本文探討研究了融合CAD與產品設計技術的相關內容。

　　1 CAD技術與產品設計技術的融合的重要性

　　眾所周知,企業以產品為己任，產品功能、性能、交貨期、質量與成本是用戶最大需求，而產品功能、性能、是有產品設計所決定，產品成本85%決定于產品設計階段，產品設計與工藝設計周期是整個生產周期70%，產品質量的50~60也決定于產品設計，因此產品設計是一個企業的生存與發展的關鍵，也是企業實現信息化的首要部分，我國制造業信息化的實踐也証實了這點。為此從制造業發展幾百年過程中人們在不斷研究產品設計的方法與技術，從產品設計技術的發展過程及產品設計與創新、產品設計方法學研究中已形成了一系列原理與方法，圖1是機械產品設計技術發展過程，其中看出從1950以來已開始應用一系列適應市場經濟設計方法，并也開始計算機及信息技術的應用，應用計算機及信息技術實現代設計方法的改進已成為現代設計方法發展方向，如何利用計算機及信息技術的特點發展CAD技術，使CAD技術與產品設計技術的融合，必須使CAD技術與先進設計方法結合起來，充分發揮CAD技術的作用，不僅是改進設計方法的支柱，也是促進CAD軟件產品創新最佳路徑。

表1 機械產品設計發展過程

　　我國CAD的應用始于上個世紀70年代后期，90年代中期CAD技術得到了普及，80%的企業實現了”甩圖板”，試點的138家企業中76%的設計周期縮短，96%的提高設計質量，72%的降低成本，為進一步開展CAD的應用打下了基礎。但是大多數企業停在“甩圖板”階段，即使有的企業使用三維設計軟件，但是還是沒有形成面向整個產品設計過程、具有優化分析、計算，具有系列、通用、零部件(模塊)庫和數據庫和面向市場的CAD系統集成的工作平臺，也沒有形成與企業其它計算機應用系統數據共享，集成運行的環境。據中國機械工業聯合會2003年11月14日發布調查，對166家機械制造企業調查統計結果：CAD應用基本普及 重點骨干企業的70%已應用CAD技術;“九五”期間50家示范企業的CAD應用普及率已達93%，主導產品CAD的出圖率達98%。但CAD應用的深度仍有很大局限，相當一部分企業停留在出圖上，三維CAD、CAD/CAM、仿真設計等應用很少;被調查的166個企業中進行結構優化計算的只占16%，進行仿真設計的只占6%。2007年“e制造“調查結果也是如此。

　　從以上調查中目前CAD應用處與初級階段，僅僅代替繪圖，其產品設計方式并沒有發生質的變化停留在比較落后的狀態，這也是我國目前CAD應用軟件技術與產品設計技術的融合中必須解決的問題，既是應用企業發展方向也是我國CAD應用軟件發展方向。

　　2 國際上設計技術發展

　　市場經濟的發展，先進國家為了保持世界經濟中領先地位，不斷改進制造技術，上個世紀后期美國提出先進制造技術AM，圖1是先進制造技術的基本內容，從中可以看出其主體技術就包含了產品設計、工藝設計、工廠設計一系列方法與工具CAX。德國推出的“制造2000”計劃，首先提出的是產品開發方法與制造方法，其中把信息技術與模塊化產品結構與模塊化產品開發方法放在重要地位。美國推廣敏捷制造的TEAM計劃中，以優化為核心，以概念優化、設計優化達到制造實施優化。從這兩個先進國家技術發展動向,信息技術與先進制造技術融合的重要性與必然趨勢。

圖1 是先進制造技術的基本內容

　　其中：

　　● 主體技術群：產品設計，工藝設計，工廠設計一系列方法與工具(cax……)

　　● 支持技術群：支持主體群的基礎核心技術與生產過程的一系列支撐技術

　　● 制造技術基礎設施：應用先進制造技術采取各種方案與機制

　　3 從開發創新的策略與效果分析設計方法

　　1) 開發創新的策略與效果分析。產品開發中設計創新是非常重要的，只有創造適合用戶需求的產品才能使企業生存與發展，為了實現創新,前人也研究開發創新的策略。圖2是開發創新的策略與效果的示意圖。從圖中可以看出，各種開發創新的策及效果，從此可得出創新改進策略效果最佳，漸進策略次之，純創新與創新保持效果不佳。

圖2 開發創新的策略與效果的示意圖

　　2) 設計類型與方法分析。圖3說明了設計過程各階段各種設計類型及設計方的應用，全新設計主要用于方案設計與結構設計階段，只占設計工作量31%，而適應性設計與變形設計固定原理設計是結構設計、詳細設計與零件設計是主要方法，這部分占設計工作量69%，這正與以上所述開發創新的策略與效果及世界先進國家發展產品開發方法相一致，這說明了在實際工作中適應性設計與變形設計固定原理設計是產品設計的主要方法。

圖3 設計過程各階段各種設計類型及設計方的應用

圖4 產品組成結構分析圖

　　3) 從產品組成結構分析。用成組技術相似性對產品組成結構分析，組成產品10~15%是標準件，功能、性能、結構特殊的零件也只占10~15%，而組成產品70~85%是相似件，這又說明了機械產品中各種品種類型成千上萬，其功能、性能、各不相同，但其組成的零件70~85%是相似件，10~15%是標準的。這說明了在產品設計過程中只有10~15%結構特殊的零件需創新設計，10~15%是標準件只是選用，70~85%是相似件只需作適應性或固定原理設計。圖4是產品組成結構分析圖。應用這一原理完全可以構成如圖5先進產品開發模式，即先進產品開發模式并不是去大量創新新的零部件，而是利用已有通用、標準的零部件及僅可能少的特殊的需要重新設計的零部件，組合成用戶需求的產品。這樣一來不但實現產品設計通用、標準和模塊化，而且促進工藝設計通用、標準和模塊化。

圖5 先進產品開發模式

圖6 零件種數與產品種類關系

　　4) 從開發成本分析。從上各世紀90年代統計，在國外一個零件設計、制造管理費需2000美元，也就是說新設計一個零件增加2000美元成本，如果應用適應性或固定原理設計，采用通用、標準零件就可降低成本2000美元。圖6不但說明了一個零件設計、制造管理費需2000美元，而且說明了產品種類與零件種數關系，產品種類增加只要應用以上先進產品開發模式，進行有效控制零件種數就可達到理想或目標曲線。

　　5) 從縮短產品生產周期適應市場需求分析。市場經濟企業競爭的要素是T、Q、C、S即時間、質量、成本與服務，其中時間是第一要素，縮短產品生產周期是達到時間是第一要素的關鍵。圖7是西門子公司在講解其制造合理化時：我們能在接到訂單的當天開始生產嗎?從圖中可以看出他們產品采用標準化、通用化、模塊化設計，在產品中這部分零部件的設計、工藝、工裝都是現成的，所以接到訂單的當天就可以開始生產。這樣大大縮短產品生產周期。

圖7 西門子公司制造合理化

圖8 批量法則示意圖

　　6) 從生產效率與生產成本分析。批量法則是指導機械制造的基本規則，為了提高效率、降低成本提高產品批量構成大批大量生產是提高效率、降低成本最根本方法，但是由與社會進步、人們對產品需求個性化的發展，大批大量生產的單一品種或少數品種滿足不了人們需求，因此為了既滿足人們個性化需求，又能按照批量法則獲得提高效率、降低成本的原則，研究以相似性位原理的成組技術，在單件、小批生產中以擴大零部件投產批量、組織相似工序生產，擴大相似工序投產批量，從而獲得大批量生產高效率、成本低的優點。進入上個世紀90年代，把單件小批生產的多品種與大批量生產高效率、成本低的優點結合起來，形成大批量定制(或稱大規模定制)MC，圖10是大規模定制生產模式原理與方法。

　　從以上各方面的分析，設計上采用合理設計方法，是客觀規律所必須，是機械制造實現現代化，使我國機械制造由大國發展為強國必由之路，CAD技術與產品設計技術的融合這正是信息技術與機械制造技術相融合的切入點。

　　4 CAD技術怎樣與產品設計技術的融合

　　1) 產品設計過程與CAD軟件系統。圖11是產品設計過程與CAD軟件系統示意圖，產品設計過程是設計任何一個產品所必須，為此 CAD軟件系統必需為整個設計過程相融合。

圖11 產品設計過程與CAD軟件系統示意

　　2) 構建數字化的產品開發設計環境(平臺)。為了使CAD軟件系統融合到整個設計過程中必須構建數字化的產品開發設計環境，才能滿足產品設計過程的需求，目前市場上CAD軟件是支撐性軟件，必須進行二次開發。為了構建數字化的產品開發設計環境，CAD軟件必須與PDM軟件相配合，才能形成數字化的產品開發設計環境。圖12是產品開發設計環境，CAD/PDM經二次開發的應用系統軟件與CAD支撐性軟件關系。

圖12 CAD/PDM經二次開發應用系統軟件與CAD支撐性軟件關系

　　3) CAD/PDM二次開發

　　(1) CAD/PDM經二次開發的內容

　　下面是指支撐系統開發成為應用處的內容。

　　① 完善圖形處理功能。一般支撐系統已提供圖形處理功能，但根據實用，可能要做一些修改、補充。如圖框，標題欄，標題欄位置，標識方法，線型，字體，符號代號，明細表等。

　　② 建立產品開發數據庫：

　　● 基礎通用數據庫，標準數系，尺寸公差，配合，形位公差，粗糙度數據及其符號、代號; 專業用符號、代號，電器、電子、氣動、液壓、管路、焊接、加工、裝配等;

　　● 常用材料數據庫，原料、材料的名稱、代號、標準號、性能、規格等;

　　● 產品標準及技術規范、已頒布的國標、行標及有關國際標準;

　　● 設計專業數據，機械強度、振動、磨擦、腐蝕、電磁、氣動、液壓等數據;

　　● 制造工藝數據，鑄造、鍛造、沖壓、剪切、焊接、切削、熱處理等數據;

　　● 企業工藝裝備：各種加工制造設備及重要工裝的參數、性能。

　　③ 建立產品圖形庫:

　　● 結構要素特征，包括螺紋、鍵、花鍵、齒形、槽(鍵槽、密封槽、退刀槽、燕尾槽、T形槽、皮帶槽等)、圓弧、球、倒角、倒圓、導軌、孔、孔系等;

　　● 通用零件，包括支承、防護、操作、控制、緊固、連接、液壓、汽動、潤滑、定位、導向、傳動類中的盤、套、軸、齒、螺、 紋、板、條、塊等形狀的零件;

　　● 標準件，包括各種國標、行標或國際標準的零部件;

　　● 機電配套類，包括軸承、電機、電器、電子、原件、線纜、儀器、儀表、液壓、汽動、潤滑、五金、化工等;

　　● 通用部件、模塊，本企業的通用部件或模塊;

　　● 典型產品的基礎構件;

　　● 典型產品的整體模型。

　　④ 建立方法庫：

　　● 優化設計方法;

　　● 有限元分析;

　　● 可靠性分析;

　　● 相似性分析;

　　● 模塊設計分析;

　　● 功能成本分析;

　　● 其他決策方法分析。

　　⑤ 建立知識庫：

　　用人工智能、專家系統構架工具，總結企業對產品開發、設計經驗，建立專業性的知識庫。

　　⑥ 建立方案設計報價系統。

　　⑦ 建立總體整機設計、部件(模塊)設計、零件設計系統，以及電器、液壓(氣動)、電子控制系統設計系統。

　　⑧ 建立產品數據管理系統，對全部工程數據進行管理、使用、維護、及產品文檔、明細表生成系統。

　　⑨ 與工廠其它系統的接口，包括與CAPP、CAM、MRP-Ⅱ等。

　　(2) 開發策略

　　① 凡是通用、標準或行業通用、標準的二次開發內容， 應該有國家、行業統一組織開發， 或有能力的大企業集團、軟件公司作為商品開發，可以上市，便于企業應用，防止重復開發。如果暫時沒有商品化的軟件，企業急用，可以根據情況急用多少開發多少。

　　② 對過去已開發的成果，要推廣，有問題的要組織解決， 防止重復開發。

　　③ 對企業專用部分企業要抓緊開發，沒有力量的要委托外單位，合作開發。

　　④ 通過開發逐漸完善各種標準。