CAD技术的应用与发展趋势探析蒋永彪

摘要：本文论述了计算机辅助设计（CAD）技术在先进制造技术中的主要应用，CAD技术对现代制造技术发展产生了重大影响，分析了CAD技术在参数化设计、基于特征设计、计算机辅助概念设计和计算机支持的协同设计的主要研究热点，以及标准化、开放性、集成化、智能化的发展趋势。

关键词：CAD技术 先进制造技术 研究热点 发展趋势

0 引言

先进工程设计技术是先进制造技术的重要组成部分。产品生产首先从工程设计开始。工程设计包括需求分析、产品规划、方案设计、详细设计、工艺设计等内容。工程设计的结果直接影响产品的功能、性能、质量、制造成本与交货期。随着计算机技术的发展，工程设计技术的范围不断拓宽，工程设计的手段不断改进，并提出了许多新的设计思想和设计方法。计算机辅助设计（CAD）技术在现代制造技术中所扮演的角色越来越重要，已逐步成为影响制造业发展的重要因素。

1 CAD技术的研究热点

目前，关于CAD技术的研究十分活跃，研究领域极为广泛，以下仅列举其中几个热点方面。

1.1 参数化设计 参数化设计方法是将CAD模型中的定量信息变量化，使之成为任意调整的参数。对于变量化参数赋予不同数值，就可得到不同大小和形状的零件模型。

实现参数化设计的团建是建立参数化模型。参数化模型表示了零件图形的集合约束和工程约束。几何约束包括结构约束和尺寸约束。结构约束是指几何元素之间的拓扑关系约束，如平行、垂直、相切、对称等；尺寸约束是通过尺寸标注表示的约束，如距离尺寸、角度尺寸、半径尺寸等。工程约束是指尺寸之间的约束关系，通过定义尺寸变量及它们之间在数值上和逻辑上的关系来表示。

在参数化设计系统中，设计人员根据工程关系和几何关系来指定设计要求。要满足这些设计要求，不仅需要考虑尺寸或工程参数的初值，而且要在每次改变这些设计参数时来维护这些基本关系，即将参数分为两类：其一为各种尺寸值，称为可变参数；其二为几何元素间的各种连续几何信息，称为不变参数。参数化设计的本质是在可变参数的作用下，系统能够自动维护所有的不变参数。因此，参数化模型中建立的各种约束关系，正是体现了设计人员的设计意图。

参数化设计可以大大提高模型的生成和修改的速度，在产品的系列设计、相似设计及专用CAD系统开发方面都有较大的应用价值。目前，参数化设计中的参数化建模方法主要有变量几何法和基于结构生成历程的方法，前者主要用于平面模型的建立，而后者更适合于三维实体或曲面模型。

1.2 基于特征设计 如前所述，特征设计是用“特征”来取代纯几何元素构建物体模型。特征是构建零件的最基本的要素，它能以较高的抽象级别和不需要解释的方式来标示物体模型。它既表示了零件的几何信息，又反映了零件与制造有关的信息。例如，对孔的设计，实体造型系统常采用圆柱体与某个实体进行逻辑运算来实现，计算机仅仅知道哪些部分没有材料而已，并不能“认识”哪是一个孔。对于特征造型系统，孔是一个特征，具有直径、长度、公差、表面粗糙度、位置等属性，并包含了基准、装配等信息。

每一个特征基本上对应一组加工制造方法。特征的“语义”使设计人员对同一特征有相同的理解。因此，基于特征的设计更适合于CAD/CAM的集成和CIMS中的建模需要。

1.3 计算机辅助概念设计 概念设计是设计过程中最重要的阶段，概念设计的好坏对产品设计质量起着决定性的作用。但由于概念设计的复杂性，及其所涉及的种种设计知识的不确定性，给计算机辅助概念设计带来很大的难度，制约了其发展。概念设计的过程主要是评价和决策的过程，他涉及产品功能、动作和结构等因素，对产品的价格、性能、可靠性、安全性等均有着重要的影响。目前，计算机辅助概念设计的方法可分为两大类，即自动生成设计方案和交互生成设计方案。

1.3.1 自动生成设计方案 目前主要采用人工智能技术。为了使计算机有效地支持概念设计活动，需要解决两大难题，即建模问题和推理问题。前者是对产品的功能、动作和机构及其之间的关系进行描述；后者实质上就是生成和选择合适的方案。

建模的核心问题是模型的表示法。目前已提出各种表示法，如语言、图形、对象、知识模型和图像法等。语言表示法属于一种形式描述方法，他能保证计算机有效地进行推理，称为面向机器的表示法。而图像表示法是一种高度可视化的表示法，它可以提供一种辅助设计人员进行创新的建模环境，称它为面向人的表示法。其它表示法则界于这两者之间。各种表示法往往只支持描述概念设计的某一方面，目前还缺少一种能描述概念设计各种因素的统一模型，这正是下一步的研究目标。

推理问题的重点是在转换过程，即把用户需求映射到实现所给需求集合的一些实际的结构上。难点在于产生和选择合适的映射方法。同样也有很多推理方法支持概念设计活动，如神经网络、基于实例的推理法、基于知识的推理技术、优化、价值工程和定性推理等。但目前也只能设计一些特定领域的例子，离全面应用还有很大差距。

1.3.2 交互生成设计方案 由于概念设计的复杂性，自动地生成设计方案是很困难的，采用交互技术是目前可行和有效的方法。在概念设计阶段可充分利用网络与多媒体技术，如在网上迅速查找与概念设计相关的设计实例，利用协同设计技术，使群体成员易于参与概念设计，并做出积极贡献等。

1.3.4 计算机支持的协同设计 设计工作是一个典型的群体工作。计算机支持的协同设计用于在设计过程中支持设计群体成员交流设计思想、讨论设计方案、发现成员间接口的矛盾和冲突，及时地加以协调和解决，从而减少和避免设计的反复，提高设计工作的效率和质量。

协同设计备受人们的关注，已有不少原形系统，也有一些产品面世。计算机支持的协同设计主要解决以下核心技术。①群体成员间多媒体信息传输。目前，在局域网上数据传输技术已比较成熟，远程网上的数据异步传输也已实现，但远程实时数据交换还存在障碍。多数研究是集中在公用网Internet和Intranet上，但商品软件开发上则更多考虑专用线。②异构平台。参与协同设计的成员分散在不同地域，且设备条件存在差异。因此，适用的协同设计系统必须能在异构环境中运行，包括数据传输、工具集成，还有跨平台的交互界面等，这需要通过标准化工作来解决。目前普遍采用的是CORBA、JAVA技术和通信领域的标准等。但要完全支持协同设计，还有待增强功能和完善标准。③人—人交互。目前自动发现矛盾和冲突，并进行自动协同和解决的技术还不成熟，因此人—人交互的手段成为必要。当前，最普遍的是利用电子会议支持成员间进行讨论和交流设计思想。而讨论设计结果和修改设计主要依靠“应用共享”的工具。这一工具能够达到一人对一个CAD工具进行操作，其他成员均能在自己的终端上看到操作过程和结果。这个工具也可以和电子会议系统集成，用语音等工具进行讨论。但应用共享在操作上存在不便，成员间不能直接互操作，这是需要重点解决的问题。

2 CAD技术的发展趋势

CAD技术的主要发展趋势可以用标准化、开放性、集成化和智能化来概括

2.1 标准化 CAD软件通常集成在一个异构的工作平台上，为了支持异构跨平台的环境，要求它是一个开放的系统，这里主要是靠标准化技术来解决这个问题。目前标准有两类：一是公用标准，主要来自国家或国际标准制定单位；二是市场标准或行业标准，属私有性质。前者注重标准的开放性和所采用技术的先进性，而后者以市场为导向，注重考虑有效性和经济利益。今后的发展方向是以公用标准为基础，但要从工业标准中吸收起注重实用性和效率的优点。

2.2 开放性 开放性是CAD系统赢得市场的重要手段。目前，CAD系统广泛建立在开放式操作系统窗口2000/NT或UNIX平台上，在JAVA LINUX平台上也有CAD产品。此外，绝大多数CAD系统都为最终用户提供了二次开发环境，甚至这类环境可开发期内核源码，以使用户可定制自己的CAD系统。

2.3 集成化 CAD技术的集成化体现在两个方面：一是CAD系统与CAE、CAPP、CAM、CAQ、ERP等系统集成，构建企业生产活动一体化解决方案，推动企业信息化进程；二是CAD本身基于网络环境实现异地、异构系统在企业间的集成。目前，国际上关于CAD商品软件开发有两种截然不同的思路：一种思路是在全球范围内优选成功的功能构建，进行集成;另一种思路则要求软件开发自由化，以免受制于一两家公司垄断型产品的束缚。后者的典型做法是选用LINUX操作系统，在其基础上开发各种共享软件并开放源程序。

2.4 智能化 设计是一个含有高度智能的人类创造性活动领域，智能CAD是CAD发展的必然方向。从人类认识和思维的模型来看，现有的人工智能技术对模拟人类的思维活动（包含形象思维、抽象思维和创造性思维等多种形式）往往无能为力。因此，智能CAD不能靠简单地将现有的智能技术与CAD技术相结合起来实现，而要深入人类设计的思维模型，并用信息技术来表达和模拟它。这样不仅会产生高效的CAD系统，而且也将为人工智能领域提供新的理论和方法。

参考文献：

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[4]戴同.CAD/CAPP/CAM基础教程.北京：机械工业出版社，1997.