配置各種資源，以有效和協(xié)調(diào)的方式響應(yīng)用戶(hù)需求的一種新的企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略。這種生產(chǎn)模式正在發(fā)展之中，其基本思想是將靈活的動(dòng)態(tài)聯(lián)盟組織、先進(jìn)的柔性生產(chǎn)技術(shù)和高素質(zhì)的人員全面集成，使企業(yè)能夠應(yīng)付迅速變化和不可預(yù)測(cè)的市場(chǎng)需求，以求得長(zhǎng)期穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)效益。CAD技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)全過(guò)程的動(dòng)態(tài)聯(lián)盟組織中的應(yīng)用有如下特點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的敏捷設(shè)計(jì)和管理。

應(yīng)用CAD技術(shù)可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)資源共享、信息服務(wù)、合作建模、數(shù)據(jù)管理和設(shè)計(jì)過(guò)程管理，達(dá)到敏捷設(shè)計(jì)的目的。在敏捷設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)是利用數(shù)字方式確定工作任務(wù)，用數(shù)字方式在各部門(mén)、各地點(diǎn)的合作者之間進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)環(huán)境中的產(chǎn)品實(shí)際上是一種數(shù)字模型，在同一個(gè)數(shù)字模型上工作，通過(guò)PDM系統(tǒng)管理和集成，PDM是管理產(chǎn)品信息的重要技術(shù)措施。

（2）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上協(xié)同設(shè)計(jì)。

在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，從事CAD技術(shù)工作的人員組成跨專(zhuān)業(yè)學(xué)科的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，分散在不同的企業(yè)中，實(shí)現(xiàn)企業(yè)間的動(dòng)態(tài)集成。隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜化以及新技術(shù)更替的加快，對(duì)某些產(chǎn)品一個(gè)企業(yè)已不可能快速、經(jīng)濟(jì)的獨(dú)立開(kāi)發(fā)和制造，必須尋求企業(yè)的動(dòng)態(tài)聯(lián)盟形式，把具有各種特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)的企業(yè)以產(chǎn)品為紐帶聯(lián)合在一起，共享一個(gè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)和統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，最大限度的保證設(shè)計(jì)者和制造者以?xún)?yōu)化的形式在網(wǎng)上進(jìn)行新產(chǎn)品的協(xié)同設(shè)計(jì)和制造3CAD技術(shù)在CIMS集成系統(tǒng)中的應(yīng)用

早期的CAD系統(tǒng)是致力于提高繪圖的工作效率，數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)，發(fā)展成了計(jì)算機(jī)輔助制造CAM，進(jìn)而促進(jìn)了CAD技術(shù)的發(fā)展。在CIMS系統(tǒng)中，要求產(chǎn)品的信息實(shí)現(xiàn)CAD、CAPP和CAM的集成，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造各環(huán)節(jié)中資源共享和信息傳遞，提高設(shè)計(jì)效率。CAD技術(shù)在CIMS系統(tǒng)中的應(yīng)用有如下特點(diǎn)：

（1）CAD建模技術(shù)的應(yīng)用。

特征建模技術(shù)是CIMS的關(guān)鍵技術(shù)之一。它是在CAD/CAPP/CAM范圍內(nèi)建立相對(duì)統(tǒng)一的、基于特征的產(chǎn)品定義模型，包括了從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造各階段所需要的產(chǎn)品定義信息，通過(guò)產(chǎn)品的幾何形狀信息和工程信息的描述，體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖，并將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖反映到各個(gè)后續(xù)環(huán)節(jié)。特征建模技術(shù)是CAD/CAPP/CAM集成的重要前提。

（2）數(shù)據(jù)交換技術(shù)的應(yīng)用。

對(duì)于以單元自動(dòng)化為目標(biāo)的CAD/CAPP/CAM應(yīng)用系統(tǒng)，各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的邏輯和物理結(jié)構(gòu)差異很大，這給各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳遞帶來(lái)了一定的困難。因此，需要設(shè)計(jì)專(zhuān)用的數(shù)據(jù)格式文件交換產(chǎn)品信息。為了提高產(chǎn)品數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)化程度，可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式文件交換產(chǎn)品信息，這需要在各個(gè)子系統(tǒng)中設(shè)計(jì)前/后置數(shù)據(jù)處理程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式與標(biāo)準(zhǔn)格式的轉(zhuǎn)換，常用IGES圖形數(shù)據(jù)交換格式作為各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)格式。也可以通過(guò)統(tǒng)一的產(chǎn)品模型交換設(shè)計(jì)信息，使各子系統(tǒng)間直接進(jìn)行信息交換，采用STEP標(biāo)準(zhǔn)以通用的數(shù)據(jù)格式描述一個(gè)產(chǎn)品在生產(chǎn)周期內(nèi)完整的產(chǎn)品模型。這樣做可以大大提高系統(tǒng)的集成性。

（3）產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）技術(shù)的應(yīng)用。

為了提高數(shù)據(jù)傳輸效率和系統(tǒng)的集成化程度，保證各子系統(tǒng)間設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的一致性、可靠性和數(shù)據(jù)共享。可采用產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（PDM）統(tǒng)一管理與生產(chǎn)有關(guān)的全部信息。CAD/CAPP/CAM之間不需要傳遞信息。各子系統(tǒng)從PDM系統(tǒng)中提取和存放各自需要的信息，從而真正實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/CAM的集成。通過(guò)PDM實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析、制造、工藝規(guī)劃和質(zhì)量管理等方面的信息集成，確保CAD/CAPP/CAM設(shè)計(jì)出最新、最好、性能最優(yōu)的產(chǎn)品。

4CAD技術(shù)在虛擬制造技術(shù)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)目標(biāo)是建立一個(gè)與客觀(guān)世界相似、逼真的虛擬環(huán)境（VE）。科學(xué)計(jì)算可視化（VISC）是將科學(xué)計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為圖形或圖像并進(jìn)行交互處理的理論和技術(shù)?？梢暬夹g(shù)和多媒體技術(shù)是實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境的基礎(chǔ)，利用可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的三維真實(shí)感場(chǎng)景是虛擬環(huán)境的最基本體現(xiàn)。

（1）虛擬產(chǎn)品加工流程。

設(shè)計(jì)產(chǎn)品的三維表達(dá)需要CAD技術(shù)的支持，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該考慮產(chǎn)品零件的可造性，對(duì)于大型復(fù)雜零件的制造可先在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行虛擬加工，進(jìn)而獲得合理的加工流程，為合理的設(shè)計(jì)提供工藝保障。實(shí)際上數(shù)控仿真就是在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行數(shù)控程序，并將工具圖形、刀具軌跡在計(jì)算機(jī)顯示器（CRT）上顯示出來(lái)。

（2）虛擬產(chǎn)品樣機(jī)。

機(jī)械產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到成品面市過(guò)程，需要經(jīng)歷“設(shè)計(jì)→樣機(jī)制造→測(cè)試評(píng)價(jià)→修改→產(chǎn)品”這一耗時(shí)的反復(fù)循環(huán)。如何加速新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，并在新產(chǎn)品投產(chǎn)之前有一個(gè)有效的手段來(lái)檢驗(yàn)新產(chǎn)品的效能和適用性，避免投產(chǎn)后的失敗，這是工程技術(shù)人員追求的目標(biāo)。

通過(guò)CAD技術(shù)表現(xiàn)樣機(jī)的直觀(guān)形象和功能動(dòng)畫(huà)。

5結(jié)束語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)在工程領(lǐng)域會(huì)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。CAD正經(jīng)歷著從傳統(tǒng)單元技術(shù)向復(fù)雜大系統(tǒng)環(huán)境下的設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)的重要轉(zhuǎn)變。21世紀(jì)，濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)是世界各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)和世界發(fā)展的重要推動(dòng)力。對(duì)制造業(yè)而言，每個(gè)企業(yè)都面臨找持續(xù)多變和不可完全預(yù)測(cè)的全球化市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，競(jìng)爭(zhēng)的核心是以知識(shí)為基礎(chǔ)的新產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)。為了提高競(jìng)爭(zhēng)力企業(yè)必須解決好產(chǎn)品的上市速度（T）、最好的質(zhì)量（Q）、最低的成本（C）、最優(yōu)的服務(wù)（S）和最清潔的環(huán)境（E）來(lái)滿(mǎn)足顧客的不同需求和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的要求。先進(jìn)制造技術(shù)必然十分重視產(chǎn)品設(shè)計(jì)問(wèn)題。沒(méi)有適銷(xiāo)對(duì)路的創(chuàng)新產(chǎn)品會(huì)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中敗下陣來(lái)，所以采用先進(jìn)制造技術(shù)的企業(yè)必然將產(chǎn)品設(shè)計(jì)這個(gè)環(huán)節(jié)視為企業(yè)的生命線(xiàn)，先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)必然成為先進(jìn)制造技術(shù)的核心之一，先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)離不開(kāi)CAD技術(shù)，而且會(huì)大大促進(jìn)CAD技術(shù)的發(fā)展。

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