1.4 CAD相關技術

產(chǎn)品設計是產(chǎn)品全生命周期的前端，其中的大部分活動都可以應用CAD技術來實現(xiàn)，隨著計算機技術及先進制造技術的不斷發(fā)展應運而生的新的制造模式，還將繼續(xù)對CAD技術產(chǎn)生更深刻的影響，對CAD技術提出更新、更高的集成要求。同時，從系統(tǒng)功能的角度，還包括有限元分析、工藝設計、數(shù)控編程及數(shù)據(jù)管理等軟件單元，它們能夠按照需求有機集成，在功能上實現(xiàn)互操作。

1.智能設計

智能設計是指將智能優(yōu)化方法應用到產(chǎn)品設計中，利用計算機模擬人的思維活動進行輔助決策，以建立支持產(chǎn)品設計的智能設計系統(tǒng)，從而使計算機能夠更多、更好地承擔設計過程中的各種復雜任務，成為設計人員的重要輔助工具。智能CAD系統(tǒng)應具有下面的三個功能。

1）該系統(tǒng)能智能地支持設計者，即在知識庫的支持下，系統(tǒng)具有搜索、推理決策的能力，包括理解設計者的意圖、設計條件和約束，提出各種可行的設計方案及結構，能正確解釋設計者提出的問題，查找并改正設計錯誤。這就要求系統(tǒng)具有一個內容豐富的知識庫和一個進行理解推理和決策的模塊。

2）系統(tǒng)具備相應的設計資料數(shù)據(jù)庫和計算分析程序庫，還有圖形支撐系統(tǒng)和文件產(chǎn)生系統(tǒng)。

3）系統(tǒng)具有自學習能力，即能夠不斷地總結經(jīng)驗，自動從知識庫將過時、不合理的知識刪除，并不斷吸收新知識。這就要求系統(tǒng)的知識庫具有開放性和靈活性。一個典型的智能CAD系統(tǒng)組成如圖1-4所示。

2.計算機輔助工程

（Computer Aided Engineering, CAE）將計算機技術應用到工程分析領域，是一種集計算力學、計算數(shù)學、信息科學等計算機輔助工程于一體的綜合性工程技術，是支持設計人員進行創(chuàng)新研究和創(chuàng)新設計的重要工具和手段，能夠對產(chǎn)品的設計方案、性能、可靠性、安全性、經(jīng)濟性等進行分析評價，以改進產(chǎn)品研發(fā)過程。運用CAE技術可以將部分試驗過程在計算機上實現(xiàn)，通過相關軟件對產(chǎn)品的數(shù)字化模型進行各種分析及優(yōu)化設計，如應力/應變分析、振動仿真、溫度分布分析等，從而縮短產(chǎn)品的研制周期，降低產(chǎn)品的研發(fā)費用。CAE技術被引入設計領域后，給現(xiàn)代產(chǎn)品設計帶來了巨大變革。工程技術人員進行結構分析的主要任務就是設法將復雜的工程實際問題加以簡化、建立合理的計算力學模型，然后再按所選程序的要求，準備好全部所需的數(shù)據(jù)和信息，運用計算機進行求解，最后再檢查計算結果的合理性。

1）有限元法：首先假想將連續(xù)的結構分割（離散）成數(shù)目有限的小塊，稱為有限單元，各單元之間僅在有限個指定結合點處相連接，用組成單元的集合體近似代替原來的結構，在節(jié)點之間引入有效節(jié)點力以代替實際作用在單元上的載荷。對每個單元，選擇一個簡單的函數(shù)來近似地表達單元位移分量的分布規(guī)律，并按彈性力學中的變分原理建立單元節(jié)點力與節(jié)點位移（速度、加速度）的關系（質量、阻尼和剛度矩陣），最后把所有單元的這種關系集合起來，就可以得到以節(jié)點位移為基本未知量的力學方程，給定初始條件和邊界條件就可以求解力學方程。

2）模態(tài)分析法：主要用于分析沖擊和變載荷的動態(tài)結構，可以用有限元法或模態(tài)分析法計算每個零件的變形或振動量，根據(jù)裝配的連接條件求得整體結構的變形和振動。

3）運動仿真：CAE系統(tǒng)可以對運動機構進行動態(tài)分析，并可顯示機構運動的動態(tài)過程，以便檢查機構的運動軌跡，校核運動件的干涉情況，還可計算出構件的運動速度、加速度和受力的大小，可以仿真運動組件的加速力和重力的反作用力。同時，還可以綜合考慮彈簧彈力、電動機驅動力、摩擦力和重力等動力的影響，調整產(chǎn)品的結構及設計參數(shù)。

4）方案優(yōu)選：CAE系統(tǒng)采用參數(shù)優(yōu)化方法進行方案優(yōu)選，使方案設計考慮的因素更為全面和合理。

5）可靠性分析：通過計算機進行的可靠性分析，設計人員能夠預測和改善其設計方案的疲勞性能，減少可靠性試驗次數(shù)。

6）制造過程仿真：對金屬切削加工、裝配和物料流動等工藝過程進行仿真，除了對產(chǎn)品加工質量進行預測外，還可以深入研究這些工藝過程的機理和規(guī)律，了解產(chǎn)品設計的合理性、可加工性和加工方法，并可選用機床和優(yōu)化工藝參數(shù)。

7）產(chǎn)品裝配仿真：采用產(chǎn)品裝配仿真技術可以在產(chǎn)品設計階段進行可裝配性驗證，避免零件的報廢和工期的延誤，確保設計的正確性。

3.計算機輔助工藝設計

計算機輔助工藝設計（Computer Aided Process Planning, CAPP）是利用計算機來進行零件加工工藝過程的制訂，目的是把毛坯加工成工程圖樣上所要求的零件。它是通過向計算機輸入被加工零件的幾何信息（形狀、尺寸等）和工藝信息（材料、熱處理、批量等），由計算機自動輸出零件的工藝路線和工序內容等工藝文件的過程。

CAPP是利用計算機快速處理信息的功能和具有各種決策功能的軟件來自動生成工藝文件的過程。CAPP能迅速編制出完整而詳盡的工藝文件，大大提高了工藝人員的工作效率，可以獲得符合企業(yè)實際條件的優(yōu)化工藝方案，給出合理的工時定額和材料消耗，并有助于對工藝人員的寶貴經(jīng)驗進行總結和繼承。CAPP不僅能實現(xiàn)工藝設計自動化，還能把生產(chǎn)實踐中行之有效的若干工藝設計原則及方法轉換成工藝決策模型，并建立科學的決策邏輯，從而編制出最優(yōu)的制造方案。CAPP是連接CAD和CAM的橋梁，是實現(xiàn)CAD/CAM集成的一項重要技術。

CAPP系統(tǒng)一般具有以下功能：輸入設計信息；選擇工藝路線，確定工序、機床、刀具；確定切削用量；估算工時與成本；輸出工藝文件以及向CAM提供零件加工所需的設備、工裝、切削參數(shù)、裝夾參數(shù)以及反映零件切削過程的刀具軌跡文件等。

CAPP系統(tǒng)是根據(jù)企業(yè)的類別、產(chǎn)品類型、生產(chǎn)組織狀況、工藝基礎及資源條件等因素而開發(fā)的，不同的系統(tǒng)有不同的工作原理，目前常用的CAPP系統(tǒng)可分為派生式、創(chuàng)成式和綜合式三大類。CAPP系統(tǒng)的種類很多，但其基本結構主要為五大組成模塊：零件信息獲取、工藝決策、工藝數(shù)據(jù)庫/知識庫、人機界面和工藝文件管理/輸出，如圖1-5所示。

4.計算機輔助制造

計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing, CAM）指的是從產(chǎn)品設計到加工制造之間的一切生產(chǎn)準備活動，它包括CAPP、數(shù)控編程、工時定額的計算、生產(chǎn)計劃的制訂、資源需求計劃的制訂等，還包括制造活動中與物流有關的所有過程（加工、裝配、檢驗、存儲、輸送）的監(jiān)視、控制和管理。隨著技術的發(fā)展，CAPP已作為一個專門的子系統(tǒng)，而工時定額的計算、生產(chǎn)計劃的制訂、資源需求計劃的制訂則劃分給MRPⅡ（制造資源計劃）/ERP（企業(yè)資源計劃）系統(tǒng)來完成，CAM的概念有時可進一步縮小為數(shù)控編程的同義詞。可將CAM功能分為直接應用功能和間接應用功能。

1）直接應用功能：是指計算機通過接口直接與物流系統(tǒng)連接，用以控制、監(jiān)視、協(xié)調物流過程，它包括物流運行控制、生產(chǎn)控制和質量控制。物流運行控制是指根據(jù)生產(chǎn)作業(yè)計劃的生產(chǎn)進度信息控制物料的流動；生產(chǎn)控制指在生產(chǎn)過程中隨時收集和記錄物流過程的數(shù)據(jù)，當發(fā)現(xiàn)工況偏離作業(yè)計劃時，即予以協(xié)調與控制；質量控制是指通過現(xiàn)場檢測隨時記錄現(xiàn)場數(shù)據(jù)，當發(fā)現(xiàn)偏離或即將偏離預定質量指標時，向工序作業(yè)級發(fā)出命令，予以校正。

2）間接應用功能：是指計算機與物流系統(tǒng)沒有直接的硬件連接，它支持車間的制造活動并提供物流過程和工序作業(yè)所需數(shù)據(jù)與信息，它包括CAPP、計算機輔助數(shù)控程序編制、計算機輔助工裝設計及計算機輔助編制作業(yè)計劃。如前所述，CAPP本質上就是用計算機模擬人工編制工藝規(guī)程的方法編制工藝文件。

計算機輔助數(shù)控程序編制是指根據(jù)CAPP所指定的工藝路線和所選定的數(shù)控機床，用計算機編制數(shù)控機床的加工程序；計算機輔助工裝設計包括專用夾具、刀具的設計與制造，這也是工藝準備工作中的重要內容；計算機輔助編制作業(yè)計劃是指當生產(chǎn)計劃確定了在規(guī)定期內應生產(chǎn)的零件品種、數(shù)量和時間之后，用計算機根據(jù)數(shù)據(jù)庫中人員、設備、資源的情況以及生產(chǎn)計劃和工藝設計的數(shù)據(jù)，編制出詳細的生產(chǎn)作業(yè)計劃，確定在哪臺設備加工，由誰何時進行何種作業(yè)以及何時完工，以作為車間的生產(chǎn)命令。

5.產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理

進入21世紀以后，現(xiàn)代CAD技術開始向集成化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展。隨著數(shù)字化設計的逐步應用，產(chǎn)品設計中運用了各類軟件系統(tǒng)。由于各系統(tǒng)具有獨立性，使得信息傳遞困難，無法快速準確地交換信息，這種現(xiàn)象稱為信息化“孤島”。為了解決這個問題，研究人員提出了設計制造集成的解決思路，即采用集成的方法將各個系統(tǒng)聯(lián)系起來，形成統(tǒng)一的信息傳遞平臺，從而實現(xiàn)信息資源的共享和傳遞。隨著集成技術、網(wǎng)絡技術和信息技術的不斷發(fā)展，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術應運而生。產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Data Management, PDM）是指對企業(yè)內分布于各種系統(tǒng)和介質中的產(chǎn)品、產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息和應用的集成與管理。產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理集成了所有與產(chǎn)品相關的信息。

PDM將所有與產(chǎn)品相關的信息和所有與產(chǎn)品有關的過程集成在一起。與產(chǎn)品相關的信息包括任何屬于產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，如CAD/CAE/CAM文件、物料清單（Bill of Material, BOM）、產(chǎn)品配置、事務文件、產(chǎn)品訂單、電子表格、生產(chǎn)成本、供應商狀況等。與產(chǎn)品有關的過程包括任何有關的加工工序、加工指南和有關批準、使用權、安全、工作標準和方法、工作流程、機構關系等所有過程處理的程序。它包括了產(chǎn)品生命周期的各個方面，PDM能使最新的數(shù)據(jù)為全部有關用戶所應用，工程設計人員、數(shù)控機床操作人員、財會人員及銷售人員都能按要求方便地存取、使用有關數(shù)據(jù)。PDM是依托信息技術實現(xiàn)企業(yè)最優(yōu)化管理的有效方法，是科學的管理框架與企業(yè)現(xiàn)實問題相結合的產(chǎn)物，是計算機技術與企業(yè)文化結合的一種產(chǎn)品。

1）提供產(chǎn)品設計集成化的使能技術，如資源共享、信息服務、合作建模、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理與設計過程管理等技術。

2）提供支持產(chǎn)品設計的網(wǎng)絡化平臺及相關技術的解決方案，如3W技術、郵件通信、遠程傳輸和安全保密等。

PDM集成框架如圖1-6所示。

6.虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）是傳感技術、多媒體技術、控制技術和模擬仿真技術的完美結合，其核心是一臺高性能的虛擬現(xiàn)實計算機，通過多種輸入、輸出設備構造出所謂虛擬環(huán)境來模擬仿真技術，在虛擬技術中得到充分的應用和發(fā)展。虛擬現(xiàn)實標志著模擬仿真技術的最新發(fā)展成果。

用戶戴上特制的頭盔、眼鏡、耳機和手套，立刻置身于計算機營造的虛擬三維空間之中，眼中看到立體彩色圖像，耳中聽到立體聲，用戶動作能對虛擬環(huán)境中的事物產(chǎn)生預期的影響。因而可以“身臨其境”，用人類本身的感覺器官體驗計算機營造出的逼真環(huán)境。如可以打開一臺虛擬轎車的車門，坐進駕駛室中，操縱開動，駕駛前進，如同操縱一輛真實的轎車一樣。應用虛擬現(xiàn)實技術進行產(chǎn)品開發(fā)，不僅可以使產(chǎn)品的設計者在產(chǎn)品尚未制造出之前就充分檢驗各種設計細節(jié)和最終的設計效果，而且可以使用戶能盡早地充分體驗產(chǎn)品的各種性能。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)組成如圖1-7所示。搭建的虛擬樣機可以在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下進行產(chǎn)品工作性能測評，首先運用CAD技術進行產(chǎn)品的實體建模，然后將該模型置于虛擬環(huán)境中進行仿真和分析，可以在設計階段對裝配、加工和運行過程進行仿真，解決不可預見的問題，提高物理樣機的一次試驗成功率，可以方便直觀地進行工作性能驗證。

7.增材制造技術

增材制造（Additive Manufacturing）技術是集數(shù)字化建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等學科于一體的，依據(jù)產(chǎn)品的三維CAD模型，基于離散材料逐層疊加的成形原理，通過有序控制將材料逐層堆積，制造出指定形狀的實體零件的數(shù)字化制造技術，又稱為快速原型技術、3D打印技術。與傳統(tǒng)的加工方法相比，增材制造具有以下優(yōu)點：擅長制造具有復雜曲面和內腔的結構，加工材料可以達到近凈成形，大大節(jié)省了加工時間，節(jié)約了生產(chǎn)成本；非常適合個性化小批量復雜曲面的加工；無需多余的工藝裝備，不需要刀具、模具，工裝夾具較少。其制造工藝流程最短，因此一旦增材制造技術克服了加工速度慢的局限性，就將成為一種真正的敏捷制造模式，符合先進制造業(yè)敏捷化的需求。增材制造技術是21世紀機械制造工業(yè)領域一次跨時代的工藝技術革新。

傳統(tǒng)CAD設計因其自身的局限性，只能利用數(shù)字化方法描述零件的表面信息，而難以描述其內部結構、組織和材料信息，極大地限制了增材制造的發(fā)展空間，因此通過產(chǎn)品建模技術最大限度地發(fā)揮增材制造的優(yōu)勢已成為CAD領域的研究熱點之一。增材制造對CAD技術提出了以下要求。

1）建立提高成形精度和速度的數(shù)據(jù)處理方法，制訂能較好保持CAD模型的幾何及拓撲信息、減少數(shù)據(jù)轉換精度丟失的適用于增材制造的數(shù)據(jù)交換格式和自適應分層算法。

2）完善CAD技術，完善復雜幾何形體的建模方法及工藝過程；研究多尺度建模和逆向設計方法；研究具有形狀、性能、工藝等可變性的建模和設計方法。

3）提供支持增材制造的設計技術，如基于互聯(lián)網(wǎng)的開放式創(chuàng)新服務、材料—性能—工藝—結構一體化設計優(yōu)化等設計技術。

8.云制造技術

20世紀90年代以來，我國吸取國外先進制造技術，開展了以計算機集成制造、并行工程、敏捷制造和網(wǎng)絡化制造等為代表的制造業(yè)信息化相關技術的研究與應用，并取得了顯著成果。網(wǎng)絡技術、云計算等信息技術的快速發(fā)展，也為制造業(yè)向敏捷化、服務化、智能化發(fā)展提供了機遇。基于知識的創(chuàng)新能力、對各類制造資源的整合與協(xié)同能力以及對環(huán)境的友好性，已成為制造業(yè)信息化發(fā)展的趨勢。在這種背景下，中國工程院院士李伯虎等提出一種面向服務、高效低耗和基于知識的網(wǎng)絡化智能新模式—云制造。云制造是一種利用網(wǎng)絡和云制造服務平臺，按用戶需求組織網(wǎng)上制造資源（制造云），為用戶提供各類按需制造服務的一種網(wǎng)絡化制造新模式。它融合現(xiàn)有信息化制造、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、語義Web、高性能計算等技術，通過對現(xiàn)有網(wǎng)絡化制造與服務技術進行延伸和變革，將各類制造資源和制造能力虛擬化、服務化，并進行統(tǒng)一、集中的智能化管理和經(jīng)營，實現(xiàn)智能化、多方共贏、普適化、高效的共享和協(xié)同，通過網(wǎng)絡為制造全生命周期過程提供可隨時獲取、按需使用、安全可靠的共享資源。在云制造的實施過程中，需要CAD技術為其提供技術支撐。

1）為云制造系統(tǒng)的資源層提供技術支持，包括CAD/CAM/CAPP/PDM等的集成技術、資源共享、數(shù)據(jù)管理與設計過程管理。

2）提供構建云制造體系的相關技術，包括虛擬化技術、人機交互技術、多主體協(xié)同的可視化終端交互技術、可信與安全制造服務技術等。