自主知识产权三维CAD软件——CAXA实体设计在工程机械行业的推广
前言
“九五”以来，在青藏铁路、西气东输、西部大开发和城市化建设等工程的带动下，工程机械行业的规模连续增长，到2002年已成为国内机械工业中第4大的行业（按销售收入计算），仅次于电工电器、汽车和石化通用机械；在世界同行业中，也已排到第4位，位于美国、日本、德国之后。以三维CAD为核心的现代集成制造技术的推广应用，对于进一步提升我国工程机械行业的整体竞争力将产生积极的促进作用和深刻的影响。实际上，在工程机械行业中推广计算机集成制造技术，用信息技术改造落后的技术和工艺，已有10余年的历史，目前部分工程机械企业已经采用了国外的三维CAD软件（如Pro/E、Solidworks、SolidEdge等），但是因为多种因素的作用，普遍应用效果不明显，对于企业的投资来说没有充分发挥作用。在这种局面下，如何推广自主知识版权的三维CAD软件，帮助企业掌握好、使用好，产生价值，发挥投资效应，是一个牵涉到软件开发、市场宣传、服务支持、应用培训等方方面面复杂的系统工程。为做好自主知识产权三维CAD软件的推广，CAXA选择工程机械行业的部分企业做了应用验证的示范，以期为下一步广泛开展行业推广做出有益的探索。经过应用验证表明，CAXA实体设计作为自主知识产权三维CAD软件的代表，能够很好地支持产品创新设计和工程设计，符合工程机械行业产品设计需求，有助于缩短企业新产品开发周期，提高工程设计效率，进一步提升中国工程机械企业的核心竞争力（见附件1-863计划工程机械行业CIMS课题三维CAD应用验证评审意见）。
1、工程机械行业分析
我国工程机械市场现在正处于一个快速发展的起始阶段，自上世纪90年代以来已经历了繁荣（1991年1月至1993年12月）、萧条（1994年1月至1996年12月）、复苏（1997年1月至1999年12月）、井喷（2001年至2005年）四个阶段，目前已进入了另一个景气周期，再次进入繁荣阶段。从各方面情况来看，我国工程机械行业面临着前所未有的高速发展和产业结构调整的“黄金时期”：
第一，实施“十五”规划为工程机械行业的繁荣奠定了基础。
第二，资本市场的发展和民营企业的介入，将为工程机械行业的重组和并购提供动力。
第三，国际市场的变迁和技术转移，将为我国工程机械企业参与国际化分工和竞争提供极大机遇。
虽然依靠国家基础建设投资需求拉动，工程机械企业有着良好的生存环境，但是由于国际上工程机械生产厂商对国内市场投入会加大，民营企业进入加快，行业内竞争仍将非常激烈，一些共性的问题仍将制约着企业核心竞争力的形成。概括来说，目前我国工程机械企业普遍存在的问题有：
●产品质量与世界水平差距较大，可靠性低，比较优势不明显
●自主研发能力差，专业化配套和规模化生产程度低
●管理机制落后，市场响应速度慢
●工艺技术水平落后，属于劳动密集型生产方式
我国加入WTO以后，发达国家的先进技术、管理及资金必然要进入中国市场，行业的竞争将加剧，同时，国家对工程建筑机械行业实行进口配额许可证的产品都要在规定期限内逐步取消，质量与国外产品差距较大或价格高于国际市场的商品，将面临进口商品的巨大竞争压力。从总的发展趋势看，将促进我国工程机械产品技术的创新，加快工程机械行业的产业结构调整、产品结构调整和企业经营机制的转换，把企业进一步推向市场，以尽快适应国际经济环境的运作方式，提高企业的自身素质。
从宏观角度来看，根据国内外制造业的发展趋势分析，世界工程机械行业乃至中国的工程机械行业，将呈现以下几方面的变化：
●外源制造。目前，国际工程机械制造企业正在向组装外包零部件的方向发展，越来越多的公司成为设备的组装厂——而不是制造商，向专业制造商分包关键零部件，包括发动机、传动系统和轴桥、液压系统等几大系统，整机厂商主要将精力放在质量、技术开发能力和价格。这种巨大变化反映到信息系统上就是要借助以CAD技术及其产生BOM表，统一规范和控制由众多供应链上的厂商制造产品的生产数据。其中难点是工程更改的管理，尤其是产品设计数据已分发到许多外源制造协作厂家，如何及时通讯和准确分解所发生的问题是最为困难的。
●新产品的快速增长。近年来，工程机械的外观更注重美学设计，车身的流线设计，达到了机器和环境的和谐；驾驶室的开阔视野，大大提高了机器作业的安全性和舒适性。这些人性化的设计，一改工程机械产品外形粗放、笨重的形象，更好地促进了产品的销售，但是也给工程机械新产品的设计带来了新的难题。工程技术人员在设计阶段不但要考虑并保证产品的作业功能，还需要和营销人员更多的沟通和交流，以把握客户对产品外观、颜色及人机操作的需求。这也是造成工程机械产品生命周期由原先的几年缩短为今天的1~2年甚至更短的原因之一。
●批量定制生产。为了适应这种生产模式，工程机械的主机厂应坚定不移地进行结构调整，改变大而全小而全的生产组织方式，将主要精力放在产品的开发、主机制造、装配、检测和试验方面，同时着力帮助围绕自己发展的零部件配套商的技术水平进步和产品质量的提高，给他们提供必要的设计改进图纸、专利和专有技术、生产制造专用工装和试验检测手段，进行必要的质量认证。而零部件厂必须整合规模，提高水平，改善内部结构，尽量以领先的高新技术产品支撑企业的发展，形成专业化生产，淘汰能耗大、效率低、质量差的落后产品，巩固提高现有优势产品的技术水平和可靠性，提高企业的核心竞争力。只有这样，才能使配套商与主机厂团结一致，唇齿相依，共同发展，形成与国外大公司抗衡的实力。
2、三维CAD技术提升工程机械企业竞争力的结合点
三维CAD作为产品全生命周期管理解决方案的核心构件，可以提供完整三维的产品模型数据，以适应不同应用的需求，如二维/三维关联绘图，可以根据需要将三维产品数据生成工程图纸；利用三维产品几何数据可以产生高度真实感照片，提供市场部门、客户、供应商使用；可以在互联网上(Internet)预览产品(3DViewer)；三维产品数据可以直接传递给制造部门进行数控加工编程；可以提供给专用程序进行有限元分析，三维产品数据可以输出至快速成型设备，制作样品等等。因此，三维CAD系统不仅具备零件设计功能，而且具有装配设计、图纸设计功能及与设计相关部分如标准件及各种专用零件库。借助计算机完成产品设计与制造的相关分析，如结构性分析、可装配性分析、干涉检验、物性计算等等,以保证制造实施可行性，利用三维CAD/CAM技术，可以降低产品开发风险，提高产品设计成功率；同时与Internet技术配合使用，可进行设计过程的协同。
三维CAD软件的应用，将满足工程机械企业小批量多品种的产品创新要求，为企业进一步引进PLM系统提升核心竞争力奠定良好基础。
3 、CAXA实体设计对工程机械企业的价值
工程机械与其他机械产品一样，可以将其设计过程分为明确任务、概念设计、技术设计和施工设计等四个阶段。概念设计是产品设计过程中的关键环节，指根据产品生命周期各个阶段的要求，进行产品功能创造、功能分解以及功能和子功能的结构设计；进行满足功能和结构要求的工作原理求解和进行实现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统化设计。技术设计主要是对产品的性能指标进行分配和计算，选择技术路线，在可靠性、工艺性和成本之间进行分析权衡，选择最优的实现方案。施工设计则是根据技术设计的方案，完成产品图样的绘制及相关技术文件的编制，为制造部门和营销部门提供数据输入和素材。CAXA实体设计作为一款具有自主知识产权的三维CAD软件，能在很大程度上满足工程机械产品设计全过程不同部门及不同人员的需求。在产品概念设计阶段，CAXA实体设计提供具有真实感的三维环境，通过快捷易用的产品三维建模工具，可在很段时间内完成产品的三维数字化模型的制作、渲染、运动仿真，从而提交给新产品设计的领导小组及意向客户审核，予以确定初步方案。在技术设计阶段，CAXA实体设计提供多组设计人员同步运行的工程作业环境，可支持产品研制过程中的流程并行和项目协同，为营销部门、设计部门、工艺部门和采购部门之间的沟通交流提供很大的便利。在施工设计阶段，CAXA实体设计无缝集成的电子图板可以完全满足企业从三维模型向二维图纸转化的要求，其中自带的国标图库及可随意扩充企业零部件库的功能，能有效保证企业技术人员设计图纸的一致性，为标准化审查阶段的完整性审查、正确性审查和统一性审查创造高效便利。同时，CAXA实体设计与CAXA工艺图表、CAXA工艺图表汇总表、CAXA制造工程师、CAXA协同管理等工艺类、制造类和管理类软件还能构建出完整的产品创新与协同管理解决方案，为产品设计完成之后的工艺计划编制、生产制造管理、精密零部件的柔性加工提供完全无缝集成的统一环境。
CAXA实体设计软件突出的优点是易学易用、数据接口强大，在很多方面已经超出传统三维CAD的功能，并且充分考虑到国内企业CAD应用的现状，使企业以前的投资能够得到保护，逐渐过度到新的信息系统和技术环境中，形成后发优势和可持续发展能力。
4、 CAXA实体设计工程机械行业应用实施方案
根据国内工程机械企业CAD应用现状，针对企业产品设计、制造和销售中存在的问题，我们提出三维CAD应用验证包括以下内容，基本覆盖了工程机械企业应用三维CAD所涉及到的需求：
1.零部件快捷三维建模；
2.标准件库的调用；
3.零部件装配，机构的干涉检查及运动模拟；
4.三维图向工程图纸的转化，技术图纸的打印输出；
5.技术文件的输出（零部件报表的生成，及图纸管理）；
6.企业产品零件库的建设，维护、管理；
7.装配过程的操作性，装配后期修改的灵活性验证；
8.零部件的渲染及工作过程动画演示，及产品说明书、图册等编制上的运用；
9.车间生产线装配过程演示；
10.与工艺部门的数据传输和集成。
考虑到三维CAD在工程机械企业的应用已经不是新鲜事物，而应用好坏除了软件本身的功能以外，还与企业重视与投入、软件供应商的培训与服务、实施应用的过程管理等各方面有关系。因此，我们还提出了CAXA实体设计软件在企业应用过程中按表1的步骤实施。
5、CAXA实体设计在工程机械企业的应用验证结果
按照应用验证项目内容，选择了天津鼎盛工程机械有限公司、西安筑路机械有限公司、广西玉柴工程机械有限责任公司、泰安起重机械厂作为应用验证实施单位。天津鼎盛工程机械有限公司主要应用验证产品三维建模和工程设计部分，广西玉柴工程机械有限责任公司主要应用验证CAXA实体设计在产品研制全过程与其他软件的衔接和数据转换，泰安起重机械厂主要应用验证利用CAXA实体设计产品建模和工程设计完成后与工艺部门的协同，西安筑路机械有限公司主要应用验证对企业原有国外三维CAD软件形成的产品模型的数据转换和产品装配的数字化过程。
天津鼎盛工程机械有限公司选择LX2000铣刨机传动及工作装置系统对CAXA实体设计软件做了应用验证。LX2000铣刨机是鼎盛公司承担的国家科技部重点项目，也是2003年公司重点新产品之一。铣刨机传动系统及工作装置为整机的关键部件，负责传递发动机功率，实现工作装置即铣刨转子驱动及为整机液压系统提供动力的液压泵驱动。发动机动力经一多头动力输出的分动箱（MPD）将动力分别传递至多个液压泵及液压控制离合器，离合器通过带传动驱动铣刨总成进行工作。系统共3个部件（传动系统、铣刨总成、罩壳总成），共138个零件。应用实施结果表明，CAXA实体设计能把设计步骤减到最少，节约设计意图的表达时间，让设计者将精力集中在设计过程，而CAXA实体设计内含丰富的三维工具模块并集成符合国家标准的标准件库，比较贴合工程机械企业产品设计的要求，具有较高的运行速度和灵活的操作性，双向式图库管理功能允许企业设计人员创建自己的零部件库，对于企业知识重用和工程经验的继承具有重要意义。
广西玉柴工程机械有限责任公司从2002年4月起开始引进CAXA的技术创新设计软件，经过培训，设计人员很快能应用CAXA实体设计软件进行产品设计，到目前为止，该公司已成功应用CAXA实体软件设计了YC50液压挖掘机和YC135液压挖掘机两个新产品，产品研制的效率提高了3倍，由以前的5个月减少为1个半月。应用了CAXA实体设计软件后，开发YC50液压挖掘机和YC135液压挖掘机时，产品一次试制就成功了。第三，使用CAXA技术创新软件的高级渲染功能在产品技术设计阶段就可绘出具有照片级真实感的产品效果图，这样在产品投产前就可以向领导、客户和经销商介绍产品，推广产品，避免了过去等样机制造出来后才推广的弊端，加快了新产品的市场拓展时间。
泰安起重机械厂是国家定点生产汽车起重机的专业厂，主要从事于工程机械、建筑机械、特种车辆、起重工具等产品的研制、开发、生产，产品已达五大类三种系列二十五个品种，已具备生产1000台汽车起重机，300台特种车辆，100台混凝土输送泵，4万米液压油缸，25000台手拉葫芦的生产规模。技术中心全面采用计算机的辅助设计，具有完善的产品与工艺技术开发体系。泰安起重机械厂购买CAXA实体设计软件后，选定Q3-06清障车吊臂作为应用验证项目，应用验证的项目包括智能化创建零件，智能化的钣金设计，零件的装配，生成二维图纸，零件渲染，零件动画制作。在CAXA实体设计生成二维图纸后，利用CAXA的工艺图表和工艺汇总表进行工艺设计。泰安起重机厂存在的问题包括：产品种类多，批量不大，结构复杂，质量要求高；产品开发程序要求严格，特别是对军品的工艺要求更高；产品间的借用件较多，导致了工艺文件管理困难。通过CAXA实体设计与CAXA工艺图表的结合，很好地解决了从设计部门到工艺的部门的产品设计过程协同问题，加强了工艺设计的能力。
后记
从天津鼎盛工程机械有限公司、西安筑路机械有限公司、广西玉柴工程机械有限责任公司、泰安起重机械厂等企业应用示范来看，自主知识版权三维CAD软件与国外软件相比具有多方面的优势：1.专门根据企业实际需求开发，在易学易用、性价比上具有优势；2.软件与服务供应商长期的本土化服务经验，在响应客户需求，帮助客户解决问题方面具有优势；3.基于自主知识产权的核心技术与整合能力，采用最先进的组件和构件，CAD/CAM/CAPP一体化程度高，可支持不同用户不同层次的服务需要，在满足客户的个性话化应用需求方面具有很强的灵活性。当然，因为推广时间短、市场影响有限的原因，作为自主知识版权三维CAD软件的开发商，还需要在增强与客户沟通、提高品牌知名度、提供增殖服务能力几方面加大投入，才能真正成为服务于“中国制造”的信息化产业的主力军。
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