面向大型制造企业的云CAD系统应用集成研究

陆 斌，刘 昱

（中车工业研究院有限公司，北京 100161)

0 引言

CAD（计算机辅助设计）技术作为杰出的工程技术成就，已广泛地应用于工程设计的各个领域。经过50余年的发展，目前CAD技术已日趋成熟，形成了以Catia、NX、Creo、SolidWorks等为代表的主流CAD软件。近年来，随着互联网、云计算技术的突飞猛进，CAD向着网络化、协同化的方向快速发展，云CAD软件逐渐映入人们的眼帘[1，2]。使用云CAD软件，人们不再需要安装庞大的桌面CAD软件，只需打开Web浏览器就能够实现产品模型的搭建及图纸的绘制，并调用云端强大的计算能力和充足的存储空间。然而，云CAD，尤其是全在线三维CAD作为近几年刚刚出现的新生事物，功能还在逐渐完善，且几乎没有在大型制造企业实际应用的案例，云CAD是否能够替代传统桌面CAD软件开展复杂的机械产品设计还有待验证。同时，大型制造企业信息系统繁多、业务流程复杂，如何将云CAD与企业的既有信息系统集成，并将其融入企业的产品设计流程是各企业在应用云CAD时所面临的共性问题。本文在回顾云CAD发展并分析其特点的基础上，分析了企业在利用云CAD与桌面CAD软件开展协同设计时的区别，并提出了一种云CAD在大型制造企业应用时的系统集成架构和业务流程定义，进而对云CAD的应用前景进行了展望。

1 云CAD的发展

1.1 云计算技术在CAD软件中的应用

云计算是一种基于互联网的计算新模式，通过云计算平台把大量的高度虚拟化的计算资源管理起来，组成一个大的资源池，用来统一提供服务，通过互联网上异构、自治的服务形式为个人和企业用户提供按需随时获取的计算服务[3]。其核心特点是，计算资源被动态地有效分配，用户能够最大限度地使用计算资源，同时又无需管理复杂的底层技术[4]。云计算的具体应用模式主要有软件即服务（SaaS）、平台即服务（PaaS）和基础设施即服务（IaaS）。

把云计算技术应用到CAD中，就是将部分软件和信息资源放置到云端，用户可根据需要自主选择相应的软件服务[5]。其实现形式有以下几种：其一是将CAD软件的部分非核心或复杂计算放到云端，这样做的好处是企业和CAD设计师不再需要配备高性能的图形工作站，同时又能利用云端海量的计算资源，大幅度提升CAD软件的计算能力；其二是在CAD软件中内嵌云存储功能，将设计文档和配置文件等存储在云端并进行管理和共享，从而有效提升协同设计的效率，同时也让移动办公变得更加容易；此外，随着CAD技术和互联网环境的不断进步，有些CAD厂商尝试将整个CAD软件放到云端，使用户在本地不安装任何客户端的情况下，直接通过网页来使用CAD软件的全部功能，实现CAD的SaaS服务，即云CAD。

1.2 云CAD的发展历程

正是由于云计算理念所带来的各项便利，各大主流CAD厂商均在积极试水这项技术[6]。欧特克（Autodesk）公司作为这一领域的先行者，自2000年左右开始，陆续推出包括AutoCAD WS、Buzzsaw、AutoCAD 360在内的20余种云产品和服务，实现了CAD图纸的在线查看、在线设计、在线数据管理等功能。达索系统公司于2012年推出基于云的业务平台——3DEXPERIENCE，在云端整合了面向创意、设计、仿真、制造等过程的多款应用，并实现了数据模型的统一。PTC公司于2013年推出针对Creo的虚拟化应用。然而，在全在线三维CAD方面，由于其技术架构与传统桌面CAD软件完全不同，各大主流CAD厂商截止目前均未推出成熟的市场化产品。

于2015年3月11日开放公测的Onshape软件是目前市场上较成熟的一款全在线三维CAD云平台。其具备专业的三维CAD软件功能，能够建立复杂的零件、组件模型以及工程图纸；同时，它也是一套全云端的系统，即用户不需要下载或安装任何软件或证书，只需将电脑、手机或平板电脑等终端设备接入网络，并使用账号密码登录平台，即可使用软件的全部功能。

2 云CAD的特征

2.1 快速灵活部署

云CAD的一大优势就是软件部署的灵活性。传统的桌面CAD软件需要安装在设计师的个人电脑上，而云CAD软件无需安装任何客户端，就可以通过网页浏览器使用其全部功能。由于所有的升级都在云端完成，可以确保用户随时使用的都是软件的最新版本，避免了设计师使用的软件版本不同而带来的兼容性问题。此外，由于绝大多数计算工作都在云端完成，云CAD软件对本地计算机的性能要求相对较低。正是由于上述特点，当企业使用云CAD开展协同设计时，不需要为设计师购买昂贵的工作站并进行复杂的安装和授权操作，只需开通账号并分配权限就可以让设计师快速投入工作，这有效降低了企业的设计成本、提升了管理效率。

2.2 避免文件传输

开展协同设计的过程中，CAD模型、图纸、文档等设计数据的传输和拷贝是阻碍设计效率进一步提升的主要问题之一。随着全三维设计的推广以及产品复杂度的不断上升，产品模型的体量越来越大，其上传和下载所需的时间也随之增长。尤其是在开展异地协同设计时，由于传输带宽的限制，数据上传和下载的速度会成为限制协同设计效率的关键因素。而云CAD能够很好的解决这一问题。由于所有设计文件与CAD软件一同存储在云端，本地不储存文件副本，所以设计过程中无需进行上传和下载操作。当需要将设计文件发送给其他人时，只需通过在线分享或者团队内权限的配置即可实时完成，不需要文件的传输或复制。这能够有效的缓解网络带宽的压力，提升协同效率。

2.3 单一数据源管理

设计师本地不存储设计文件副本同时也可以保证设计文件的一致性。团队中的设计师均使用存储在云端的同一套数据，并根据其权限和分工，访问和编辑其中特定的部分。在开展协同设计时，任何人在任何地点所做的任何修改都可以被团队中的其他人实时接收，从而保证了团队中的每个设计师看到的文件随时都是最新版本，这有效避免了由于版本不同所造成的设计冲突和由此带来的重复劳动。此外，由于云CAD软件会记录用户的每一步操作，所以在设计过程中不需要进行保存，当发现问题时可以返回到之前的任意一步，当完成特定里程碑节点时也可以建立独立的文件版本，用于后续的参考和使用。

2.4 实时同步协同

云CAD与桌面CAD软件最大的区别就是能够显著提升协同设计过程的实时性。首先，云CAD支持多人对同一个设计文档进行同步编辑，即团队内的多个设计师可以同时打开同一个装配或零件开展设计，且所有操作都可以实时的让团队内的其他设计师看到。其次，由于对模型的每步操作都在云端完成，设计师能够对团队内其他人的设计过程进行实时跟踪，这极大地方便了协同设计中设计意图的交流。此外，通过版本管理技术，云CAD能够实现对不同设计方案的有效管理，即多个设计师可以针对同一个设计文件创建不同的版本，独立地开展并行设计，不用担心文件的锁定和覆盖，设计完成后可以对不同的方案进行合并。

2.5 透明过程管理

使用云CAD开展协同设计的另一项好处就是能够实现设计过程的全透明化管理。设计师的所有操作都在云端完成，因此协同设计过程的管理者能够时刻掌握团队和设计师的一举一动，并对团队的状态和效率进行即时分析。同时，由于全部设计文档都在云端存储，并可以根据权限随时查看，管理者可以对设计进程进行实时的跟踪，从而保证设计的符合性。此外，管理者通过对设计师账户的访问政策控制、文件所有权和共享策略的管理，能够有效细化协同过程管控的颗粒度，从而提高设计效率。

3 云CAD集成应用架构

3.1 基于云CAD的协同设计模型

协同设计是随着网络技术和并行工程的发展而诞生的一种新的产品设计模式，它是计算机支持的协同工作的一个重要领域，是计算机辅助设计的必然发展方向，其发展也对CAD软件提出了新的需求[7]。开展协同设计的主要意义在于通过构造协同环境，建立起统一的工作环境，提高设计人员间的协调配合与协同工作水平，使设计工作更具有全局性，实现设计数据的无障碍交换，保证设计数据的唯一性，消除因重复修改设计数据而产生的错误[8]。基于云CAD工具快速灵活部署、避免文件传输、单一数据源管理、实时同步协同和透明同步管理的特点，其能够有效促进企业协同设计的开展。

大型制造企业通常通过CAD软件及PLM（产品生命周期管理）系统开展产品协同设计。一个典型的基于桌面CAD软件和PLM系统的协同设计模型如图1(a)所示。设计师本地需要安装CAD软件和PLM客户端，当开展协同设计时，首先需要通过PLM客户端将设计文档下载到本地，再通过CAD软件进行编辑，随后再通过PLM客户端将设计成果上传到服务器端，由服务器端的数据管理服务实现多个设计师设计成果间的共享与协同。这种协同模式的好处是CAD软件和PLM客户端能够提供强大的数据操作和事务处理能力，但与此同时，设计文件需要在设计师本地的电脑上进行保存，并在客户端和服务器端之间不断地传输。

图1 协同设计模式对比

而基于云CAD的协同设计模型如图1(b)所示。不同的设计师直接通过浏览器调用服务器端的多个CAD建模服务，建模服务能够直接编辑同样存储在服务器端的CAD文件。在这种协同设计模式中，设计师本地不需要安装CAD软件和PLM客户端，也不存储CAD文件的副本，本地与服务器端之间只需要传输操作指令及部分显示数据。可以看到，基于云CAD的协同设计模式与传统协同设计模式最大的区别是不需要PLM等额外系统的参与，仅使用云CAD软件的文档管理和版本控制功能就可以保证整个协同设计过程中设计数据的一致性。

3.2 基于云CAD的系统集成架构

大型制造企业通常会使用一系列信息化系统来开展产品数据的生命周期管理。典型的应用过程包括：1）产品工程设计阶段，使用CAD软件完成产品数据的搭建，并采用PLM系统对产品设计数据进行集中管理和统一审批；2）工艺设计规划阶段，使用CAPP（计算机辅助工艺过程）系统对工艺进行设计规划；3）生产制造阶段，使用MES（制造执行系统）系统、ERP（企业资源计划）系统、仓库管理等信息化系统对现场计划排产、生产组织、资源管理与调度、以及物料配送等过程和数据进行管理和控制。

云CAD由于兼具部分PLM系统的功能，因此在系统集成架构上与桌面CAD软件不同。同时，为保证与MES、ERP等其他信息系统的兼容性，需要保留企业当前PLM系统的部分功能。典型的基于云CAD软件的系统集成架构如图2所示。其中，云CAD系统需要针对企业需求进行定制开发，其既包含了桌面CAD软件所具备的设计功能，还集成了传统设计模式下，由PLM系统实现的项目数据管理和设计数据管理功能。而此时的PLM系统，主要用于管理产品全生命周期各个阶段的业务数据，包括对市场(订单)需求进行分解，并将分解后的设计研发需求传递至云CAD系统。产品项目的创建、设计师团队的组建（项目负责人、主体成员）、各专业设计室设计任务的分解均在云CAD系统中完成。设计过程中产生的数据以及通过签审的成果，包括三维模型、工程图纸、技术文档、产品结构等均在云CAD系统中进行管理，并通过数据链接的形式传递至PLM、MES、CAPP等其他信息系统，因此上述系统对产品数据仅有查看的权限。此外，针对产品仿真分析等需要模型文件的业务场景，云CAD系统可以直接导出仿真等业务所需的轻量化模型。

图2 基于云CAD软件的系统集成架构

3.3 基于云CAD的产品设计流程

基于大型制造企业的典型信息化系统及其与云CAD的集成架构，使用云CAD开展产品设计的流程如图3所示。

图3 基于云CAD的产品设计流程

其中：

1）产品需求阶段：在PLM平台中对合同订单进行分解，制定形成设计研发需求。

2）设计研发阶段：研发设计师在云CAD系统根据设计需求创建相应的产品项目、组建设计研发团队并向各个专业科室分解设计任务，由专业科室设计师进行设计工作和设计数据的审签。

3）设计仿真阶段：在产品研发设计过程中，研发设计师提出设计仿真需求并利用相应的专业仿真工具对设计数据进行设计仿真分析。

4）工艺规划设计：在合同订单分解的同时，工艺设计师需要针对合同订单内容进行前期进行工艺规划和准备工作。当产品设计审签通过后，由工艺设计师基于前期的工艺规划和产品设计数据在CAPP系统进行工艺的详细设计工作。

5）资源采购计划：在合同订单分解时，市场采购部门需要根据设计研发需求和交货周期制定前期的资源采购计划，并在产品设计审签通过后，以及工艺设计审签通过后，对前期采购计划进行完善调整，并进行相应的资源采购。

6）生产计划阶段：生产管理部门在ERP系统根据合同订单，以及采购计划、研发设计计划、工艺设计计划，制定生产计划。

7）生产制造阶段：当产品设计研发、工艺设计，以及资源采购执行完成后，进行产品的试制和生产制造，并通过MES系统对生产制造的过程和数据进行管理。

8）设计变更过程：在产品工艺设计或生产制造过程中，当需要对设计数据进行变更时，则根据变更需求进行相应的会签评审。通过后，则由研发设计师在云CAD系统中进行设计变更和审签。对设计变更后，引起的工艺变更或资源采购计划，以及生产计划的变更则在相应的业务系统进行会签处理。

4 云CAD应用展望

4.1 云CAD应用面临的挑战

云CAD软件自身仅具备产品设计建模以及基础的设计数据管理功能，若要在大型企业进行深入应用，并充分发挥云CAD软件的优势，需要针对企业的具体需求和业务场景进行定制开发，完善设计团队的搭建、设计项目的管理、工作流程的审批、设计数据的分类管理、以及与企业各信息系统的集成接口等功能。

在设计功能和使用体验方面，云CAD作为近几年才出现的新事物，其功能还在逐步完善，部分设计功能尚不健全，同时由于其使用完全依赖于网络环境，当网络环境不佳，尤其是当云CAD软件部署的服务器与用户处在不同的地理位置时，其使用的流畅性会受到较大的影响。

此外，数据的安全性也是云CAD所面临的一大挑战，用户的全部设计数据都存储在云端，如何通过有效的手段保证这些数据不损坏、不丢失、不泄露将是使用云CAD软件的企业和设计师团队最大的担忧。总之，桌面CAD软件通过几十年的发展，功能及应用模式已基本成熟，而云CAD软件暂时还不能完全取代桌面CAD软件的地位。

4.2 云CAD应用前景展望

基于云CAD在移动办公、远程查看、实时同步等方面的优势，可深入挖掘其在设计、制造、销售、采购、运维等产品全生命周期各个阶段的应用价值。

例如，在市场营销过程中，销售人员可利用云CAD系统向潜在客户在线展示产品三维模型、详细技术指标、以及在整个研发、生产过程中的仿真分析和试验测试报告，甚至利用云CAD系统快速构建客户的典型业务模拟场景，并根据特点从产品库中选择产品数模导入至模拟场景进行模拟应用，为客户的产品选型提供参考。

在加工制造过程中，可直接基于云CAD系统中的原始设计模型开展数控仿真，并在云端存储数控程序文件以及相关的技术文档（如刀轨清单），制造工程师可直接通过选取数控程序文件模板并指定新的加工参数形成用于数控加工的NC代码，并直接传输至数控设备进行数控加工。

在运维服务过程中，可充分发挥云CAD异地协同的优势，让用户可以直接登录云CAD系统访问产品设计、工艺、制造相关数据，查看产品维护保养手册及运维知识库，并与原厂专家取得直接联系，提升现场问题的处理效率。同时，对于制造企业而言，能够不断收集产品运维知识，提升产品设计研发的质量。

5 结语

本文总结了云CAD的发展历程及功能特点，提出了企业基于云CAD的协同设计模式、系统集成方式和产品设计流程。可以看到，云CAD相比于传统桌面CAD软件，在快速部署、数据管理、实时协同等方面具有显著优势，适合企业在开展协同设计时进行应用。同时，云CAD在大型制造企业应用时，需要对其设计和管理功能进行定制开发，实现云CAD与企业现有的信息系统的高度集成，并制定适合企业应用场景的业务流程规范。总之，云CAD会对企业的产品设计、制造、销售、运维等业务带来多方面的积极影响，随着其不断发展和完善，将具有广泛的应用前景。