纺织等制造业方面的研发

5.1.1　机电、纺织等制造业方面的CAD研发

计算机辅助设计（CAD，Computer Aided Design）是在设计过程中，利用计算机作为工具，帮助工程师进行设计的一切实用技术的总称。

计算机辅助设计包括的内容很多，如：概念设计、优化设计、有限元分析、计算机仿真、计算机辅助绘图、计算机辅助设计过程管理等。在工程设计中，一般包括两种内容：带有创造性的设计（方案的构思、工作原理的拟定等）和非创造性的工作，如绘图、设计计算等。创造性的设计需要发挥人的创造性思维能力，创造出以前不存在的设计方案，这项工作一般应由人来完成。非创造性的工作是一些繁琐重复性的计算分析和信息检索，完全可以借助计算机来完成。一个好的计算机辅助设计系统既能充分发挥人的创造性作用，又能充分利用计算机的高速分析计算能力，即要找到人和计算机的最佳结合点。

计算机辅助设计还包括很多其他内容，如优化设计、智能CAD、概念设计、工程数据库、计算机分析和仿真、CAD/CAM集成及接口技术等。最早的CAD的含义是计算机辅助绘图，随着技术的不断发展，CAD的含义才发展为计算机辅助设计。一个完善的CAD系统，应包括交互式图形程序库、工程数据库和应用程序库。对于产品或工程的设计，借助CAD技术，可以大大缩短设计周期，提高设计效率。

计算机辅助设计作为一门学科始于20世纪60年代初，一直到70年代，由于受到计算机技术的限制，CAD技术的发展很缓慢，进入80年代以来，计算机技术突飞猛进，特别是微型计算机和工作站的发展和普及，再加上功能强大的外围设备，如大型图形显示器、绘图仪、激光打印机的问世，极大地推动了CAD技术的发展，CAD技术已进入实用化阶段，广泛服务于机械、电子、宇航、建筑、纺织等产品的总体设计、造型设计、结构设计、工艺过程设计等环节。

早期的CAD技术只能进行一些分析、计算和文件编写工作，后来发展到计算机辅助绘图和设计结果模拟，目前的CAD技术正朝着人工智能和知识工程方向发展，即所谓的ICAD（Intelligent CAD）。另外，设计和制造一体化技术即CAD/CAM技术以及CAD作为一个主要单元技术的CIMS技术都是CAD技术发展的重要方向。

在工业化国家如美国、日本和欧洲，CAD已广泛应用于设计与制造的各个领域如飞机、汽车、机械、模具、建筑、集成电路中，基本实现100%的计算机绘图。CAD系统的销售额每年以30%～40%的速度递增，各种CAD软件的功能越来越完善，越来越强大。国内于20世纪70年代末开始CAD技术的大力推广应用工作，已经取得了可喜的成绩，CAD技术在我国的应用方兴未艾。

宜昌市制造业企业近几年蓬勃发展，在湖北省新一轮的工业产业结构调整中，宜昌市正逐渐成为省内最重要的制造业基地之一。这对宜昌市制造业企业的竞争力水平提出了更高的要求。目前，宜昌市制造业与发达地区有比较大的差距，这种差距主要表现在产品设计开发方法和技术手段的落后，无法及时开发出市场需要的、具有创新性和独特性的新产品。这是宜昌市制造企业面临的一个极其严重的问题，提高宜昌市制造业核心竞争力已经成为当前迫切需要解决的瓶颈。数字化设计与制造的主体是CAD/CAM技术，作为工业领域普遍应用的共性关键技术，CAD/CAM技术是现代产品开发的核心手段和主导环节，对提高企业产品开发能力，增强产品市场竞争力具有巨大的作用。

根据国内CAD技术的发展趋势，宜昌市制造业CAD技术的发展方向和CAD的应用情况，应采用以下的发展模式：

（1）二维与三维CAD结合的系统集成方案

目前在世界上应用非常广泛的CAD软件绝大多数是三维的，如Solid Works、Pro/E、UG等。宜昌市虽然近几年已经开始引进这些三维机械CAD软件，但是由于其价格昂贵，所以宜昌市目前只有一些大型企业才应用，很多企业还只是使用二维的CAD软件。对于小型的机械制造业企业，简单的二维CAD软件可能在某些方面还能继续应用，但就近几年机械制造领域对产品研发的要求来看，二维CAD软件的功能很快将不能满足机械企业的需要。

应用三维设计能建立充分而完整的设计数据库，并以此为基础，进一步进行应力/应变分析、制件质量属性分析、空间运动分析、装配干涉分析、NC控制可加工性分析、高正确率的二维工程图生成、外观色彩和造型效果评价，这才是对设计全过程的有效辅助，这才是有明确技术效益和经济效益的CAD。在装配状态下进行零件设计，是事半功倍的事。二维设计只能在局部勉强做到，而三维设计能实现这个功能。所以说，从三维开始设计是必然趋势，只有三维设计才是真正意义的CAD，只有三维CAD才能同CAE/CAM得到最佳的集成。因此，在建立好企业自身的二维CAD应用体系的前提下，逐步向三维CAD应用体系过度是企业完善和提高自身设计、开发能力的必要途径。而二维与三维CAD结合的系统集成方案是现阶段符合制造业企业技术要求和技术更新的，同时也会加快制造业企业向CAD/CAE/CAM一体化进程的步伐。

（2）加大机械CAD二次开发的力度

现在在国内机械CAD软件市场占主导地位的国外软件品种非常的齐全，从低端的二维CAD，如Auto CAD；到中端市场的一般功能的CAD，如Solid Edge、Solid Works等，再到高端的集CAD、CAE、CAM、PDM于一体高度集成的CAD软件，如CATIA、UG。对于CAD软件的中高端市场，虽然其利润高，但是其技术投资大、风险大。科技含量极高的CAD技术的发展和成长都是要经过长时间的探索、试验和改进，才能够逐渐成熟起来。自从改革开放以来，宜昌市机械制造业有了长足的发展，但是由于自身CAD技术的起点低、底子薄，还没有真正形成一个机械CAD软件产业。在软件方面，缺乏一批高技术的CAD开发人员；在硬件方面，宜昌市的一些大型企业对国外一些代表着CAD技术发展趋势的著名CAD软件尚处于消化和吸收阶段，暂时没有这个能力投人巨大的人力、物力和财力来进行先进CAD技术的研发。但是从另一方面来说，CAD技术在宜昌市使用和发展已有十几年的历史，企业对CAD技术也有了一定的认识，积累了宝贵的经验，虽然尚不能进行先进CAD技术的开发，但是可以根据实际情况和机械行业的特点，进行机械CAD软件的开发，比如可以开发模具CAD软件、回转类零件的CAD软件。

（3）实现机械CAD的共享化

在互联网时代，人们通过互联网获取信息并与外界进行交流，互联网给CAD提供了一个新的方向：工程师、制造商、供应商、消费者和技术人员及管理人员之间，通过互联网随时随地进行实时的交流和协作。

很多CAD公司已经看到了这些机会，它们开发了一些基于互联网的CAD产品，不仅可以帮助企业以电子形式高效地传输二维图纸、快速简便地发布带有三维交互内容的Web站点（如作为可视数据库的CAD），而且可以使制造性企业将动态的三维模型集成到自定义的在线目录中和各种电子商务服务中。但这仅仅是个开始，为了充分利用互联网，企业还需要做到：为需要三维数据的用户提供完整而灵活的三维商务解决方案；研究在互联网上进行高效、高质量的数据显示；研究有效的三维数据共享技术：如传输速度、安全性、冲突解决等技术；研究高效的几何压缩方法和编码技术，用于高速传输大量的设计和图形数据。

（4）实现机械CAD的智能化

智能CAD（Intelligent Computer Aided Design，ICAD）是一种新型的高层次计算机辅助设计方法与技术。它将人工智能（AI）的理论和技术与CAD相结合，使计算机具有支持人类专家的设计思维、推理决策及模拟人的思维方法与智能行为的能力，从而把设计自动化推向更高层次。ICAD方法主要用于产品概念设计，不过用于支持产品的概念设计、结构设计和几何参数设计全过程的构想已成为可能。目前机械CAD的智能化主要有四类：

①专家系统。专家系统是人工智能领域内出现的很富有实用价值的计算机程序，它主要是处理专家们积累的实际经验和知识。

②人工神经网络。人工神经网络（ANN）是一个由大量的简单处理单元（神经元）互联组成的大规模分布式并行信息处理系统，它通过模拟人脑的神经系统组织结构，能对复杂问题进行有效求解。

③并行工程。并行工程（Concurrent Engineering）是随着CAD、CIMS技术发展提出的一种新哲理、新的系统方法。这种方法的思路就是并行的集成的设计产品及其开发的过程，它要求产品开发人员在设计的阶段就考虑产品整个生命周期的所有要求，它包括质量、成本、进度、用户要求等，以便更大限度地提高产品开发效率及一次成功率。并行工程的关键是用并行设计方法代替串行设计方法。并行工程如图5-1所示。

④CAD的虚拟设计技术。虚拟技术是一种新兴的多学科交叉技术，它涉及多方面的学科研究成果与专业技术。以虚拟现实技术为基础，以机械产品为对象，能使设计人员与多维的信息环境进行交互。同时，利用虚拟技术可以大大地减少实物模型和样件的制造。

图5-1　并行工程

（5）实现机械CAD的集成化

建立在开放性、分布式工作站网络上的CAD集成化系统是未来CAD技术发展的主要趋势之一。集成化是多角度、多层次的。它可以是一个CAD系统内部各模块之间的集成；或者是多种CAD系统之间的集成；也可以是工程设计领域中CAD与CAPP、CAM之间的集成；如果范围大一些的话，则泛指支持产品开发的整个生命周期的集成化系统，即把计划、构思、设计、仿真、制造、组装、测试以及文档生成等各个环节集成到一个统一的系统中，实现资源的共享和信息的集成。

CAD技术发展的一个重要因素就是软件的标准化、规范化，需要制定一系列标准：图形标准、网络标准、产品数据交换等。使CAD软件建立在这些标准上，实现开放性、可移植性、可互连性，这是实现CAD集成化的重要保证。

CAD与CAPP、CAM的集成已成为工程领域中急需解决的问题。一般可以通过两个途径来解决：一是通过接口，将现有的各自独立的CAD、CAPP和CAM系统连接起来；二是开发集成的CAD/CAPP/CAM系统。

“十五”期间，一方面，政府开始大力推进制造业信息化的发展；另一方面，宜昌市制造业企业为了缩短与现代制造业企业的差距，也更加重视CAD技术在企业的应用。所以宜昌市的机械CAD软件面临着一个良好的发展机遇。但只有正确把握CAD技术发展的趋势，才能逐步缩短与发达地区的差距，推广开发出切合企业自身实际的CAD软件。