CAD技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)探析蔣永彪

摘要：本文論述了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)在先進(jìn)制造技術(shù)中的主要應(yīng)用，CAD技術(shù)對(duì)現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生了重大影響，分析了CAD技術(shù)在參數(shù)化設(shè)計(jì)、基于特征設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同設(shè)計(jì)的主要研究熱點(diǎn)，以及標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放性、集成化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：CAD技術(shù) 先進(jìn)制造技術(shù) 研究熱點(diǎn) 發(fā)展趨勢(shì)

0 引言

先進(jìn)工程設(shè)計(jì)技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。產(chǎn)品生產(chǎn)首先從工程設(shè)計(jì)開(kāi)始。工程設(shè)計(jì)包括需求分析、產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)等內(nèi)容。工程設(shè)計(jì)的結(jié)果直接影響產(chǎn)品的功能、性能、質(zhì)量、制造成本與交貨期。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，工程設(shè)計(jì)技術(shù)的范圍不斷拓寬，工程設(shè)計(jì)的手段不斷改進(jìn)，并提出了許多新的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)在現(xiàn)代制造技術(shù)中所扮演的角色越來(lái)越重要，已逐步成為影響制造業(yè)發(fā)展的重要因素。

1 CAD技術(shù)的研究熱點(diǎn)

目前，關(guān)于CAD技術(shù)的研究十分活躍，研究領(lǐng)域極為廣泛，以下僅列舉其中幾個(gè)熱點(diǎn)方面。

1.1 參數(shù)化設(shè)計(jì) 參數(shù)化設(shè)計(jì)方法是將CAD模型中的定量信息變量化，使之成為任意調(diào)整的參數(shù)。對(duì)于變量化參數(shù)賦予不同數(shù)值，就可得到不同大小和形狀的零件模型。

實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)的團(tuán)建是建立參數(shù)化模型。參數(shù)化模型表示了零件圖形的集合約束和工程約束。幾何約束包括結(jié)構(gòu)約束和尺寸約束。結(jié)構(gòu)約束是指幾何元素之間的拓?fù)潢P(guān)系約束，如平行、垂直、相切、對(duì)稱等；尺寸約束是通過(guò)尺寸標(biāo)注表示的約束，如距離尺寸、角度尺寸、半徑尺寸等。工程約束是指尺寸之間的約束關(guān)系，通過(guò)定義尺寸變量及它們之間在數(shù)值上和邏輯上的關(guān)系來(lái)表示。

在參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員根據(jù)工程關(guān)系和幾何關(guān)系來(lái)指定設(shè)計(jì)要求。要滿足這些設(shè)計(jì)要求，不僅需要考慮尺寸或工程參數(shù)的初值，而且要在每次改變這些設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)來(lái)維護(hù)這些基本關(guān)系，即將參數(shù)分為兩類：其一為各種尺寸值，稱為可變參數(shù)；其二為幾何元素間的各種連續(xù)幾何信息，稱為不變參數(shù)。參數(shù)化設(shè)計(jì)的本質(zhì)是在可變參數(shù)的作用下，系統(tǒng)能夠自動(dòng)維護(hù)所有的不變參數(shù)。因此，參數(shù)化模型中建立的各種約束關(guān)系，正是體現(xiàn)了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)意圖。

參數(shù)化設(shè)計(jì)可以大大提高模型的生成和修改的速度，在產(chǎn)品的系列設(shè)計(jì)、相似設(shè)計(jì)及專用CAD系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面都有較大的應(yīng)用價(jià)值。目前，參數(shù)化設(shè)計(jì)中的參數(shù)化建模方法主要有變量幾何法和基于結(jié)構(gòu)生成歷程的方法，前者主要用于平面模型的建立，而后者更適合于三維實(shí)體或曲面模型。

1.2 基于特征設(shè)計(jì) 如前所述，特征設(shè)計(jì)是用“特征”來(lái)取代純幾何元素構(gòu)建物體模型。特征是構(gòu)建零件的最基本的要素，它能以較高的抽象級(jí)別和不需要解釋的方式來(lái)標(biāo)示物體模型。它既表示了零件的幾何信息，又反映了零件與制造有關(guān)的信息。例如，對(duì)孔的設(shè)計(jì)，實(shí)體造型系統(tǒng)常采用圓柱體與某個(gè)實(shí)體進(jìn)行邏輯運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)僅僅知道哪些部分沒(méi)有材料而已，并不能“認(rèn)識(shí)”哪是一個(gè)孔。對(duì)于特征造型系統(tǒng)，孔是一個(gè)特征，具有直徑、長(zhǎng)度、公差、表面粗糙度、位置等屬性，并包含了基準(zhǔn)、裝配等信息。

每一個(gè)特征基本上對(duì)應(yīng)一組加工制造方法。特征的“語(yǔ)義”使設(shè)計(jì)人員對(duì)同一特征有相同的理解。因此，基于特征的設(shè)計(jì)更適合于CAD/CAM的集成和CIMS中的建模需要。

1.3 計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì) 概念設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的階段，概念設(shè)計(jì)的好壞對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量起著決定性的作用。但由于概念設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，及其所涉及的種種設(shè)計(jì)知識(shí)的不確定性，給計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的難度，制約了其發(fā)展。概念設(shè)計(jì)的過(guò)程主要是評(píng)價(jià)和決策的過(guò)程，他涉及產(chǎn)品功能、動(dòng)作和結(jié)構(gòu)等因素，對(duì)產(chǎn)品的價(jià)格、性能、可靠性、安全性等均有著重要的影響。目前，計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)的方法可分為兩大類，即自動(dòng)生成設(shè)計(jì)方案和交互生成設(shè)計(jì)方案。

1.3.1 自動(dòng)生成設(shè)計(jì)方案 目前主要采用人工智能技術(shù)。為了使計(jì)算機(jī)有效地支持概念設(shè)計(jì)活動(dòng)，需要解決兩大難題，即建模問(wèn)題和推理問(wèn)題。前者是對(duì)產(chǎn)品的功能、動(dòng)作和機(jī)構(gòu)及其之間的關(guān)系進(jìn)行描述；后者實(shí)質(zhì)上就是生成和選擇合適的方案。

建模的核心問(wèn)題是模型的表示法。目前已提出各種表示法，如語(yǔ)言、圖形、對(duì)象、知識(shí)模型和圖像法等。語(yǔ)言表示法屬于一種形式描述方法，他能保證計(jì)算機(jī)有效地進(jìn)行推理，稱為面向機(jī)器的表示法。而圖像表示法是一種高度可視化的表示法，它可以提供一種輔助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行創(chuàng)新的建模環(huán)境，稱它為面向人的表示法。其它表示法則界于這兩者之間。各種表示法往往只支持描述概念設(shè)計(jì)的某一方面，目前還缺少一種能描述概念設(shè)計(jì)各種因素的統(tǒng)一模型，這正是下一步的研究目標(biāo)。

推理問(wèn)題的重點(diǎn)是在轉(zhuǎn)換過(guò)程，即把用戶需求映射到實(shí)現(xiàn)所給需求集合的一些實(shí)際的結(jié)構(gòu)上。難點(diǎn)在于產(chǎn)生和選擇合適的映射方法。同樣也有很多推理方法支持概念設(shè)計(jì)活動(dòng)，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基于實(shí)例的推理法、基于知識(shí)的推理技術(shù)、優(yōu)化、價(jià)值工程和定性推理等。但目前也只能設(shè)計(jì)一些特定領(lǐng)域的例子，離全面應(yīng)用還有很大差距。

1.3.2 交互生成設(shè)計(jì)方案 由于概念設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，自動(dòng)地生成設(shè)計(jì)方案是很困難的，采用交互技術(shù)是目前可行和有效的方法。在概念設(shè)計(jì)階段可充分利用網(wǎng)絡(luò)與多媒體技術(shù)，如在網(wǎng)上迅速查找與概念設(shè)計(jì)相關(guān)的設(shè)計(jì)實(shí)例，利用協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)，使群體成員易于參與概念設(shè)計(jì)，并做出積極貢獻(xiàn)等。

1.3.4 計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)工作是一個(gè)典型的群體工作。計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同設(shè)計(jì)用于在設(shè)計(jì)過(guò)程中支持設(shè)計(jì)群體成員交流設(shè)計(jì)思想、討論設(shè)計(jì)方案、發(fā)現(xiàn)成員間接口的矛盾和沖突，及時(shí)地加以協(xié)調(diào)和解決，從而減少和避免設(shè)計(jì)的反復(fù)，提高設(shè)計(jì)工作的效率和質(zhì)量。

協(xié)同設(shè)計(jì)備受人們的關(guān)注，已有不少原形系統(tǒng)，也有一些產(chǎn)品面世。計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同設(shè)計(jì)主要解決以下核心技術(shù)。①群體成員間多媒體信息傳輸。目前，在局域網(wǎng)上數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)已比較成熟，遠(yuǎn)程網(wǎng)上的數(shù)據(jù)異步傳輸也已實(shí)現(xiàn)，但遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換還存在障礙。多數(shù)研究是集中在公用網(wǎng)Internet和Intranet上，但商品軟件開(kāi)發(fā)上則更多考慮專用線。②異構(gòu)平臺(tái)。參與協(xié)同設(shè)計(jì)的成員分散在不同地域，且設(shè)備條件存在差異。因此，適用的協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)必須能在異構(gòu)環(huán)境中運(yùn)行，包括數(shù)據(jù)傳輸、工具集成，還有跨平臺(tái)的交互界面等，這需要通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化工作來(lái)解決。目前普遍采用的是CORBA、JAVA技術(shù)和通信領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)等。但要完全支持協(xié)同設(shè)計(jì)，還有待增強(qiáng)功能和完善標(biāo)準(zhǔn)。③人—人交互。目前自動(dòng)發(fā)現(xiàn)矛盾和沖突，并進(jìn)行自動(dòng)協(xié)同和解決的技術(shù)還不成熟，因此人—人交互的手段成為必要。當(dāng)前，最普遍的是利用電子會(huì)議支持成員間進(jìn)行討論和交流設(shè)計(jì)思想。而討論設(shè)計(jì)結(jié)果和修改設(shè)計(jì)主要依靠“應(yīng)用共享”的工具。這一工具能夠達(dá)到一人對(duì)一個(gè)CAD工具進(jìn)行操作，其他成員均能在自己的終端上看到操作過(guò)程和結(jié)果。這個(gè)工具也可以和電子會(huì)議系統(tǒng)集成，用語(yǔ)音等工具進(jìn)行討論。但應(yīng)用共享在操作上存在不便，成員間不能直接互操作，這是需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

2 CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

CAD技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)可以用標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放性、集成化和智能化來(lái)概括

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化 CAD軟件通常集成在一個(gè)異構(gòu)的工作平臺(tái)上，為了支持異構(gòu)跨平臺(tái)的環(huán)境，要求它是一個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)，這里主要是靠標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。目前標(biāo)準(zhǔn)有兩類：一是公用標(biāo)準(zhǔn)，主要來(lái)自國(guó)家或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定單位；二是市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，屬私有性質(zhì)。前者注重標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放性和所采用技術(shù)的先進(jìn)性，而后者以市場(chǎng)為導(dǎo)向，注重考慮有效性和經(jīng)濟(jì)利益。今后的發(fā)展方向是以公用標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，但要從工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中吸收起注重實(shí)用性和效率的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 開(kāi)放性 開(kāi)放性是CAD系統(tǒng)贏得市場(chǎng)的重要手段。目前，CAD系統(tǒng)廣泛建立在開(kāi)放式操作系統(tǒng)窗口2000/NT或UNIX平臺(tái)上，在JAVA LINUX平臺(tái)上也有CAD產(chǎn)品。此外，絕大多數(shù)CAD系統(tǒng)都為最終用戶提供了二次開(kāi)發(fā)環(huán)境，甚至這類環(huán)境可開(kāi)發(fā)期內(nèi)核源碼，以使用戶可定制自己的CAD系統(tǒng)。

2.3 集成化 CAD技術(shù)的集成化體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是CAD系統(tǒng)與CAE、CAPP、CAM、CAQ、ERP等系統(tǒng)集成，構(gòu)建企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)一體化解決方案，推動(dòng)企業(yè)信息化進(jìn)程；二是CAD本身基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境實(shí)現(xiàn)異地、異構(gòu)系統(tǒng)在企業(yè)間的集成。目前，國(guó)際上關(guān)于CAD商品軟件開(kāi)發(fā)有兩種截然不同的思路：一種思路是在全球范圍內(nèi)優(yōu)選成功的功能構(gòu)建，進(jìn)行集成;另一種思路則要求軟件開(kāi)發(fā)自由化，以免受制于一兩家公司壟斷型產(chǎn)品的束縛。后者的典型做法是選用LINUX操作系統(tǒng)，在其基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)各種共享軟件并開(kāi)放源程序。

2.4 智能化 設(shè)計(jì)是一個(gè)含有高度智能的人類創(chuàng)造性活動(dòng)領(lǐng)域，智能CAD是CAD發(fā)展的必然方向。從人類認(rèn)識(shí)和思維的模型來(lái)看，現(xiàn)有的人工智能技術(shù)對(duì)模擬人類的思維活動(dòng)（包含形象思維、抽象思維和創(chuàng)造性思維等多種形式）往往無(wú)能為力。因此，智能CAD不能靠簡(jiǎn)單地將現(xiàn)有的智能技術(shù)與CAD技術(shù)相結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)，而要深入人類設(shè)計(jì)的思維模型，并用信息技術(shù)來(lái)表達(dá)和模擬它。這樣不僅會(huì)產(chǎn)生高效的CAD系統(tǒng)，而且也將為人工智能領(lǐng)域提供新的理論和方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]張世昌，行進(jìn)制造技術(shù)-天津：天津大學(xué)出版社2004.4.

[2]鄧學(xué)雄，梁柯.現(xiàn)代CAD技術(shù)的發(fā)展特征.工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2001（3）.

[3]丁汝新，趙汝嘉.CAD/CAM技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[4]戴同.CAD/CAPP/CAM基礎(chǔ)教程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.