第1章迎接制造業信息化新時代

三維CAD與信息化設計制造技術的應用和發展國家制造業信息化工程/MIE國內外主要三維CAD軟件與應用簡介

CAXA三維實體設計的創新設計思想與設計流程

第1章迎接制造業信息化新時代三維CAD與信息化設計制1

一、三維CAD與信息化設計制造技術的應用和發展進入新的世紀以來，隨著信息技術的迅猛發展及其全方位地加速滲透，全球正經歷從工業社會向信息社會的過渡，制造業信息化已成為發展的必然趨勢。圍繞提高產品創新能力，三維CAD、并行工程與協同管理等技術迅速得到推廣；異地制造與網絡企業成為新的生產組織形態；基于網絡的產品全生命周期管理（PLM）和電子商務（EC）成為重要發展方向。數字化、網絡化、智能化、全球化，以及產品創新更快、品質更優、成本更低、服務更好已經成為現代全球制造業的基本特征。 一、三維CAD與信息化設計制造技術的進入新的2

現代數字化網絡化設計制造的關系現代數字化網絡化設計制造的關系3

1.設計信息化信息化設計實現了產品設計手段與設計過程的數字化和智能化，縮短了產品開發周期，提高了企業的產品創新能力。信息化設計包括產品數字化設計與過程數字化設計，前者的對象是產品，而后者的對象則是產品的制造過程。數字化、網絡化設計是制造業信息化的基礎之一，也是應用最廣泛、研究最深入、效益最顯著的領域。目前的發展方向與特點大致可以概括為：智能化、虛擬化和標準化。1.設計信息化信息化設計實現了產品設計4智能設計包括設計過程的再認識、設計知識的表達、多專家系統協同技術、再設計與自學習機制、多種推理機制的綜合應用、智能化人機接口等，智能設計不僅能夠有效地支持產品的創新設計，并且已經在實際中得到了越來越廣泛的應用。智能設計應用三維CAD、虛擬設計等現代信息技術，模擬人類的思維活動，提高計算機的智能水平，使計算機更多、更好地承擔設計過程中各種復雜任務，使之成為設計人員的重要輔助工具。

1）智能化智能設計包括設計過程的再認識、設計知識的表達、多專家系52）虛擬化虛擬設計/制造技術是計算機圖形學、人工智能、計算機網絡、信息處理、計算機仿真技術、機械設計與制造技術等技術綜合發展的產物。虛擬設計/制造技術包括基于三維CAD等所創建的虛擬環境中人機交互技術、虛擬環境中產品設計技術、虛擬產品結構性能分析技術、虛擬環境中裝配設計與評價技術、虛擬環境中產品可加工性分析、面向設計與制造的智能虛擬環境、分布式虛擬設計與制造平臺開發、虛擬產品設計軟件工具集、虛擬產品工程分析軟件工具集、虛擬產品評價軟件工具集等。美國波音公司在波音777和737－800兩種機型的研制過程中，采用并行工程和虛擬設計/制造等方法，組建集成產品開發團隊（IPT），采用并行產品定義（CPD）和100％的數字化預裝配，大量使用三維CAD/CAM技術，實現了無圖紙設計。其中，波音777飛機僅用了三年零八個月就一次試飛成功。洛克西德導彈與空間公司（LMSC）采用并行工程和虛擬設計/制造的方法，改進產品開發流程、實現信息集成與共享，并組織綜合的產品開發團隊，從而使新型導彈的開發周期由原來的五年縮短到了24個月，研制周期縮短了60％。2）虛擬化虛擬設計/制造技術是計算機圖形學、人工智能、6為了實現設計資源的共享，國際上對與產品開發和設計有關的標準化技術進行了深入研究，其中最重要的是由國際標準化組織（ISO）頒布的關于產品數據表達與交換標準STEP（ISO10303）以及零件庫標準（ISO13584），這兩個系列標準將對制造業信息化產生比較重要的影響。3）標準化德國戴姆勒—克萊斯勒公司和法國雷諾公司的轎車、NFTEricsson公司的軍用雷達、法國AlcatelEspace公司的衛星設備、德國西門子公司的雷達設備等都采用了虛擬設計/制造方法，產品開發周期縮短了30%～60%，成本降低了15%～30%。為了實現設計資源的共享，國際上對與產品開發和72.制造信息化

信息化制造裝備的廣泛應用，大幅度地提高了企業生產效率、提高了產品質量與檔次、縮短了生產周期、提高了企業的市場競爭能力，不僅開辟了機械制造柔性自動化的新紀元，而且引發了制造工藝與裝備的革命，導致了生產方式、管理體制、產品結構和產業結構的改變。2.制造信息化81）先進制造工藝高速、高效加工技術的應用大大提高了現代加工效率。例如某飛機薄壁零件在普通銑床上加工需要8h，在普及型加工中心只用30min，而利用高速銑床加工僅需3min。此外數控機床的換刀時間（<1s）、工件交換時間都在進一步縮短，加之采用新型刀具材料后，可以使數控機床的切削能力越來越強，這些因素都使數控機床加工效率越來越高。目前,世界上許多汽車制造廠，包括我國的上海通用汽車公司，已經采用以高速加工中心組成的生產線部分替代了原有的組合機床。1）先進制造工藝9

2）先進制造裝備對三維曲面零件及復雜箱體點位加工的實現推動了三軸聯動數控機床的廣泛應用。而一臺五軸聯動機床的效率大致相當于兩臺三軸聯動機床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀對淬硬鋼零件進行高速銑削時，五軸聯動加工可以比三軸聯動加工發揮更高的效率。數控裝備的網絡化極大地滿足了生產線、制造系統乃至制造企業對信息集成的需求，也是實現敏捷制造、虛擬企業、全球制造等制造模式的基礎單元。

103.管理信息化

1）知識管理信息化管理是信息化設計與制造的延伸與發展，也是企業信息化系統與數字化、網絡化設計與制造系統的結合。通過包括產品設計、制造數據在內的企業內外部信息的集中、積累、共享、優化、利用、開發和管理等，從根本上提高企業經營效率，并對多變的全球市場做出迅速響應。知識管理是知識經濟時代的特征。知識管理的目標是企業知識的識別、獲取、開發、分解、儲存和傳遞，從而使企業的每個員工在最大限度貢獻出知識的同時，也能盡可能分享他人的知識。《財富》雜志排名的世界前1000家大企業中，有52%的企業已經在實施知識管理項目。3.管理信息化1）知識管理112）產品全生命周期管理（PLM）

產品全生命周期管理（PLM）是以產品為核心、以產品設計/制造數據為基礎、以產品全生命周期服務為理念的基于數字化和網絡化的現代制造企業管理系統和組織方式。近兩年全球制造業發展迅速、IT應用不斷深入和成熟，制造企業信息化的應用已經從局部和單元的CAD、CAM應用迅速延伸，PLM市場快速形成，成為繼ERP之后企業信息化縱深發展的主要方向。近年來，IBM、EDS、SAP和CAXA等國內外面向制造業的主要IT服務商都紛紛推出了PLM，推動了PLM的應用和發展。2）產品全生命周期管理（PLM）產品全生12

現代數字化網絡化設計制造與PLM

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4.三維CAD是制造業信息化的基礎

產品是制造業的核心，產品的設計、制造數據是整個制造業數字化、網絡化、信息化的基礎。PLM的目標是要使與產品相關的人、在全球任何地方、可以快速找到所需要的產品數據、從而共享產品數據，實現從產品需求定義、概念設計、工程設計、生產制造到服務支持等產品創新各個環節協同工作；也就是希望借助數字化、網絡化手段，打破產品設計人員與生產制造人員、銷售人員及產品使用者之間的溝通障礙，通過最大可能相關人員創造思維的合作和協同，縮短設計周期、優化制造流程、降低生產成本、提升產品價值等，使企業產品創新能力獲得極大提升。因此PLM首先是產品數據的產生，并在產品數據的基礎上實現信息的管理和利用，而CAD/CAM、特別是現代三維CAD則是產品數據的基礎和源頭。

4.三維CAD是制造業信息化的基礎14

CAD/CAM是數字化、網絡化設計制造/PLM的數據源頭

CAD/CAM是數字化、網絡化15

現代三維CAD通過產品與零件的三維建模、全數字化三維虛擬裝配以及三維動態模擬等形成數字樣機，不僅為產品概念的形成與表達、設計方案的分析與優化，設計效果的展示與確定等產品開發過程提供基本平臺，而且三維CAD數據將直接用于產品虛擬效果的制作、產品工程圖紙的生成、產品與零件的分析仿真/CAE、產品生產工藝的準備（CAPP）、零件的數控加工（CAM）、產品的制造執行（MES）以及整個產品設計、制造過程的協同與管理（EDM/PDM/PLM的集成）等。現代三維CAD通過產品與零件的16

三維CAD數據直接用于CAE/CAPP/CAM/PDM/PLM等的集成

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計算機輔助設計CAD（ComputerAidedDesign）是伴隨計算機快速發展起來的現代信息技術的主要應用領域之一，至今已有半個多世紀的歷史，歷經了二維繪圖、線框造型、曲面造型、實體造型、特征造型等發展過程，其間還伴隨了參數化、變量化等技術的融入，基礎理論及軟件系統都日趨成熟，并且在航空、航天、機械、模具、夾具、家電等制造業眾多領域得到了廣泛應用，大大提高了制造業產品設計水平。傳統CAD系統主要針對產品二維工程圖樣的繪制與零件的3D建模，缺乏對產品創新和設計的足夠關注和有效支持，如不能在裝配環境下直接獲得造型數據與信息進行結構設計，使得交互頻繁、輸入數據量大，造成操作步驟繁雜、不易學習等問題；不能將零件模型與裝配模型直接關聯，使得模型復雜且維護困難；不能有效地解決概念階段的零部件布局、聯結與配合關系定義等設計；缺乏符合國際、國家和行業標準的三維參數化標準件庫的支持；缺乏具有行業特色的方便、快捷的造型工具和特征庫，如模具的拔模、凸凹模設計特征庫、家具的藝術特征庫及家電的工業設計特征庫及其相應的造型工具等等。這些個人的、孤立的和局部的應用特點，使CAD一度僅成為繪圖的工具。5.三維CAD的應用與發展

計算機輔助設計CAD（Computer18

近幾年3D技術、網絡技術、數據庫、電子商務等飛速發展深刻影響了CAD的發展，新的制造方式，如分散化網絡制造、面向客戶地大批量定制等也都對CAD系統提出了新的要求，使得行業產品的設計制造資源能夠在更廣的范圍中應用，通過WEB技術、ASP技術，實現了行業產品設計制造的協同，建立全行業的軟件服務體系。目前,以產品創新、網絡協同和應用集成為突出特征的面向行業與過程的三維數字化設計系統成為現代CAD的發展方向。現代三維CAD以產品生命周期中每一階段的知識重用為基礎，包括電子表格、手冊、公式和數據庫，甚至包括一些簡單的經驗規則等，并借助于WEB技術與網絡技術，在行業內實現設計資源的利用與共享，應用設計資源驅動幾何建模，在保證產品質量的同時，大大縮短產品設計周期，并確保設計意圖貫穿于產品開發的全生命周期。近幾年3D技術、網絡技術19CAD技術的應用發展及現代CAD與傳統CAD的比較如下表所列。

CAD技術應用發展的三個階段

早期研究階段20世紀70年代末以前初步推廣階段20世紀80年代初至20世紀末全面應用階段21世紀以來應用領域航空航天等極少數高精尖科研領域從科研向航空/汽車/輕工模具等工業領域推廣向所有設計制造領域全面推廣應用對象極少數關鍵零件復雜零件/模具全數字化虛擬樣機應用內容二維繪圖及零件3D造型二維繪圖及零件3D造型三維創新設計應用方式科學研究推廣應用創新、協同、集成硬件環境大型機、小型機工作站、PCPC、網絡環境軟件形態程序系統（非標準）初步成為標準產品標準模塊與構件應用者極少數研究開發人員同時是應用人員專業CAD應用工程師所有參與產品創新的人員，CAD成為基本工具CAD技術的應用發展及現代CAD與傳統CAD的比較如下表所列20傳統參數化繪圖CAD系統與現代協同創新設計CAD系統的比較

傳統參數化繪圖CAD系統現代創新設計CAD系統目標用戶CAD專業人員一般工程背景設計人員操作界面不同的功能模塊采用不同的操作環境設計、裝配、渲染和動畫等都集成在同一個操作界面下接受程度不可預測，需要經過長期的訓練和豐富的知識背景直覺可預測，只需最短的設計訓練時間設計方式從二維草圖開始進行三維造型在三維空間直接拖放式設計設計思維基于參數化的嚴格約束關系，修改不方便基于直接的設計思路并可以進行動態修改設計流程嚴格基于歷史樹，需要尺寸與參數不局限于歷史樹、尺寸與參數數據交換能力基于第三方接口或特征識別技術，不能對特征表面直接修改本身具有轉換能力，也可通過接口，具有直接特征修改能力傳統參數化繪圖CAD系統與現代協同創新設計CAD系統的比較

21二、國家制造業信息化工程/MIE

新世紀伊始，世界政治、經濟和科技都發生了前所未有的巨大變化，經濟全球化和全球信息化使全球產業的競爭環境、發展模式和活動空間等發生了深刻變化，這對我國產業的發展提出了嚴峻的挑戰，同時也創造了有利條件和歷史機遇。“十六”大指出：“繼續完成工業化是我國現代化過程中的艱巨的歷史性任務。大力推進國民經濟和社會信息化，是覆蓋現代化建設全局的戰略舉措。以信息化帶動工業化，發揮后發優勢，實現社會生產力的跨越式發展”，已成為當前和今后一段時期我國產業發展的重要途徑。制造業在我國國民經濟中占有重要地位，在工業化的進程中同時面臨著信息化的艱巨任務。我國是制造業大國但不是制造業強國。將現代信息技術、自動化技術、現代管理技術與現代先進制造技術相結合，帶動產品設計方法和工具的創新，企業管理模式的創新，企業間協作關系的創新，實現產品設計制造和企業管理的信息化，生產過程控制的智能化，制造裝備的數控化，咨詢服務的網絡化，全面提升我國制造業的核心競爭力，就成為以現代信息技術改造傳統產業和實現信息化帶動工業化的突破口和立足點。二、國家制造業信息化工程/MIE新世紀伊221.制造業信息化工程的總體目標

“十五”期間，科技部在“九五”CAD/CIMS應用示范工程的基礎上，從863計劃和攻關計劃中拿出專項資金，組織實施“制造業信息化關鍵技術研究及應用示范工程”，簡稱“制造業信息化工程”重大項目。制造業信息化工程的戰略目標是：面向國民經濟建設主戰場，圍繞制造業信息化的發展需求，將數字化設計、數字化生產、數字化管理、數字化裝備和數字化企業技術相結合，整合國家863計劃、科技攻關計劃和地方科技計劃等資源，攻克制造業信息化關鍵共性技術，研發制造業信息化應用軟硬件產品，并實現產業化，培育社會化咨詢服務體系，面向制造企業開展制造業信息化應用示范工程，實現制造業的五個數字化，全面提升我國制造業的國際競爭力，打造新興制造業。

1.制造業信息化工程的總體目標“十五”23

制造業信息化工程的主要任務分兩個層面：制造業信息化應用工程、制造業信息化關鍵技術產品研發及應用。前者的任務是用信息技術改造傳統產業，而后者則是為前者提供技術支撐。

1）制造業信息化應用工程建設

制造業信息化應用工程建設以省市為主展開，圍繞企業應用示范、技術服務支撐和應用技術攻關三個方面推進。開展制造業信息化應用工程的重點體現在以下幾個數字化方面：

（1）省市制造業信息化工程建設在國家制造業信息化工程的指導下，充分發揮地方政府和企業的積極性，面向經濟建設主戰場，深入廣泛地開展制造業信息化技術的推廣應用，用高新技術改造傳統產業，促進制造業和地方經濟的跨越式發展；（2）營造新形勢下制造業信息化的可持續發展環境；（3）以推廣應用三維CAD、ERP、NC等制造業信息化技術為突破口，提高制造業企業的競爭力；（4）以制造業信息化應用示范體系和技術服務體系為支撐，促進以應用和服務為重點的制造業信息化產業的發展。

制造業信息化工程的主要任務分兩個層面：制造業信息化應24

2）制造業信息化關鍵技術產品研發及應用

制造業信息化關鍵技術產品研發及應用是以國家行為為主導，建設制造業信息化技術創新體系，開展制造業信息化關鍵技術研發及應用，為制造業信息化應用工程提供技術支撐。關鍵技術產品研發及應用的主要任務包括：數字化設計、數字化管理、智能化控制、企業集成化、制造網絡系統、數字化裝備和數據庫管理系統等方面。

制造業信息化關鍵技術產品研發及應用以企業需求為牽引，以集成應用帶動系統研發，以系統研發帶動技術突破，以原始創新促進技術發展，實施人才、專利、標準戰略，突破一批制造業信息化關鍵技術，形成一批具有自主知識產權的制造業信息化軟硬件產品，獲取一批專利，培養一批人才隊伍，通過企業應用示范工程和軟件產業化工程促進863計劃研究成果和國產化制造業信息化軟硬件產品的應用，促進我國制造業信息化高新技術產業的發展。

制造業信息化工程的具體目標為：

（1）突破一批制造業信息化關鍵技術，形成一批具有我國自主知識產權的產品及專利。

（2）在全國2000家以上企業實施制造業信息化應用示范工程。

（3）示范企業中自主知識產權的應用軟件的應用率達到50%以上，新產品貢獻率達到30％。

（4）促進100家制造業信息化軟件企業及技術服務中心的發展。

（5）培訓各種層次的制造業信息化人才50萬人次。

（6）形成若干個專業化、網絡化制造業信息化產業和服務聯盟。2）制造業信息化關鍵技術產品研發及應用

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2.省市制造業信息化工程建設

省市制造業信息化工程根據國家制造業信息化工程的總體要求，按照地方制造業信息化的工作需求，建設沿著制造業五個數字化的方向，圍繞企業應用示范、技術服務支撐和應用技術攻關等三個方面推進。1）企業應用示范企業應用示范通過制造業信息化技術在企業的廣泛應用推進制造企業的信息化進程，提高企業的創新能力和市場競爭力。企業應用示范主要包括如下四個層次的工作：（1）中小企業制造業信息化：針對我國廣大的中小企業，開展CAD、ERP等制造業信息化單元技術的應用實施和深化。（2）企業集成技術應用：深化制造業信息化技術的推廣應用，強調圍繞企業的集成應用，實現企業數字化。（3）重點行業應用：結合省市支柱行業，圍繞著行業帶動的企業鏈與產業鏈，實施企業間的信息化，實現企業間的集成，包括電子商務、供應鏈、協同制造等。（4）區域制造網絡系統應用：圍繞地方經濟，特別是區域經濟、企業集群的發展，積極開展區域制造業信息化技術的應用示范。

262）技術服務支撐技術服務支撐是省市制造業信息化工程建設的重點和核心。作為連接企業應用和技術研發的橋梁，技術服務支撐一方面為省市制造業信息化提供技術服務，另一方面通過需求牽引拉動制造業信息化技術的研究開發，有利于培育制造業信息化技術服務產業。技術服務的主要內容包括：

（1）企業咨詢、診斷：開展企業咨詢與咨詢，幫助企業進行需求分析，并提供企業制造業信息化整體解決方案。

（2）應用實施，技術支持：幫助企業實施制造業信息化工程；鼓勵為在企業中應用863計劃的制造業信息化軟硬件產品提供技術支持與服務。

（3）技術培訓：建立制造業信息化技術培訓中心，培養專業化技術、應用和管理人才。

（4）中介服務：為軟件開發商提供應用需求，為企業用戶提供產品代理等中介服務，應主動拉動863技術和產品研發；參與制定和宣貫制造業信息化相關標準與規范。2）技術服務支撐273）應用技術攻關各省市可以根據地方經濟特色和本省市制造業信息化發展需求和技術基礎，開展制造業信息化相關應用技術的攻關與產品開發工作；積極配合國家863計劃研究成果與技術產品的應用，開展CAD、ERP等技術產品本地化的二次開發與技術服務工作。同時，鼓勵省市積極參與國家863的關鍵技術產品研發及管理工作，并給予組織、經費和政策等方面的支持。3）應用技術攻關28

3.制造業信息化工程關鍵技術產品研發及應用

為了更好地支持省市制造業信息化工程建設，國家在三維CAD、ERP、MES、企業集成、區域制造網絡、數據庫管理系統、數控裝備等方面開展七大關鍵技術產品研發與應用，為企業實現設計數字化、生產數字化、管理數字化、裝備數字化和企業數字化提供技術與軟件產品。1）關鍵技術產品研發（1）三維CAD系統產品研發：針對企業產品創新設計，對數字化設計與制造中的若干關鍵技術進行創新性研究，開發具有自主知識產權的專業化三維CAD設計軟件系統，為企業設計數字化與生產數字化提供關鍵技術與軟件產品。（2）ERP系統產品研發：針對我國企業管理的集約化與現代化，研究符合中國現代管理模式的先進企業管理技術、基于XML的ERP/SCM/CRM/eB技術，開發滿足我國需求的ERP管理軟件系統，為企業管理數字化提供關鍵技術與軟件產品。（3）MES系統產品研發：針對生產過程的自動化，研究實時數據庫、故障診斷、先進建模等技術，研發基于MES的綜合自動化系統，為企業實現數字化生產提供關鍵技術與軟件產品。為了更好地支持省市制造29

（4）企業集成系統產品研發：面向產品全生命周期管理和企業集成，研究企業建模與診斷、知識管理、集成平臺等技術，為企業信息化整體解決方案提供技術支撐與軟件平臺，開發面向產品全生命周期管理的PLM平臺、企業應用集成平臺等，為形成數字化企業提供關鍵技術與軟件產品。

（5）區域制造網絡系統產品研發：為形成數字化企業群體，研究商務協同、設計協同、制造協同和供應鏈協同等關鍵技術，提出區域制造網絡系統的制造網絡協議及相關應用管理規范、應用實施模式和組織機制，開發典型區域制造網絡專業平臺和制造網絡系統，建立若干有特色的典型區域性制造網絡及其技術服務支撐體系，為省市制造業信息化生產力促進中心的運行提供集成服務和工具系統支持。（6）數據庫管理系統產品研發：面向我國制造業信息化、電子政務、信息安全等需求，研發具有自主知識產權的數據庫管理系統，包括DBMS核心技術、數據庫應用中間件和數據庫應用構件等；為制造業信息化、電子商務提供技術支撐，為國家信息安全提供保障。

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（7）數控裝備產品研發：針對國家重點行業特別是國防工業需求，研制開發受國外引進限制的大型高精尖數控加工裝備和中檔精切類數控機床裝備，研究數控裝備的開放控制技術、網絡化數控技術、智能控制與維護技術等，研發五坐標數控機床、高速高精加工中心、大型車銑復合加工中心等數控裝備產品，為企業實現數字化裝備提供關鍵技術與軟件產品。2）關鍵技術產品應用示范以上七大關鍵技術產品的研發應與省市制造業信息化的需求密切結合，并面向省市企業、特色行業和典型區域，在制造業信息化應用工程中進行分層次、分階段的開展集成示范應用；既為提高企業的競爭能力解決關鍵技術問題，又為在制造業信息化工程中推廣應用自主開發的關鍵技術和軟件產品提供示范和積累經驗，促進我國制造業信息化技術的產業化。3）關鍵技術產品應用服務支持結合省市制造業信息化技術服務體系的建設，針對七大關鍵技術產品，建立相應的專業化技術服務中心和服務隊伍，為制造業信息化關鍵技術產品在省市企業、特色行業和典型區域的應用示范提供技術支持。有條件的省市應以制造網絡系統作為載體開展技術服務，使制造業信息化技術服務形成一個網絡，實現資源的共享和網絡環境下的集成服務。針對7大關鍵技術產品，建立關鍵技術的專業化培訓中心，培養一批應用型專業化人才。（7）數控裝備產品研發：針對國家重點行業特別是國防工業需314.國家制造業信息化三維CAD產品的研發與應用

三維CAD是數字化設計制造及整個制造業信息化的基礎，也是“十五”國家制造業信息化工程與863計劃重中之重的重大專項之一。隨著我國快速成為全球最重要的制造基地，中國制造業正在迎來歷史上最好的、蓬勃發展的嶄新時期。但是與全球制造業的發展相比，我國制造業還存在較大差距，最突出地表現為制造業企業的產品創新能力差、市場響應效率低、自主品牌實力弱，核心競爭力嚴重不足。以現代信息技術、首先是三維CAD技術全面改造和提升制造業的創新能力和競爭水平，就成為當前我國制造業發展的中心任務；而國內國際的歷史和實踐已經證明：沒有面向制造業信息化服務的“中國軍團”的快速形成，就不可能真正形成具有自主創新能力和競爭優勢的“中國制造”。4.國家制造業信息化三維CAD產品的研發與應用32在“八五”、“九五”國家“兩C”計劃的推進下，中國CAD從無到有、從小到大、從弱到強，到得了長足的發展，不僅初步形成了像CAXA電子圖板、開目CAD、CAXA三維實體設計、西工大CAPP、CAXA制造工程師、新模式PDM等許多優秀的自主知識產權CAD/CAX軟件產品，而且緊貼中國企業應用、并積極引進國內外先進技術專利，在一些技術和產品構件上跳到了技術發展的前沿，成功地發揮了后發優勢、實現了跨越式發展、形成了技術和市場上的領先實力；不僅形成了CAXA、開目等一批具有完整研發、營銷、服務體系和較強市場競爭能力的CAD/CAX龍頭企業，而且已經在全國制造業各個行業，包括航空航天、國防兵工、石油裝備、工程機械等許多重大行業的重大企業中，得到了數十萬套廣泛的成功應用，已經在制造業信息化工程實踐中擔當起了重要角色。中國CAD/CAX產業初具形態。在“八五”、“九五”國家“兩C”計劃的推進下33由于發展時間較短、企業應用規模不夠、技術研發和市場營銷模式尚在探索中等，今天中國CAD產業的發展還存在顯著的差距：企業的規模不足國外同類企業規模的1%；研發企業間產品技術與業務交叉重疊嚴重，無法形成合理的專業分工和優勢互補；企業對自主軟件了解不多、信心不足，自主版權CAD/CAX軟件在許多企業的采購和應用中還沒有得到應有的“國民待遇”，應用的廣度和深度還很不夠等等。因此中國CAD/CAX產業急需走向成熟，中國CAD/CAX產業為制造業提供信息化整體解決方案的綜合實力急待提高，必須要有新的突破，必須要在組織、管理、產品研發以及服務等模式上大膽創新，以市場機制、通過聚焦聯盟、實現分工合作，打破小而全、低水平重復、應用不開、產業化程度低、提供解決方案能力差等死循環瓶頸，加速形成CAD技術和產業鏈群，形成拳頭、形成規模化、市場化的服務品牌，積極參與國際競爭；必須要主動拆掉CAD企業內部、CAD企業同行之間以及CAD企業與制造業企業用戶之間的隔墻，特別是加大與企業用戶之間溝通合作的力度，充分發揮中國CAD企業貼近中國市場與企業用戶的優勢，切實服務于信息化的“中國制造”；必須立足自主開發與引進國際先進技術相結合，通過國際資源的聯盟與整合，實現跨越式發展，努力打造國際水準的CAD/CAX“中國軍團”，才能從根本上滿足我國制造業面向國際市場、積極參與國際競爭的迫切需要。由于發展時間較短、企業應用規模不夠、技術研發和市場營342001年科技部在863“制造過程管理系統”項目上進行試點，由CAXA牽頭、聯合國內五家單位共同承擔，并已取得成效；2002年科技部在863重中之重的“三維CAD系統”項目上再次采用這一全新的運行機制，由CAXA牽頭，組織清華英泰、江蘇數字化設計制造中心、浙江大學、武漢開目、武漢天喻、陜西省CAD中心（西工大）、上海宏正等國內8家CAD廠商聯合承擔，初步形成了CAXA牽頭、多家合作、優勢互補、資源共享、廣泛參與的“中國制造業信息化CAD產業技術聯盟”，開始了CAD/CAX“中國軍團”的歷史征程。2001年科技部在863“制造過程管理系統35CAXA牽頭組織國內外多家單位聯合開發國家制造業信息化工程三維CAD系統

CAXA牽頭組織國內外多家單位聯合開發國家制造業信息36面向行業典型產品的三維數字化設計系統——國家制造業信息化工程三維CAD體系結構

面向行業典型產品的三維數字化設計系統——國家37

5.國家制造業信息化三維CAD認證培訓人才培訓是制造業信息化工程重要目標之一，也是“八五”、“九五”“CAD應用工程”的重要經驗之一。在“以人為本、培訓先行”、“抓應用、促發展、見效益”方針指導下，為推動三維CAD技術的應用普及和提升制造業現代數字化設計制造水平，國家制造業信息化培訓中心會同中國制造業信息化CAD產業技術聯盟（籌），于2004年1月1日起在全國正式啟動了“國家制造業信息化三維CAD認證培訓”工作。國家制造業信息化三維CAD認證課程分為A（應用）、B（高級應用）、C（程序開發）三類課程（培訓及考核大綱見附錄）。5.國家制造業信息化三維CA381）培訓目標面向我國制造業信息化應用和技術開發需求，培訓造就大批掌握現代三維CAD技術的應用型和開發型人才，為我國制造業企業數字化設計、制造的實踐服務，推動三維CAD軟件產業的發展。2）組織管理科技部“國家制造業信息化培訓中心”負責“國家制造業信息化三維CAD認證培訓”工作的規劃、指導和管理，并設立三維CAD認證管理辦公室，具體負責認證培訓工作的組織和實施。3）認證教育培訓基地

“國家制造業信息化培訓中心——三維CAD教育培訓基地”（簡稱“培訓基地”）是“國家制造業信息化培訓中心”通過授權認證管理辦公室在全國各地、各行業設立的分支機構和“國家制造業信息化——三維CAD認證培訓”工作最終的培訓和認證依托單位。

1）培訓目標39迎接制造業信息化新時代40三、國內外主要三維CAD軟件與應用簡介1.CATIACATIA是法國達索系統公司（DassaultSystemes）主持開發、美國IBM公司服務銷售、波音飛機等大型制造企業應用參與的高端數字化產品設計制造CAX系統。CATIA最早源于航空航天領域的尖端應用，從20世紀70年代發展形成，不僅開創了三維線架、曲面、實體特征等多項技術先河，而且隨著在航空、航天以及汽車等越來越廣泛領域的深入應用和不斷發展，系統不斷得到豐富、完善和擴展，到目前已發展成為一套集成的大型應用軟件包，內容覆蓋了產品設計的各個方面，包括CAD/CAE/CAM，既提供了支持各種類型的協同產品設計的必要功能，也可進行無縫集成，支持“端到端”的企業流程解決方案，是IBM-達索系統的完整電子商務“產品生命周期管理方案/PLM”的核心產品（與ENOVIA、SMARTEAM、DELMIA、CAAV5等共同構成IBM-達索PLM系統）。2002年后推出V5版實現了從UNIX向PC/WINDOWS平臺的成功移植。目前，CATIA在全球擁有24,000多個客戶，主要集中在航空、航天、國防、汽車等大型制造企業的高端應用，使用超過180000套，是全球應用最為廣泛的高端工業軟件系統之一。三、國內外主要三維CAD軟件與應用簡介1.CATI41CATIAV5CATIAV542

2.UGUG（全稱Unigraphics）是美國EDS旗下PLMSolution-UGS公司集CAD/CAM/CAE于一體的大型集成軟件系統。UG最早源于麥道飛機公司的航空航天尖端設計制造技術，并逐步發展成為獨立軟件系統。后隨著麥道并入波音于1991年并入EDS，并成為EDS-PLMSolution部門UGS。是EDS面向制造業plan（計劃）、Define（設計）、Build（制造）與Support（服務）的UGSPLM解決方案（包括E-factory（數字工廠）、NX（下一代CAX系統）、PLMOpen（開放平臺）、SolidEdge、Teamcenter（協同管理框架）、ProductIndex等）的核心構件之一。UG系統主要應用于包括通用汽車在內的汽車、國防、機電裝備等行業的大型制造企業，是全球應用最為廣泛的高端工業軟件系統之一。并于1990年初隨著通用汽車正式進入中國，目前在中國的用戶超過2500家。

2.UG43UGUG443.Pro/EPro/E（全稱Pro/ENGINEER）是美國PTC公司的數字化產品設計制造系統。于1986年由原CV公司的技術人員開發創建，不僅最先將“參數化”技術融入CAD系統，并且借助PC（個人計算機）的快速崛起，率先將高端CAD系統從航空航天國防尖端領域推介到民用制造行業，為現代CAD的技術發展與應用普及做出了貢獻。經過近20年的快速發展，目前Pro/E系統的功能得到巨大提升和完善，已成為一個集CAD/CAM/CAE一體化的中高端CAX系統，并以最新Pro/ENGINEERWildfire為核心構件（產品數據產生），與WindchillPDMlink（產品數據管理）及WindchillProjectlink（產品過程協同）一起，共同構成PTC-PLM解決方案。Pro/E軟件主要應用于輕工、電器及其模具設計制造等的中小型制造企業，并隨著發展壯大不斷向汽車等大型制造領域延伸。隨著20世紀八九十年代我國對外開放，Pro/E伴隨“三來加工”從臺、港等地迅速傳入廣東、浙江一帶，并在我國東南地區輕工行業的快速發展中形成較大影響。3.Pro/E45Pro/EWildfirePro/EWildfire46

4.AutoCAD/Inventer

AutoCAD是美國Autodesk公司開發的具有三維功能的通用二維CAD繪圖軟件，經過20多年發展，目前已廣泛應用于機械、建筑等眾多二維CAD繪圖領域，在全球擁有500萬用戶，其DWG/DXF文件格式已成為事實上的國際標準，是當前最普及的二維CAD平臺軟件之一。AutoCAD2004在AutoCAD以往版本豐富的通用二維繪圖/圖形編輯以及二次開發環境（AutoLisp/VBA）等功能基礎上，特別是針對網絡設計環境進行了進一步完善、加強與優化。4.AutoCAD/Inventer47

5.CAXACAXA是我國具有自主知識產權軟件的知名品牌，是中國CAD/CAM/CAPP/PDM/PLM軟件的優秀代表，在國內設計制造領域擁有120000套授權使用的廣泛用戶基礎和影響。CAXA軟件最初起源于北京航空航天大學，經過十多年市場化、產業化和國際化的快速發展，目前已成為“領先一步的中國計算機輔助技術與服務聯盟（ComputerAidedX，Ahead&alliance）”，產品覆蓋設計（CAD）、工藝（CAPP）、制造（CAM）與協同管理（EDM/PDM）四大領域，有近20個模塊和構件，構成CAXA-PLM集成框架，是國內制造業信息化服務的主要供應商之一。CAXA-PLM解決方案包括四個子方案：1）CAXA設計解決方案：提供從二維繪圖到三維設計的創新設計工具，幫助完成產品的概念、外觀、結構、零部件和總體設計等，以及提供對設計標準、設計文檔和經驗的知識管理和共享平臺。產品包括CAXA電子圖板與CAXA三維實體設計等。2）CAXA工藝解決方案：建立企業制造資源、工藝標準和典型工藝庫，重用CAD圖形、數據和各種工藝知識與工藝經驗，生成各種材料清單和工藝匯總數據。

產品包括CAXA工藝圖表與CAXA工藝匯總表等。5.CAXA483）CAXA制造解決方案：提供各種數控機床NC編程/軌跡仿真/后置處理、圖形編控系統、數控車間網絡通訊與管理以及模具銑雕系統等。產品包括CAXA制造工程師（2-5軸銑削加工）、CAXA數控車、CAXA線切割、CAXA雕刻、CAXA網絡DNC、CAXA圖形編控系統、CAXA模具銑雕解決方案等。4）CAXA協同管理解決方案：實現產品設計制造過程中各種圖檔和文檔、業務和經驗以及即時交流和溝通的數據的共享與協同，實現流程管理的協同、不同類型數據管理的協同。產品包括CAXA協同管理-個人管理工具/圖文檔管理/產品數據管理/工藝數據管理/生產過程管理等。CAXA電子圖板和CAXA三維實體設計是CAXA-PLM設計解決方案的核心構件之一。CAXA電子圖板是一款功能強大、技術成熟、應用廣泛的國產優秀二維CAD繪圖軟件，具有多（用戶多、套數多）、快（學得快、繪圖快）、好（圖庫好、標注好）、省（時間省、費用省）、全面兼容AutoCAD等顯著特點，是二維CAD國產化、正版化、普及化的替換產品，并與AutoCAD一起共同構成了當前我國通用二維工程繪圖平臺。3）CAXA制造解決方案：提供各種數控機床NC編程/49CAXA三維實體設計是國家863計劃重點支持的、具有國際領先技術的新一代創新三維CAD系統。提供了包括基本體素和齒輪、軸承、緊固件等標準件在內的豐富三維圖庫，以及簡單快捷的三維圖庫擴展功能；配合智能捕捉，提供了對設計元素的簡單直觀的拖放式操作以及獨特、強大、靈活的三維空間定向、定位工具三維球，實現了真正三維CAD創新設計；提供了“拉伸”、“旋轉”、“放樣”、“導動”、“抽殼”和布爾運算等豐富的實體特征造型功能，直紋面、旋轉面、導動面、放樣面、邊界面、網格面以及過渡、裁剪等強大的曲面造型功能，毛坯、折彎、凸緣、縫、包邊以及鈑金展開等鈑金設計功能，以及將零件設計與裝配設計集中于同一設計環境的三維球裝配、無約束裝配、約束裝配以及干涉檢查等裝配設計功能；提供了高級真實感三維渲染，以及三維軌跡動畫、視向動畫與機構約束動畫的復雜動畫設計功能，二、三維雙向關聯以及符合國標的強大工程圖繪制功能；提供了Parasolid、Acis等多內核技術，可實現多種數據格式(Catia、Pro/E、STEP、X_T、SAT，IGES和3DS等)的讀入/輸出，并集成了

CAXA協同管理組件，支持協同設計與管理等。CAXA三維實體設計是國家863計劃重點支持50CAXA實體設計2005的三維設計環境CAXA實體設計2005的三維設計環境51

6.其他主要CAD/CAX軟件概要

軟件名稱主要功能特點所屬公司CAD設計軟件SolidWorks中端三維CAD軟件，易用性/適應性較好。三維實體/曲面/特征零件建模，裝配設計，二維工程圖，集成有限元cosmos，協同數據管理等。IBM-達索系統的中端構件。(美國-法國)SolidEgde中端三維CAD軟件。實體/曲面/特征零件建模，裝配設計，二維工程圖等。UGS系統的中端構件。

(美國)I-DEAS中端三維CAD軟件。變量化三維特征建模，曲面造型，裝配設計，工程圖，鈑金設計，有限元分析優化，圖庫。已并入UGS不再發展。

6.其他主要CAD/CAX軟件概要

軟件名稱主要功能特點52Rhino（犀牛）中端三維CAD軟件。NURBS曲線/曲面與實體的創建、編輯、分析與轉換。強大的曲面設計功能。(美國)SOLID2000零件設計，國標工程圖，曲線曲面設計，裝配設計，鈑金設計，高級渲染，BOM，標準件庫，數據接口等。新洲協同(中國)TiGEMS/TimdsTiOpenCAD三維產品造型系統清軟英泰(中國)ANSYS有限元分析（應力、應變、流變、熱傳導、振動、疲勞等）、動態仿真等。(美國)COSMOS有限元分析（應力、應變、流變、熱傳導、振動、疲勞等）、運行仿真分析等。(美國)WorkingModel二維/三維機構運動學/動力學分析、有限元分析、結構優化、動畫渲染等。

(美國)NASTRAN有限元分析（應力、應變、流變、熱傳導、振動、疲勞等）、動態仿真等。ADAMS虛擬樣機和機構運動分析仿真等。Rhino中端三維CAD軟件。(美國)SOLID2000零件53CAXA制造工程師數控車/線切割/雕刻/網絡DNC銑削（2-5軸）、車削、線切割、雕刻NC編程、刀路軌跡仿真檢驗、后置處理、數控車間通訊與網絡管理等；并帶有三維零件造型、數據接口、位圖矢量化、反向工程、工程繪圖等功能。(中國)CIMATRON銑削（2-5軸）NC編程、刀路軌跡仿真檢驗、后置處理與機床通訊等；并帶有三維零件設計、工模具設計等功能。(以色列)DELCAM（達爾康）2-5軸銑削（PowerMILL）、雕刻（ArtCAM）等NC編程、刀路軌跡仿真檢驗、后置處理與機床通訊等功能；并帶有三維零件造型（PowerSHAPE）、工模具設計、反向工程、檢測等功能。(英國)MasterCAM2-5軸銑削及車削、線切割NC編程、刀路軌跡仿真檢驗、后置處理與機床通訊等；并帶有三維零件造型、工模具設計等功能。(美國)CAXA工藝圖表/工藝匯總表工藝過程卡片的編制，典型工藝的借用，工藝統計匯總等。

(中國)CAXA制造工程師銑削（2-5軸）、車削、線切割、雕刻NC編54

CAPP工藝軟件CAXA工藝圖表/工藝匯總表工藝過程卡片的編制，典型工藝的借用，工藝統計匯總等。

(中國)CAPPFrameworks工生產藝數據管理PDM/PLM協同管理軟件CAXA協同管理個人管理工具，圖文檔管理/EDM，產品數據管理，工藝數據管理，生產計劃管理等。SMEARTTEAMPDM產品數據、流程管理與集成(美國-法國)TEAMCENTER/IMANPDM產品數據、流程管理與集成(美國)WINCHILLPDM產品數據、流程管理與集成(美國)開目PDMPDM產品數據、流程管理與集成武漢開目(中國)新模式PDMPDM產品數據、流程管理與集成南京新模式(中國)清軟英泰PDMPDM產品數據、流程管理與集成清軟英泰(中國)

CAPPCAXA工藝圖表工藝過程卡片的編制，典型工藝的借用55四、CAXA三維實體設計的創新設計思想與設計流程

傳統CAD在功能上主要著眼于產品詳細設計階段，只能把一個事先由設計者已經詳細構想好并設計完成了的產品通過計算機三維造型或二維繪圖重新實現一下。但是事實上產品創新過程并不是這樣的，設計者不可能預先憑空很詳細地想好、想清楚要做的創新產品究竟是一個什么樣的形狀、結構等功能與屬性；如果事先已經借助手描、草圖、木模型或快速原型樣機等把產品“設計”完成了那再使用“CAD”意義就不大了。支持產品創新設計成為現代CAD的使命。創新設計需要產品開發各個環節、各階段進行協同，必然要求CAD不僅對高級設計人員，而且對一般設計人員，而且對客戶、對供應商、對銷售人員、對管理人員等都能夠適用、都能夠非常方便、容易地掌握它、應用它；同時也必然要求CAD對不同的軟件平臺、不同的數據文件以及產品開發不同過程的數據進行交換、共享和集成。因此當今CAD軟件技術與應用正在朝兩個方向發展，一是向軟件更宜人、操作更簡便、系統更智能的方向發展；二是從繪圖表達與造型表現等局部、單元應用，正在向支持產品創新設計、產品開發各階段的網絡協同和CAD/CAM/CAE/CAPP/PDM/PLM應用集成的方向發展。國內外主要CAD軟件系統及其發展也反映了這一點。四、CAXA三維實體設計的創新設計思想與設計流程56產品創新設計是一個知識重用、由粗及精的過程。就一個產品的設計而言，80%的內容來自對已有設計方案的借用和重組，只有20%左右的工作屬于改型與革新，而重組與改型的過程就是創新。創新設計需要“發散式”思維，需要自由自在、無拘無束地馳騁在想象的空間，并根據靈感與經驗，以最簡易、最快捷的方式捕捉并迅速表達出來，并對設計的任意部分或過程進行不斷地編輯、修改、細化、琢磨，自頂向下、自底向上、由外及里、由里及外、由粗及精、反復迭代、直至得到滿意的設計結果，并實現后續的開發應用。產品創新設計是一個知識重用、由粗及精的過程。57

作為支持產品創新設計過程的新一代三維ＣＡＤ軟件的典型代表，ＣＡＸＡ實體設計為產品創新設計提供了強大的三維環境與方法：1）ＣＡＸＡ實體設計提供了豐富的三維基本體素、齒輪/軸承/緊固件等三維標準件庫、三維典型設計庫、開放的三維圖庫擴展功能、靈活的三維圖庫調用機制等。三維圖庫按目錄對設計元素進行分類，為設計借用、重用與積累，以及從三維開始的產品創新設計建立了基礎。2）ＣＡＸＡ實體設計提供了鼠標拖放式操作、智能驅動手柄、智能捕捉、三維球、屬性表等強大、靈活的三維空間的操作工具，使設計構形如同“搭積木”、“捏橡皮泥”、“雕塑創作”一樣直觀、簡單、易行，設計建模的效率比傳統CAD基準面/繪制草圖模式提高2~4倍。作為支持產品創新設計過程的新一代三維ＣＡＤ軟件的典58創新設計的簡單例子

創新設計的簡單例子593）ＣＡＸＡ實體設計提供了自由設計與精確設計兩種創新設計方法。在產品概念與方案設計階段，提供了極大的靈活性與自由性；在詳細設計與工程設計階段，則滿足嚴格的幾何約束與工程精度等。4）ＣＡＸＡ實體設計提供了參數化和無約束兩種編輯修改方法，對于自由設計與精確設計的任意部分或任意階段都可進行超越參數化和父子關系的靈活編輯與修改，同時可以保留參數化的約束關系。5）ＣＡＸＡ實體設計提供了基于三維圖庫及借用已有設計方案（三維產品/零件模型）與知識的產品創新設計思路（如圖1-13所示）：（1）是否有現成的三維圖素或已有方案（三維產品/零件模型）可直接重用/借用？（2）是否可通過現成的三維圖素或已有設計方案進行重新組合、編輯與修改得到？（3）是否可通過實體特征、曲線/曲面等基本造型及其編輯方法進行零件的創建？（4）是否可通過選擇自頂向下或自底向上的設計思路進行產品方案的構建與優化？（5）是否可通過數據及信息的共享實現設計過程與設計結果的評價、應用與及集成？

3）ＣＡＸＡ實體設計提供了自由設計與精確60基于三維圖庫借用的創新設計思路

基于三維圖庫借用的創新設計思路616）ＣＡＸＡ實體設計提供了豐富的設計結果的表現手段，能夠快捷、簡便地實現專業級的三維渲染效果與動畫仿真等虛擬現實的形象表達與應用。

7）ＣＡＸＡ實體設計提供了集產品概念設計、零件設計、鈑金設計、裝配設計、二維工程圖生成、三維渲染設計、動畫仿真設計以及設計協同與數據交換等于一體的完備三維創新設計環境，所有操作都在同一個設計環境下完成，實現了產品創新三維設計的完整應用流程：（1）產品概念與方案設計；（2）零件造型與詳細設計；（3）產品裝配與優化；（4）生成二維工程圖；（5）產品效果渲染；（6）動畫仿真設計；（7）設計結果的共享與應用。6）ＣＡＸＡ實體設計提供了豐富的設計結果的表現手段，能夠62現代三維CAD創新設計的應用流程

現代三維CAD創新設計的應用流程63CAXA實體設計是當前世界最領先技術的創新三維CAD系統。它所代表的創新設計體系，是近20年來CAD技術發展的惟一突破。它全新地詮釋了未來CAD技術的發展方向，使CAD真正成為普及化的智能工具，使用者再也不需要花費大量時間與精力去學習和適應軟件，易用從而真正做到了設計和創新。CAXA實體設計所提供的簡單、易用、靈活、自由的智能化、宜人化的操作風格，以及豐富、強大的三維創新設計功能，決定了它在制造業及各類設計領域，包括產品與工程設計領域、工業設計領域以及外觀與裝飾設計等領域得到了越來越廣泛的應用。充分體現了以人為本、計算機為輔的現代創新設計過程。

CAXA實體設計是當前世界最領先技術的創新三維C64高爾夫球車及其包裝的創新設計實例高爾夫球車及其包裝的創新設計實例65上海市中學生CAXA創新設計大賽部分獲獎作品（2003）

上海市中學生CAXA創新設計大賽部分獲獎作品（2003）66第1章迎接制造業信息化新時代

三維CAD與信息化設計制造技術的應用和發展國家制造業信息化工程/MIE國內外主要三維CAD軟件與應用簡介

CAXA三維實體設計的創新設計思想與設計流程

第1章迎接制造業信息化新時代三維CAD與信息化設計制67

一、三維CAD與信息化設計制造技術的應用和發展進入新的世紀以來，隨著信息技術的迅猛發展及其全方位地加速滲透，全球正經歷從工業社會向信息社會的過渡，制造業信息化已成為發展的必然趨勢。圍繞提高產品創新能力，三維CAD、并行工程與協同管理等技術迅速得到推廣；異地制造與網絡企業成為新的生產組織形態；基于網絡的產品全生命周期管理（PLM）和電子商務（EC）成為重要發展方向。數字化、網絡化、智能化、全球化，以及產品創新更快、品質更優、成本更低、服務更好已經成為現代全球制造業的基本特征。 一、三維CAD與信息化設計制造技術的進入新的68

現代數字化網絡化設計制造的關系現代數字化網絡化設計制造的關系69

1.設計信息化信息化設計實現了產品設計手段與設計過程的數字化和智能化，縮短了產品開發周期，提高了企業的產品創新能力。信息化設計包括產品數字化設計與過程數字化設計，前者的對象是產品，而后者的對象則是產品的制造過程。數字化、網絡化設計是制造業信息化的基礎之一，也是應用最廣泛、研究最深入、效益最顯著的領域。目前的發展方向與特點大致可以概括為：智能化、虛擬化和標準化。1.設計信息化信息化設計實現了產品設計70智能設計包括設計過程的再認識、設計知識的表達、多專家系統協同技術、再設計與自學習機制、多種推理機制的綜合應用、智能化人機接口等，智能設計不僅能夠有效地支持產品的創新設計，并且已經在實際中得到了越來越廣泛的應用。智能設計應用三維CAD、虛擬設計等現代信息技術，模擬人類的思維活動，提高計算機的智能水平，使計算機更多、更好地承擔設計過程中各種復雜任務，使之成為設計人員的重要輔助工具。

1）智能化智能設計包括設計過程的再認識、設計知識的表達、多專家系712）虛擬化虛擬設計/制造技術是計算機圖形學、人工智能、計算機網絡、信息處理、計算機仿真技術、機械設計與制造技術等技術綜合發展的產物。虛擬設計/制造技術包括基于三維CAD等所創建的虛擬環境中人機交互技術、虛擬環境中產品設計技術、虛擬產品結構性能分析技術、虛擬環境中裝配設計與評價技術、虛擬環境中產品可加工性分析、面向設計與制造的智能虛擬環境、分布式虛擬設計與制造平臺開發、虛擬產品設計軟件工具集、虛擬產品工程分析軟件工具集、虛擬產品評價軟件工具集等。美國波音公司在波音777和737－800兩種機型的研制過程中，采用并行工程和虛擬設計/制造等方法，組建集成產品開發團隊（IPT），采用并行產品定義（CPD）和100％的數字化預裝配，大量使用三維CAD/CAM技術，實現了無圖紙設計。其中，波音777飛機僅用了三年零八個月就一次試飛成功。洛克西德導彈與空間公司（LMSC）采用并行工程和虛擬設計/制造的方法，改進產品開發流程、實現信息集成與共享，并組織綜合的產品開發團隊，從而使新型導彈的開發周期由原來的五年縮短到了24個月，研制周期縮短了60％。2）虛擬化虛擬設計/制造技術是計算機圖形學、人工智能、72為了實現設計資源的共享，國際上對與產品開發和設計有關的標準化技術進行了深入研究，其中最重要的是由國際標準化組織（ISO）頒布的關于產品數據表達與交換標準STEP（ISO10303）以及零件庫標準（ISO13584），這兩個系列標準將對制造業信息化產生比較重要的影響。3）標準化德國戴姆勒—克萊斯勒公司和法國雷諾公司的轎車、NFTEricsson公司的軍用雷達、法國AlcatelEspace公司的衛星設備、德國西門子公司的雷達設備等都采用了虛擬設計/制造方法，產品開發周期縮短了30%～60%，成本降低了15%～30%。為了實現設計資源的共享，國際上對與產品開發和732.制造信息化

信息化制造裝備的廣泛應用，大幅度地提高了企業生產效率、提高了產品質量與檔次、縮短了生產周期、提高了企業的市場競爭能力，不僅開辟了機械制造柔性自動化的新紀元，而且引發了制造工藝與裝備的革命，導致了生產方式、管理體制、產品結構和產業結構的改變。2.制造信息化741）先進制造工藝高速、高效加工技術的應用大大提高了現代加工效率。例如某飛機薄壁零件在普通銑床上加工需要8h，在普及型加工中心只用30min，而利用高速銑床加工僅需3min。此外數控機床的換刀時間（<1s）、工件交換時間都在進一步縮短，加之采用新型刀具材料后，可以使數控機床的切削能力越來越強，這些因素都使數控機床加工效率越來越高。目前,世界上許多汽車制造廠，包括我國的上海通用汽車公司，已經采用以高速加工中心組成的生產線部分替代了原有的組合機床。1）先進制造工藝75

2）先進制造裝備對三維曲面零件及復雜箱體點位加工的實現推動了三軸聯動數控機床的廣泛應用。而一臺五軸聯動機床的效率大致相當于兩臺三軸聯動機床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀對淬硬鋼零件進行高速銑削時，五軸聯動加工可以比三軸聯動加工發揮更高的效率。數控裝備的網絡化極大地滿足了生產線、制造系統乃至制造企業對信息集成的需求，也是實現敏捷制造、虛擬企業、全球制造等制造模式的基礎單元。

763.管理信息化

1）知識管理信息化管理是信息化設計與制造的延伸與發展，也是企業信息化系統與數字化、網絡化設計與制造系統的結合。通過包括產品設計、制造數據在內的企業內外部信息的集中、積累、共享、優化、利用、開發和管理等，從根本上提高企業經營效率，并對多變的全球市場做出迅速響應。知識管理是知識經濟時代的特征。知識管理的目標是企業知識的識別、獲取、開發、分解、儲存和傳遞，從而使企業的每個員工在最大限度貢獻出知識的同時，也能盡可能分享他人的知識。《財富》雜志排名的世界前1000家大企業中，有52%的企業已經在實施知識管理項目。3.管理信息化1）知識管理772）產品全生命周期管理（PLM）

產品全生命周期管理（PLM）是以產品為核心、以產品設計/制造數據為基礎、以產品全生命周期服務為理念的基于數字化和網絡化的現代制造企業管理系統和組織方式。近兩年全球制造業發展迅速、IT應用不斷深入和成熟，制造企業信息化的應用已經從局部和單元的CAD、CAM應用迅速延伸，PLM市場快速形成，成為繼ERP之后企業信息化縱深發展的主要方向。近年來，IBM、EDS、SAP和CAXA等國內外面向制造業的主要IT服務商都紛紛推出了PLM，推動了PLM的應用和發展。2）產品全生命周期管理（PLM）產品全生78

現代數字化網絡化設計制造與PLM

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4.三維CAD是制造業信息化的基礎

產品是制造業的核心，產品的設計、制造數據是整個制造業數字化、網絡化、信息化的基礎。PLM的目標是要使與產品相關的人、在全球任何地方、可以快速找到所需要的產品數據、從而共享產品數據，實現從產品需求定義、概念設計、工程設計、生產制造到服務支持等產品創新各個環節協同工作；也就是希望借助數字化、網絡化手段，打破產品設計人員與生產制造人員、銷售人員及產品使用者之間的溝通障礙，通過最大可能相關人員創造思維的合作和協同，縮短設計周期、優化制造流程、降低生產成本、提升產品價值等，使企業產品創新能力獲得極大提升。因此PLM首先是產品數據的產生，并在產品數據的基礎上實現信息的管理和利用，而CAD/CAM、特別是現代三維CAD則是產品數據的基礎和源頭。

4.三維CAD是制造業信息化的基礎80

CAD/CAM是數字化、網絡化設計制造/PLM的數據源頭

CAD/CAM是數字化、網絡化81

現代三維CAD通過產品與零件的三維建模、全數字化三維虛擬裝配以及三維動態模擬等形成數字樣機，不僅為產品概念的形成與表達、設計方案的分析與優化，設計效果的展示與確定等產品開發過程提供基本平臺，而且三維CAD數據將直接用于產品虛擬效果的制作、產品工程圖紙的生成、產品與零件的分析仿真/CAE、產品生產工藝的準備（CAPP）、零件的數控加工（CAM）、產品的制造執行（MES）以及整個產品設計、制造過程的協同與管理（EDM/PDM/PLM的集成）等。現代三維CAD通過產品與零件的82

三維CAD數據直接用于CAE/CAPP/CAM/PDM/PLM等的集成

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計算機輔助設計CAD（ComputerAidedDesign）是伴隨計算機快速發展起來的現代信息技術的主要應用領域之一，至今已有半個多世紀的歷史，歷經了二維繪圖、線框造型、曲面造型、實體造型、特征造型等發展過程，其間還伴隨了參數化、變量化等技術的融入，基礎理論及軟件系統都日趨成熟，并且在航空、航天、機械、模具、夾具、家電等制造業眾多領域得到了廣泛應用，大大提高了制造業產品設計水平。傳統CAD系統主要針對產品二維工程圖樣的繪制與零件的3D建模，缺乏對產品創新和設計的足夠關注和有效支持，如不能在裝配環境下直接獲得造型數據與信息進行結構設計，使得交互頻繁、輸入數據量大，造成操作步驟繁雜、不易學習等問題；不能將零件模型與裝配模型直接關聯，使得模型復雜且維護困難；不能有效地解決概念階段的零部件布局、聯結與配合關系定義等設計；缺乏符合國際、國家和行業標準的三維參數化標準件庫的支持；缺乏具有行業特色的方便、快捷的造型工具和特征庫，如模具的拔模、凸凹模設計特征庫、家具的藝術特征庫及家電的工業設計特征庫及其相應的造型工具等等。這些個人的、孤立的和局部的應用特點，使CAD一度僅成為繪圖的工具。5.三維CAD的應用與發展

計算機輔助設計CAD（Computer84

近幾年3D技術、網絡技術、數據庫、電子商務等飛速發展深刻影響了CAD的發展，新的制造方式，如分散化網絡制造、面向客戶地大批量定制等也都對CAD系統提出了新的要求，使得行業產品的設計制造資源能夠在更廣的范圍中應用，通過WEB技術、ASP技術，實現了行業產品設計制造的協同，建立全行業的軟件服務體系。目前,以產品創新、網絡協同和應用集成為突出特征的面向行業與過程的三維數字化設計系統成為現代CAD的發展方向。現代三維CAD以產品生命周期中每一階段的知識重用為基礎，包括電子表格、手冊、公式和數據庫，甚至包括一些簡單的經驗規則等，并借助于WEB技術與網絡技術，在行業內實現設計資源的利用與共享，應用設計資源驅動幾何建模，在保證產品質量的同時，大大縮短產品設計周期，并確保設計意圖貫穿于產品開發的全生命周期。近幾年3D技術、網絡技術85CAD技術的應用發展及現代CAD與傳統CAD的比較如下表所列。

CAD技術應用發展的三個階段

早期研究階段20世紀70年代末以前初步推廣階段20世紀80年代初至20世紀末全面應用階段21世紀以來應用領域航空航天等極少數高精尖科研領域從科研向航空/汽車/輕工模具等工業領域推廣向所有設計制造領域全面推廣應用對象極少數關鍵零件復雜零件/模具全數字化虛擬樣機應用內容二維繪圖及零件3D造型二維繪圖及零件3D造型三維創新設計應用方式科學研究推廣應用創新、協同、集成硬件環境大型機、小型機工作站、PCPC、網絡環境軟件形態程序系統（非標準）初步成為標準產品標準模塊與構件應用者極少數研究開發人員同時是應用人員專業CAD應用工程師所有參與產品創新的人員，CAD成為