面向大型制造企業的云CAD系統應用集成研究

陸 斌，劉 昱

（中車工業研究院有限公司，北京 100161)

0 引言

CAD（計算機輔助設計）技術作為杰出的工程技術成就，已廣泛地應用于工程設計的各個領域。經過50余年的發展，目前CAD技術已日趨成熟，形成了以Catia、NX、Creo、SolidWorks等為代表的主流CAD軟件。近年來，隨著互聯網、云計算技術的突飛猛進，CAD向著網絡化、協同化的方向快速發展，云CAD軟件逐漸映入人們的眼簾[1，2]。使用云CAD軟件，人們不再需要安裝龐大的桌面CAD軟件，只需打開Web瀏覽器就能夠實現產品模型的搭建及圖紙的繪制，并調用云端強大的計算能力和充足的存儲空間。然而，云CAD，尤其是全在線三維CAD作為近幾年剛剛出現的新生事物，功能還在逐漸完善，且幾乎沒有在大型制造企業實際應用的案例，云CAD是否能夠替代傳統桌面CAD軟件開展復雜的機械產品設計還有待驗證。同時，大型制造企業信息系統繁多、業務流程復雜，如何將云CAD與企業的既有信息系統集成，并將其融入企業的產品設計流程是各企業在應用云CAD時所面臨的共性問題。本文在回顧云CAD發展并分析其特點的基礎上，分析了企業在利用云CAD與桌面CAD軟件開展協同設計時的區別，并提出了一種云CAD在大型制造企業應用時的系統集成架構和業務流程定義，進而對云CAD的應用前景進行了展望。

1 云CAD的發展

1.1 云計算技術在CAD軟件中的應用

云計算是一種基于互聯網的計算新模式，通過云計算平臺把大量的高度虛擬化的計算資源管理起來，組成一個大的資源池，用來統一提供服務，通過互聯網上異構、自治的服務形式為個人和企業用戶提供按需隨時獲取的計算服務[3]。其核心特點是，計算資源被動態地有效分配，用戶能夠最大限度地使用計算資源，同時又無需管理復雜的底層技術[4]。云計算的具體應用模式主要有軟件即服務（SaaS）、平臺即服務（PaaS）和基礎設施即服務（IaaS）。

把云計算技術應用到CAD中，就是將部分軟件和信息資源放置到云端，用戶可根據需要自主選擇相應的軟件服務[5]。其實現形式有以下幾種：其一是將CAD軟件的部分非核心或復雜計算放到云端，這樣做的好處是企業和CAD設計師不再需要配備高性能的圖形工作站，同時又能利用云端海量的計算資源，大幅度提升CAD軟件的計算能力；其二是在CAD軟件中內嵌云存儲功能，將設計文檔和配置文件等存儲在云端并進行管理和共享，從而有效提升協同設計的效率，同時也讓移動辦公變得更加容易；此外，隨著CAD技術和互聯網環境的不斷進步，有些CAD廠商嘗試將整個CAD軟件放到云端，使用戶在本地不安裝任何客戶端的情況下，直接通過網頁來使用CAD軟件的全部功能，實現CAD的SaaS服務，即云CAD。

1.2 云CAD的發展歷程

正是由于云計算理念所帶來的各項便利，各大主流CAD廠商均在積極試水這項技術[6]。歐特克（Autodesk）公司作為這一領域的先行者，自2000年左右開始，陸續推出包括AutoCAD WS、Buzzsaw、AutoCAD 360在內的20余種云產品和服務，實現了CAD圖紙的在線查看、在線設計、在線數據管理等功能。達索系統公司于2012年推出基于云的業務平臺——3DEXPERIENCE，在云端整合了面向創意、設計、仿真、制造等過程的多款應用，并實現了數據模型的統一。PTC公司于2013年推出針對Creo的虛擬化應用。然而，在全在線三維CAD方面，由于其技術架構與傳統桌面CAD軟件完全不同，各大主流CAD廠商截止目前均未推出成熟的市場化產品。

于2015年3月11日開放公測的Onshape軟件是目前市場上較成熟的一款全在線三維CAD云平臺。其具備專業的三維CAD軟件功能，能夠建立復雜的零件、組件模型以及工程圖紙；同時，它也是一套全云端的系統，即用戶不需要下載或安裝任何軟件或證書，只需將電腦、手機或平板電腦等終端設備接入網絡，并使用賬號密碼登錄平臺，即可使用軟件的全部功能。

2 云CAD的特征

2.1 快速靈活部署

云CAD的一大優勢就是軟件部署的靈活性。傳統的桌面CAD軟件需要安裝在設計師的個人電腦上，而云CAD軟件無需安裝任何客戶端，就可以通過網頁瀏覽器使用其全部功能。由于所有的升級都在云端完成，可以確保用戶隨時使用的都是軟件的最新版本，避免了設計師使用的軟件版本不同而帶來的兼容性問題。此外，由于絕大多數計算工作都在云端完成，云CAD軟件對本地計算機的性能要求相對較低。正是由于上述特點，當企業使用云CAD開展協同設計時，不需要為設計師購買昂貴的工作站并進行復雜的安裝和授權操作，只需開通賬號并分配權限就可以讓設計師快速投入工作，這有效降低了企業的設計成本、提升了管理效率。

2.2 避免文件傳輸

開展協同設計的過程中，CAD模型、圖紙、文檔等設計數據的傳輸和拷貝是阻礙設計效率進一步提升的主要問題之一。隨著全三維設計的推廣以及產品復雜度的不斷上升，產品模型的體量越來越大，其上傳和下載所需的時間也隨之增長。尤其是在開展異地協同設計時，由于傳輸帶寬的限制，數據上傳和下載的速度會成為限制協同設計效率的關鍵因素。而云CAD能夠很好的解決這一問題。由于所有設計文件與CAD軟件一同存儲在云端，本地不儲存文件副本，所以設計過程中無需進行上傳和下載操作。當需要將設計文件發送給其他人時，只需通過在線分享或者團隊內權限的配置即可實時完成，不需要文件的傳輸或復制。這能夠有效的緩解網絡帶寬的壓力，提升協同效率。

2.3 單一數據源管理

設計師本地不存儲設計文件副本同時也可以保證設計文件的一致性。團隊中的設計師均使用存儲在云端的同一套數據，并根據其權限和分工，訪問和編輯其中特定的部分。在開展協同設計時，任何人在任何地點所做的任何修改都可以被團隊中的其他人實時接收，從而保證了團隊中的每個設計師看到的文件隨時都是最新版本，這有效避免了由于版本不同所造成的設計沖突和由此帶來的重復勞動。此外，由于云CAD軟件會記錄用戶的每一步操作，所以在設計過程中不需要進行保存，當發現問題時可以返回到之前的任意一步，當完成特定里程碑節點時也可以建立獨立的文件版本，用于后續的參考和使用。

2.4 實時同步協同

云CAD與桌面CAD軟件最大的區別就是能夠顯著提升協同設計過程的實時性。首先，云CAD支持多人對同一個設計文檔進行同步編輯，即團隊內的多個設計師可以同時打開同一個裝配或零件開展設計，且所有操作都可以實時的讓團隊內的其他設計師看到。其次，由于對模型的每步操作都在云端完成，設計師能夠對團隊內其他人的設計過程進行實時跟蹤，這極大地方便了協同設計中設計意圖的交流。此外，通過版本管理技術，云CAD能夠實現對不同設計方案的有效管理，即多個設計師可以針對同一個設計文件創建不同的版本，獨立地開展并行設計，不用擔心文件的鎖定和覆蓋，設計完成后可以對不同的方案進行合并。

2.5 透明過程管理

使用云CAD開展協同設計的另一項好處就是能夠實現設計過程的全透明化管理。設計師的所有操作都在云端完成，因此協同設計過程的管理者能夠時刻掌握團隊和設計師的一舉一動，并對團隊的狀態和效率進行即時分析。同時，由于全部設計文檔都在云端存儲，并可以根據權限隨時查看，管理者可以對設計進程進行實時的跟蹤，從而保證設計的符合性。此外，管理者通過對設計師賬戶的訪問政策控制、文件所有權和共享策略的管理，能夠有效細化協同過程管控的顆粒度，從而提高設計效率。

3 云CAD集成應用架構

3.1 基于云CAD的協同設計模型

協同設計是隨著網絡技術和并行工程的發展而誕生的一種新的產品設計模式，它是計算機支持的協同工作的一個重要領域，是計算機輔助設計的必然發展方向，其發展也對CAD軟件提出了新的需求[7]。開展協同設計的主要意義在于通過構造協同環境，建立起統一的工作環境，提高設計人員間的協調配合與協同工作水平，使設計工作更具有全局性，實現設計數據的無障礙交換，保證設計數據的唯一性，消除因重復修改設計數據而產生的錯誤[8]。基于云CAD工具快速靈活部署、避免文件傳輸、單一數據源管理、實時同步協同和透明同步管理的特點，其能夠有效促進企業協同設計的開展。

大型制造企業通常通過CAD軟件及PLM（產品生命周期管理）系統開展產品協同設計。一個典型的基于桌面CAD軟件和PLM系統的協同設計模型如圖1(a)所示。設計師本地需要安裝CAD軟件和PLM客戶端，當開展協同設計時，首先需要通過PLM客戶端將設計文檔下載到本地，再通過CAD軟件進行編輯，隨后再通過PLM客戶端將設計成果上傳到服務器端，由服務器端的數據管理服務實現多個設計師設計成果間的共享與協同。這種協同模式的好處是CAD軟件和PLM客戶端能夠提供強大的數據操作和事務處理能力，但與此同時，設計文件需要在設計師本地的電腦上進行保存，并在客戶端和服務器端之間不斷地傳輸。

圖1 協同設計模式對比

而基于云CAD的協同設計模型如圖1(b)所示。不同的設計師直接通過瀏覽器調用服務器端的多個CAD建模服務，建模服務能夠直接編輯同樣存儲在服務器端的CAD文件。在這種協同設計模式中，設計師本地不需要安裝CAD軟件和PLM客戶端，也不存儲CAD文件的副本，本地與服務器端之間只需要傳輸操作指令及部分顯示數據。可以看到，基于云CAD的協同設計模式與傳統協同設計模式最大的區別是不需要PLM等額外系統的參與，僅使用云CAD軟件的文檔管理和版本控制功能就可以保證整個協同設計過程中設計數據的一致性。

3.2 基于云CAD的系統集成架構

大型制造企業通常會使用一系列信息化系統來開展產品數據的生命周期管理。典型的應用過程包括：1）產品工程設計階段，使用CAD軟件完成產品數據的搭建，并采用PLM系統對產品設計數據進行集中管理和統一審批；2）工藝設計規劃階段，使用CAPP（計算機輔助工藝過程）系統對工藝進行設計規劃；3）生產制造階段，使用MES（制造執行系統）系統、ERP（企業資源計劃）系統、倉庫管理等信息化系統對現場計劃排產、生產組織、資源管理與調度、以及物料配送等過程和數據進行管理和控制。

云CAD由于兼具部分PLM系統的功能，因此在系統集成架構上與桌面CAD軟件不同。同時，為保證與MES、ERP等其他信息系統的兼容性，需要保留企業當前PLM系統的部分功能。典型的基于云CAD軟件的系統集成架構如圖2所示。其中，云CAD系統需要針對企業需求進行定制開發，其既包含了桌面CAD軟件所具備的設計功能，還集成了傳統設計模式下，由PLM系統實現的項目數據管理和設計數據管理功能。而此時的PLM系統，主要用于管理產品全生命周期各個階段的業務數據，包括對市場(訂單)需求進行分解，并將分解后的設計研發需求傳遞至云CAD系統。產品項目的創建、設計師團隊的組建（項目負責人、主體成員）、各專業設計室設計任務的分解均在云CAD系統中完成。設計過程中產生的數據以及通過簽審的成果，包括三維模型、工程圖紙、技術文檔、產品結構等均在云CAD系統中進行管理，并通過數據鏈接的形式傳遞至PLM、MES、CAPP等其他信息系統，因此上述系統對產品數據僅有查看的權限。此外，針對產品仿真分析等需要模型文件的業務場景，云CAD系統可以直接導出仿真等業務所需的輕量化模型。

圖2 基于云CAD軟件的系統集成架構

3.3 基于云CAD的產品設計流程

基于大型制造企業的典型信息化系統及其與云CAD的集成架構，使用云CAD開展產品設計的流程如圖3所示。

圖3 基于云CAD的產品設計流程

其中：

1）產品需求階段：在PLM平臺中對合同訂單進行分解，制定形成設計研發需求。

2）設計研發階段：研發設計師在云CAD系統根據設計需求創建相應的產品項目、組建設計研發團隊并向各個專業科室分解設計任務，由專業科室設計師進行設計工作和設計數據的審簽。

3）設計仿真階段：在產品研發設計過程中，研發設計師提出設計仿真需求并利用相應的專業仿真工具對設計數據進行設計仿真分析。

4）工藝規劃設計：在合同訂單分解的同時，工藝設計師需要針對合同訂單內容進行前期進行工藝規劃和準備工作。當產品設計審簽通過后，由工藝設計師基于前期的工藝規劃和產品設計數據在CAPP系統進行工藝的詳細設計工作。

5）資源采購計劃：在合同訂單分解時，市場采購部門需要根據設計研發需求和交貨周期制定前期的資源采購計劃，并在產品設計審簽通過后，以及工藝設計審簽通過后，對前期采購計劃進行完善調整，并進行相應的資源采購。

6）生產計劃階段：生產管理部門在ERP系統根據合同訂單，以及采購計劃、研發設計計劃、工藝設計計劃，制定生產計劃。

7）生產制造階段：當產品設計研發、工藝設計，以及資源采購執行完成后，進行產品的試制和生產制造，并通過MES系統對生產制造的過程和數據進行管理。

8）設計變更過程：在產品工藝設計或生產制造過程中，當需要對設計數據進行變更時，則根據變更需求進行相應的會簽評審。通過后，則由研發設計師在云CAD系統中進行設計變更和審簽。對設計變更后，引起的工藝變更或資源采購計劃，以及生產計劃的變更則在相應的業務系統進行會簽處理。

4 云CAD應用展望

4.1 云CAD應用面臨的挑戰

云CAD軟件自身僅具備產品設計建模以及基礎的設計數據管理功能，若要在大型企業進行深入應用，并充分發揮云CAD軟件的優勢，需要針對企業的具體需求和業務場景進行定制開發，完善設計團隊的搭建、設計項目的管理、工作流程的審批、設計數據的分類管理、以及與企業各信息系統的集成接口等功能。

在設計功能和使用體驗方面，云CAD作為近幾年才出現的新事物，其功能還在逐步完善，部分設計功能尚不健全，同時由于其使用完全依賴于網絡環境，當網絡環境不佳，尤其是當云CAD軟件部署的服務器與用戶處在不同的地理位置時，其使用的流暢性會受到較大的影響。

此外，數據的安全性也是云CAD所面臨的一大挑戰，用戶的全部設計數據都存儲在云端，如何通過有效的手段保證這些數據不損壞、不丟失、不泄露將是使用云CAD軟件的企業和設計師團隊最大的擔憂。總之，桌面CAD軟件通過幾十年的發展，功能及應用模式已基本成熟，而云CAD軟件暫時還不能完全取代桌面CAD軟件的地位。

4.2 云CAD應用前景展望

基于云CAD在移動辦公、遠程查看、實時同步等方面的優勢，可深入挖掘其在設計、制造、銷售、采購、運維等產品全生命周期各個階段的應用價值。

例如，在市場營銷過程中，銷售人員可利用云CAD系統向潛在客戶在線展示產品三維模型、詳細技術指標、以及在整個研發、生產過程中的仿真分析和試驗測試報告，甚至利用云CAD系統快速構建客戶的典型業務模擬場景，并根據特點從產品庫中選擇產品數模導入至模擬場景進行模擬應用，為客戶的產品選型提供參考。

在加工制造過程中，可直接基于云CAD系統中的原始設計模型開展數控仿真，并在云端存儲數控程序文件以及相關的技術文檔（如刀軌清單），制造工程師可直接通過選取數控程序文件模板并指定新的加工參數形成用于數控加工的NC代碼，并直接傳輸至數控設備進行數控加工。

在運維服務過程中，可充分發揮云CAD異地協同的優勢，讓用戶可以直接登錄云CAD系統訪問產品設計、工藝、制造相關數據，查看產品維護保養手冊及運維知識庫，并與原廠專家取得直接聯系，提升現場問題的處理效率。同時，對于制造企業而言，能夠不斷收集產品運維知識，提升產品設計研發的質量。

5 結語

本文總結了云CAD的發展歷程及功能特點，提出了企業基于云CAD的協同設計模式、系統集成方式和產品設計流程。可以看到，云CAD相比于傳統桌面CAD軟件，在快速部署、數據管理、實時協同等方面具有顯著優勢，適合企業在開展協同設計時進行應用。同時，云CAD在大型制造企業應用時，需要對其設計和管理功能進行定制開發，實現云CAD與企業現有的信息系統的高度集成，并制定適合企業應用場景的業務流程規范。總之，云CAD會對企業的產品設計、制造、銷售、運維等業務帶來多方面的積極影響，隨著其不斷發展和完善，將具有廣泛的應用前景。