面向机械产品设计的 CAD 系统评价体系摘要：为了解决选用机械 CAD 系统时信息不对称和缺乏选择依据问题，分析基于 CAD 系统的产品设计 过程，建立面向整个产品设计周期的 CAD 系统评价体系。该体系包括对需求工程、概念设计、工程设计 的辅助支持以及软件可用性等，采用定性评价以及模糊评价方法。选用国际主流 CAD 系统进行开发的实 例证明，评价体系和方法提供可行参考依据。 关键词：产品设计；过程；计算机辅助设计；评价体系Evaluation Framework for CAD System of Mechanical Product DesignAbstract: Evaluation framework for CAD system helps to make decision in face of information asymmetry. The Evaluation framework based on the analysis of whole mechanical product design process, consisted of the degree of system availability, and the degree of support of demand analysis engineering, conceptual design, engineering design. To used qualitative and fuzzy evaluation method. Based on the framework，the main CAD systems were evaluated and a application example about the framework were used as illustration. Keywords: Product Design; Process; Computer Aided Design; Evaluation Framework0 引言引言随着信息化带动工业化的深入和企业产品研 发需求的高涨，结合人类创造性思维与计算机高 性能处理能力、提高产品质量、生产效率、降低 生产成本、增强企业的市场竞争能力和创新能力 的 CAD 系统的采用及深化集成成为越来越多企业 的重要课题。另一方面，知识产权保护导致的本 版化和产品连续性、继承性要求不能随意变换 CAD 系统，使得选择 CAD 系统非常关键。大企 业选择 CAD 系统，一般遵循行业和产业习惯，而 对中小企业及信息化初期企业，由于自身需求并 不明确，对 CAD 系统缺乏全面认识，难易预期 CAD 带来的实质性工作改进，同时面对市场上众 多 CAD 系统厂商，存在严重的信息不对称，没有 客观的选择依据，降低了选择合适 CAD 系统的概 率。 本文针对新产品开发没有数据继承、操作习 惯等约束条件，本文以产品设计流程为主线，建 立支持产品设计过程的 CAD 系统评估体系，建立 评估方法，为企业结合自身实际衡量已有或正 在改进的系统、提出目标和选择供应商提供依 据，为衡量企业信息化效果提供检验依据。1 产品设计过程与产品设计过程与 CAD新技术和新观念都影响产品实现过程，产 品与过程设计方法被美国国家研究委员会 （NRC）列为应对未来挑战的十个关键制造技术 之一1。实际上，20 世纪产品开发在新设计理念 和采用设计新技术支持下发生了巨大的变化。20 世纪 60 年代以前，产品设计采用三段设计 法，利用手册中有关数据，采用较大的安全系数， 强调零部件计算，只考虑静态工况，通过经验公 式、近似系数或类比等方法进行设计。设计思维 是直觉式、经验式、模仿式的，往往是单一方案2。 60 年代，功能理念的采用以及后来的以建模设计 思想为基础的功能系统分析法使得设计变为目标 式、多角度的过程。通过功能定义、功能分解、 功能求解的过程实现产品设计，开始全面考虑设 计中的问题3。80 年代以来，由于市场竞争加剧， 基于满足功能要求的以“创新”为核心的概念设 计被提出，采用多方案比较、方案评估，选择最 佳方案4。20 世纪 90 年代，为改变产品设计长期 以来依据个人经验积累进行初步设计、制造原型、 测试并改进完成产品设计的“试凑法” ，两种设计 的逻辑方法 TRIZ5和公理化设计6方法开始普及。为了摆脱繁琐、费时和低精度的手工绘图， CAD 技术在上世纪 50 年代起步，早期 CAD 提供二维计算机辅助绘图（Computer Aided Drawing） 功能，是图板的替代品。60 年代出现三维 CAD 系 统，可以表达基本几何信息。70 年代为了解决飞评价技术体系可用性文 件 输 出自 动 化界 面 友 好操 作 方 便数 据 交 换扩 展 集 成 性需求工程概念设计工程设计市 场 分 析需 求 分 析可 行 性 研 究任 务 书 发 布原 理 设 计布 局 设 计工 业 设 计人 机 工 程报 告 发 布产 品 建 模分 析 优 化协 同 集 成模 拟 仿 真2机和汽车设计制造中遇到的大量自由曲面问题， 提出了贝赛尔算法，以表面模型为特点的自由曲 面建模方法标志着计算机辅助技术从单纯模仿工 程图纸的三视图模式中解放出来，成为计算机辅 助设计。此后，随着采用“参数化”、“变量化” 等绘图技术以及各种有限元分析、计算、仿真技 术的发展，CAD 系统介入产品设计的程度越来越 深，产品设计过程也随之重组，更加紧凑、简洁， 各阶段的目标更为明确7。 三段设计法主要包括方案设计（初步设计） 、 技术设计、施工设计，如图 1（a）所示；功能系 统分析法在三段设计法的基础上增加功能设置与 分析求解的内容，如图 1（b）所示；以 “创新” 为核心的概念设计，包括功能分析、求解组合形 成多方案，通过多方案比较选定概念，设计过程 分为需求分析、概念设计、详细设计和细节设计 等四个阶段，如图 1（c）所示。现代设计，由于 真实感显示、多媒体、虚拟现实等技术的发展以 及 CAD、CAE 技术的逐渐完善和广泛应用，使得 设计过程可以并行、协同、仿真，减少试验、优 化设计过程，缩短周期、减少成本、提高质量。 现代产品设计过程如图 1（d）所示。需求分析功能设计原理设计结构设计试制定稿批量生产上市销售规划方案设计技术设计施工设计试制定稿批量生产上市销售详细设计需求分析概念设计具体设计细节设计试制定稿批量生产上市销售需求工程概念设计工程设计批量生产上市销售(a)(b)(c)(d)图 1 产品开发过程的演变2 基于设计内容的评价体系框架基于设计内容的评价体系框架自 20 世纪 60 年代以来，随着计算机应用到 设计过程的程度越来越深，机械设计方法蓬勃发 展，在计算机辅助设计环境下，设计内容也逐步 由以前的静态、常量、可行性、定性、串行设计 发展为动态、变量、优化、定量、协同并行设计。 产品设计质量取决于 CAD 系统的功能，基于设计 内容的 CAD 系统评价体系结构如图 2 所示。图 2 基于设计内容的 CAD 系统评价技术体系 （1）需求工程 包括市场需求分析：确定顾客 是谁，很多时候要进行市场细分；用户特征分析；进行用户分类；分析消费心理；顾客需求分析： 基于需求的功能分析、寿命与可靠性、人机工程、 外观感觉，测定顾客需求，设置产品功能结构， 设置性能参数；可行性研究：包括项目必要性， 技术模型，经济模型，产品成本模型；设计任 务书发布：产品目的功能、性能参数、使用范围、 操作要求、外观要求、时间进度、经济要求，任 务书自动生成等。 （2）概念设计 包括原理设计（机构）：对功 能系统或功能结构中的功能元进行求解，一般以 某种物理效应、化学效应或者生物效应为基础。 进行原理设计的功能求解方法很多，仿生法、类 比法、组合法、移植法、解法目录法、形态学矩 阵法等在计算机的支持下会更加方便。布局与 结构设计：布局设计包括配置方式、尺寸比例、 排列方式、组合形式等要素在三维空间进行布置， 结构设计包括尺寸、结构、部件之间连接关系等。 工业设计：产品的色彩、造型、外观以及与环 境协调等。人机工程：人的视觉、听觉及其他 感觉系统舒适性，人的特性、能力和限制的数据 支持，作业空间、姿势的评价，操作舒适性，作 业环境的要求。 （3）工程设计 包括产品建模：几何造型和产 品装配建模，几何造型系统表达产品结构形状、 大小及精度等，是产品设计制造信息的源头；产 品装配以零件实体建模为基础，建立与零件实体 模型相关联的产品装配模型，实现产品装配的操 作与显示。分析优化：基于产品几何形状计算 其几何特性和物理特性，包括体积、表面积、质 量、重心位置、转动惯量等，结构的静态、动态 特性，优化强度、刚度、振动、热变形、应力分 布等。协同集成：协同设计、信息集成、过程 集成等。模拟仿真：运动学分析、动力学分析， 获得不考虑力和质量属性影响下的活动构件及其 几何图素的位置、速度（角速度） 、加速度（角加 速度） 、干涉、运动包络等运动特性，在驱动力和 惯性影响下的冲量、振动形式、共振频率、运动 副反力等动力学性能。文件输出：包括工程图 （施工图） 、设计计算说明书、统计汇总（标准件 通用件外购件明细表） 、三大规程（使用、维护、 维修）等。自动化：设计建模自动化、计算自 动化、工艺设计自动化、输出自动化。 （4）可用性 包括界面友好：图形用户界面、 多语言支持、在线帮助等；操作方便：人机对 话、命令方式、图标通用性、操作是否符合习惯 等。数据交换：数据交换的形式、支持的数据3格式、数据交换的方便程度、数据交换的可靠性。 扩展集成性：扩展能力、二次开发接口，移植 性、多操作系统安装，跟其他软件兼容，以及进 行集成的能力，软件维护能力、升级能力等。3 评价方法与应用评价方法与应用3.1 CAD 厂商和软件概述厂商和软件概述在面向产品生命周期的背景下，CAD 系统朝 着面向产品生命周期集成提供大而全的整体解决 方案或专业化两个不同方向发展。大厂商通过研 发更多是通过收购快速地丰富自己的产品线，为 大客户提供高端服务，专业化公司提供功能单一 产品也给大厂商提供功能插件8-10。目前国际上面 向制造业的主流 CAD 系统分为四大谱系11-14： （1）IBM / Dassault：CATIA，SolidWorks, Enovia, Delmia, Simulia，3DVia； （2）Siemens/UGS：UG-NX, TeamCenter，Velocity Series，Tecnomatrix，PLM Components； （3）PTC：Pro/Engineer, Windchill，Arbortext，Mathcad，ProductView，Co Create，CADDS5； （4）Autodesk：AutoCAD, MDT, Inventor, AliasStudio, Productstream, Design Review。 一般地，将 CAD 系统分成高端、中端和低端 三档。高端 CAD 系统功能涵盖了 2D/3D CAD、CAE、CAPP、CAM、PDM、PLM 等 （C4P）复杂全面的应用；中端 CAD 系统功能只 涵盖 2D/ 3D CAD 等主要的基本应用；低端 CA D 软件主要是 2D CAD 应用。四大主流 CAD 系统产 品分类如表 1 所示。 表 1 国际主流 CAD 系统产品谱系IBM-DSSiemens-UGPTCAutodesk 高端 CADCATIAUG-NXPro/E 中端 CADSolidworksVelocityMDT/Inventor 低端 CADAutoCAD 协同EnoviaTeamCenterCoCreateProductstream CAE 仿真SimuliaUG-NXPro/ECAMDelmiaTecnomatixPro/