本文探討研究了融合CAD與產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容。

　　1 CAD技術(shù)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)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(zhì)量與成本是用戶(hù)最大需求，而產(chǎn)品功能、性能、是有產(chǎn)品設(shè)計(jì)所決定，產(chǎn)品成本85%決定于產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)周期是整個(gè)生產(chǎn)周期70%，產(chǎn)品質(zhì)量的50~60也決定于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，因此產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個(gè)企業(yè)的生存與發(fā)展的關(guān)鍵，也是企業(yè)實(shí)現(xiàn)信息化的首要部分，我國(guó)制造業(yè)信息化的實(shí)踐也証實(shí)了這點(diǎn)。為此從制造業(yè)發(fā)展幾百年過(guò)程中人們?cè)诓粩嘌芯慨a(chǎn)品設(shè)計(jì)的方法與技術(shù)，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程及產(chǎn)品設(shè)計(jì)與創(chuàng)新、產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法學(xué)研究中已形成了一系列原理與方法，圖1是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展過(guò)程，其中看出從1950以來(lái)已開(kāi)始應(yīng)用一系列適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)方法，并也開(kāi)始計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)的應(yīng)用，應(yīng)用計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)已成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法發(fā)展方向，如何利用計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)的特點(diǎn)發(fā)展CAD技術(shù)，使CAD技術(shù)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)的融合，必須使CAD技術(shù)與先進(jìn)設(shè)計(jì)方法結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮CAD技術(shù)的作用，不僅是改進(jìn)設(shè)計(jì)方法的支柱，也是促進(jìn)CAD軟件產(chǎn)品創(chuàng)新最佳路徑。

表1 機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)展過(guò)程

　　我國(guó)CAD的應(yīng)用始于上個(gè)世紀(jì)70年代后期，90年代中期CAD技術(shù)得到了普及，80%的企業(yè)實(shí)現(xiàn)了”甩圖板”，試點(diǎn)的138家企業(yè)中76%的設(shè)計(jì)周期縮短，96%的提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，72%的降低成本，為進(jìn)一步開(kāi)展CAD的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。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(shè)計(jì)軟件，但是還是沒(méi)有形成面向整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程、具有優(yōu)化分析、計(jì)算，具有系列、通用、零部件(模塊)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)和面向市場(chǎng)的CAD系統(tǒng)集成的工作平臺(tái)，也沒(méi)有形成與企業(yè)其它計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，集成運(yùn)行的環(huán)境。據(jù)中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)2003年11月14日發(fā)布調(diào)查，對(duì)166家機(jī)械制造企業(yè)調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果：CAD應(yīng)用基本普及 重點(diǎn)骨干企業(yè)的70%已應(yīng)用CAD技術(shù);“九五”期間50家示范企業(yè)的CAD應(yīng)用普及率已達(dá)93%，主導(dǎo)產(chǎn)品CAD的出圖率達(dá)98%。但CAD應(yīng)用的深度仍有很大局限，相當(dāng)一部分企業(yè)停留在出圖上，三維CAD、CAD/CAM、仿真設(shè)計(jì)等應(yīng)用很少;被調(diào)查的166個(gè)企業(yè)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算的只占16%，進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)的只占6%。2007年“e制造“調(diào)查結(jié)果也是如此。

　　從以上調(diào)查中目前CAD應(yīng)用處與初級(jí)階段，僅僅代替繪圖，其產(chǎn)品設(shè)計(jì)方式并沒(méi)有發(fā)生質(zhì)的變化停留在比較落后的狀態(tài)，這也是我國(guó)目前CAD應(yīng)用軟件技術(shù)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)的融合中必須解決的問(wèn)題，既是應(yīng)用企業(yè)發(fā)展方向也是我國(guó)CAD應(yīng)用軟件發(fā)展方向。

　　2 國(guó)際上設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展

　　市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，先進(jìn)國(guó)家為了保持世界經(jīng)濟(jì)中領(lǐng)先地位，不斷改進(jìn)制造技術(shù)，上個(gè)世紀(jì)后期美國(guó)提出先進(jìn)制造技術(shù)AM，圖1是先進(jìn)制造技術(shù)的基本內(nèi)容，從中可以看出其主體技術(shù)就包含了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工廠設(shè)計(jì)一系列方法與工具CAX。德國(guó)推出的“制造2000”計(jì)劃，首先提出的是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方法與制造方法，其中把信息技術(shù)與模塊化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與模塊化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方法放在重要地位。美國(guó)推廣敏捷制造的TEAM計(jì)劃中，以?xún)?yōu)化為核心，以概念優(yōu)化、設(shè)計(jì)優(yōu)化達(dá)到制造實(shí)施優(yōu)化。從這兩個(gè)先進(jìn)國(guó)家技術(shù)發(fā)展動(dòng)向,信息技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)融合的重要性與必然趨勢(shì)。

圖1 是先進(jìn)制造技術(shù)的基本內(nèi)容

　　其中：

　　● 主體技術(shù)群：產(chǎn)品設(shè)計(jì)，工藝設(shè)計(jì)，工廠設(shè)計(jì)一系列方法與工具(cax……)

　　● 支持技術(shù)群：支持主體群的基礎(chǔ)核心技術(shù)與生產(chǎn)過(guò)程的一系列支撐技術(shù)

　　● 制造技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施：應(yīng)用先進(jìn)制造技術(shù)采取各種方案與機(jī)制

　　3 從開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的策略與效果分析設(shè)計(jì)方法

　　1) 開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的策略與效果分析。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中設(shè)計(jì)創(chuàng)新是非常重要的，只有創(chuàng)造適合用戶(hù)需求的產(chǎn)品才能使企業(yè)生存與發(fā)展，為了實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新,前人也研究開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的策略。圖2是開(kāi)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(kāi)發(fā)創(chuàng)新的策及效果，從此可得出創(chuàng)新改進(jìn)策略效果最佳，漸進(jìn)策略次之，純創(chuàng)新與創(chuàng)新保持效果不佳。

圖2 開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的策略與效果的示意圖

　　2) 設(shè)計(jì)類(lèi)型與方法分析。圖3說(shuō)明了設(shè)計(jì)過(guò)程各階段各種設(shè)計(jì)類(lèi)型及設(shè)計(jì)方的應(yīng)用，全新設(shè)計(jì)主要用于方案設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，只占設(shè)計(jì)工作量31%，而適應(yīng)性設(shè)計(jì)與變形設(shè)計(jì)固定原理設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)與零件設(shè)計(jì)是主要方法，這部分占設(shè)計(jì)工作量69%，這正與以上所述開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的策略與效果及世界先進(jìn)國(guó)家發(fā)展產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方法相一致，這說(shuō)明了在實(shí)際工作中適應(yīng)性設(shè)計(jì)與變形設(shè)計(jì)固定原理設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主要方法。

圖3 設(shè)計(jì)過(guò)程各階段各種設(shè)計(jì)類(lèi)型及設(shè)計(jì)方的應(yīng)用

圖4 產(chǎn)品組成結(jié)構(gòu)分析圖

　　3) 從產(chǎn)品組成結(jié)構(gòu)分析。用成組技術(shù)相似性對(duì)產(chǎn)品組成結(jié)構(gòu)分析，組成產(chǎn)品10~15%是標(biāo)準(zhǔn)件，功能、性能、結(jié)構(gòu)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(shuō)明了機(jī)械產(chǎn)品中各種品種類(lèi)型成千上萬(wàn)，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(biāo)準(zhǔn)的。這說(shuō)明了在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中只有10~15%結(jié)構(gòu)特殊的零件需創(chuàng)新設(shè)計(jì)，10~15%是標(biāo)準(zhǔn)件只是選用，70~85%是相似件只需作適應(yīng)性或固定原理設(shè)計(jì)。圖4是產(chǎn)品組成結(jié)構(gòu)分析圖。應(yīng)用這一原理完全可以構(gòu)成如圖5先進(jìn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式，即先進(jìn)產(chǎn)品開(kāi)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(biāo)準(zhǔn)的零部件及僅可能少的特殊的需要重新設(shè)計(jì)的零部件，組合成用戶(hù)需求的產(chǎn)品。這樣一來(lái)不但實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)通用、標(biāo)準(zhǔn)和模塊化，而且促進(jìn)工藝設(shè)計(jì)通用、標(biāo)準(zhǔn)和模塊化。

圖5 先進(jìn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式

圖6 零件種數(shù)與產(chǎn)品種類(lèi)關(guān)系

　　4) 從開(kāi)發(fā)成本分析。從上各世紀(jì)90年代統(tǒng)計(jì)，在國(guó)外一個(gè)零件設(shè)計(jì)、制造管理費(fèi)需2000美元，也就是說(shuō)新設(shè)計(jì)一個(gè)零件增加2000美元成本，如果應(yīng)用適應(yīng)性或固定原理設(shè)計(jì)，采用通用、標(biāo)準(zhǔn)零件就可降低成本2000美元。圖6不但說(shuō)明了一個(gè)零件設(shè)計(jì)、制造管理費(fèi)需2000美元，而且說(shuō)明了產(chǎn)品種類(lèi)與零件種數(shù)關(guān)系，產(chǎn)品種類(lèi)增加只要應(yīng)用以上先進(jìn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式，進(jìn)行有效控制零件種數(shù)就可達(dá)到理想或目標(biāo)曲線。

　　5) 從縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期適應(yīng)市場(chǎng)需求分析。市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的要素是T、Q、C、S即時(shí)間、質(zhì)量、成本與服務(wù)，其中時(shí)間是第一要素，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期是達(dá)到時(shí)間是第一要素的關(guān)鍵。圖7是西門(mén)子公司在講解其制造合理化時(shí)：我們能在接到訂單的當(dāng)天開(kāi)始生產(chǎn)嗎?從圖中可以看出他們產(chǎn)品采用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，在產(chǎn)品中這部分零部件的設(shè)計(jì)、工藝、工裝都是現(xiàn)成的，所以接到訂單的當(dāng)天就可以開(kāi)始生產(chǎn)。這樣大大縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期。

圖7 西門(mén)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(dǎo)機(jī)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(gòu)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(huì)進(jìn)步、人們對(duì)產(chǎn)品需求個(gè)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(mǎn)足不了人們需求，因此為了既滿(mǎn)足人們個(gè)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(shù)，在單件、小批生產(chǎn)中以擴(kuò)大零部件投產(chǎn)批量、組織相似工序生產(chǎn)，擴(kuò)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(diǎn)。進(jìn)入上個(gè)世紀(jì)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(diǎn)結(jié)合起來(lái)，形成大批量定制(或稱(chēng)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(shè)計(jì)上采用合理設(shè)計(jì)方法，是客觀規(guī)律所必須，是機(jī)械制造實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，使我國(guó)機(jī)械制造由大國(guó)發(fā)展為強(qiáng)國(guó)必由之路，CAD技術(shù)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)的融合這正是信息技術(shù)與機(jī)械制造技術(shù)相融合的切入點(diǎn)。

　　4 CAD技術(shù)怎樣與產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)的融合

　　1) 產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程與CAD軟件系統(tǒng)。圖11是產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程與CAD軟件系統(tǒng)示意圖，產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程是設(shè)計(jì)任何一個(gè)產(chǎn)品所必須，為此 CAD軟件系統(tǒng)必需為整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程相融合。

圖11 產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程與CAD軟件系統(tǒng)示意

　　2) 構(gòu)建數(shù)字化的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)境(平臺(tái))。為了使CAD軟件系統(tǒng)融合到整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中必須構(gòu)建數(shù)字化的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)境，才能滿(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的需求，目前市場(chǎng)上CAD軟件是支撐性軟件，必須進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。為了構(gòu)建數(shù)字化的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)境。圖12是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)境，CAD/PDM經(jīng)二次開(kāi)發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)軟件與CAD支撐性軟件關(guān)系。

圖12 CAD/PDM經(jīng)二次開(kāi)發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)軟件與CAD支撐性軟件關(guān)系

　　3) CAD/PDM二次開(kāi)發(fā)

　　(1) CAD/PDM經(jīng)二次開(kāi)發(fā)的內(nèi)容

　　下面是指支撐系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成為應(yīng)用處的內(nèi)容。

　?、?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(shí)用，可能要做一些修改、補(bǔ)充。如圖框，標(biāo)題欄，標(biāo)題欄位置，標(biāo)識(shí)方法，線型，字體，符號(hào)代號(hào)，明細(xì)表等。

　?、?建立產(chǎn)品開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)：

　　● 基礎(chǔ)通用數(shù)據(jù)庫(kù)，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)系，尺寸公差，配合，形位公差，粗糙度數(shù)據(jù)及其符號(hào)、代號(hào); 專(zhuān)業(yè)用符號(hào)、代號(hào)，電器、電子、氣動(dòng)、液壓、管路、焊接、加工、裝配等;

　　● 常用材料數(shù)據(jù)庫(kù)，原料、材料的名稱(chēng)、代號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)號(hào)、性能、規(guī)格等;

　　● 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范、已頒布的國(guó)標(biāo)、行標(biāo)及有關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn);

　　● 設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)，機(jī)械強(qiáng)度、振動(dòng)、磨擦、腐蝕、電磁、氣動(dòng)、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(shè)備及重要工裝的參數(shù)、性能。

　　③ 建立產(chǎn)品圖形庫(kù):

　　● 結(jié)構(gòu)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(dǎo)軌、孔、孔系等;

　　● 通用零件，包括支承、防護(hù)、操作、控制、緊固、連接、液壓、汽動(dòng)、潤(rùn)滑、定位、導(dǎo)向、傳動(dòng)類(lèi)中的盤(pán)、套、軸、齒、螺、 紋、板、條、塊等形狀的零件;

　　● 標(biāo)準(zhǔn)件，包括各種國(guó)標(biāo)、行標(biāo)或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的零部件;

　　● 機(jī)電配套類(lèi)，包括軸承、電機(jī)、電器、電子、原件、線纜、儀器、儀表、液壓、汽動(dòng)、潤(rùn)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(chǔ)構(gòu)件;

　　● 典型產(chǎn)品的整體模型。

　?、?建立方法庫(kù)：

　　● 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法;

　　● 有限元分析;

　　● 可靠性分析;

　　● 相似性分析;

　　● 模塊設(shè)計(jì)分析;

　　● 功能成本分析;

　　● 其他決策方法分析。

　　⑤ 建立知識(shí)庫(kù)：

　　用人工智能、專(zhuān)家系統(tǒng)構(gòu)架工具，總結(jié)企業(yè)對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，建立專(zhuān)業(yè)性的知識(shí)庫(kù)。

　　⑥ 建立方案設(shè)計(jì)報(bào)價(jià)系統(tǒng)。

　　⑦ 建立總體整機(jī)設(shè)計(jì)、部件(模塊)設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以及電器、液壓(氣動(dòng))、電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

　　⑧ 建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，對(duì)全部工程數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、使用、維護(hù)、及產(chǎn)品文檔、明細(xì)表生成系統(tǒng)。

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

　　(2) 開(kāi)發(fā)策略

　?、?凡是通用、標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)通用、標(biāo)準(zhǔn)的二次開(kāi)發(fā)內(nèi)容， 應(yīng)該有國(guó)家、行業(yè)統(tǒng)一組織開(kāi)發(fā)， 或有能力的大企業(yè)集團(tuán)、軟件公司作為商品開(kāi)發(fā)，可以上市，便于企業(yè)應(yīng)用，防止重復(fù)開(kāi)發(fā)。如果暫時(shí)沒(méi)有商品化的軟件，企業(yè)急用，可以根據(jù)情況急用多少開(kāi)發(fā)多少。

　?、?對(duì)過(guò)去已開(kāi)發(fā)的成果，要推廣，有問(wèn)題的要組織解決， 防止重復(fù)開(kāi)發(fā)。

　　③ 對(duì)企業(yè)專(zhuān)用部分企業(yè)要抓緊開(kāi)發(fā)，沒(méi)有力量的要委托外單位，合作開(kāi)發(fā)。

　?、?通過(guò)開(kāi)發(fā)逐漸完善各種標(biāo)準(zhǔn)。