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从绘图工具到智能化软装备
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(3DViewer);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CAD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Solid3000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WindowsNT的普及型的CATIAV5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软件研发中心”,发展普及版的PLMV5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Inventer3D-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”。
Autodesk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。
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CAD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80%,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2D+3D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,CAD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,装配后期修改的灵活性验证;
●零件渲染及过程动画显示、产品说明书、图册编制的运用
●车间生产线装置过程演示;
●与工艺部门数据的传输和集成。
评审专家组一致认为:
国产三维CAD软件创新设计能力强,工程设计功能完善,完全符合工程机械行业产品设计的要求;它缩短了企业新产品开发周期,提高工程设计效率3倍;建议“加大在工程机械及其配套企业推广国产三维CAD软件的力度”。
案例二:
石油机械行业推广三维CAD的成效
胜利油田是我国第二大石油生产基地,是中国石化集团的支柱企业。
它们在已实现普及二维CAD之后,面临大量新型石油机械产品开发设计任务。
其中,对于出口国外的产品,用户特别要求能在订合同时看到三维真实图形的动态演示,迫切要求装备三维的辅助设计软件。
作为“打造数字化油田”战略的重要组成部分,胜利油田在“九五”期间完成“甩图板”的基础上,从2001年起开始在全油田机械相关单位大力推广应用自主版权的CAD/CAM/CAPP软件,目前总计已有超过500套(或节点)正版软件(其中三维CAD软件80套)。
在胜利油田所属10多个二级单位(产值在1亿元、人员1000人以上)的40多个机械相关三级基层单位广泛使用,应用人员达500人,应用产品近30个,普及率与覆盖率达25%~50%。
产品应用涉及数字化设计、工艺、制造等系列化的深度应用,优化并形成基于三维CAD的新的产品开发设计与制造流程。
该厂由3名年轻的设计员用业余时间完成了有7800个零件的燃气发电机组全套三维图册(见图2),过去用手工做时需5个经验丰富的工程师工作8个月,还有不少错漏。
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