本文探討研究了融合CAD與產(chǎn)品設計技術的相關內容。

　　1 CAD技術與產(chǎn)品設計技術的融合的重要性

　　眾所周知,企業(yè)以產(chǎn)品為己任，產(chǎn)品功能、性能、交貨期、質量與成本是用戶最大需求，而產(chǎn)品功能、性能、是有產(chǎn)品設計所決定，產(chǎn)品成本85%決定于產(chǎn)品設計階段，產(chǎn)品設計與工藝設計周期是整個生產(chǎn)周期70%，產(chǎn)品質量的50~60也決定于產(chǎn)品設計，因此產(chǎn)品設計是一個企業(yè)的生存與發(fā)展的關鍵，也是企業(yè)實現(xiàn)信息化的首要部分，我國制造業(yè)信息化的實踐也証實了這點。為此從制造業(yè)發(fā)展幾百年過程中人們在不斷研究產(chǎn)品設計的方法與技術，從產(chǎn)品設計技術的發(fā)展過程及產(chǎn)品設計與創(chuàng)新、產(chǎn)品設計方法學研究中已形成了一系列原理與方法，圖1是機械產(chǎn)品設計技術發(fā)展過程，其中看出從1950以來已開始應用一系列適應市場經(jīng)濟設計方法，并也開始計算機及信息技術的應用，應用計算機及信息技術實現(xiàn)代設計方法的改進已成為現(xiàn)代設計方法發(fā)展方向，如何利用計算機及信息技術的特點發(fā)展CAD技術，使CAD技術與產(chǎn)品設計技術的融合，必須使CAD技術與先進設計方法結合起來，充分發(fā)揮CAD技術的作用，不僅是改進設計方法的支柱，也是促進CAD軟件產(chǎn)品創(chuàng)新最佳路徑。

表1 機械產(chǎn)品設計發(fā)展過程

　　我國CAD的應用始于上個世紀70年代后期，90年代中期CAD技術得到了普及，80%的企業(yè)實現(xiàn)了”甩圖板”，試點的138家企業(yè)中76%的設計周期縮短，96%的提高設計質量，72%的降低成本，為進一步開展CAD的應用打下了基礎。但是大多數(shù)企業(yè)停在“甩圖板”階段，即使有的企業(yè)使用三維設計軟件，但是還是沒有形成面向整個產(chǎn)品設計過程、具有優(yōu)化分析、計算，具有系列、通用、零部件(模塊)庫和數(shù)據(jù)庫和面向市場的CAD系統(tǒng)集成的工作平臺，也沒有形成與企業(yè)其它計算機應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，集成運行的環(huán)境。據(jù)中國機械工業(yè)聯(lián)合會2003年11月14日發(fā)布調查，對166家機械制造企業(yè)調查統(tǒng)計結果：CAD應用基本普及 重點骨干企業(yè)的70%已應用CAD技術;“九五”期間50家示范企業(yè)的CAD應用普及率已達93%，主導產(chǎn)品CAD的出圖率達98%。但CAD應用的深度仍有很大局限，相當一部分企業(yè)停留在出圖上，三維CAD、CAD/CAM、仿真設計等應用很少;被調查的166個企業(yè)中進行結構優(yōu)化計算的只占16%，進行仿真設計的只占6%。2007年“e制造“調查結果也是如此。

　　從以上調查中目前CAD應用處與初級階段，僅僅代替繪圖，其產(chǎn)品設計方式并沒有發(fā)生質的變化停留在比較落后的狀態(tài)，這也是我國目前CAD應用軟件技術與產(chǎn)品設計技術的融合中必須解決的問題，既是應用企業(yè)發(fā)展方向也是我國CAD應用軟件發(fā)展方向。

　　2 國際上設計技術發(fā)展

　　市場經(jīng)濟的發(fā)展，先進國家為了保持世界經(jīng)濟中領先地位，不斷改進制造技術，上個世紀后期美國提出先進制造技術AM，圖1是先進制造技術的基本內容，從中可以看出其主體技術就包含了產(chǎn)品設計、工藝設計、工廠設計一系列方法與工具CAX。德國推出的“制造2000”計劃，首先提出的是產(chǎn)品開發(fā)方法與制造方法，其中把信息技術與模塊化產(chǎn)品結構與模塊化產(chǎn)品開發(fā)方法放在重要地位。美國推廣敏捷制造的TEAM計劃中，以優(yōu)化為核心，以概念優(yōu)化、設計優(yōu)化達到制造實施優(yōu)化。從這兩個先進國家技術發(fā)展動向,信息技術與先進制造技術融合的重要性與必然趨勢。

圖1 是先進制造技術的基本內容

　　其中：

　　● 主體技術群：產(chǎn)品設計，工藝設計，工廠設計一系列方法與工具(cax……)

　　● 支持技術群：支持主體群的基礎核心技術與生產(chǎn)過程的一系列支撐技術

　　● 制造技術基礎設施：應用先進制造技術采取各種方案與機制

　　3 從開發(fā)創(chuàng)新的策略與效果分析設計方法

　　1) 開發(fā)創(chuàng)新的策略與效果分析。產(chǎn)品開發(fā)中設計創(chuàng)新是非常重要的，只有創(chuàng)造適合用戶需求的產(chǎn)品才能使企業(yè)生存與發(fā)展，為了實現(xiàn)創(chuàng)新,前人也研究開發(fā)創(chuàng)新的策略。圖2是開發(fā)創(chuàng)新的策略與效果的示意圖。從圖中可以看出，各種開發(fā)創(chuàng)新的策及效果，從此可得出創(chuàng)新改進策略效果最佳，漸進策略次之，純創(chuàng)新與創(chuàng)新保持效果不佳。

圖2 開發(fā)創(chuàng)新的策略與效果的示意圖

　　2) 設計類型與方法分析。圖3說明了設計過程各階段各種設計類型及設計方的應用，全新設計主要用于方案設計與結構設計階段，只占設計工作量31%，而適應性設計與變形設計固定原理設計是結構設計、詳細設計與零件設計是主要方法，這部分占設計工作量69%，這正與以上所述開發(fā)創(chuàng)新的策略與效果及世界先進國家發(fā)展產(chǎn)品開發(fā)方法相一致，這說明了在實際工作中適應性設計與變形設計固定原理設計是產(chǎn)品設計的主要方法。

圖3 設計過程各階段各種設計類型及設計方的應用

圖4 產(chǎn)品組成結構分析圖

　　3) 從產(chǎn)品組成結構分析。用成組技術相似性對產(chǎn)品組成結構分析，組成產(chǎn)品10~15%是標準件，功能、性能、結構特殊的零件也只占10~15%，而組成產(chǎn)品70~85%是相似件，這又說明了機械產(chǎn)品中各種品種類型成千上萬，其功能、性能、各不相同，但其組成的零件70~85%是相似件，10~15%是標準的。這說明了在產(chǎn)品設計過程中只有10~15%結構特殊的零件需創(chuàng)新設計，10~15%是標準件只是選用，70~85%是相似件只需作適應性或固定原理設計。圖4是產(chǎn)品組成結構分析圖。應用這一原理完全可以構成如圖5先進產(chǎn)品開發(fā)模式，即先進產(chǎn)品開發(fā)模式并不是去大量創(chuàng)新新的零部件，而是利用已有通用、標準的零部件及僅可能少的特殊的需要重新設計的零部件，組合成用戶需求的產(chǎn)品。這樣一來不但實現(xiàn)產(chǎn)品設計通用、標準和模塊化，而且促進工藝設計通用、標準和模塊化。

圖5 先進產(chǎn)品開發(fā)模式

圖6 零件種數(shù)與產(chǎn)品種類關系

　　4) 從開發(fā)成本分析。從上各世紀90年代統(tǒng)計，在國外一個零件設計、制造管理費需2000美元，也就是說新設計一個零件增加2000美元成本，如果應用適應性或固定原理設計，采用通用、標準零件就可降低成本2000美元。圖6不但說明了一個零件設計、制造管理費需2000美元，而且說明了產(chǎn)品種類與零件種數(shù)關系，產(chǎn)品種類增加只要應用以上先進產(chǎn)品開發(fā)模式，進行有效控制零件種數(shù)就可達到理想或目標曲線。

　　5) 從縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期適應市場需求分析。市場經(jīng)濟企業(yè)競爭的要素是T、Q、C、S即時間、質量、成本與服務，其中時間是第一要素，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期是達到時間是第一要素的關鍵。圖7是西門子公司在講解其制造合理化時：我們能在接到訂單的當天開始生產(chǎn)嗎?從圖中可以看出他們產(chǎn)品采用標準化、通用化、模塊化設計，在產(chǎn)品中這部分零部件的設計、工藝、工裝都是現(xiàn)成的，所以接到訂單的當天就可以開始生產(chǎn)。這樣大大縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期。

圖7 西門子公司制造合理化

圖8 批量法則示意圖

　　6) 從生產(chǎn)效率與生產(chǎn)成本分析。批量法則是指導機械制造的基本規(guī)則，為了提高效率、降低成本提高產(chǎn)品批量構成大批大量生產(chǎn)是提高效率、降低成本最根本方法，但是由與社會進步、人們對產(chǎn)品需求個性化的發(fā)展，大批大量生產(chǎn)的單一品種或少數(shù)品種滿足不了人們需求，因此為了既滿足人們個性化需求，又能按照批量法則獲得提高效率、降低成本的原則，研究以相似性位原理的成組技術，在單件、小批生產(chǎn)中以擴大零部件投產(chǎn)批量、組織相似工序生產(chǎn)，擴大相似工序投產(chǎn)批量，從而獲得大批量生產(chǎn)高效率、成本低的優(yōu)點。進入上個世紀90年代，把單件小批生產(chǎn)的多品種與大批量生產(chǎn)高效率、成本低的優(yōu)點結合起來，形成大批量定制(或稱大規(guī)模定制)MC，圖10是大規(guī)模定制生產(chǎn)模式原理與方法。

　　從以上各方面的分析，設計上采用合理設計方法，是客觀規(guī)律所必須，是機械制造實現(xiàn)現(xiàn)代化，使我國機械制造由大國發(fā)展為強國必由之路，CAD技術與產(chǎn)品設計技術的融合這正是信息技術與機械制造技術相融合的切入點。

　　4 CAD技術怎樣與產(chǎn)品設計技術的融合

　　1) 產(chǎn)品設計過程與CAD軟件系統(tǒng)。圖11是產(chǎn)品設計過程與CAD軟件系統(tǒng)示意圖，產(chǎn)品設計過程是設計任何一個產(chǎn)品所必須，為此 CAD軟件系統(tǒng)必需為整個設計過程相融合。

圖11 產(chǎn)品設計過程與CAD軟件系統(tǒng)示意

　　2) 構建數(shù)字化的產(chǎn)品開發(fā)設計環(huán)境(平臺)。為了使CAD軟件系統(tǒng)融合到整個設計過程中必須構建數(shù)字化的產(chǎn)品開發(fā)設計環(huán)境，才能滿足產(chǎn)品設計過程的需求，目前市場上CAD軟件是支撐性軟件，必須進行二次開發(fā)。為了構建數(shù)字化的產(chǎn)品開發(fā)設計環(huán)境，CAD軟件必須與PDM軟件相配合，才能形成數(shù)字化的產(chǎn)品開發(fā)設計環(huán)境。圖12是產(chǎn)品開發(fā)設計環(huán)境，CAD/PDM經(jīng)二次開發(fā)的應用系統(tǒng)軟件與CAD支撐性軟件關系。

圖12 CAD/PDM經(jīng)二次開發(fā)應用系統(tǒng)軟件與CAD支撐性軟件關系

　　3) CAD/PDM二次開發(fā)

　　(1) CAD/PDM經(jīng)二次開發(fā)的內容

　　下面是指支撐系統(tǒng)開發(fā)成為應用處的內容。

　　① 完善圖形處理功能。一般支撐系統(tǒng)已提供圖形處理功能，但根據(jù)實用，可能要做一些修改、補充。如圖框，標題欄，標題欄位置，標識方法，線型，字體，符號代號，明細表等。

　　② 建立產(chǎn)品開發(fā)數(shù)據(jù)庫：

　　● 基礎通用數(shù)據(jù)庫，標準數(shù)系，尺寸公差，配合，形位公差，粗糙度數(shù)據(jù)及其符號、代號; 專業(yè)用符號、代號，電器、電子、氣動、液壓、管路、焊接、加工、裝配等;

　　● 常用材料數(shù)據(jù)庫，原料、材料的名稱、代號、標準號、性能、規(guī)格等;

　　● 產(chǎn)品標準及技術規(guī)范、已頒布的國標、行標及有關國際標準;

　　● 設計專業(yè)數(shù)據(jù)，機械強度、振動、磨擦、腐蝕、電磁、氣動、液壓等數(shù)據(jù);

　　● 制造工藝數(shù)據(jù)，鑄造、鍛造、沖壓、剪切、焊接、切削、熱處理等數(shù)據(jù);

　　● 企業(yè)工藝裝備：各種加工制造設備及重要工裝的參數(shù)、性能。

　　③ 建立產(chǎn)品圖形庫:

　　● 結構要素特征，包括螺紋、鍵、花鍵、齒形、槽(鍵槽、密封槽、退刀槽、燕尾槽、T形槽、皮帶槽等)、圓弧、球、倒角、倒圓、導軌、孔、孔系等;

　　● 通用零件，包括支承、防護、操作、控制、緊固、連接、液壓、汽動、潤滑、定位、導向、傳動類中的盤、套、軸、齒、螺、 紋、板、條、塊等形狀的零件;

　　● 標準件，包括各種國標、行標或國際標準的零部件;

　　● 機電配套類，包括軸承、電機、電器、電子、原件、線纜、儀器、儀表、液壓、汽動、潤滑、五金、化工等;

　　● 通用部件、模塊，本企業(yè)的通用部件或模塊;

　　● 典型產(chǎn)品的基礎構件;

　　● 典型產(chǎn)品的整體模型。

　　④ 建立方法庫：

　　● 優(yōu)化設計方法;

　　● 有限元分析;

　　● 可靠性分析;

　　● 相似性分析;

　　● 模塊設計分析;

　　● 功能成本分析;

　　● 其他決策方法分析。

　　⑤ 建立知識庫：

　　用人工智能、專家系統(tǒng)構架工具，總結企業(yè)對產(chǎn)品開發(fā)、設計經(jīng)驗，建立專業(yè)性的知識庫。

　　⑥ 建立方案設計報價系統(tǒng)。

　　⑦ 建立總體整機設計、部件(模塊)設計、零件設計系統(tǒng)，以及電器、液壓(氣動)、電子控制系統(tǒng)設計系統(tǒng)。

　　⑧ 建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，對全部工程數(shù)據(jù)進行管理、使用、維護、及產(chǎn)品文檔、明細表生成系統(tǒng)。

　　⑨ 與工廠其它系統(tǒng)的接口，包括與CAPP、CAM、MRP-Ⅱ等。

　　(2) 開發(fā)策略

　　① 凡是通用、標準或行業(yè)通用、標準的二次開發(fā)內容， 應該有國家、行業(yè)統(tǒng)一組織開發(fā)， 或有能力的大企業(yè)集團、軟件公司作為商品開發(fā)，可以上市，便于企業(yè)應用，防止重復開發(fā)。如果暫時沒有商品化的軟件，企業(yè)急用，可以根據(jù)情況急用多少開發(fā)多少。

　　② 對過去已開發(fā)的成果，要推廣，有問題的要組織解決， 防止重復開發(fā)。

　　③ 對企業(yè)專用部分企業(yè)要抓緊開發(fā)，沒有力量的要委托外單位，合作開發(fā)。

　　④ 通過開發(fā)逐漸完善各種標準。