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CAD/CAM 技术和知识库技术在汽车开发中的应用
CAD/CAM 技术和知识库技术在汽车开发中的应用
1.1.1 CAD/CAM 技术的发展 计算机辅助设计及制造（CAD/CAM）技术就是将计算机迅速、准确地
处理信息的特点与人类创造的思维能力及推理判断能力巧妙地结合起来，用
计算机硬件、软件的新成就特别是计算机绘图、数据库、智能模拟技术，为 现代设计提供了理想的手段。1972 年国际信息处理联合会（IFIP）曾对 CAD 技术作如下定义：“CAD 是一种技术，其中人与计算机结合为一个问题求解 组，紧密配合，发挥各自所长，从而使其工作优于每一方，并为应用多学科 方法的综合性协作提供了可能”[1] 。计算机辅助制造（CAM）利用计算机将产 品的设计信息自动转换为制造信息，以控制产品的加工、装配、检验、包装 等全过程，以基于这些过程相关的物流系统和初步的生产调度。
CAD/CAM( 计算机辅助设计及制造)技术产生于本世 50 年代后期发达 国 家的航空和军事工业中，随着计算机软硬件技术和计算机图形学技术的 发展 而迅速成长起来。CAD/CAM 在机械制造行业的应用最早，也最为广泛。采用 CAD 技术进行产品设计不但可以使设计人员“甩掉图板”，更新传统的设计 思想，实现设计自动化，降低产品的成本，提高企业及其产品在市场上的竞 争能力；还可以使企业由原来的串行式作业转变为并行作业，建立一种全新 的设计和生产 技术管理体制，缩短产品的开发周期，提高劳动生产率。如今 世界各大航空、航天及汽车等制造业巨头不但广泛采用 CAD/CAM 技术进行产 品设计，而且投入大量的人力物力及资金进行 CAD/CAM 软件的开发， 以保 持自己技术上的领先地位和国际市场上的优势。
CAD 技术是一项综合性的，集计算机图形学、数据库、网络通讯等计算 机及其他领域知识于一体的高新技术；是先进制造技术的重要组成部分； 也 是提高设计水平、缩短产品开发周期、增强行业竞争能力的一项 关 键 技术。 CAD 技术的特点是涉及面广而复杂、 技术变化快、竞争激烈，而且投 资大、 风险高、产出高。现代有名的 CAD/CAM 软件都是规模巨大、功能众多、系统 复杂，所以投资大、开发周期长，难以及时跟上硬件平台和开发环境的迅速 发展，以及广大用户需求的变化和不断增长的要求。
CAD/CAM 技术的广泛应用大大减轻了设计者的劳动强度，改善了他们的工作环境和条件，提高了产品的设计质量，极大的提高了产品的开发和设计
效率，缩短了新产品的开发周期。CAD/CAM 技术彻底改变了传统的产品设计 方式，使设计人员的智慧和能力得到充分的发挥，CAD/CAM 技术的发展与应 用水平已成为和衡量一个国家的科学技术现代化和工业现代化的重要标志。 我国的 CAD/CAM 技术的研究和应用起步较晚，从八十年代才逐步开始， 但是发展的非常快，特别是进入九十以后得到迅速的发展，CAD/CAM 技术在 我国的航空、航天、造船、机械、汽车等领域得到较广泛的应用，一些国产 的优秀 CAD 软件也应运而生，但是我国 CAD/CAM 技术研究和应用的广度和 深度与国外相比还存在较大的差距，要想提高我国汽车等机械产品在国际市
场竞争力，CAD 技术的研究和应用是关键。
产品设计人员可以利用 CAD 技术在计算机中生成产品的真实实体几何 模型，在计算机屏幕上随意的旋转设计模型，从各个角度观察产品的形状， 不断的对产品进行修改，而且许多 CAD 软件还提供丰富的辅助分析功能， 可以在设计的同时进行强度、刚度等各种分析，来帮助和指导设计人员得到 合理的、最优的设计方案；虚拟装配、加工仿真、运动分析等 CAD 技术的 发展使得 CAD 技术实质得以充分体现，即辅助设计人员进行产品设计，而 不是简单的绘图代替纸笔。CAD 软件主要是帮助产品设计人员完成数值型的 工作，也就是说完成计算、分析、绘图等功能，设计活动中存在的最关键的 推理工作，诸如设计思路、最佳方案的选择、参数的选择等等，这些工作主 要依赖于设计人员的知识和专业经验，是现有 CAD 软件无法满足的。因此 将人工智能技术，特别是专家系统的技术与现有的、传统的 CAD 技术相结 合开发一些专用的 CAD 软件和程序模块是今后 CAD 发展的必然趋势[2]。
CAD 系统的智能化可以将领域设计专家的知识和经验与 CAD 技术结合 在一起，这既有利于充分发挥 CAD 技术在专业设计领域的作用，又能将工 程设计专家多年的、宝贵的设计经验充分的保存下来，为其他设计人员所参 考，这样一个经验不很丰富的设计人员可以借助智能 CAD 系统在领域专家 知识的指导下高效率、高质量的完成设计任务。
任何产品的设计，都被包容在 CAD 的覆盖范围内。但任何专业 CAD 厂商 都永远不可能满足所有客户的一切设计需求。所以 CAD 系统必须作成开放式， 为广大用户的二次开发提供一切方便。CAD 软件又应该使各类用户所设计的 对象都产生统一的数据文件存储格式，保证不同厂商的 CAD 文档可以相互兼 容，实现资源共享，达到无缝集成。
一个公司对 CAD 系统的应用必然要经历以下过程：软硬件的购买、CAD 软件在产品设计中的逐步应用、结合公司需要对 CAD 软件进行二次开发、 用于 CAM/CAE 方面。根据公司设计的需要，结合专业知识和领域专家的经验开发专用的 CAD 模块，可大大减少产品设计中不必要的重复性劳动，提高产品的设计质量，缩短新产品的开发和设计周期。CAD 软件的二次开发可 有效的克服通用 CAD 软件在专业设计领域的不足和局限性，有利于充分发
挥 CAD 软件的辅助作用。所以一个公司需全面的开展 CAD 并取得积极效果， 应以引入的 CAD 系统为基础，根据本公司的实际需要，进行程度不同的用户
化、本地化的二次开发，建立专业设计系统和数据库，形成具有本公司特色 的产品设计 CAD 系统。
CAD 要求集成，一方面从产品开发全生命期看，要求产品设计与分析计 算（CAE）、工艺规划（CAPP）、数控加工（NC）、质量控制（CAQ）、技术服务、 备件供应、订货管理、生产计划管理等紧密衔接，实现产品设计制造管理一 体化；另一方面从行业间的关系看，建筑、土木工程、铁路勘察设计等需要
与地理信息系统（GIS）、通信、供水供电暖气通风、机械制造、微电子技术 等沟通，同样要求跨行业的应用软件一体化。
1.1.2 CAD 技术在汽车开发中的应用
CAD 技术首先在航空、航天领域得到广泛应用，而后开始逐渐应用于汽 车领域。1959 年 GM 汽车公司的 DAC-1（Design Augmented Computer）项目 标志着 CAD 技术在汽车行业应用的开始。CAD 技术给使用者带来了巨大的 好处及颇丰的收益，汽车工业开始大量采用 CAD 技术。80 年代初，几乎全 世界所有的汽车工业和航空工业都购买过相当数量的 CATIA，其结果是 CATIA 跃居制造业 CAD 软件榜首，并且保持了许多年。最近几年，从造型 理论上来说，CATIA 并没有突破性的进展，其 CAD 技术本身已相对落后。
但 CATIA 除了给用户提供丰富的交互曲线、曲面造型、拟合功能外，还给用 户提供了二次开发工具，无疑给用户带来了极大的方便[3]。
经过半个世纪的发展，CAD 技术在国外汽车行业得到广泛而成熟的应 用。各汽车公司不仅拥有非常好的 CAD 软硬件条件，而且还有高素质 CAD 设计队伍，很好的将各公司多年的汽车设计理论、经验和 CAD 技术相结合， 成功的用于其新产品的开发和设计，CAD 技术的广泛应用极大的缩短了新车 型的开发周期。
国外各汽车公司不仅在汽车设计和 CAD 应用方面积累了丰富的经验，
而且还结合专业知识和专家经验对 CAD 软件进行二次开发，克服通用 CAD 软件在汽车设计方面的局限性，开发适合公司内部设计需要的智能 CAD 专 业模块，帮助其产品设计人员快速的开发和设计出更好的产品，以求在市场竞争中处于有利地位。例如：美国 Ford 汽车公司专门成立 CAD 软件的二次
开发队伍结合公司需要开发一些汽车设计软件；法国雷诺公司在 EUCLID 上开 发了适合汽车工业需求的用于钣金成型的 OPTRIS 模块和用于干涉检验的 Megavision 模块；日本的 TOYOTA 汽车公司与美国 PTC 软件公司合作在 Pro/E 软件的基础上开发的汽车模具型面设计模块 Pro/Dieface[4]等等。目前，
国 外 用 的 比 较 多 的 CAD 软 件 ， 主 要 有 ： CATIA(IBM/Dassault) 、 Unigraphics(EDS) 、 I-DEAS(SDRC) 、 PRO/E(PTC) 、 EUCLID(MATRA) 、 CADDS(ComputerVision)等。可以说我国汽车行业 CAD 软硬件的条件是相当 不错的，经过十多年努力，CAD 技术在我国汽车行业的应用已取得很大的进 步，而且一些大学和科研机构在通用的 CAD/CAM 软件基础上进行二次开发 专业模块。现在各国制造企业均纷纷采用各种新实现、新方法、新技术来改
进自己的产品开发模式，力图使企业及其产品具有较强的竞争力和生命力。
1.1.3 知识库在 CAD 中的应用
CAD 的核心技术是用最简单、方便的操作来生成产品几何形状的精确数 字定义并且实时显示其真实感图形。飞机、汽车的外形复杂，零、部件间的 配合要求高，因此 CAD 技术的研究和软件开发首先是从飞机和汽车行业发展 起来的。CAD 软件产业的茁壮成长取决于五大要素：应用需求、技术积累、 资金投入、队伍素质和运行机制。国际知名的 CAD 软件，数量上以美国最多， 其次法国。但是就软件产业的成功率看，法国居榜首。我国国民经济得到持 续健康稳定的发展，尤其汽车产业在我国获得了蓬勃的发展，为 CAD 技术的 研究和软件开发创造了良好的条件。
我国汽车行业经过十多年努力和发展，CAD 技术、专家系统、知识库技 术等新兴技术在我国汽车行业的应用已取得很大的进步，而且一些大学和科 研机构也在独立地或与汽车公司合作开发一些在通用的 CAD 软件基础上的 汽车设计专业模块，例如：吉林大学的福特—中国研究与发展基金项目组率 先探索 KBE 在汽车行业中的应用，在通用 CAD 软件的基础上开发专用的汽 车专业设计模块；同济大学在 UG 平台上开发汽车总体设计专家系统等等[5]。 但是由于我国 CAD 技术起步较晚，加上现有通用 CAD 软件的专用性较差， CAD 技术的应用与国外汽车公司相比还有很大的差距，国内各汽车公司普遍 存在 CAD 软件利用率低，设计效率低下的问题。加大 CAD 软件在汽车开发 中的应用力度，并且结合汽车设计的专业经验开发一些通用 CAD 软件平台 上的面向汽车设计的专业模块以帮助设计人员提高产品的开发效率和质量，
是缩短我国与国外汽车设计水平的差距，早日实现我国轿车自主开发能力的
有效措施之一。
从 CAD/CAM 的技术发展史，需强调一个观点：国外在成熟的市场经济 机制下，一切研究开发项目决不草率上马，都有明确的应用目标和周密的技 术组织措施。凡是成功的成果，一定要倍加珍惜，尽量继承、采纳、接力、 改进。国外有一条规则，凡是能从市场上买到的，决不自己从头做起，外购 一定比自制合算。同时卖方也懂得这个道理，必须合理定价，互通有无，决 不能奇货可居，将别人拒之门外。CAD 源程序虽然珍贵，但同样是商品，只 是定价更高而己。美国有规定，软件的源程序改动量超过 20%，就是新软件， 不叫抄袭，鼓励在继承中创新，不赞成重复做虚功，白白浪费人力、物力资 源。一个项目失败了，并不稀奇，技术创新允许失败。但是即使一个软件系 统整体上失败了，也要从中提取有用部分，创造新的商机。
软件开发中必须将各个专业领域的传统设计方法转化成计算机上的操 作，将原来的专业设计知识和经验体现为软件代码，使得应用人员在新的工 作环境中感到计算机得心应手，善解人意，这就需要开发人员与应用人员共 同经历一个长时间的磨合过程，不断修改程序，不断排除错误。
有效的二次开发是 CAD/CAM 发挥效能的关键环节，二次开发具有以下两
个主要特点： 一、于二次平台 二、向领域专家
因此，二次开发应以工程设计的理论和实践为基础，以软件工程理论为
指导，面向具体产品的实际问题进行开发[6]。
随着 CAD 的进一步发展，单纯通过关系数据库，或者采用 CAD 数据库、 工程数据库已无法满足 CAD 的复杂要求。因此需要选用合适、功能强大的通 用工具来支撑 CAD 发展中提出的新的要求，目前来说，知识库成为其主要选 择之一。知识库作为能支撑多种应用领域的通用智能支撑软件与工具，不仅 能够在数据库基础上提供数据支持，还可以将 CAD 不断发展所提出的要求用 知识形式表示，为 CAD 处理各种复杂的问题和满足各种特殊要提供了可能。 支持智能 CAD 的实现。产品设计是一个复杂的过程，需要设计师/专家 以其专门的知识和经验为依据，经过分析、计算、综合等多个步骤才能完成。 因此从人工智能的角度，计算机辅助设计实际上是一个由计算机系统辅助设 计师进行设计并加以实现的“专家系统”，因而大量引入专家系统的实现、方
法与工具，来构成智能 CAD。
在智能 CAD 中，产品设计的实现、方法是用知识形式表示，而产品设
的过程这是一个问题求解过程，最后的设计结果就是求解目标。
用知识库作为智能 CAD 开发环境无疑是比较合适的。在知识库中，产品 设计中有关的知识可以用事实与规则表示，并存于知识库内。智能 CAD 与知 识库有一定的对应关系，如表 1-1。产品的设计过程既是知识库中知识的推 理过程，最终设计结果极为知识库中的推理结果。
表 1-1 智能 CAD 与知识库的对应关系
智能 CAD 知识库
设计知识
设计过程 设计结果 知识库中的一组知识
知识库中知识的推理 知识库中的推理结果
1.1.4 知识库系统的开发特点及其开发过程
开发知识库系统的应用，主要有以下特点：
⑴． 将应用对象看成是一个知识处理系统；
⑵． 从应用对象中抽取已有的知识（包括事实与规则）；
⑶． 将应用对象中的处理用知识推理来表示。 知识库系统的开发过程：
⑴． 选择一个知识库系统；
⑵． 建立若干实关系构成外延数据库，建立若干虚关系以及推理 规则以构成内涵数据库。
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