我国CAD/CAM开发应用路在何方
北京机械工业自动化所 陈宏亮
近10年来，我国CAD/CAM技术的开发和企业的应用都取得了可喜的成果，开发出了一批有自主产权的2D CAD系统，在国内占有了一定的市场，一些3D CAD系统也已初步形成，广大企业推广应用了二维系统，不少企业应用2D CAD进行设计绘图，基本上甩掉了绘图板，可以说我国CAD应用已走过了初创阶段和大面积普及阶段的历程。人们关心的是，我国CAD/CAM技术的开发和应用将向何处走?怎样深化我国CAD/CAM技术的开发和应用?
现状与回顾
在国家大力倡导下，近10年来我国CAD/CAM技术的开发和推广应用取得了可喜的成果。
1自主版权的二维CAD系统已形成产品，占领了国内部分市场
我国已形成了一支CAD开发队伍，开发出了一批商品化的2D CAD系统。如开目CAD、GHCAD、InteCAD、大天CAD、PICAD、利玛CAD、PCCAD、XTCAD等等。这些系统的共同特点是：系统运行环境为PC机，操作系统为Windows NT/95/98，应用动态导航和面向对象技术，系统操作简捷方便；具备了参数化、变量化的设计能力，特别是采用了欠约束处理的技术，引入了"特征"的概念，具有特征处理的能力；具有较强的编辑功能，具备多种拷贝方式，放大、缩小、延伸、缩短、剪裁等能力；具有运动仿真功能；尺雨标注功能；提供了符合国家标准的标准件库、全参数化零件库、丰富的图形符号库；具备了明细表的自动生成能力以及其它辅助设计手段。这些商品化的2D CAD系统投入市场，改变了国内的CAD软件系统由国外软件一统天下的局面。据统计国产CAD软件在国内已拥有了30％以上的用户群，有些行业国产CAD软件市场占有率达60％以上。
2三维CAD系统已初步形成，在我国市场已崭露头角
近几年来，以大学为主力的开发队伍开发出了一批3D CAD系统，他们以公司的机制将这些系统推向市场。如清华同方GEMS 50、华中天喻信息公司的Inte Solid、航空航天大学与广州合办的广州红地公司的金银花3D CAD、浙江大学大天公司的GS－MCAD等。目前我国开发的3D CAD系统的特点有：采用特征建模技术改变了传统的以几何设计为主的建模技术，从而提高了设计效率；具有较高的曲面建模能力为解决复杂曲面的零件设计提供了手段；采用了三维参数化、变量化设计，修改方便，易于用户使用；具有装配设计能力，可提供装配树，为其它应用提供了基础；具备了2D/3D关联设计的功能，可高效生成符合国家标准的工程图纸；提供了丰富的标准件库和方便地查询、搜索添加和预览功能；具有较完善的渲染功能，可产生具有真实感的产品效果图；系统建立在PC机和Windows XT/95/98操作系统环境下，使用了当前较流行的开发工具，系统开放性好。
我国3D CAD系统目前与国外系统相比还有一定差距，市场占有率也较低。目前国外3D CAD系统仍是国外产品占统治地位。
3产品数据管理(PDM)系统开发也取得了成效，市场初具雏型
随着CAD技术在企业中的广泛应用，大量的图纸和技术文档的管理提到了日程。多种CAD系统的应用和MRPⅡ/ERP在企业的实施，与产品相关的信息管理和与产品相关的过程管理也极为需求。由于市场的需求，国外早已推出了PDM产品，并且市场发展很快，一些产品先后进入我国市场。国内PDM起步较晚，但发展很快。国内一些CAD/CAM开发单位在推广其系统时，找到了市场的需求，开发了自己的PDM产品，目前在国内PDM市场上有：开目PDM、Inte PDM V30、XTPDM、同方PDM30、Top PDM、GS－PDM等等。这些PDM系统与国外有名的PDM系统如METAPHASE、Windchill、PM/6000、IMAN等系统相比还有不少差距，但它们完全是国内自主开发的，具备了PDM的基本功能：图文档管理、工作流程管理、产品配置管理、权限管理、项目管理、版本管理、日志管理等等。有些功能还不尽完美，有待进一步开发。
4我国企业CAD/CAM应用取得了重大进展
"八五"、"九五"期间，国家大力抓计算机技术在企业中的应用，开展了CIMS应用示范工程和CAD应用工程，在全国各部门、地方的大力支持下，广大企业积极投入与参与已取得了很大成绩。目前CAD应用工程已经遍及29个省(市)、4个行业、500多个示范企业、3000个重点应用单位，工程设计和机械行业企业的CAD应用普及率达90％以上，有10万家企业和设计院甩掉了图板。CIMS应用示范也已遍及包括航空、航天等国家重点行业在内的十几个行业，200多家不同规模、不同类型的企业，产生了明显效果，新产品设计能力显著增强，生产周期明显缩短，管理水平明显提高。
目前我国企业应用CAD技术的特点是：多数企业利用2D CAD解决设计绘图问题，应用单位基本上"甩掉了图板"；在PDM的应用方面也多处在用PDM进行图文档的管理水平；有部分企业开展了3D CAD的应用，这些企业用3D CAD进行产品模型的设计，已取得了较好的效果，也有一些企业开展了动态仿真、机构模拟等，提高了产品的设计水平和设计质量；另外，在一些实施CIMS应用工程的企业，考虑到全企业的信息化工作，正在实施以PDM为核心的集成系统，通过应用PDM系统解决工程设计中的大量文档、数字化产品模型、产品明细表与工程更改等信息的组织、管理与控制，解决CAD/CAE/CAPP/CAM各分系统之间的信息交换和数据共享问题，以及各CAX系统与MRPⅡ/ERP之间的信息集成问题。从当前看，企业在深化CAD/CAM PDM的应用方面还有很多工作要做。
CAD/CAM开发应用的课题
以上我们简单回顾了我国CAD/CAM开发应用的历程和已取得的成果，辉煌的成就已成为历史，为进一步深化我国CAD/CAM技术的开发和应用还有很多的课题。
1CAD领域的新课题
我国CAD技术在二维方面已较成熟，但在3D CAD系统的开发还有很多课题。
曲面技术：曲面建模技术中，曲面方程的参数计算速度和弹性调整的最佳化技术；曲面修改技术的设定限制条件的弹性修改；参数化曲面技术的曲面参数化调整；实体特征曲面化技术以及补面技术等。
曲面与实体集成的核心技术：曲面特征化及管理，在实体模型上去做实体表面的修改与调整，曲面与实体参数的修改与几何重建技术等。
实体技术：实体特征设计技术、实体参数化设计技术、实体参数化组装技术、布尔运算技术等。
大型组件设计技术：这一技术在国外一些三维CAD系统上有所表现，有的技术还在研究中，也是我国3D CAD系统开发者应研究的课题之一。
2CAPP领域的新课题
目前我国CAPP系统多数是结合企业应用开发的变异式CAPP系统。采用检索式生成工艺，即按零件或部件图与实行一对一的检索生成工艺及相关工艺文件，这就需要企业有良好的工艺标准。派生式工艺生成是根据被加工零件的工艺特征编工艺码，查询对应零件族的样件工艺，再加以修订而成。这种方法很适于相似件的工艺生成。基于这种情况应研究：优良的编辑工具软件，方便用户使用；方便适用的工艺数据库的建库、维护工具软件。这些工具软件的界面要友好，便于使用。
另外，CAPP领域中的创成式和半创成式的研究也是开发者应突破的问题。创成式的CAPP系统已提出多年，但是真正商品化的软件很少见，其关键是知识库的建立，如何搜集和整理专家知识，建立起专家知识库，这里有很多人为的因素。CAPP开发者应研究一套建立专家知识库的简单易用的工具，使专家本人能够接受使用。创成式CAPP还有很多课题需要研究开发。
3PDM领域的新内容
我国推出的PDM系统虽然都称具备了PDM所应有的功能，但是，与国外有名的PDM系统相比较还有不少差距，1999年9月北京一个企业进行PDM的选型中，参加选型的国内PDM供应商有6家，通过2天的选评，企业、专家和供应商面对面的咨询答辩，发现有不少功能达不到PDM应具备的水平，有的也还满足不了用户的需求。因此，供应商应深入了解用户的需求不断改善自己的PDM产品。
1)进一步开发和完善PDM应有的功能
虽然我国推出的几个PDM系统已经上市，但其功能多处在图文档管理的级别，虽说具有其它一些功能，但细了解确实都不甚完善，这是一个普遍的问题。
2)加强产品结构/配置管理的研究
用户对此要求迫切，这也是PDM的一个重要功能。但目前我国PDM系统多数的配置管理能力主要是按CAD生成的产品结构树进行管理。配置管理应以电子仓库为底层支持，以BOM为其组织核心，把定义最终产品的所有工程数据和文档联系起来，实现产品数据的组织和管理，并在一定目标或规则约束下向用户或应用系统提供产品结构的不同视图和描述。特别是支持规则驱动配置。
3)项目功能
目前的PDM系统只提供有限的项目管理功能，如工作流活动状态信息和用于传送最新任务的自动触发功能。PDM应用能力处理资源计划和利用关键路径分析方法分解任务。这种用关键路径分析方法分解任务应是PDM项目管理的研究开发的主要问题。
4)用新的软件工具开发PDM
目前有很多新的软件开发工具，如通用对象请求中介体系结构--CORBA，是一种可以跨越不同的网络、不同的机器和不同的操作系统，实现分布对象之间的互操作的一种软件构件模型。对象连接与嵌入--OLE及构件对象模型--COM，也是分布对象计算技术的重要标准。这些新的软件开发工具可为PDM系统开发与应用提供更为方便的手段。目前新一代的企业级的PDM系统开发商正是以这些新的软件开发工具开发自己的PDM系统。
5)PDM在企业中的实施问题
这一问题也是当前最值得研究的问题。由于PDM的实施不仅有很强的技术性，它涉及整个企业的信息技术的应用。如CAD/CAPP/CAE、MRPⅡ/ERP、OA以及数据库、网络等，而且又是一个复杂的管理问题，如设计的组织、人员的结构、项目任务等等。PDM管理所有与产品相关的信息，它能帮助企业、工程技术人员和其他管理人员管理数据和产品开发的全过程，是信息技术与企业文化相结合的一种技术。所以，PDM的实施成功必须有一套实施方法和规范。目前，国内外的PDM开发商，都在与企业实施相结合共同研究PDM的实施方法和规范。
4PDM与CAD/CAPP/CAE/CAM、MRPⅡ/ERP、OA的集成
关于集成的研究，也是目前最为热门的，但是，直到目前也还未解决好。集成的方法有三种：封装、接口、集成。
1)封装
封装是指把对象的属性和操作方法同时封装在定义对象中。封装可以通过PDM提供的封装工具来实现。这种集成方式实现简单，但也只提供较少的功能，PDM系统无法管理CAD/CAPP/CAE/CAM等应用系统文件中的数据。
2)接口
通过PDM与各应用系统CAx的API接口程序，提取部分重要信息，实现PDM和CAx系统的部分信息交换。可单向交换信息。
3)集成
这种集成方式要真正了解PDM和各CAx系统的底层数据结构，通过编程来实现二者库中的数据访问，这种集成方式具有双向交换所有相关信息的能力，包括产品数据、产品结构、装配信息、BOM表等。
我国自主开发的PDM完全有能力来实现第三种集成方式，因为PDM开发商即是CAD/CAM开发商。和其它厂商的CAx也可以通过协商提供底层数据结构，共同完成集成的任务，这对双方都是有利的。
另外，利用软件构件工具如COM、DCOM、OLE和CORBA等工具开发软件，可为集成提供方便的手段。
企业应深化CAD/CAM技术的应用
当前，我国一些企业在应用CAD/CAM技术方面取得了初步进展，不少企业在想"甩掉图板"后干什么?回答很简单，应向深化发展。
首先，我们分析一下，我国企业在国际国内激烈的市场竞争中面临着巨大压力，主要表现在知识更新、技术更新、产品更新周期长，产品创新能力弱，市场变化快，对市场的反应能力差，参与全球市场竞争的力量弱，在全球化大市场的竞争中，必须要走多企业的合作联盟的路子，才能实现优势互补，增强市场竞争整体实力。要改变这些状况，企业必须深化CAD/CAM技术的应用，走跨越式发展的道路。
1深化CAD/CAM的应用提高产品创新能力
2D CAD技术仅仅用于绘制工程图纸，支持的并非产品的设计，要解决产品设计，提高产品的创新能力，必须开展3D CAD的应用。3D CAD技术可以解决产品的设计创新问题。因为3D CAD系统可以提供完整三维的产品模型数据，以适应不同应用的需要。如利用三维模型可以进行深入的有限元分析计算，以解决产品的受力、受压、电磁场情况、应力应变等很多关键问题。用这种方法还可以推导和改进产品设计的数学模型，以解决产品的设计理论问题，产品设计理论的解决是新产品创新的关键。另外，利用三维模型可以进行运动仿真和机构模拟，以提高和改善产品的质量和产品的结构。
2深化CAD/CAM技术的应用摆脱长期依靠"引进"的影响，走自己新产品开发的道路
由于长期以来企业的产品靠"引进"、"仿制"所产生的恶果，使企业技术、产品创新能力低下，缺乏具有市场竞争力的产品，导致企业生存困难。目前大多数应用CAD的企业，都是应用2D CAD绘制引进产品的图纸进行生产，很难开创自己产品的路子。应该充分利用3D CAD的手段，开创自己新产品设计的路子。
3利用三维设计实现多企业合作联盟
为了适应多企业合作下产品开发模式，只有联合该行业其他上、下游企业，建立一条业务关系紧密、经济利益相连的多企业合作联盟。这样，企业必须具备描述产品完整信息的工具，适应企业内部、企业之间产品供应链上所有环节的需要。3D CAD技术可以提供完整三维产品的数据模型，可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的照片，供市场部门、客户、供应商使用；可以在网络上预览产品；三维数据可以直接传递给制造部门进行数控加工编程；可以供专用程序进行有限元分析；三维数据还可以输出至快速成型设备，制作样品等等。因此，三维产品模型数据可以满足多企业联盟的需要。
4企业应用应向集成化发展
企业在应用CAx各单向技术的基础上，应有计划、有步骤地向集成化发展。目前不少企业都在进行或将要进行以PDM为基础的集成化技术的应用。在做这种集成时，企业应充分与PDM供应商、CAx系统供应商及其技术依托者密切配合，充分分析企业的实际需要和当前企业各部门对各种CAx、MRPⅡ/ERP、PDM等的应用和熟悉情况。在解决系统集成时，要注意解决不同部门、不同专业人员利用不同的CAx系统在过程控制下所产生的大量异构或异地数据的共享与交换问题，解决各CAx分系统与MRPⅡ/ERP之间的信息共享与数据传递问题。用PDM实现企业信息集成的问题是当前企业深化应用的主要问题之一。
5企业信息技术应用向实现"企业信息化"迈进
今年1月国家经贸委、信息产业部、科学技术部联合召开了"企业信息化推进大会"，明确了我国企业信息化发展的步骤，即首先在生产经营过程中运用现代信息技术实施管理控制；其次是建设企业内部局域网和互联网，实现信息共享；再次是建立以财物管理为核心的管理系统基础上，开展企业资源管理；最终是开展电子商务。
根据上述要求，企业应制订出实现信息化的规划。目前企业中CAD/CAM或MRPⅡ/ERP的应用仅是企业信息化的部分内容，但也是很基础的应用技术。企业应根据自己应用的特点逐步深化。为实现企业信息化创造条件。
结论
在当前信息化技术飞速发展的时代，我国CAD/CAM技术的开发和应用的任务很重，本文提出了一些有关CAD/CAM技术开发的新内容，但远非这些。随着应用的需求，新的开发内容和技术将会不断出现，开发者应密切注视应用的需求，开发出适合我国国情的新产品来，使我国软件产业有一个跨越式的发展。本文还就目前我国企业CAD/CAM的应用提出了一些深化应用的建议，企业应用的目标是实现企业的信息化，任重而道远，尚须共同努力。