8．机电系统计算机辅助设计的发展 CAD（computer aided design）是一种用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计的方法与技术，包括设计、绘图、工程分析与文档制作等设计活动，它是一种新的设计方法，也是一门多学科综合应用的新技术。 传统CAD涉及以下一些基础技术： （1）图形处理技术如自动绘图、几何建模、图形仿真及其它图形输入、输出技术。 （2）工程分析技术如有限元分析、优化设计及面向各种专业的工程分析等。 （3）数据管理与数据交换技术如数据库管理、产品数据管理、产品数据交换规范及接口技术等。 （4）文档处理技术如文档制作、编辑及文字处理等。 （5）软件设计技术如窗口界面设计、软件工具、软件工程规范等。 近十多年来，由于先进制造技术的快速发展，带动了先进设计技术的同步发展，使传统CAD技术有了很大的扩展。 任何设计都表现为一种过程，每个过程都由一系列设计活动组成。这些活动既有串行的设计活动，也有并行的设计活动。目前，设计中的大多数活动都可以用CAD技术来实现，但也有一些活动尚难用CAD技术来实现，如设计的需求分析、设计的可行性研究等。将设计过程中能用CAD技术实现的活动集合在一起就构成了CAD过程，图8－1就说明了设计过程与CAD过程的关系。随着现代CAD技术的发展，设计过程中越来越多的活动都能用CADI具加以实现，因此 CAD技术的覆盖面将越来越宽，以至整个设计过程就是 CAD过程。  图8－1设计过程与CAD过程的关系 CAD技术开始于20世纪50年代，经历了50年代与60年代的形成、70年代的发展与 助年代的兴旺，到现在已在二维绘图、三维几何造型等方面取得了很大的成就并达到普遍应用的地步。回顾历史，CAD图形支撑软件发展的历程大致如下： 第一代CAD系统出现于 60年代，这一代系统主要用于二维绘图，其技术特征是利用解析几何的方法定义有关点、线、圆等图素。 第二代CAD系统始于70年代，这一代系统直到目前还在广泛应用，其技术也还在不断发展，它们主要是二维交互绘图系统及三维几何造型系统。在几何造型方面分别采用了三维线框模型、曲面模型和实体模型。在实体造型上广泛采用了实体几何构造法（CSG法）和边界表示法（B－rep法），并在系统内部采用了数据库技术，形成了众多商品化程度高的实用系统。 第三代CAD系统始于80年代中期，在建模方法上分别出现了特征建模和基于约束的参数化和变量化建模方法，由此出现了各种特征建模系统以及二维或三维的参数化设计系统，而且出现了这两种建模方法互相交叉、互相融合的系统。这种系统常常在二、三维模型之间以及与CAM系统之间有内部统一的数据结构及共同的数据库，因此做到了二、三维模型修改时的相互关联性，以及CAD／CAM的信息集成。 现在，CAD技术仍在向前发展，在国外有人称它为“下一代CAD系统”，这里我们将它称作第四代CAD系统。这是一种支持新产品设计的综合性环境支持系统，它能全面支持异地的、数字化的、采用不同设计哲理与方法的产品设计工作。但是目前还不能提供成熟的商品化的第四代CAD系统，因为各种相关技术还在研究与发展中。 下面通过分析先进制造技术对CAD技术的影响，分析CAD技术的发展趋势和研究内容。 8．1 先进制造技术对CAD技术的影响 21世纪，经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，每个企业都面临着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 T、Q、C、S、E难题，即以最快的上市速度 T（time to market）、最好的质量Q（quality）、最低的成本C（cost）、最优的服务S（service）及最清洁的环境E（environment）来满足顾客的不同需求和社会可持续发展的要求。面对激烈的竞争，近二十年来，特别是近十年来，人们将制造技术与飞速发展着的信息技术、自动化技术、现代管理技术与系统技术有机融合，逐渐形成了新一代先进制造技术。今天它已成为改善产品T、Q、C、S、E，提高企业敏捷性、柔性、健壮性的关键手段。它正推动着制造业进入信息化、自动化、智能化、敏捷化的历史新时期。 先进制造技术必然十分重视产品设计问题。众所周知，没有创新产品，没有适销对路的新产品，即使做到T、Q、C、S 、E也是白搭，也会在竞争中败下阵来。因此T、Q、C、S、E的前提是有好的产品设计。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作其生命线，先进设计技术必然成为先进制造技术的核心之一。可以这样认为：市场竞争促进了先进制造技术的发展，先进制造技术的发展推动了先进设计技术的发展，先进设计技术离不开CAD技术的影响作些分析。 8．1．1 计算机集成制造系统对CAD技术的影响 自从1973年美国的约瑟夫·哈林顿（Joseph Harrington）提出计算机集成制造 （computer Integrated manufacturing， CIM）概念以来，近十余年， CIM哲理及其技术在实践中不断充实、完善与发展。在我国,自从1986年以来，在国家863计划支持下，对CIM的理论与应用进行了深入研究与实践，概括出了对CIM的以下认识： CIM是一种组织、管理与运行企业的哲理，它将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术等有机结合，借助计算机（硬、软件），使企业产品全生命周期——市场需求分析、产品定义、研究开发、设计、制造、支持（包括质量、销售、采购、发送、服务）以至产品最后报废、环境处理等各阶段活动中有关的人／组织、经营管理和技术三要素及其信息流、物流和价值流有机集成并优化运行，实现企业制造活动的计算机化、信息化、智能化、集成优化，以达到产品上市快、高质、低耗、服务好、环境清洁，进而提高企业的柔性、健壮性、敏捷性，使企业赢得竞争。 CIMS（computer Integrated manufacturing system）是一种基于 CIM哲理构成的计算机化、信息化、智能化、集成化的制造系统。 必须指出，以上对CIM和CIMS的认识已大大超过了早期对CIM和CIMS的认识，这种认识已概括了后面将要叙述的并行工程和敏捷制造的含义。不过，为了从历史上来考察各种先进制造模式对CAD技术的影响，在这里我们不准备讨论这种深化的CIMS对CAD的影响，还是将讨论限制在早期CIMS对CAD的影响上。 早期CIMS技术的核心是信息集成，而且主要关注企业内部的信息集成，即针对在设计、加工制造及管理中大量存在的自动化孤岛，解决信息正确、高效的共事与交换。 这种信息集成的要求自然要在工程设计系统中体现出来，即解决 CAD、 CAPP （computer aided process planning）、CAM（computer aided manufacturing）系统内部的信息集成以及该系统与CIMS中加工制造和管理分系统间的信息集成。 具体对CAD技术而言，就是要解决异构环境下的信息集成，为此要解决三个关键问题： （1）产品建模问题以参数化造型或特征造型为建模手段， Li STEP（standard for the exchange of product model data）标准所定义的产品信息模型为依据，建立能满足产品生命周期内各环节需要的完整的信息模型，即产品的数字化模型，以作为信息共享与交换的基础。 （2）数据交换问题采用符合标准的数据交换规范，做好不同应用软件问的接口。 （3）工程数据管理问题形成逻辑上集中、物理上分布的数据的集成管理环境，解决异构数据库门的相互访问。 8．1．2 并行工程对CAD技术的影响 关于并行工程（concurrent engineering，CE）有多种提法，但是，至今较为公认的是 1986年美国国防分析研究所在其R－338研究报告中提出的并行工程的定义。定义如下： 并行工程是对产品及其相关过程（包括制造和支持过程）进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。这种工作模式力图使开发者从一开始就考虑到产品全生命周期（从概念形成到产品报废）中的所有因素，包括质量、成本、进度和用户需求。 根据上述定义，不难看出，并行工程这种先进制造模式的技术核心除了继承早期CIMS的信息集成外，其主要特点是过程集成。过程集成就是要对企业的各种活动过程进行重构，将产品开发过程中的各种串行过程尽可能多地转变为并行过程，使在设计早期就能考虑到产品的可装配性、可制造性、可测试性、可维护性、可靠性、可支持性及成本合理性等因素，使各阶段工作及时交流、协调，避免跨阶段的大返工。此外，过程集成还意味着以产品为中心，由各有关部门人员组成的多学科小组（团队）的人员的集成。 并行工程过程集成的特点对CAD技术提出了以下要求： （1）支持开发过程的重构和建模。 （2）实现协同设计的环境，支持多学科队伍的协同工作。 （3）提供功能集成、信息集成的支持并行设计的CAX（CAD、CAPP、CAM…）和DFX（design for performance assembly、manufacture、test、quality、cost、service…）工具。 8．1．3 敏捷制造对CAD技术的影响 敏捷制造（agile manufacturing，AM）是 1991年美国里海（Lehigh）大学亚科卡（ lacocca）研究所在《美国见世纪制造企业战略》报告中所提出的一种先进制造技术。其后得到世界各国的重视，进行了广泛的研究与实践。但到目前为止，关于 AM还没有一个一致的、公认的定义。 AM的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，以获得长期稳定的经济效益。 为了实现敏捷制造，除了做到信息集成和过程集成外，还必须实现企业集成。企业集成就是针对某一特定产品，选择合作伙伴，组建企业动态联盟，充分利用联盟企业所具有的设计资源、制造资源、人力资源等，解决联盟内的信息集成与过程集成，将新产品快速推向市场。 AM最基本的特征是要具备一种能力，即在多变的市场环境下，抓住稍纵即逝的机遇，快速开发出能充分满足顾客需要的新产品。由此可见，新产品的设计对AM具有何等重要的意义，因此对于这种敏捷制造模式必须要有敏捷设计的模式。 基于动态联盟的敏捷设计对CAD技术提出了以下要求： （1）提供实现产品敏捷设计的使能技术如资源共享、信息服务、合作建模、联盟内的数据管理与设计过程管理等技术。 （2）提供支持产品敏捷设计的网络通信平台及相关技术的解决方案如 WWW技术、邮件通信、远程传输、安全保密等。 以上论述了三种典型的先进制造模式的定义及基本思想，揭示了信息集成一过程集成一企业集成的发展历程，阐明了它们对CAD技术发展的巨大影响。 由于这种原因，现代CAD技术也在沿着信息--过程集成--企业集成的道路发展。还应该看到，随着先进制造技术的不断发展，将回出现更多的制造模式，提出更新、更强的集成要求，因此还将继续对CAD技术施加影响，对CAD技术提出更高的要求。 8．2 现代CAD技术的概念与研究内容 8．2．1现代CAD技术的概念 根据前面所述先进制造技术对 CAD技术的影响，以及当前 CAD技术发展的情况，可以看出， CAD 正经历着由传统技术向现代技术的转变，“现代CAD技术”可表述如下：现代CAD技术是指在复杂的大系统环境下，支持产品自动化设计的设计理论和方法、设计环境、设计工具备相关技术的总称，它们能使设计工作实现集成化、网络化和智能化，达到提高产品设计质量、降低产品成本和缩短设计周期的目的。 以下对上述概念作进一步说明： （1） 现代CAD技术是在先进制造技术及现代设计理论与方法带动下，在传统CAD技术的基础上发展起来的，从本质上讲，这种技术力求在一个复杂大系统的环境中（如 CIMS、并行工程、敏捷制造等），使设计工作自动化。因此，现代CAD技术是面向设计自动化的技术。 （2） 从学科上说，现代CAD技术的研究内容包括设计理论和方法、设计环境及设计工具三个方面。设计理论和方法是现代CAD技术实现的理论，设计环境是技术实现的空间，设计工具是技术实现的手段，它们相互联系，相互促进。 （3） 集成化、网络化和智能化是现代CAD技术所追求的功能目标。集成化要能支持信息集成、过程集成与企业集成，它涉及的技术如：数字化建模、产品数据管理、过程协调与管理、产品数据交换、CAXI具、DFXI具等；网络化要能支持动态联盟中协同设计所需的环境与设计技术；智能化是指在实现集成化与网络化时所采用的智能技术，如人工智能、专家系统技术等。 （4）现代CAD技术的最终目的是要尽可能采用自动化设计技术（丝毫不排除以人为主的人机交互环节），使所设计的产品达到质量高、成本低、周期短，以便在先进制造模式下以T、Q、C、S、E赢得市场竞争。 （5）现代CAD技术的提法，既容纳了当前CAD技术在集成、网络、智能等方面达到的技术成就，又包含了将来CAD技术的进步，因此这种提法在较长时间内均具有效性。 8．2．2现代CAD技术的研究内容 1．研究现代设计理论与方法学 设计是一项复杂的创造性工作，也正由于它的复杂性，迄今为止，人们对设计尚缺乏规律性的认识，还没有形成严格的理论体系。过去和现在，人们一直在探索各种各样的设计理论，希望利用它们来有效地指导实际的设计工作。由于计算机技术、信息技术的发展，基于计算机的设计理论与方法学，显得异常活跃，例如近年来提出的并行设计、协同设计、虚拟设计、大规模定制设计（mass customization design）、分形设计（fractal design）等，我们应该加以深入的研究，以便指导现代CAD系统的实现。必须认识到，没有先进的设计理论与方法，就没有现代CAD技术的发展。 2．研究与设计环境相关的技术 良好的设计环境意味着动态联盟中异地分布的产品开发队伍能通过广域网，充分利用各地的设计资源和信息进行协同设计。为此要研究解决以下技术： （l） 协同设计环境的支持技术，例如广域网上的浏览器／服务器（B/S）环境、客户机／服务器（C／S）结构的计算机系统，以及基于B／S和C／S的协同设计的平台体系结构等。 （2）协同设计的管理技术，例如产品共享信息的交换、异构 PDM（Product data management）系统间的数据交换、设计过程建模及冲突消解等问题。 3．研究与设计工具相关的技术 这方面研究的核心问题有： （1）产品数字化定义及建模技术，包括产品模型的表达、 STEP标准实施技术、建模技术等。 （2）基于PDM的产品数据管理与工作流（过程）管理技术。 （3）发展集成的 CAX和 DFXI具，使现代 CAD系统从功能上能支持产品设计的全过程，包括需求分析、概念设计、结构设计、详细设计、工程分析和工艺设计等，而且能利用DFXI具实现对设计下游的支持，及早发现问题，避免大的返工。 在上述技术研究中，必然会广泛采用智能技术，因此智能技术作为一项基础技术也必须进行研究。