ＣＡＤ技术在先进制造模式中的应用

　　 摘 要：系统分析了在各种先进制造模式中如何应用CAD技术进行产品设计，提高工程设计的质量和效率，对于不同的制造模式采取不同的CAD方法，使CAD技术完全适应先进制造模式的需求。
　　关键词：CIMS；并行工程；敏捷制造；虚拟制造
　　
　　0 前言
　　
　　计算机辅助设计(CAD)技术是近几十年来迅速发展起来的一门新兴的综合计算机应用技术,它的应用和发展已经成为衡量一个企业工业现代化水平的重要标志。特别是在当今市场竞争日趋激烈的条件下，要想赢得竞争，企业必须以最快的上市速度、最好的质量、最低的成本、最优的服务、最利于环境的产品满足用户的不同需求。在各种先进的制造模式中，CAD技术得到了广泛的应用。无论是并行设计、协同设计、虚拟设计，还是环保设计都离不开现代CAD技术的应用。应用现代CAD技术能使设计工作实现网络化、集成化和智能化，以求达到产品设计周期短、成本低和高质量的目标。
　　
　　1 CAD技术在并行工程中的应用
　　
　　并行工程和协同工作是一种新型的设计模式，通过把先进的企业管理和先进的自动化技术结合在一起，采用并行化的产品设计理念及其相关过程，在产品的设计早期全面考虑产品的制造过程和生命周期。并行工程的设计方法强调功能和过程的集成。在对产品设计过程进行集成的前提下，优化和重组产品的开发过程，实现多学科专家群体协同工作的工作方式。
　　（1）将企业实施的各种串行过程转变为并行工程，要求在进行上游工作环节设计的同时，尽可能多的考虑下游工作环节的工作。在产品设计的初始阶段，应全面考虑后续制造的相关问题，对产品的可靠性、可制造性、可测试性、规范性和成本可计算性进行设计，尽早考虑产品整个生命周期中的所有设计因素，以求达到各项设计工作的协调一致，力争设计工作一次完成。
　　（2）并行工程的实施需要建立多学科协作的组织形式，运用可制造性设计DFM方法开发新产品。当采用这种设计方法时，由于需要集体合作，所以个体的设计结果应该信息共享，设计规范统一，应用集体的智慧和经验，产生高质量、低成本的产品。
　　（3）在进行产品的并行设计时，要选择合适的软件工具和方法，选定的软件能对产品的设计、制造周期进行全程服务。在设计、制造周期中的数据交换应符合STEP标准，便于实现产品数据管理PDM。通过这些CAD技术的应用使产品的开发集体所有成员都组合在同一个信息环境中，保证所有成员得到最新、最准确的产品信息，协同一致的完成设计任务。在产品的设计早期全面地考虑产品的制造周期。
　　
　　2 CAD技术在敏捷制造中的应用
　　
　　精良（Lean Production,LP）生产是一种新的生产模式，这种生产方式在日本企业中得到了推广应用，并且取得了成功，促进了日本经济的快速发展。在精良生产方式中，从生产操作、组织管理、经营方式等各方面，找出一切不能为产品增值的活动和人员，加以改革，进而杜绝浪费，提高经济效益。精良生产方式实现了精良管理、精良设计、协同配套、用户至上、高素质人员的集成。在此基础上，美国的制造业界提出了敏捷制造（Agile Manufacturing, AM）的先进制造模式，为了实现企业生产制造的敏捷性，采取现代通讯手段，通过快速配置各种资源，以有效和协调的方式响应用户需求的一种新的企业发展战略。这种生产模式正在发展之中，其基本思想是将灵活的动态联盟组织、先进的柔性生产技术和高素质的人员全面集成，使企业能够应付迅速变化和不可预测的市场需求，以求得长期稳定的经济效益。CAD技术在产品设计、生产全过程的动态联盟组织中的应用有如下特点：
　　（1）实现产品的敏捷设计和管理。
　　应用CAD技术可实现设计资源共享、信息服务、合作建模、数据管理和设计过程管理，达到敏捷设计的目的。在敏捷设计中，产品的开发是利用数字方式确定工作任务，用数字方式在各部门、各地点的合作者之间进行联络。产品开发环境中的产品实际上是一种数字模型，在同一个数字模型上工作，通过PDM系统管理和集成，PDM是管理产品信息的重要技术措施。
　　（2）实现网上协同设计。
　　在网络环境下，从事CAD技术工作的人员组成跨专业学科的设计团队，分散在不同的企业中，实现企业间的动态集成。随着产品结构的日益复杂化以及新技术更替的加快，对某些产品一个企业已不可能快速、经济的独立开发和制造，必须寻求企业的动态联盟形式，把具有各种特点和优势的企业以产品为纽带联合在一起，共享一个产品数据库和统一的产品数据管理系统，最大限度的保证设计者和制造者以优化的形式在网上进行新产品的协同设计和制造。
3 CAD技术在CIMS集成系统中的应用
　　
　　早期的CAD系统是致力于提高绘图的工作效率，数控机床的出现，发展成了计算机辅助制造CAM，进而促进了CAD技术的发展。在CIMS系统中，要求产品的信息实现CAD、CAPP和CAM的集成，实现产品设计到制造各环节中资源共享和信息传递，提高设计效率。CAD技术在CIMS系统中的应用有如下特点：
　　（1）CAD建模技术的应用。
　　特征建模技术是CIMS的关键技术之一。它是在CAD/CAPP/CAM范围内建立相对统一的、基于特征的产品定义模型，包括了从产品设计到制造各阶段所需要的产品定义信息，通过产品的几何形状信息和工程信息的描述，体现设计意图，并将产品的设计意图反映到各个后续环节。特征建模技术是CAD/CAPP/CAM集成的重要前提。
　　（2）数据交换技术的应用。
　　对于以单元自动化为目标的CAD/CAPP/CAM应用系统，各子系统数据的逻辑和物理结构差异很大，这给各子系统间的数据传递带来了一定的困难。因此，需要设计专用的数据格式文件交换产品信息。为了提高产品数据格式的标准化程度，可通过标准数据格式文件交换产品信息，这需要在各个子系统中设计前/后置数据处理程序，实现系统数据格式与标准格式的转换，常用IGES图形数据交换格式作为各子系统数据转换的标准格式。也可以通过统一的产品模型交换设计信息，使各子系统间直接进行信息交换，采用STEP标准以通用的数据格式描述一个产品在生产周期内完整的产品模型。这样做可以大大提高系统的集成性。
　　（3）产品数据管理（PDM）技术的应用。
　　为了提高数据传输效率和系统的集成化程度，保证各子系统间设计数据的一致性、可靠性和数据共享。可采用产品数据管理系统（PDM）统一管理与生产有关的全部信息。CAD/CAPP/CAM之间不需要传递信息。各子系统从PDM系统中提取和存放各自需要的信息，从而真正实现CAD/CAPP/CAM的集成。通过PDM实现产品设计、分析、制造、工艺规划和质量管理等方面的信息集成，确保CAD/CAPP/CAM设计出最新、最好、性能最优的产品。
　　
　　4 CAD技术在虚拟制造技术中的应用
　　
　　虚拟现实（VR）技术目标是建立一个与客观世界相似、逼真的虚拟环境（VE）。科学计算可视化（VISC）是将科学计算过程中产生的数据与计算结果转换为图形或图像并进行交互处理的理论和技术。可视化技术和多媒体技术是实现虚拟环境的基础，利用可视化技术实现的三维真实感场景是虚拟环境的最基本体现。
　　（1）虚拟产品加工流程。
　　设计产品的三维表达需要CAD技术的支持，在产品的设计阶段就应该考虑产品零件的可造性，对于大型复杂零件的制造可先在计算机上进行虚拟加工，进而获得合理的加工流程，为合理的设计提供工艺保障。实际上数控仿真就是在计算机上执行数控程序，并将工具图形、刀具轨迹在计算机显示器（CRT）上显示出来。
　　（2）虚拟产品样机。
　　机械产品从概念设计到成品面市过程，需要经历“设计→样机制造→测试评价→修改→产品”这一耗时的反复循环。如何加速新产品的开发周期，并在新产品投产之前有一个有效的手段来检验新产品的效能和适用性，避免投产后的失败，这是工程技术人员追求的目标。
　　通过CAD技术表现样机的直观形象和功能动画。
　　
　　5 结束语
　　
　　随着计算机科学技术的发展，CAD技术在工程领域会得到了越来越广泛的应用。CAD正经历着从传统单元技术向复杂大系统环境下的设计自动化技术的重要转变。21世纪，济竞争是世界各国竞争的焦点和世界发展的重要推动力。对制造业而言，每个企业都面临找持续多变和不可完全预测的全球化市场竞争，竞争的核心是以知识为基础的新产品的竞争。为了提高竞争力企业必须解决好产品的上市速度（T）、最好的质量（Q）、最低的成本（C）、最优的服务（S）和最清洁的环境（E）来满足顾客的不同需求和社会可持续发展的要求。先进制造技术必然十分重视产品设计问题。没有适销对路的创新产品会在激烈的市场竞争中败下阵来，所以采用先进制造技术的企业必然将产品设计这个环节视为企业的生命线，先进的设计技术必然成为先进制造技术的核心之一，先进设计技术离不开CAD技术，而且会大大促进CAD技术的发展。
　　
　　参考文献
　　〔1〕?童秉枢主编.现代CAD技术〔M〕.北京:清华大学出版社,2000.
　　〔2〕?殷国富,陈永华编著.计算机辅助设计技术与应用〔M〕.北京：科学出版社,2000.