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CAD/CAM 技術(shù)和知識庫技術(shù)在汽車(chē)開(kāi)發(fā)中的應用
CAD/CAM 技術(shù)和知識庫技術(shù)在汽車(chē)開(kāi)發(fā)中的應用
1.1.1 CAD/CAM 技術(shù)的發(fā)展 計算機輔助設計及制造（CAD/CAM）技術(shù)就是將計算機迅速、準確地
處理信息的特點(diǎn)與人類(lèi)創(chuàng )造的思維能力及推理判斷能力巧妙地結合起來(lái)，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(shù)，為 現代設計提供了理想的手段。1972 年國際信息處理聯(lián)合會(huì )（IFIP）曾對 CAD 技術(shù)作如下定義：“CAD 是一種技術(shù)，其中人與計算機結合為一個(gè)問(wèn)題求解 組，緊密配合，發(fā)揮各自所長(cháng)，從而使其工作優(yōu)于每一方，并為應用多學(xué)科 方法的綜合性協(xié)作提供了可能”[1] 。計算機輔助制造（CAM）利用計算機將產(chǎn) 品的設計信息自動(dòng)轉換為制造信息，以控制產(chǎn)品的加工、裝配、檢驗、包裝 等全過(guò)程，以基于這些過(guò)程相關(guān)的物流系統和初步的生產(chǎn)調度。
CAD/CAM( 計算機輔助設計及制造)技術(shù)產(chǎn)生于本世 50 年代后期發(fā)達 國 家的航空和軍事工業(yè)中，隨著(zhù)計算機軟硬件技術(shù)和計算機圖形學(xué)技術(shù)的 發(fā)展 而迅速成長(cháng)起來(lái)。CAD/CAM 在機械制造行業(yè)的應用最早，也最為廣泛。采用 CAD 技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)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(shí)現設計自動(dòng)化，降低產(chǎn)品的成本，提高企業(yè)及其產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競 爭能力；還可以使企業(yè)由原來(lái)的串行式作業(yè)轉變?yōu)椴⑿凶鳂I(yè)，建立一種全新 的設計和生產(chǎn) 技術(shù)管理體制，縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。如今 世界各大航空、航天及汽車(chē)等制造業(yè)巨頭不但廣泛采用 CAD/CAM 技術(shù)進(jìn)行產(chǎn) 品設計，而且投入大量的人力物力及資金進(jìn)行 CAD/CAM 軟件的開(kāi)發(fā)， 以保 持自己技術(shù)上的領(lǐng)先地位和國際市場(chǎng)上的優(yōu)勢。
CAD 技術(shù)是一項綜合性的，集計算機圖形學(xué)、數據庫、網(wǎng)絡(luò )通訊等計算 機及其他領(lǐng)域知識于一體的高新技術(shù)；是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分； 也 是提高設計水平、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、增強行業(yè)競爭能力的一項 關(guān) 鍵 技術(shù)。 CAD 技術(shù)的特點(diǎn)是涉及面廣而復雜、 技術(shù)變化快、競爭激烈，而且投 資大、 風(fēng)險高、產(chǎn)出高�，F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(kāi)發(fā)周期長(cháng)，難以及時(shí)跟上硬件平臺和開(kāi)發(fā)環(huán)境的迅速 發(fā)展，以及廣大用戶(hù)需求的變化和不斷增長(cháng)的要求。
CAD/CAM 技術(shù)的廣泛應用大大減輕了設計者的勞動(dòng)強度，改善了他們的工作環(huán)境和條件，提高了產(chǎn)品的設計質(zhì)量，極大的提高了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和設計
效率，縮短了新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。CAD/CAM 技術(shù)徹底改變了傳統的產(chǎn)品設計 方式，使設計人員的智慧和能力得到充分的發(fā)揮，CAD/CAM 技術(shù)的發(fā)展與應 用水平已成為和衡量一個(gè)國家的科學(xué)技術(shù)現代化和工業(yè)現代化的重要標志。 我國的 CAD/CAM 技術(shù)的研究和應用起步較晚，從八十年代才逐步開(kāi)始， 但是發(fā)展的非�？�，特別是進(jìn)入九十以后得到迅速的發(fā)展，CAD/CAM 技術(shù)在 我國的航空、航天、造船、機械、汽車(chē)等領(lǐng)域得到較廣泛的應用，一些國產(chǎn) 的優(yōu)秀 CAD 軟件也應運而生，但是我國 CAD/CAM 技術(shù)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(chē)等機械產(chǎn)品在國際市
場(chǎng)競爭力，CAD 技術(shù)的研究和應用是關(guān)鍵。
產(chǎn)品設計人員可以利用 CAD 技術(shù)在計算機中生成產(chǎn)品的真實(shí)實(shí)體幾何 模型，在計算機屏幕上隨意的旋轉設計模型，從各個(gè)角度觀(guān)察產(chǎn)品的形狀， 不斷的對產(chǎn)品進(jìn)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(shí)進(jìn)行強度、剛度等各種分析，來(lái)幫助和指導設計人員得到 合理的、最優(yōu)的設計方案；虛擬裝配、加工仿真、運動(dòng)分析等 CAD 技術(shù)的 發(fā)展使得 CAD 技術(shù)實(shí)質(zhì)得以充分體現，即輔助設計人員進(jìn)行產(chǎn)品設計，而 不是簡(jiǎn)單的繪圖代替紙筆。CAD 軟件主要是幫助產(chǎn)品設計人員完成數值型的 工作，也就是說(shuō)完成計算、分析、繪圖等功能，設計活動(dòng)中存在的最關(guān)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(lài)于設計人員的知識和專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗，是現有 CAD 軟件無(wú)法滿(mǎn)足的。因此 將人工智能技術(shù)，特別是專(zhuān)家系統的技術(shù)與現有的、傳統的 CAD 技術(shù)相結 合開(kāi)發(fā)一些專(zhuān)用的 CAD 軟件和程序模塊是今后 CAD 發(fā)展的必然趨勢[2]。
CAD 系統的智能化可以將領(lǐng)域設計專(zhuān)家的知識和經(jīng)驗與 CAD 技術(shù)結合 在一起，這既有利于充分發(fā)揮 CAD 技術(shù)在專(zhuān)業(yè)設計領(lǐng)域的作用，又能將工 程設計專(zhuān)家多年的、寶貴的設計經(jīng)驗充分的保存下來(lái)，為其他設計人員所參 考，這樣一個(gè)經(jīng)驗不很豐富的設計人員可以借助智能 CAD 系統在領(lǐng)域專(zhuān)家 知識的指導下高效率、高質(zhì)量的完成設計任務(wù)。
任何產(chǎn)品的設計，都被包容在 CAD 的覆蓋范圍內。但任何專(zhuān)業(yè) CAD 廠(chǎng)商 都永遠不可能滿(mǎn)足所有客戶(hù)的一切設計需求。所以 CAD 系統必須作成開(kāi)放式， 為廣大用戶(hù)的二次開(kāi)發(fā)提供一切方便。CAD 軟件又應該使各類(lèi)用戶(hù)所設計的 對象都產(chǎn)生統一的數據文件存儲格式，保證不同廠(chǎng)商的 CAD 文檔可以相互兼 容，實(shí)現資源共享，達到無(wú)縫集成。
一個(gè)公司對 CAD 系統的應用必然要經(jīng)歷以下過(guò)程：軟硬件的購買(mǎi)、CAD 軟件在產(chǎn)品設計中的逐步應用、結合公司需要對 CAD 軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)、 用于 CAM/CAE 方面。根據公司設計的需要，結合專(zhuān)業(yè)知識和領(lǐng)域專(zhuān)家的經(jīng)驗開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的 CAD 模塊，可大大減少產(chǎn)品設計中不必要的重復性勞動(dòng)，提高產(chǎn)品的設計質(zhì)量，縮短新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和設計周期。CAD 軟件的二次開(kāi)發(fā)可 有效的克服通用 CAD 軟件在專(zhuān)業(yè)設計領(lǐng)域的不足和局限性，有利于充分發(fā)
揮 CAD 軟件的輔助作用。所以一個(gè)公司需全面的開(kāi)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(shí)際需要，進(jìn)行程度不同的用戶(hù)
化、本地化的二次開(kāi)發(fā)，建立專(zhuān)業(yè)設計系統和數據庫，形成具有本公司特色 的產(chǎn)品設計 CAD 系統。
CAD 要求集成，一方面從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)全生命期看，要求產(chǎn)品設計與分析計 算（CAE）、工藝規劃（CAPP）、數控加工（NC）、質(zhì)量控制（CAQ）、技術(shù)服務(wù)、 備件供應、訂貨管理、生產(chǎn)計劃管理等緊密銜接，實(shí)現產(chǎn)品設計制造管理一 體化；另一方面從行業(yè)間的關(guān)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(fēng)、機械制造、微電子技術(shù) 等溝通，同樣要求跨行業(yè)的應用軟件一體化。
1.1.2 CAD 技術(shù)在汽車(chē)開(kāi)發(fā)中的應用
CAD 技術(shù)首先在航空、航天領(lǐng)域得到廣泛應用，而后開(kāi)始逐漸應用于汽 車(chē)領(lǐng)域。1959 年 GM 汽車(chē)公司的 DAC-1（Design Augmented Computer）項目 標志著(zhù) CAD 技術(shù)在汽車(chē)行業(yè)應用的開(kāi)始。CAD 技術(shù)給使用者帶來(lái)了巨大的 好處及頗豐的收益，汽車(chē)工業(yè)開(kāi)始大量采用 CAD 技術(shù)。80 年代初，幾乎全 世界所有的汽車(chē)工業(yè)和航空工業(yè)都購買(mǎi)過(guò)相當數量的 CATIA，其結果是 CATIA 躍居制造業(yè) CAD 軟件榜首，并且保持了許多年。最近幾年，從造型 理論上來(lái)說(shuō)，CATIA 并沒(méi)有突破性的進(jìn)展，其 CAD 技術(shù)本身已相對落后。
但 CATIA 除了給用戶(hù)提供豐富的交互曲線(xiàn)、曲面造型、擬合功能外，還給用 戶(hù)提供了二次開(kāi)發(fā)工具，無(wú)疑給用戶(hù)帶來(lái)了極大的方便[3]。
經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀的發(fā)展，CAD 技術(shù)在國外汽車(chē)行業(yè)得到廣泛而成熟的應 用。各汽車(chē)公司不僅擁有非常好的 CAD 軟硬件條件，而且還有高素質(zhì) CAD 設計隊伍，很好的將各公司多年的汽車(chē)設計理論、經(jīng)驗和 CAD 技術(shù)相結合， 成功的用于其新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和設計，CAD 技術(shù)的廣泛應用極大的縮短了新車(chē) 型的開(kāi)發(fā)周期。
國外各汽車(chē)公司不僅在汽車(chē)設計和 CAD 應用方面積累了豐富的經(jīng)驗，
而且還結合專(zhuān)業(yè)知識和專(zhuān)家經(jīng)驗對 CAD 軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，克服通用 CAD 軟件在汽車(chē)設計方面的局限性，開(kāi)發(fā)適合公司內部設計需要的智能 CAD 專(zhuān) 業(yè)模塊，幫助其產(chǎn)品設計人員快速的開(kāi)發(fā)和設計出更好的產(chǎn)品，以求在市場(chǎng)競爭中處于有利地位。例如：美國 Ford 汽車(chē)公司專(zhuān)門(mén)成立 CAD 軟件的二次
開(kāi)發(fā)隊伍結合公司需要開(kāi)發(fā)一些汽車(chē)設計軟件；法國雷諾公司在 EUCLID 上開(kāi) 發(fā)了適合汽車(chē)工業(yè)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(chē)公司與美國 PTC 軟件公司合作在 Pro/E 軟件的基礎上開(kāi)發(fā)的汽車(chē)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�？梢哉f(shuō)我國汽車(chē)行業(yè) CAD 軟硬件的條件是相當 不錯的，經(jīng)過(guò)十多年努力，CAD 技術(shù)在我國汽車(chē)行業(yè)的應用已取得很大的進(jìn) 步，而且一些大學(xué)和科研機構在通用的 CAD/CAM 軟件基礎上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā) 專(zhuān)業(yè)模塊�，F在各國制造企業(yè)均紛紛采用各種新實(shí)現、新方法、新技術(shù)來(lái)改
進(jìn)自己的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式，力圖使企業(yè)及其產(chǎn)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(shù)是用最簡(jiǎn)單、方便的操作來(lái)生成產(chǎn)品幾何形狀的精確數 字定義并且實(shí)時(shí)顯示其真實(shí)感圖形。飛機、汽車(chē)的外形復雜，零、部件間的 配合要求高，因此 CAD 技術(shù)的研究和軟件開(kāi)發(fā)首先是從飛機和汽車(chē)行業(yè)發(fā)展 起來(lái)的。CAD 軟件產(chǎn)業(yè)的茁壯成長(cháng)取決于五大要素：應用需求、技術(shù)積累、 資金投入、隊伍素質(zhì)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(chǎn)業(yè)的成功率看，法國居榜首。我國國民經(jīng)濟得到持 續健康穩定的發(fā)展，尤其汽車(chē)產(chǎn)業(yè)在我國獲得了蓬勃的發(fā)展，為 CAD 技術(shù)的 研究和軟件開(kāi)發(fā)創(chuàng )造了良好的條件。
我國汽車(chē)行業(yè)經(jīng)過(guò)十多年努力和發(fā)展，CAD 技術(shù)、專(zhuān)家系統、知識庫技 術(shù)等新興技術(shù)在我國汽車(chē)行業(yè)的應用已取得很大的進(jìn)步，而且一些大學(xué)和科 研機構也在獨立地或與汽車(chē)公司合作開(kāi)發(fā)一些在通用的 CAD 軟件基礎上的 汽車(chē)設計專(zhuān)業(yè)模塊，例如：吉林大學(xué)的福特—中國研究與發(fā)展基金項目組率 先探索 KBE 在汽車(chē)行業(yè)中的應用，在通用 CAD 軟件的基礎上開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的汽 車(chē)專(zhuān)業(yè)設計模塊；同濟大學(xué)在 UG 平臺上開(kāi)發(fā)汽車(chē)總體設計專(zhuān)家系統等等[5]。 但是由于我國 CAD 技術(shù)起步較晚，加上現有通用 CAD 軟件的專(zhuān)用性較差， CAD 技術(shù)的應用與國外汽車(chē)公司相比還有很大的差距，國內各汽車(chē)公司普遍 存在 CAD 軟件利用率低，設計效率低下的問(wèn)題。加大 CAD 軟件在汽車(chē)開(kāi)發(fā) 中的應用力度，并且結合汽車(chē)設計的專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗開(kāi)發(fā)一些通用 CAD 軟件平臺 上的面向汽車(chē)設計的專(zhuān)業(yè)模塊以幫助設計人員提高產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率和質(zhì)量，
是縮短我國與國外汽車(chē)設計水平的差距，早日實(shí)現我國轎車(chē)自主開(kāi)發(fā)能力的
有效措施之一。
從 CAD/CAM 的技術(shù)發(fā)展史，需強調一個(gè)觀(guān)點(diǎn)：國外在成熟的市場(chǎng)經(jīng)濟 機制下，一切研究開(kāi)發(fā)項目決不草率上馬，都有明確的應用目標和周密的技 術(shù)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(jìn)。國外有一條規則，凡是能從市場(chǎng)上買(mǎi)到的，決不自己從頭做起，外購 一定比自制合算。同時(shí)賣(mài)方也懂得這個(gè)道理，必須合理定價(jià)，互通有無(wú)，決 不能奇貨可居，將別人拒之門(mén)外。CAD 源程序雖然珍貴，但同樣是商品，只 是定價(jià)更高而己。美國有規定，軟件的源程序改動(dòng)量超過(guò) 20%，就是新軟件， 不叫抄襲，鼓勵在繼承中創(chuàng )新，不贊成重復做虛功，白白浪費人力、物力資 源。一個(gè)項目失敗了，并不稀奇，技術(shù)創(chuàng )新允許失敗。但是即使一個(gè)軟件系 統整體上失敗了，也要從中提取有用部分，創(chuàng )造新的商機。
軟件開(kāi)發(fā)中必須將各個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的傳統設計方法轉化成計算機上的操 作，將原來(lái)的專(zhuān)業(yè)設計知識和經(jīng)驗體現為軟件代碼，使得應用人員在新的工 作環(huán)境中感到計算機得心應手，善解人意，這就需要開(kāi)發(fā)人員與應用人員共 同經(jīng)歷一個(gè)長(cháng)時(shí)間的磨合過(guò)程，不斷修改程序，不斷排除錯誤。
有效的二次開(kāi)發(fā)是 CAD/CAM 發(fā)揮效能的關(guān)鍵環(huán)節，二次開(kāi)發(fā)具有以下兩
個(gè)主要特點(diǎn)： 一、于二次平臺 二、向領(lǐng)域專(zhuān)家
因此，二次開(kāi)發(fā)應以工程設計的理論和實(shí)踐為基礎，以軟件工程理論為
指導，面向具體產(chǎn)品的實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行開(kāi)發(fā)[6]。
隨著(zhù) CAD 的進(jìn)一步發(fā)展，單純通過(guò)關(guān)系數據庫，或者采用 CAD 數據庫、 工程數據庫已無(wú)法滿(mǎn)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(lái)支撐 CAD 發(fā)展中提出的新的要求，目前來(lái)說(shuō)，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(lǐng)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(fā)展所提出的要求用 知識形式表示，為 CAD 處理各種復雜的問(wèn)題和滿(mǎn)足各種特殊要提供了可能。 支持智能 CAD 的實(shí)現。產(chǎn)品設計是一個(gè)復雜的過(guò)程，需要設計師/專(zhuān)家 以其專(zhuān)門(mén)的知識和經(jīng)驗為依據，經(jīng)過(guò)分析、計算、綜合等多個(gè)步驟才能完成。 因此從人工智能的角度，計算機輔助設計實(shí)際上是一個(gè)由計算機系統輔助設 計師進(jìn)行設計并加以實(shí)現的“專(zhuān)家系統”，因而大量引入專(zhuān)家系統的實(shí)現、方
法與工具，來(lái)構成智能 CAD。
在智能 CAD 中，產(chǎn)品設計的實(shí)現、方法是用知識形式表示，而產(chǎn)品設
的過(guò)程這是一個(gè)問(wèn)題求解過(guò)程，最后的設計結果就是求解目標。
用知識庫作為智能 CAD 開(kāi)發(fā)環(huán)境無(wú)疑是比較合適的。在知識庫中，產(chǎn)品 設計中有關(guān)的知識可以用事實(shí)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(guān)系，如表 1-1。產(chǎn)品的設計過(guò)程既是知識庫中知識的推 理過(guò)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(guān)系
智能 CAD 知識庫
設計知識
設計過(guò)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(kāi)發(fā)特點(diǎn)及其開(kāi)發(fā)過(guò)程
開(kāi)發(fā)知識庫系統的應用，主要有以下特點(diǎn)：
⑴． 將應用對象看成是一個(gè)知識處理系統；
⑵． 從應用對象中抽取已有的知識（包括事實(shí)與規則）；
⑶． 將應用對象中的處理用知識推理來(lái)表示。 知識庫系統的開(kāi)發(fā)過(guò)程：
⑴． 選擇一個(gè)知識庫系統；
⑵． 建立若干實(shí)關(guān)系構成外延數據庫，建立若干虛關(guān)系以及推理 規則以構成內涵數據庫。
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