从绘图工具到智能化软装备

1、从绘图工具到智能化软装备CAD 是制造业信息化的源头， 实践证明要从 2D 转化 为3D ，需要从技术、组织、投资和管理等方面多管齐下才 能奏效，这是一场使 CAD 从自动化的绘图工具升级为智能 化的设计技术装备系统的重大改革。三维 CAD 的现实价值随着经济全球化的进程，中国作为制造业大国地位逐步 提升，在二维 CAD 初步普及之后， 更加突显出三维 CAD 的 作用和价值。 以数字化造型代替传统的实体模拟，保证了宇航、 飞机、舰船、汽车等产品的精确外形，成为现代装备制造业 设计制造的必不可少的造型工具。 满足用户不断变化的个性需求，快速响应市场竞争 的变化，及时提供声、光、仿真互动等多媒体

2、竞争工具。 以数字化设计和电子样机取代传统的实体试验机， 实现材质性能、应用功能、制造效能的虚拟分析验证，提供 智能化的创新工具。 工程设计人员所掌握的现代 3D 技术与设计制造流 程的信息化、智能化有机结合，必将成为现代制造业推动设计革命的先进生产力。从应用行业和专业领域来看， 2D 系统的应用模式大体 上相似，主要用于样图设计、工程绘图和生成各种格式的细 目表。 3D 的应用，在不同行业和专业领域则有很大的差别。 对于宇航、汽车、造船等行业来说，实现数字化产品的 3D 曲面造型，取代成本很高、周期很长，精度较差的实体模型 是他们攻关的重点。许多机电、民用、大型工程项目则十分 看重 3D 软

3、件能提供用户满意的、可做运动功能演示的电子 样机。在诸多制造业信息化领域中，如 CAM 、CAE 、CAPP 、 CAT、ERP 等都需以 3D 的数字化产品数据和几何模型作为 信息化的共享基础。企业应用三维 CAD 进行产品创新设计已经是一种必然 的发展趋势，三维设计符合人的思维习惯。目前市场上国外 的主流设计软件 UG、 Pro/ENGINEER 、 CATIA 和 SolidWorks 等无一不是以强大的三维功能见长。 国外的汽车、 航空航天、 造船和机床等行业均已全面采用三维 CAD 软件进行产品虚 拟设计和制造， 三维 CAD成为数字化设计与制造的核心与 基础。三维 CAD 作为产品

4、全生命周期管理解决方案的核心 构件，可以提供完整的三维产品模型数据，以适应不同应用 的需求，如二维三维关联绘图，可以根据需要将三维产品 数据生成工程图纸 ; 利用三维产品几何数据可以产生高度真 实感图片，提供市场部门、客户、供应商使用 ; 可以在互联 网上预览产品( 3D Viewer ); 三维产品数据可以直接传递给 制造部门进行数控加工编程 ; 可以提供给专用程序进行有限 元分析，三维产品数据可以输出至快速成型设备，制作样品 等等。利用三维 CAD/CAM技术， 可以降低产品开发风险， 提高产品设计成功率 ; 同时与 Internet技术配合使用， 可进行 设计过程的协同。从采用三维 CA

5、D 与目前广泛的应用三维 CAD 相比较而言，用户得到的好处非常明显。近来年，我国在积极开发自主版权三维 CAD 软件方面 取得了突破性进展。已有五六种国产三维 CAD 系统先后投 放市场。主要有 CAXA 实体设计三维 CAD 软件、清华英泰 三维 CAD 系统、天喻产品设计 CAD 软件、开目 KM3D-CAD 软件、新洲 Solid 3000 等。这些产品经石油机械、 工程机械、 电力工程、家电轻工以及军工科研单位广泛应用，并取得了 良好的成效。CAD 发展历程1 推动中国三维 CAD 发展的外籍主力军团 国际上第一个 CAD软件产品“ CADAM ”， 是由美国洛 克希德公司 1967

6、 年开发、1972年投入使用的， 并于 1978 年 交由 IBM 公司对外经销， 20 世纪 80年代初进入中国市场。第一代三维 CAD 软件产品 CATIA ，是由法国达索公司于 1977 年开发的， 1982 年推出主机上运行的 V1 版投放市场。 1986 年美国波音飞机制造公司成为达索的用户，此后 CATIA 行销全球各大航空、汽车公司，成为高档三维 CAD 软件的 代表。此后又经历了十多年才推出适于 Windows NT 的普及 型的 CATIA V5 版。达索公司起步发展 CAD/CAM ，是从引进美国二维 CADAM 系统开始的，同时自己动手自主开发三维飞机造型 系统。他们背靠

7、法国强大航空工业的技术基础和资金支持， 以不到十年的时间从向美国进口信息技术的国家，转化为向 美出口先进三维造型技术的国家。此后达索公司即以高屋建 瓴之势，引进、收购、兼并国内外先进的CAD/CAM 技术， 如美国的 CADAM 公司、 Solidworks 公司微机版三维软件、 Denel 的 Delmia 制造仿真软件、 Spatial 公司的 ACIS几何平 台软件、以色列著名的制造业管理软件Smarteam,还在美国成立一个以 PDM 、 PLM 为主的 ENOVIA 公司。近年来， 达索十分重视中国业务的发展， 领先一步与国 内 CAXA集团联合成立了“中、法联合的 PLM 软件研发

8、中 心” ,发展普及版的 PLM V5 平台 ,并与清华大学共同建立了 软件研发基地。达索现有员工 4000 人，其中 2000 人从事研 发，经营领域跨越全球的宇航、汽车、电力、工程机械、电 子、信息等七大行业，在 21 个国家中设有 89 个办事处，年收入 7.5 亿欧元，净利润 1.4 亿欧元Autodesk 公司是当前全球制造信息业中的佼佼者。 20 年前由几名年轻的大学生合伙开发了一个面向小型企业和 个人用户的微机版二维 CAD 系统，这一点和许多国内 CAD 公司的发展背景很相似。它们抓住全球网络化微型机 “Wintel ”大发展的机会，到 1987 年已销售 10 万套， 并在

9、美国二板市场上市，发行股票 250 万股。1994年在全球累计 发售 100 万套，一跃而居全球榜首。 20 世纪 90 年代末，该 公司为推动三维 CAD 的发展，曾开发了面向机械行业的MDT 系统，因为系统不够稳定，行销不对路，不久停止发 展。尔后采用了国际上通行的 Spatial 的 3D 几何平台 ACIS 系列作为软件组件， 吸取了过去的经验教训， 又推出了新一 代的 Inventer 3D-CAD 软件，受到了全球各地的中小用户欢 迎。据称，到 2001 年全球已有 400 万用户，其销售额累计 装机量稳居全球第一。 2005 年该公司的股票飙升， 被称为“华 尔街奇迹”。Auto

10、desk 公司分支机构遍及全球 150 个国家， 有雇员 3642 人，2001 年财政年收入达 9.36 亿美元。近年来 该公司特别重视在中国发展业务，成立了适应中国特色的 “中国特别事务委员会” ，扩展其在华业务。在 3 年时间里， Autodesk 已将中国的正版软件从 15万户提升到 30 万户， 年 增长率达 50% 。UGS 与 PTC 是两家很有技术特色的三维 CAD 软件公司。 UGS 进入中国时间较早，在许多大行业里（如汽车、军 工、宇航、机械等）均有一批老客户。近年来，在信息化浪 潮冲击下，经过大规模的兼并改组，经过一翻“练内功”之 后，已推出新一代产品，拼搏于中国市场。

11、UGS 公司的三维 系统，兼顾了原来 UG-II和 I-DEAS 两大系列，该公司为面 向中、小型企业发展收购了微机网络版的 Solidedge 软件， 为今后发展打下了战略的基础。PTC 公司是第一家将特征技术、实体造型、参数化技术 引入三维 CAD 开发之中的公司，是 PLM 、协同设计等新概 念的倡导者。近年正在努力奔走，寻找进入中国不断变化的 市场契合点。我们相信以上这四家公司是推动中国三维 CAD 发展的 外籍军团的主力部队。CAD 软件是发展变化非常快、竞争十分激烈的一种商 品，从事这一行的企业不像传统制造业的大公司，稳居宝座 若干年。所以如何发展好 CAD 产业，仍然是要我们认真

12、学 习思考的一个尖端课题。2国内 CAD 应用工程的十年 在信息化和网络化高速发展、微机进入工厂车间和千家 万户的背景支持下， CAD CAM 作为新时代先进生产力的生产工具也几乎遍及国营、民营、军工、民用等领域的大小 企业。一批生产销售智能化信息装备的产业群体应运而生。20 世纪 90 年代初统计，全国已有了 323 个开发 CAD 软件的 课题组。 1991 年，原国家科委联合 8 个部委向国务院上报了 “关于大力协同开展 CAD 应用工程”的报告。 1992 年经国 务院批准， 由国家科委会同 18 个部委成立了全国 CAD 应用 工程协调指导小组，组织编制了1995 年2000 年 C

13、AD 应 用工程发展纲要 ，并纳入国家重点科技攻关计划。 一个划 时代的“以信息化带动现代化、以信息化推动企业技术进步、 改造传统产业”的国家科技攻关计划作为重中之重项目 正式出台。历经“八五” 、“九五”，联合了 32 个省和行业，组织了 600个示范企业和 3000 个重点企业，使得我国 CAD 系统的 推广应用与产业化取得了突破性进展。 到本世纪初全国重点企业的 CAD 普及率达 95.6%， 覆盖率为 92.8%; 企业推广应用 CAD 技术的投入产业效果十分显著， 达到1 :44; 自主开发的 CAD/CAM 应用软件有一百多种，年销 售额达6.5 亿元，其中 2D 市场占有率达 8

14、0%，销售套数累 计 30 万元以上 ; 建立了专业的服务于制造业信息化的产业体系，其中年销售额在 1000 万元以上的企业有 18 家。3 美、 德、 中 CAD 普及推广的情况 在美国制造业基本实现 CAD普及之后，对制造业所做 的调查（ 1998 美国 WamWare 公司）显示 : 企业开发了以 3D 实体为基础的设计，所占比例为30%50%;企业发出全尺寸的图纸，占 50%; 3D 模型部分尺寸图，占 40%; 只发出 3D 模型的企业占 5%。德国在 20 世纪末，对 8000 个制造企业推广普及 CAD 情况做的调查显示 : 实现 2D 绘图占 65.5%，应用 3D 实体设 计

15、占 3.8%，应用 3D 曲线设计的企业占 2.2% ，实体与曲线混 合应用的企业占1%，应用 2D3D 的企业为 27.6%。2004 年 6 月，在计世资讯的 2003 年中国 CAD 产业技 术报告中提出 : 国内企业二维应用普及率达 72.8%，三维 应用普及率为 54.2%，并认为二维 CAD 全国市场拥有量可能 达 30 万套以下。同时，报告也指出了 CAD 的应用率偏低的 现实状况 : 二维 CAD的应用率为 39%，三维 CAD 的应用率 为 29.2% 。统筹处理好 3D 和 2D 的发展与融合 早在 20 世纪 80 年代就投入开发 3D 曲面造型和多轴数 控加工软件，涌现

16、大批优秀人才和领先的成果。然而在市场 化大潮的冲击之下，人们发现优秀成果要转化为市场欢迎、 用户满意的现代软件商品，还有一个艰巨的认识过程和发展 改造过程。为落实信息化带动工业化的目标，我们还要面向装备制 造业的改造，面向中小企业，面向新兴产业，坚定不移地推 广普及二维CAD 。要对已有的几十万套二维 CAD 系统进行 升级、改造、正版化，要为数以百万计的制造业、建筑业等 工人和职员提供数字化的工程图和细目表。面对这样艰巨、 复杂、时间紧迫、又是大有作为的需求，如果认为 3 年左右 即将没有采购二维 CAD 的需求， 可能是为超越现实的遐想。从国外发展历史上看，至今已上市的三维 CAD 和二维

17、 CAD 仍是独立存在的两个系统。只是根据各自的条件和需 求，在 2D 和 3D之间建立了一个数据转换的接口。 从发展前 途看，大家都认为 2D与 3D 应当融合为统一的无缝集成的系 统，但最终会以何种体系结构实现两者的统一，还在实践探 索之中。国外在这方面有许多经验是值得我们学习和参考的。 Autodesk公司副总裁卡尔先生在中美高层专家研讨会上讲， 过去发展 3D 技术把主要精力都放在几何造型上，忽略了工 程结构、性能分析、加工制造及生产管理等多方面的需要， 在参数化设计、特征造型等方面还有很多问题有待解决。未 来的 3D 技术将会包容现有 2D 技术，但是要一个过渡时期， 现在看来， C

18、AD 造型技术只能解决产品设计一小部分问题， 而不能解决真实设计中所需要工程数据结合的问题。制造业 应用 CAD 技术分为三部分，第一是造型（ form ），第二是零 部件配合（fit）,第三是功能（function ）。Autodesk 已将CAD 研发重点转向零部件配合和功能方面所需要的技术，以便更 有效地提高用户生产力。20 世纪 90 年代，许多人曾预测二维 CAD 会很快被三维 CAD所取代， 但事实证明并非如此， 今天在全球范围内， 二 维和三维CAD 的比例，依然是 7 : 3,而且这种局面还将长 期存在。二维是人们认识和交流图形信息的最低成本方案，在世界许多地方， 三维 CAD

19、应用受实际制造能力和制造成 本等多方面限制，所以我们对二维CAD 的改造和推广也不 能忽视。我们相信 3D 会带来一场设计上的革命，但是不能 拔苗助长，要促使 3D 和 2D 技术逐步融合。 2D 技术还有很 大的发展、发行和维护支持的空间，现有 2D 工程图纸是从 产业革命开始发展起来的，人们已经习惯将它作为产品表达 的规范标准，不可能一下子就扔掉。回顾国内在“甩图板”目标实现的后期，也有人发出 “CAD 还能搞下去吗” 的疑问。 现在需要我们实事求是、 理 清思路，要以市场的发展和企业应用作为准绳，动态地把握 3D 和 2D 的发展和融合，防止左右摇摆。从绘图工具到智能化软装备CAD 是制

20、造业信息化的源头。 实践证明要从 2D 转化为3D，需要从技术、组织、投资和管理等方面多管齐下才能奏 效，这是一场使 CAD 从自动化的绘图工具升级为智能化的 设计技术装备系统的重大改革。以笔者多年的工作经验来看，要实现 CAD 软件从绘图 工具到智能化软装备的升级，需要认真做好以下几方面 :一是认真调查，解剖典型，知彼知已，百战不殆。目前 各方面的情况还不够清楚，需要实事求是地搞清现状，防止 过热， 克服浮燥。 把引进技术和自主版权结合起来， 把 CAD 与 CAM、CAPP、PDM、PCM、EAP、项目管理、物料管理、 SCM、 CRM 并行集成起来， 以“合内外之道， 举时措之宜” 。二

21、是改进企业文化， 调整生产关系。 包括经营管理模式、 业务流程、人际关系、职责、岗位、成文与不成文的规章约 定，以适应信息化的先进生产力的发展。三是重视培训。国外许多公司的主要经验是重视培训， 既要培训专业人员，也要培训管理人 ; 要培养年青人，更要 培养资深的技术骨干。技术科学日新月异，培训学习永无止 境。案例一 :三维 CAD 提高工程机械行业创新能力在机械工业研究院的主持下，由天津工程机械研究院和 CAXA共同努力，进行了自主版权三维 CAD 应用的验证实 验。验证用的典型考题是天津鼎盛工程公司的 LX2000 路面 铣刨机传动及工程装置系统， 系统包括 3 个部件（传动系统、 铣刨总成、罩壳总成）共 138 个零件。（如图 1 所示） 通过验证， CAXA 实体软件基本覆盖了以下各项工程机 械行业应用三维 CAD 的需求 : 零部件快捷三维建模 ; 三维标准件库的周期 ; 零部件装配，机构的干涉检查及运动模拟 ; 三维图向工程图的转化，图纸的打印输出 ; 技术文件输出（零部件报表生成或图纸管理） ; 产品零件库的建设、维护和管理 ; 装配过程的操作性 ,装配后期