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CAD/CAM 技術和知識庫技術在汽車開發中的應用
CAD/CAM 技術和知識庫技術在汽車開發中的應用
1.1.1 CAD/CAM 技術的發展 計算機輔助設計及制造（CAD/CAM）技術就是將計算機迅速、準確地
處理信息的特點與人類創造的思維能力及推理判斷能力巧妙地結合起來，用
計算機硬件、軟件的新成就特別是計算機繪圖、數據庫、智能模擬技術，為 現代設計提供了理想的手段。1972 年國際信息處理聯合會（IFIP）曾對 CAD 技術作如下定義：“CAD 是一種技術，其中人與計算機結合為一個問題求解 組，緊密配合，發揮各自所長，從而使其工作優于每一方，并為應用多學科 方法的綜合性協作提供了可能”[1] 。計算機輔助制造（CAM）利用計算機將產 品的設計信息自動轉換為制造信息，以控制產品的加工、裝配、檢驗、包裝 等全過程，以基于這些過程相關的物流系統和初步的生產調度。
CAD/CAM( 計算機輔助設計及制造)技術產生于本世 50 年代后期發達 國 家的航空和軍事工業中，隨著計算機軟硬件技術和計算機圖形學技術的 發展 而迅速成長起來。CAD/CAM 在機械制造行業的應用最早，也最為廣泛。采用 CAD 技術進行產品設計不但可以使設計人員“甩掉圖板”，更新傳統的設計 思想，實現設計自動化，降低產品的成本，提高企業及其產品在市場上的競 爭能力；還可以使企業由原來的串行式作業轉變為并行作業，建立一種全新 的設計和生產 技術管理體制，縮短產品的開發周期，提高勞動生產率。如今 世界各大航空、航天及汽車等制造業巨頭不但廣泛采用 CAD/CAM 技術進行產 品設計，而且投入大量的人力物力及資金進行 CAD/CAM 軟件的開發， 以保 持自己技術上的領先地位和國際市場上的優勢。
CAD 技術是一項綜合性的，集計算機圖形學、數據庫、網絡通訊等計算 機及其他領域知識于一體的高新技術；是先進制造技術的重要組成部分； 也 是提高設計水平、縮短產品開發周期、增強行業競爭能力的一項 關 鍵 技術。 CAD 技術的特點是涉及面廣而復雜、 技術變化快、競爭激烈，而且投 資大、 風險高、產出高。現代有名的 CAD/CAM 軟件都是規模巨大、功能眾多、系統 復雜，所以投資大、開發周期長，難以及時跟上硬件平臺和開發環境的迅速 發展，以及廣大用戶需求的變化和不斷增長的要求。
CAD/CAM 技術的廣泛應用大大減輕了設計者的勞動強度，改善了他們的工作環境和條件，提高了產品的設計質量，極大的提高了產品的開發和設計
效率，縮短了新產品的開發周期。CAD/CAM 技術徹底改變了傳統的產品設計 方式，使設計人員的智慧和能力得到充分的發揮，CAD/CAM 技術的發展與應 用水平已成為和衡量一個國家的科學技術現代化和工業現代化的重要標志。 我國的 CAD/CAM 技術的研究和應用起步較晚，從八十年代才逐步開始， 但是發展的非常快，特別是進入九十以后得到迅速的發展，CAD/CAM 技術在 我國的航空、航天、造船、機械、汽車等領域得到較廣泛的應用，一些國產 的優秀 CAD 軟件也應運而生，但是我國 CAD/CAM 技術研究和應用的廣度和 深度與國外相比還存在較大的差距，要想提高我國汽車等機械產品在國際市
場競爭力，CAD 技術的研究和應用是關鍵。
產品設計人員可以利用 CAD 技術在計算機中生成產品的真實實體幾何 模型，在計算機屏幕上隨意的旋轉設計模型，從各個角度觀察產品的形狀， 不斷的對產品進行修改，而且許多 CAD 軟件還提供豐富的輔助分析功能， 可以在設計的同時進行強度、剛度等各種分析，來幫助和指導設計人員得到 合理的、最優的設計方案；虛擬裝配、加工仿真、運動分析等 CAD 技術的 發展使得 CAD 技術實質得以充分體現，即輔助設計人員進行產品設計，而 不是簡單的繪圖代替紙筆。CAD 軟件主要是幫助產品設計人員完成數值型的 工作，也就是說完成計算、分析、繪圖等功能，設計活動中存在的最關鍵的 推理工作，諸如設計思路、最佳方案的選擇、參數的選擇等等，這些工作主 要依賴于設計人員的知識和專業經驗，是現有 CAD 軟件無法滿足的。因此 將人工智能技術，特別是專家系統的技術與現有的、傳統的 CAD 技術相結 合開發一些專用的 CAD 軟件和程序模塊是今后 CAD 發展的必然趨勢[2]。
CAD 系統的智能化可以將領域設計專家的知識和經驗與 CAD 技術結合 在一起，這既有利于充分發揮 CAD 技術在專業設計領域的作用，又能將工 程設計專家多年的、寶貴的設計經驗充分的保存下來，為其他設計人員所參 考，這樣一個經驗不很豐富的設計人員可以借助智能 CAD 系統在領域專家 知識的指導下高效率、高質量的完成設計任務。
任何產品的設計，都被包容在 CAD 的覆蓋范圍內。但任何專業 CAD 廠商 都永遠不可能滿足所有客戶的一切設計需求。所以 CAD 系統必須作成開放式， 為廣大用戶的二次開發提供一切方便。CAD 軟件又應該使各類用戶所設計的 對象都產生統一的數據文件存儲格式，保證不同廠商的 CAD 文檔可以相互兼 容，實現資源共享，達到無縫集成。
一個公司對 CAD 系統的應用必然要經歷以下過程：軟硬件的購買、CAD 軟件在產品設計中的逐步應用、結合公司需要對 CAD 軟件進行二次開發、 用于 CAM/CAE 方面。根據公司設計的需要，結合專業知識和領域專家的經驗開發專用的 CAD 模塊，可大大減少產品設計中不必要的重復性勞動，提高產品的設計質量，縮短新產品的開發和設計周期。CAD 軟件的二次開發可 有效的克服通用 CAD 軟件在專業設計領域的不足和局限性，有利于充分發
揮 CAD 軟件的輔助作用。所以一個公司需全面的開展 CAD 并取得積極效果， 應以引入的 CAD 系統為基礎，根據本公司的實際需要，進行程度不同的用戶
化、本地化的二次開發，建立專業設計系統和數據庫，形成具有本公司特色 的產品設計 CAD 系統。
CAD 要求集成，一方面從產品開發全生命期看，要求產品設計與分析計 算（CAE）、工藝規劃（CAPP）、數控加工（NC）、質量控制（CAQ）、技術服務、 備件供應、訂貨管理、生產計劃管理等緊密銜接，實現產品設計制造管理一 體化；另一方面從行業間的關系看，建筑、土木工程、鐵路勘察設計等需要
與地理信息系統（GIS）、通信、供水供電暖氣通風、機械制造、微電子技術 等溝通，同樣要求跨行業的應用軟件一體化。
1.1.2 CAD 技術在汽車開發中的應用
CAD 技術首先在航空、航天領域得到廣泛應用，而后開始逐漸應用于汽 車領域。1959 年 GM 汽車公司的 DAC-1（Design Augmented Computer）項目 標志著 CAD 技術在汽車行業應用的開始。CAD 技術給使用者帶來了巨大的 好處及頗豐的收益，汽車工業開始大量采用 CAD 技術。80 年代初，幾乎全 世界所有的汽車工業和航空工業都購買過相當數量的 CATIA，其結果是 CATIA 躍居制造業 CAD 軟件榜首，并且保持了許多年。最近幾年，從造型 理論上來說，CATIA 并沒有突破性的進展，其 CAD 技術本身已相對落后。
但 CATIA 除了給用戶提供豐富的交互曲線、曲面造型、擬合功能外，還給用 戶提供了二次開發工具，無疑給用戶帶來了極大的方便[3]。
經過半個世紀的發展，CAD 技術在國外汽車行業得到廣泛而成熟的應 用。各汽車公司不僅擁有非常好的 CAD 軟硬件條件，而且還有高素質 CAD 設計隊伍，很好的將各公司多年的汽車設計理論、經驗和 CAD 技術相結合， 成功的用于其新產品的開發和設計，CAD 技術的廣泛應用極大的縮短了新車 型的開發周期。
國外各汽車公司不僅在汽車設計和 CAD 應用方面積累了豐富的經驗，
而且還結合專業知識和專家經驗對 CAD 軟件進行二次開發，克服通用 CAD 軟件在汽車設計方面的局限性，開發適合公司內部設計需要的智能 CAD 專 業模塊，幫助其產品設計人員快速的開發和設計出更好的產品，以求在市場競爭中處于有利地位。例如：美國 Ford 汽車公司專門成立 CAD 軟件的二次
開發隊伍結合公司需要開發一些汽車設計軟件；法國雷諾公司在 EUCLID 上開 發了適合汽車工業需求的用于鈑金成型的 OPTRIS 模塊和用于干涉檢驗的 Megavision 模塊；日本的 TOYOTA 汽車公司與美國 PTC 軟件公司合作在 Pro/E 軟件的基礎上開發的汽車模具型面設計模塊 Pro/Dieface[4]等等。目前，
國 外 用 的 比 較 多 的 CAD 軟 件 ， 主 要 有 ： CATIA(IBM/Dassault) 、 Unigraphics(EDS) 、 I-DEAS(SDRC) 、 PRO/E(PTC) 、 EUCLID(MATRA) 、 CADDS(ComputerVision)等。可以說我國汽車行業 CAD 軟硬件的條件是相當 不錯的，經過十多年努力，CAD 技術在我國汽車行業的應用已取得很大的進 步，而且一些大學和科研機構在通用的 CAD/CAM 軟件基礎上進行二次開發 專業模塊。現在各國制造企業均紛紛采用各種新實現、新方法、新技術來改
進自己的產品開發模式，力圖使企業及其產品具有較強的競爭力和生命力。
1.1.3 知識庫在 CAD 中的應用
CAD 的核心技術是用最簡單、方便的操作來生成產品幾何形狀的精確數 字定義并且實時顯示其真實感圖形。飛機、汽車的外形復雜，零、部件間的 配合要求高，因此 CAD 技術的研究和軟件開發首先是從飛機和汽車行業發展 起來的。CAD 軟件產業的茁壯成長取決于五大要素：應用需求、技術積累、 資金投入、隊伍素質和運行機制。國際知名的 CAD 軟件，數量上以美國最多， 其次法國。但是就軟件產業的成功率看，法國居榜首。我國國民經濟得到持 續健康穩定的發展，尤其汽車產業在我國獲得了蓬勃的發展，為 CAD 技術的 研究和軟件開發創造了良好的條件。
我國汽車行業經過十多年努力和發展，CAD 技術、專家系統、知識庫技 術等新興技術在我國汽車行業的應用已取得很大的進步，而且一些大學和科 研機構也在獨立地或與汽車公司合作開發一些在通用的 CAD 軟件基礎上的 汽車設計專業模塊，例如：吉林大學的福特—中國研究與發展基金項目組率 先探索 KBE 在汽車行業中的應用，在通用 CAD 軟件的基礎上開發專用的汽 車專業設計模塊；同濟大學在 UG 平臺上開發汽車總體設計專家系統等等[5]。 但是由于我國 CAD 技術起步較晚，加上現有通用 CAD 軟件的專用性較差， CAD 技術的應用與國外汽車公司相比還有很大的差距，國內各汽車公司普遍 存在 CAD 軟件利用率低，設計效率低下的問題。加大 CAD 軟件在汽車開發 中的應用力度，并且結合汽車設計的專業經驗開發一些通用 CAD 軟件平臺 上的面向汽車設計的專業模塊以幫助設計人員提高產品的開發效率和質量，
是縮短我國與國外汽車設計水平的差距，早日實現我國轎車自主開發能力的
有效措施之一。
從 CAD/CAM 的技術發展史，需強調一個觀點：國外在成熟的市場經濟 機制下，一切研究開發項目決不草率上馬，都有明確的應用目標和周密的技 術組織措施。凡是成功的成果，一定要倍加珍惜，盡量繼承、采納、接力、 改進。國外有一條規則，凡是能從市場上買到的，決不自己從頭做起，外購 一定比自制合算。同時賣方也懂得這個道理，必須合理定價，互通有無，決 不能奇貨可居，將別人拒之門外。CAD 源程序雖然珍貴，但同樣是商品，只 是定價更高而己。美國有規定，軟件的源程序改動量超過 20%，就是新軟件， 不叫抄襲，鼓勵在繼承中創新，不贊成重復做虛功，白白浪費人力、物力資 源。一個項目失敗了，并不稀奇，技術創新允許失敗。但是即使一個軟件系 統整體上失敗了，也要從中提取有用部分，創造新的商機。
軟件開發中必須將各個專業領域的傳統設計方法轉化成計算機上的操 作，將原來的專業設計知識和經驗體現為軟件代碼，使得應用人員在新的工 作環境中感到計算機得心應手，善解人意，這就需要開發人員與應用人員共 同經歷一個長時間的磨合過程，不斷修改程序，不斷排除錯誤。
有效的二次開發是 CAD/CAM 發揮效能的關鍵環節，二次開發具有以下兩
個主要特點： 一、于二次平臺 二、向領域專家
因此，二次開發應以工程設計的理論和實踐為基礎，以軟件工程理論為
指導，面向具體產品的實際問題進行開發[6]。
隨著 CAD 的進一步發展，單純通過關系數據庫，或者采用 CAD 數據庫、 工程數據庫已無法滿足 CAD 的復雜要求。因此需要選用合適、功能強大的通 用工具來支撐 CAD 發展中提出的新的要求，目前來說，知識庫成為其主要選 擇之一。知識庫作為能支撐多種應用領域的通用智能支撐軟件與工具，不僅 能夠在數據庫基礎上提供數據支持，還可以將 CAD 不斷發展所提出的要求用 知識形式表示，為 CAD 處理各種復雜的問題和滿足各種特殊要提供了可能。 支持智能 CAD 的實現。產品設計是一個復雜的過程，需要設計師/專家 以其專門的知識和經驗為依據，經過分析、計算、綜合等多個步驟才能完成。 因此從人工智能的角度，計算機輔助設計實際上是一個由計算機系統輔助設 計師進行設計并加以實現的“專家系統”，因而大量引入專家系統的實現、方
法與工具，來構成智能 CAD。
在智能 CAD 中，產品設計的實現、方法是用知識形式表示，而產品設
的過程這是一個問題求解過程，最后的設計結果就是求解目標。
用知識庫作為智能 CAD 開發環境無疑是比較合適的。在知識庫中，產品 設計中有關的知識可以用事實與規則表示，并存于知識庫內。智能 CAD 與知 識庫有一定的對應關系，如表 1-1。產品的設計過程既是知識庫中知識的推 理過程，最終設計結果極為知識庫中的推理結果。
表 1-1 智能 CAD 與知識庫的對應關系
智能 CAD 知識庫
設計知識
設計過程 設計結果 知識庫中的一組知識
知識庫中知識的推理 知識庫中的推理結果
1.1.4 知識庫系統的開發特點及其開發過程
開發知識庫系統的應用，主要有以下特點：
⑴． 將應用對象看成是一個知識處理系統；
⑵． 從應用對象中抽取已有的知識（包括事實與規則）；
⑶． 將應用對象中的處理用知識推理來表示。 知識庫系統的開發過程：
⑴． 選擇一個知識庫系統；
⑵． 建立若干實關系構成外延數據庫，建立若干虛關系以及推理 規則以構成內涵數據庫。
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