從繪圖工具到智能化軟裝備.doc

從繪圖工具到智能化軟裝備 CAD是制造業(yè)信息化的源頭，實踐證明要從2D轉(zhuǎn)化為3D，需要從技術(shù)、組織、投資和管理等方面多管齊下才能奏效，這是一場使CAD從自動化的繪圖工具升級為智能化的設(shè)計技術(shù)裝備系統(tǒng)的重大改革。 三維CAD的現(xiàn)實價值 隨著經(jīng)濟全球化的進程，中國作為制造業(yè)大國地位逐步提升，在二維CAD初步普及之后，更加突顯出三維CAD的作用和價值。 以數(shù)字化造型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實體模擬，保證了宇航、飛機、艦船、汽車等產(chǎn)品的精確外形，成為現(xiàn)代裝備制造業(yè)設(shè)計制造的必不可少的造型工具。 滿足用戶不斷變化的個性需求，快速響應(yīng)市場競爭的變化，及時提供聲、光、仿真互動等多媒體競爭工具。 以數(shù)字化設(shè)計和電子樣機取代傳統(tǒng)的實體試驗機，實現(xiàn)材質(zhì)性能、應(yīng)用功能、制造效能的虛擬分析驗證，提供智能化的創(chuàng)新工具。 工程設(shè)計人員所掌握的現(xiàn)代3D技術(shù)與設(shè)計制造流程的信息化、智能化有機結(jié)合，必將成為現(xiàn)代制造業(yè)推動設(shè)計革命的先進生產(chǎn)力。 從應(yīng)用行業(yè)和專業(yè)領(lǐng)域來看，2D系統(tǒng)的應(yīng)用模式大體上相似，主要用于樣圖設(shè)計、工程繪圖和生成各種格式的細目表。3D的應(yīng)用，在不同行業(yè)和專業(yè)領(lǐng)域則有很大的差別。對于宇航、汽車、造船等行業(yè)來說，實現(xiàn)數(shù)字化產(chǎn)品的3D曲面造型，取代成本很高、周期很長，精度較差的實體模型是他們攻關(guān)的重點。許多機電、民用、大型工程項目則十分看重3D軟件能提供用戶滿意的、可做運動功能演示的電子樣機。在諸多制造業(yè)信息化領(lǐng)域中，如CAM、CAE、CAPP、CAT、ERP等都需以3D的數(shù)字化產(chǎn)品數(shù)據(jù)和幾何模型作為信息化的共享基礎(chǔ)。 企業(yè)應(yīng)用三維CAD進行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計已經(jīng)是一種必然的發(fā)展趨勢，三維設(shè)計符合人的思維習(xí)慣。目前市場上國外的主流設(shè)計軟件UG、Pro/ENGINEER、CATIA和SolidWorks等無一不是以強大的三維功能見長。國外的汽車、航空航天、造船和機床等行業(yè)均已全面采用三維CAD軟件進行產(chǎn)品虛擬設(shè)計和制造，三維CAD成為數(shù)字化設(shè)計與制造的核心與基礎(chǔ)。三維CAD作為產(chǎn)品全生命周期管理解決方案的核心構(gòu)件，可以提供完整的三維產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)，以適應(yīng)不同應(yīng)用的需求，如二維三維關(guān)聯(lián)繪圖，可以根據(jù)需要將三維產(chǎn)品數(shù)據(jù)生成工程圖紙; 利用三維產(chǎn)品幾何數(shù)據(jù)可以產(chǎn)生高度真實感圖片，提供市場部門、客戶、供應(yīng)商使用; 可以在互聯(lián)網(wǎng)上預(yù)覽產(chǎn)品（3D Viewer）; 三維產(chǎn)品數(shù)據(jù)可以直接傳遞給制造部門進行數(shù)控加工編程; 可以提供給專用程序進行有限元分析，三維產(chǎn)品數(shù)據(jù)可以輸出至快速成型設(shè)備，制作樣品等等。利用三維CAD/CAM技術(shù)，可以降低產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險，提高產(chǎn)品設(shè)計成功率; 同時與Internet技術(shù)配合使用，可進行設(shè)計過程的協(xié)同。從采用三維CAD與目前廣泛的應(yīng)用三維CAD相比較而言，用戶得到的好處非常明顯。 近來年，我國在積極開發(fā)自主版權(quán)三維CAD軟件方面取得了突破性進展。已有五六種國產(chǎn)三維CAD系統(tǒng)先后投放市場。主要有CAXA實體設(shè)計三維CAD軟件、清華英泰三維CAD系統(tǒng)、天喻產(chǎn)品設(shè)計CAD軟件、開目KM3D-CAD軟件、新洲Solid 3000等。這些產(chǎn)品經(jīng)石油機械、工程機械、電力工程、家電輕工以及軍工科研單位廣泛應(yīng)用，并取得了良好的成效。 CAD發(fā)展歷程 1推動中國三維CAD發(fā)展的外籍主力軍團 國際上第一個CAD軟件產(chǎn)品“CADAM”，是由美國洛克希德公司1967年開發(fā)、1972年投入使用的，并于1978年交由IBM公司對外經(jīng)銷，20世紀(jì)80年代初進入中國市場。第一代三維CAD軟件產(chǎn)品CATIA，是由法國達索公司于1977年開發(fā)的，1982年推出主機上運行的V1版投放市場。1986年美國波音飛機制造公司成為達索的用戶，此后CATIA行銷全球各大航空、汽車公司，成為高檔三維CAD軟件的代表。此后又經(jīng)歷了十多年才推出適于Windows NT的普及型的CATIA V5版。 達索公司起步發(fā)展CAD/CAM，是從引進美國二維CADAM系統(tǒng)開始的，同時自己動手自主開發(fā)三維飛機造型系統(tǒng)。他們背靠法國強大航空工業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)和資金支持，以不到十年的時間從向美國進口信息技術(shù)的國家，轉(zhuǎn)化為向美出口先進三維造型技術(shù)的國家。此后達索公司即以高屋建瓴之勢，引進、收購、兼并國內(nèi)外先進的CAD/CAM技術(shù)，如美國的CADAM公司、Solidworks公司微機版三維軟件、Denel的Delmia制造仿真軟件、Spatial公司的ACIS幾何平臺軟件、以色列著名的制造業(yè)管理軟件Smarteam，還在美國成立一個以PDM、PLM為主的ENOVIA公司。 近年來，達索十分重視中國業(yè)務(wù)的發(fā)展，領(lǐng)先一步與國內(nèi)CAXA集團聯(lián)合成立了“中、法聯(lián)合的PLM軟件研發(fā)中心”,發(fā)展普及版的PLM V5平臺,并與清華大學(xué)共同建立了軟件研發(fā)基地。達索現(xiàn)有員工4000人，其中2000人從事研發(fā)，經(jīng)營領(lǐng)域跨越全球的宇航、汽車、電力、工程機械、電子、信息等七大行業(yè)，在21個國家中設(shè)有89個辦事處，年收入7.5億歐元，凈利潤1.4億歐元。 Autodesk公司是當(dāng)前全球制造信息業(yè)中的佼佼者。20年前由幾名年輕的大學(xué)生合伙開發(fā)了一個面向小型企業(yè)和個人用戶的微機版二維CAD系統(tǒng)，這一點和許多國內(nèi)CAD公司的發(fā)展背景很相似。它們抓住全球網(wǎng)絡(luò)化微型機“Wintel”大發(fā)展的機會，到1987年已銷售10萬套，并在美國二板市場上市，發(fā)行股票250萬股。1994年在全球累計發(fā)售100萬套，一躍而居全球榜首。20世紀(jì)90年代末，該公司為推動三維CAD的發(fā)展，曾開發(fā)了面向機械行業(yè)的MDT系統(tǒng)，因為系統(tǒng)不夠穩(wěn)定，行銷不對路，不久停止發(fā)展。爾后采用了國際上通行的Spatial的3D幾何平臺ACIS系列作為軟件組件，吸取了過去的經(jīng)驗教訓(xùn)，又推出了新一代的Inventer 3D-CAD軟件，受到了全球各地的中小用戶歡迎。 據(jù)稱，到2001年全球已有400萬用戶，其銷售額累計裝機量穩(wěn)居全球第一。2005年該公司的股票飆升，被稱為“華爾街奇跡”。Autodesk公司分支機構(gòu)遍及全球150個國家，有雇員3642人，2001年財政年收入達9.36億美元。近年來該公司特別重視在中國發(fā)展業(yè)務(wù)，成立了適應(yīng)中國特色的“中國特別事務(wù)委員會”，擴展其在華業(yè)務(wù)。在3年時間里，Autodesk已將中國的正版軟件從15萬戶提升到30萬戶，年增長率達50%。 UGS與PTC是兩家很有技術(shù)特色的三維CAD軟件公司。UGS進入中國時間較早，在許多大行業(yè)里（如汽車、軍工、宇航、機械等）均有一批老客戶。近年來，在信息化浪潮沖擊下，經(jīng)過大規(guī)模的兼并改組，經(jīng)過一翻“練內(nèi)功”之后，已推出新一代產(chǎn)品，拼搏于中國市場。UGS公司的三維系統(tǒng)，兼顧了原來UG-II和I-DEAS兩大系列，該公司為面向中、小型企業(yè)發(fā)展收購了微機網(wǎng)絡(luò)版的Solidedge軟件，為今后發(fā)展打下了戰(zhàn)略的基礎(chǔ)。 PTC公司是第一家將特征技術(shù)、實體造型、參數(shù)化技術(shù)引入三維CAD開發(fā)之中的公司，是PLM、協(xié)同設(shè)計等新概念的倡導(dǎo)者。近年正在努力奔走，尋找進入中國不斷變化的市場契合點。 我們相信以上這四家公司是推動中國三維CAD發(fā)展的外籍軍團的主力部隊。 CAD軟件是發(fā)展變化非?？?、競爭十分激烈的一種商品，從事這一行的企業(yè)不像傳統(tǒng)制造業(yè)的大公司，穩(wěn)居寶座若干年。所以如何發(fā)展好CAD產(chǎn)業(yè)，仍然是要我們認(rèn)真學(xué)習(xí)思考的一個尖端課題。 2國內(nèi)CAD應(yīng)用工程的十年 在信息化和網(wǎng)絡(luò)化高速發(fā)展、微機進入工廠車間和千家萬戶的背景支持下，CADCAM作為新時代先進生產(chǎn)力的生產(chǎn)工具也幾乎遍及國營、民營、軍工、民用等領(lǐng)域的大小企業(yè)。一批生產(chǎn)銷售智能化信息裝備的產(chǎn)業(yè)群體應(yīng)運而生。20世紀(jì)90年代初統(tǒng)計，全國已有了323個開發(fā)CAD軟件的課題組。1991年，原國家科委聯(lián)合8個部委向國務(wù)院上報了“關(guān)于大力協(xié)同開展CAD應(yīng)用工程”的報告。1992年經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，由國家科委會同18個部委成立了全國CAD應(yīng)用工程協(xié)調(diào)指導(dǎo)小組，組織編制了1995年2000年CAD應(yīng)用工程發(fā)展綱要，并納入國家重點科技攻關(guān)計劃。一個劃時代的“以信息化帶動現(xiàn)代化、以信息化推動企業(yè)技術(shù)進步、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)”的國家科技攻關(guān)計劃作為重中之重項目正式出臺。 歷經(jīng)“八五”、“九五”，聯(lián)合了32個省和行業(yè)，組織了600個示范企業(yè)和3000個重點企業(yè)，使得我國CAD系統(tǒng)的推廣應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化取得了突破性進展。 到本世紀(jì)初全國重點企業(yè)的CAD普及率達95.6%，覆蓋率為92.8%; 企業(yè)推廣應(yīng)用CAD技術(shù)的投入產(chǎn)業(yè)效果十分顯著，達到144; 自主開發(fā)的CAD/CAM應(yīng)用軟件有一百多種，年銷售額達6.5億元，其中2D市場占有率達80%，銷售套數(shù)累計30萬元以上; 建立了專業(yè)的服務(wù)于制造業(yè)信息化的產(chǎn)業(yè)體系，其中年銷售額在1000萬元以上的企業(yè)有18家。 3美、德、中CAD普及推廣的情況 在美國制造業(yè)基本實現(xiàn)CAD普及之后，對制造業(yè)所做的調(diào)查（1998美國WamWare公司）顯示: 企業(yè)開發(fā)了以3D實體為基礎(chǔ)的設(shè)計，所占比例為3050%; 企業(yè)發(fā)出全尺寸的圖紙，占50%; 3D模型部分尺寸圖，占40%; 只發(fā)出3D模型的企業(yè)占5%。 德國在20世紀(jì)末，對8000個制造企業(yè)推廣普及CAD情況做的調(diào)查顯示: 實現(xiàn)2D繪圖占65.5%，應(yīng)用3D實體設(shè)計占3.8%，應(yīng)用3D曲線設(shè)計的企業(yè)占2.2%，實體與曲線混合應(yīng)用的企業(yè)占1%，應(yīng)用2D3D的企業(yè)為27.6%。 2004年6月，在計世資訊的2003年中國CAD產(chǎn)業(yè)技術(shù)報告中提出: 國內(nèi)企業(yè)二維應(yīng)用普及率達72.8%，三維應(yīng)用普及率為54.2%，并認(rèn)為二維CAD全國市場擁有量可能達30萬套以下。同時，報告也指出了CAD的應(yīng)用率偏低的現(xiàn)實狀況: 二維CAD的應(yīng)用率為39%，三維CAD的應(yīng)用率為29.2%。 統(tǒng)籌處理好3D和2D的發(fā)展與融合 早在20世紀(jì)80年代就投入開發(fā)3D曲面造型和多軸數(shù)控加工軟件，涌現(xiàn)大批優(yōu)秀人才和領(lǐng)先的成果。然而在市場化大潮的沖擊之下，人們發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀成果要轉(zhuǎn)化為市場歡迎、用戶滿意的現(xiàn)代軟件商品，還有一個艱巨的認(rèn)識過程和發(fā)展改造過程。 為落實信息化帶動工業(yè)化的目標(biāo)，我們還要面向裝備制造業(yè)的改造，面向中小企業(yè)，面向新興產(chǎn)業(yè)，堅定不移地推廣普及二維CAD。要對已有的幾十萬套二維CAD系統(tǒng)進行升級、改造、正版化，要為數(shù)以百萬計的制造業(yè)、建筑業(yè)等工人和職員提供數(shù)字化的工程圖和細目表。面對這樣艱巨、復(fù)雜、時間緊迫、又是大有作為的需求，如果認(rèn)為3年左右即將沒有采購二維CAD的需求，可能是為超越現(xiàn)實的遐想。 從國外發(fā)展歷史上看，至今已上市的三維CAD和二維CAD仍是獨立存在的兩個系統(tǒng)。只是根據(jù)各自的條件和需求，在2D和3D之間建立了一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的接口。從發(fā)展前途看，大家都認(rèn)為2D與3D應(yīng)當(dāng)融合為統(tǒng)一的無縫集成的系統(tǒng)，但最終會以何種體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)兩者的統(tǒng)一，還在實踐探索之中。 國外在這方面有許多經(jīng)驗是值得我們學(xué)習(xí)和參考的。Autodesk公司副總裁卡爾先生在中美高層專家研討會上講，過去發(fā)展3D技術(shù)把主要精力都放在幾何造型上，忽略了工程結(jié)構(gòu)、性能分析、加工制造及生產(chǎn)管理等多方面的需要，在參數(shù)化設(shè)計、特征造型等方面還有很多問題有待解決。未來的3D技術(shù)將會包容現(xiàn)有2D技術(shù)，但是要一個過渡時期，現(xiàn)在看來，CAD造型技術(shù)只能解決產(chǎn)品設(shè)計一小部分問題，而不能解決真實設(shè)計中所需要工程數(shù)據(jù)結(jié)合的問題。制造業(yè)應(yīng)用CAD技術(shù)分為三部分，第一是造型（form），第二是零部件配合（fit），第三是功能（function）。Autodesk已將CAD研發(fā)重點轉(zhuǎn)向零部件配合和功能方面所需要的技術(shù)，以便更有效地提高用戶生產(chǎn)力。 20世紀(jì)90年代，許多人曾預(yù)測二維CAD會很快被三維CAD所取代，但事實證明并非如此，今天在全球范圍內(nèi)，二維和三維CAD的比例，依然是73，而且這種局面還將長期存在。二維是人們認(rèn)識和交流圖形信息的最低成本方案，在世界許多地方，三維CAD應(yīng)用受實際制造能力和制造成本等多方面限制，所以我們對二維CAD的改造和推廣也不能忽視。我們相信3D會帶來一場設(shè)計上的革命，但是不能拔苗助長，要促使3D和2D技術(shù)逐步融合。2D技術(shù)還有很大的發(fā)展、發(fā)行和維護支持的空間，現(xiàn)有2D工程圖紙是從產(chǎn)業(yè)革命開始發(fā)展起來的，人們已經(jīng)習(xí)慣將它作為產(chǎn)品表達的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，不可能一下子就扔掉。 回顧國內(nèi)在“甩圖板”目標(biāo)實現(xiàn)的后期，也有人發(fā)出“CAD還能搞下去嗎”的疑問?，F(xiàn)在需要我們實事求是、理清思路，要以市場的發(fā)展和企業(yè)應(yīng)用作為準(zhǔn)繩，動態(tài)地把握3D和2D的發(fā)展和融合，防止左右搖擺。 從繪圖工具到智能化軟裝備 CAD是制造業(yè)信息化的源頭。實踐證明要從2D轉(zhuǎn)化為3D，需要從技術(shù)、組織、投資和管理等方面多管齊下才能奏效，這是一場使CAD從自動化的繪圖工具升級為智能化的設(shè)計技術(shù)裝備系統(tǒng)的重大改革。 以筆者多年的工作經(jīng)驗來看，要實現(xiàn)CAD軟件從繪圖工具到智能化軟裝備的升級，需要認(rèn)真做好以下幾方面: 一是認(rèn)真調(diào)查，解剖典型，知彼知已，百戰(zhàn)不殆。目前各方面的情況還不夠清楚，需要實事求是地搞清現(xiàn)狀，防止過熱，克服浮燥。把引進技術(shù)和自主版權(quán)結(jié)合起來，把CAD與CAM、CAPP、PDM、PCM、EAP、項目管理、物料管理、SCM、CRM并行集成起來，以“合內(nèi)外之道，舉時措之宜”。 二是改進企業(yè)文化，調(diào)整生產(chǎn)關(guān)系。包括經(jīng)營管理模式、業(yè)務(wù)流程、人際關(guān)系、職責(zé)、崗位、成文與不成文的規(guī)章約定，以適應(yīng)信息化的先進生產(chǎn)力的發(fā)展。 三是重視培訓(xùn)。國外許多公司的主要經(jīng)驗是重視培訓(xùn)，既要培訓(xùn)專業(yè)人員，也要培訓(xùn)管理人; 要培養(yǎng)年青人，更要培養(yǎng)資深的技術(shù)骨干。技術(shù)科學(xué)日新月異，培訓(xùn)學(xué)習(xí)永無止境。 案例一:三維CAD提高工程機械行業(yè)創(chuàng)新能力 在機械工業(yè)研究院的主持下，由天津工程機械研究院和CAXA共同努力，進行了自主版權(quán)三維CAD應(yīng)用的驗證實驗。驗證用的典型考題是天津鼎盛工程公司的LX2000路面銑刨機傳動及工程裝置系統(tǒng)，系統(tǒng)包括3個部件（傳動系統(tǒng)、銑刨總成、罩殼總成）共138個零件。（如圖1所示） 通過驗證，CAXA實體軟件基本覆蓋了以下各項工程機械行業(yè)應(yīng)用三維CAD的需求: 零部件快捷三維建模; 三維標(biāo)準(zhǔn)件庫的周期; 零部件裝配，機構(gòu)的干涉檢查及運動模擬; 三維圖向工程圖的轉(zhuǎn)化，圖紙的打印輸出; 技術(shù)文件輸出（零部件報表生成或圖紙管理）; 產(chǎn)品零件庫的建設(shè)、維護和管理; 裝配過程的操作性,裝配后期修改的靈活性驗證;