融合CAD与产品设计技术的研究

　　本文探讨研究了融合CAD与产品设计技术的相关内容。

　　1 CAD技术与产品设计技术的融合的重要性

　　众所周知,企业以产品为己任，产品功能、性能、交货期、质量与成本是用户最大需求，而产品功能、性能、是有产品设计所决定，产品成本85%决定于产品设计阶段，产品设计与工艺设计周期是整个生产周期70%，产品质量的50~60也决定于产品设计，因此产品设计是一个企业的生存与发展的关键，也是企业实现信息化的首要部分，我国制造业信息化的实践也証实了这点。为此从制造业发展几百年过程中人们在不断研究产品设计的方法与技术，从产品设计技术的发展过程及产品设计与创新、产品设计方法学研究中已形成了一系列原理与方法，图1是机械产品设计技术发展过程，其中看出从1950以来已开始应用一系列适应市场经济设计方法，并也开始计算机及信息技术的应用，应用计算机及信息技术实现代设计方法的改进已成为现代设计方法发展方向，如何利用计算机及信息技术的特点发展CAD技术，使CAD技术与产品设计技术的融合，必须使CAD技术与先进设计方法结合起来，充分发挥CAD技术的作用，不仅是改进设计方法的支柱，也是促进CAD软件产品创新最佳路径。

表1 机械产品设计发展过程

　　我国CAD的应用始于上个世纪70年代后期，90年代中期CAD技术得到了普及，80%的企业实现了”甩图板”，试点的138家企业中76%的设计周期缩短，96%的提高设计质量，72%的降低成本，为进一步开展CAD的应用打下了基础。但是大多数企业停在“甩图板”阶段，即使有的企业使用三维设计软件，但是还是没有形成面向整个产品设计过程、具有优化分析、计算，具有系列、通用、零部件(模块)库和数据库和面向市场的CAD系统集成的工作平台，也没有形成与企业其它计算机应用系统数据共享，集成运行的环境。据中国机械工业联合会2003年11月14日发布调查，对166家机械制造企业调查统计结果：CAD应用基本普及 重点骨干企业的70%已应用CAD技术;“九五”期间50家示范企业的CAD应用普及率已达93%，主导产品CAD的出图率达98%。但CAD应用的深度仍有很大局限，相当一部分企业停留在出图上，三维CAD、CAD/CAM、仿真设计等应用很少;被调查的166个企业中进行结构优化计算的只占16%，进行仿真设计的只占6%。2007年“e制造“调查结果也是如此。

　　从以上调查中目前CAD应用处与初级阶段，仅仅代替绘图，其产品设计方式并没有发生质的变化停留在比较落后的状态，这也是我国目前CAD应用软件技术与产品设计技术的融合中必须解决的问题，既是应用企业发展方向也是我国CAD应用软件发展方向。

　　2 国际上设计技术发展

　　市场经济的发展，先进国家为了保持世界经济中领先地位，不断改进制造技术，上个世纪后期美国提出先进制造技术AM，图1是先进制造技术的基本内容，从中可以看出其主体技术就包含了产品设计、工艺设计、工厂设计一系列方法与工具CAX。德国推出的“制造2000”计划，首先提出的是产品开发方法与制造方法，其中把信息技术与模块化产品结构与模块化产品开发方法放在重要地位。美国推广敏捷制造的TEAM计划中，以优化为核心，以概念优化、设计优化达到制造实施优化。从这两个先进国家技术发展动向,信息技术与先进制造技术融合的重要性与必然趋势。

图1 是先进制造技术的基本内容

　　其中：

　　● 主体技术群：产品设计，工艺设计，工厂设计一系列方法与工具(cax……)

　　● 支持技术群：支持主体群的基础核心技术与生产过程的一系列支撑技术

　　● 制造技术基础设施：应用先进制造技术采取各种方案与机制

　　3 从开发创新的策略与效果分析设计方法

　　1) 开发创新的策略与效果分析。产品开发中设计创新是非常重要的，只有创造适合用户需求的产品才能使企业生存与发展，为了实现创新,前人也研究开发创新的策略。图2是开发创新的策略与效果的示意图。从图中可以看出，各种开发创新的策及效果，从此可得出创新改进策略效果最佳，渐进策略次之，纯创新与创新保持效果不佳。

图2 开发创新的策略与效果的示意图

　　2) 设计类型与方法分析。图3说明了设计过程各阶段各种设计类型及设计方的应用，全新设计主要用于方案设计与结构设计阶段，只占设计工作量31%，而适应性设计与变形设计固定原理设计是结构设计、详细设计与零件设计是主要方法，这部分占设计工作量69%，这正与以上所述开发创新的策略与效果及世界先进国家发展产品开发方法相一致，这说明了在实际工作中适应性设计与变形设计固定原理设计是产品设计的主要方法。

图3 设计过程各阶段各种设计类型及设计方的应用

图4 产品组成结构分析图

　　3) 从产品组成结构分析。用成组技术相似性对产品组成结构分析，组成产品10~15%是标准件，功能、性能、结构特殊的零件也只占10~15%，而组成产品70~85%是相似件，这又说明了机械产品中各种品种类型成千上万，其功能、性能、各不相同，但其组成的零件70~85%是相似件，10~15%是标准的。这说明了在产品设计过程中只有10~15%结构特殊的零件需创新设计，10~15%是标准件只是选用，70~85%是相似件只需作适应性或固定原理设计。图4是产品组成结构分析图。应用这一原理完全可以构成如图5先进产品开发模式，即先进产品开发模式并不是去大量创新新的零部件，而是利用已有通用、标准的零部件及仅可能少的特殊的需要重新设计的零部件，组合成用户需求的产品。这样一来不但实现产品设计通用、标准和模块化，而且促进工艺设计通用、标准和模块化。

图5 先进产品开发模式

图6 零件种数与产品种类关系

　　4) 从开发成本分析。从上各世纪90年代统计，在国外一个零件设计、制造管理费需2000美元，也就是说新设计一个零件增加2000美元成本，如果应用适应性或固定原理设计，采用通用、标准零件就可降低成本2000美元。图6不但说明了一个零件设计、制造管理费需2000美元，而且说明了产品种类与零件种数关系，产品种类增加只要应用以上先进产品开发模式，进行有效控制零件种数就可达到理想或目标曲线。

　　5) 从缩短产品生产周期适应市场需求分析。市场经济企业竞争的要素是T、Q、C、S即时间、质量、成本与服务，其中时间是第一要素，缩短产品生产周期是达到时间是第一要素的关键。图7是西门子公司在讲解其制造合理化时：我们能在接到订单的当天开始生产吗?从图中可以看出他们产品采用标准化、通用化、模块化设计，在产品中这部分零部件的设计、工艺、工装都是现成的，所以接到订单的当天就可以开始生产。这样大大缩短产品生产周期。

图7 西门子公司制造合理化

图8 批量法则示意图

　　6) 从生产效率与生产成本分析。批量法则是指导机械制造的基本规则，为了提高效率、降低成本提高产品批量构成大批大量生产是提高效率、降低成本最根本方法，但是由与社会进步、人们对产品需求个性化的发展，大批大量生产的单一品种或少数品种满足不了人们需求，因此为了既满足人们个性化需求，又能按照批量法则获得提高效率、降低成本的原则，研究以相似性位原理的成组技术，在单件、小批生产中以扩大零部件投产批量、组织相似工序生产，扩大相似工序投产批量，从而获得大批量生产高效率、成本低的优点。进入上个世纪90年代，把单件小批生产的多品种与大批量生产高效率、成本低的优点结合起来，形成大批量定制(或称大规模定制)MC，图10是大规模定制生产模式原理与方法。

　　从以上各方面的分析，设计上采用合理设计方法，是客观规律所必须，是机械制造实现现代化，使我国机械制造由大国发展为强国必由之路，CAD技术与产品设计技术的融合这正是信息技术与机械制造技术相融合的切入点。

　　4 CAD技术怎样与产品设计技术的融合

　　1) 产品设计过程与CAD软件系统。图11是产品设计过程与CAD软件系统示意图，产品设计过程是设计任何一个产品所必须，为此 CAD软件系统必需为整个设计过程相融合。

图11 产品设计过程与CAD软件系统示意

　　2) 构建数字化的产品开发设计环境(平台)。为了使CAD软件系统融合到整个设计过程中必须构建数字化的产品开发设计环境，才能满足产品设计过程的需求，目前市场上CAD软件是支撑性软件，必须进行二次开发。为了构建数字化的产品开发设计环境，CAD软件必须与PDM软件相配合，才能形成数字化的产品开发设计环境。图12是产品开发设计环境，CAD/PDM经二次开发的应用系统软件与CAD支撑性软件关系。

图12 CAD/PDM经二次开发应用系统软件与CAD支撑性软件关系

　　3) CAD/PDM二次开发

　　(1) CAD/PDM经二次开发的内容

　　下面是指支撑系统开发成为应用处的内容。

　　① 完善图形处理功能。一般支撑系统已提供图形处理功能，但根据实用，可能要做一些修改、补充。如图框，标题栏，标题栏位置，标识方法，线型，字体，符号代号，明细表等。

　　② 建立产品开发数据库：

　　● 基础通用数据库，标准数系，尺寸公差，配合，形位公差，粗糙度数据及其符号、代号; 专业用符号、代号，电器、电子、气动、液压、管路、焊接、加工、装配等;

　　● 常用材料数据库，原料、材料的名称、代号、标准号、性能、规格等;

　　● 产品标准及技术规范、已颁布的国标、行标及有关国际标准;

　　● 设计专业数据，机械强度、振动、磨擦、腐蚀、电磁、气动、液压等数据;

　　● 制造工艺数据，铸造、锻造、冲压、剪切、焊接、切削、热处理等数据;

　　● 企业工艺装备：各种加工制造设备及重要工装的参数、性能。

　　③ 建立产品图形库:

　　● 结构要素特征，包括螺纹、键、花键、齿形、槽(键槽、密封槽、退刀槽、燕尾槽、T形槽、皮带槽等)、圆弧、球、倒角、倒圆、导轨、孔、孔系等;

　　● 通用零件，包括支承、防护、操作、控制、紧固、连接、液压、汽动、润滑、定位、导向、传动类中的盘、套、轴、齿、螺、 纹、板、条、块等形状的零件;

　　● 标准件，包括各种国标、行标或国际标准的零部件;

　　● 机电配套类，包括轴承、电机、电器、电子、原件、线缆、仪器、仪表、液压、汽动、润滑、五金、化工等;

　　● 通用部件、模块，本企业的通用部件或模块;

　　● 典型产品的基础构件;

　　● 典型产品的整体模型。

　　④ 建立方法库：

　　● 优化设计方法;

　　● 有限元分析;

　　● 可靠性分析;

　　● 相似性分析;

　　● 模块设计分析;

　　● 功能成本分析;

　　● 其他决策方法分析。

　　⑤ 建立知识库：

　　用人工智能、专家系统构架工具，总结企业对产品开发、设计经验，建立专业性的知识库。

　　⑥ 建立方案设计报价系统。

　　⑦ 建立总体整机设计、部件(模块)设计、零件设计系统，以及电器、液压(气动)、电子控制系统设计系统。

　　⑧ 建立产品数据管理系统，对全部工程数据进行管理、使用、维护、及产品文档、明细表生成系统。

　　⑨ 与工厂其它系统的接口，包括与CAPP、CAM、MRP-Ⅱ等。

　　(2) 开发策略

　　① 凡是通用、标准或行业通用、标准的二次开发内容， 应该有国家、行业统一组织开发， 或有能力的大企业集团、软件公司作为商品开发，可以上市，便于企业应用，防止重复开发。如果暂时没有商品化的软件，企业急用，可以根据情况急用多少开发多少。

　　② 对过去已开发的成果，要推广，有问题的要组织解决， 防止重复开发。

　　③ 对企业专用部分企业要抓紧开发，没有力量的要委托外单位，合作开发。

　　④ 通过开发逐渐完善各种标准。