李明¹    韦庆玥²

摘要：从CAx工具软件功能、集成应用等角度研讨了CAx软件的发展方向，提出了计算机辅助规范（CAS）软件的研发需求、基于几何要素颗粒度的工程信息模型生成和流转的应用、产品/企业技术能力迭代机制的构建等设想。并在此基础上，探讨了AI技术的融合应用，以及工业软件智能应用生态的构建。

关键词： CAx、数智转型、标准化、AI、工业软件   中图分类号：TH165

1  机械制造业CAx工具软件迎来智能融合时代

机械制造业的数智转型，其核心目标是助创、提质、降本、增效、控制风险和可持续发展^[1]。目前的工业软件主要涉及计算机辅助技术工具（CAx），从其在机械产品设计制造中的应用来看，其实质是辅助操作的工具^[2]。同时，由于这些形成于上世纪的工具软件在功能架构和进化过程中几乎是分类独立的，给今天的制造业留下了一系的信息、应用和管理的孤岛，并已成为制造业数智转型中的拦路虎。

随着数字化、信息化技术的深化应用，特别是人工智能（AI）技术的高速发展和融合应用，CAx软件有望从辅助工具进化升级为智能助手，甚至自动操作的智能工具。^[5]

而从企业角度看，这些智能助手和智能工具的有效应用，将成为机械产品设计制造数智化转型的核心任务。

2  CAx设计验证软件的数智转型

CAx软件的功能主要涉及设计和数字化操作二个层面，有着不同的进化内容和要求：

从机械产品设计角度看，其实质是一个涉及多学科融合和多方协同的孪生定义过程，其需要精准定义目标对象，包括零部件外形、功能和性能指标、规范允许的最大偏差，并形成用工程语言规范表述的工程文件：

1)计算机辅助设计（CAD）软件除自身建模功能、操作效率的强化和提升外，需要进一步考虑在设计过程中对多方协同设计的支持。如CATIA v6等CAD软件就提供了基于网络的协同设计支持和管理功能^[3]；

2)对于光机电一体化的、高性能和个性化产品而言，更专业的、多学科计算机辅助工程分析验证（CAE）软件与CAD软件集成和融合应用将成为必然的趋势^[2]，集成的各方需要进一步开放接口，并强化对客户个性化和特定分析需求及相关专业化功能研发的支持。

上述操作属于机械结构设计，其给出的是基于假设的理想几何模型和技术指标。

3)几何精度设计，将面向非理想的应用工况和制造场景，以公差为核心给出统领后端包括工艺设计、质量控制、验收交付等工作的几何技术规范，其同样涉及到多学科融合，还包括产品几何技术规范与验证（GPS）、技术产品文件（TPD）标准体系和企业标准规范等多达数千余个标准规范的有效应用。更涉及到后端工艺和检测能力以及加工/产品符合性判定等问题。但目前这方面仅由CAD提供了部分简单的标注工具，具体工作全部由人工完成，设计质量、图纸质量和工作效率已成为行业痛点。解决这一问题的最有效方法就是研发一款计算机辅助的规范工具(Computer Aided Specification，CAS)，其核心功能是辅助完成映射实际应用工况的精度设计、自动完成符合标准的技术规范，包括自动生成工程图纸和相关模型。CAS数智软件的有效应用将确保设计质量和图纸质量，大幅提升设计效率；

4)在工艺设计阶段，同样面临着面向具体加工、装配工艺的精度控制问题，其需要映射制造和装配过程的实际工况，在产品总体精度要求的基础上，结合企业的相应技术规范和标准进行分解并设计，因此，这部分的CAS工具软件／功能同样需要专门研发；

5)三维容差分析验证（Tolerance Analysis Verification，TAV）工具软件与CAD/CAS软件的集成，将解决尺寸链分析模型的同步构建、容差自动分配、公差自动优化等智能操作问题，并为后端基于测量数据的选配装配和预装配分析提供有效工具。

3  CAx工具软件集成应用架构的构建

从目前CAx设计工具的应用来看，其设计输出的结果形式往往成为信息孤岛的根源，并会对后端CAx软件的应用带来极大的影响。解决这一问题的核心是基于模型定义（Model Based Definition，MBD）技术的有效应用。MBD信息模型不仅将技术要求与受控几何要素直接关联，更重要的是将工程信息的流转方式从以往以文件（包括模型、图纸等）为主，进化到几何要素(Feature)层面技术要求的F颗粒度信息化流转，信息颗粒度细化将改变后端CAx软件的应用方式，其将有效解决以下问题：

1)MBD信息模型在关联工程物料清单（BOM）的同时，还能给出与装配工艺相关的基准清单（Bill of Datum，BOD）、与加工工艺相关的受控对象清单（Bill of Feature，BOF）、规范清单（Bill of Specification，BOS）和技术要求清单（Bill of Technical Requirements，BOF）。无论是计算机辅助工艺规划（CAPP）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助检测规划（CAIP）和工时估算报价系统（WHEQS），都能在规范的操作流程下，通过对MBD信息模型中相关信息的提取、解析，结合加工工艺、装配工艺、检测工艺、以及结构化工艺库、工程知识库、设计规则库、知识数据库、资源库等融合应用，自动直驱并生成工艺表单、数控加工NC程序和切削刀具配置策略、三坐标测量程序和测针/测针组合配置策略;

2)有望从根本上改变产品生命周期管理（PLM）和企业资源计划（ERP）等软件基于文档的信息管理模式^[4]，特别是借助这个最细化的颗粒度，实现工程物料清单（E-BOM）、工艺物料清单（P-BOM）、制造物料清单（M-BOM）和车间物料清单（W-BOM ）的信息关联，包括在制造执行系统（MES）和制造运营管理系统（MOM）的关联应用，彻底消除信息孤岛；

3)有助于产品质量信息的关联和融合，助力企业构建质量信息架构（Quality Information Framework，QIF）^[1]，实现基于最小颗粒度的设计、制造、检测和质量的信息闭环，为制造质量的提升和迭代提供技术和管理支撑；

此外，在对各类操作的标准化、流程化和计算机化后，前端对零部件的总体技术要求，在经历分解转化的同时，还能形成了各自的模型化操作，包括设计操作、过程执行的模型等，这一系列模型的集成应用，不仅能有效地应对并行研发中越来越频繁的设计变更，更能为产品迭代和企业研发制造能力迭代模型的构建提供支持，设计集成模型将成为企业可持续发展和核心竞争力的技术基础，也是未来基于模型企业（Model Based Enterprise，MBE）建设的核心。

总之，CAx的集成应用架构是基于模型的，包括操作模型的，集成应用是基于MBD信息模型的。

4  CAx工具软件智能应用生态的构建

AI技术应用需要应对行业和企业的工程场景，以及标准化、数字化和信息化基础，更需要适配企业和产品的技术特点：

1)在设计阶段，企业面临的是一个信息不对称的、专业融合、且基于假设的工程场景。其核心关注的是功能可达成性，设计质量及可制造性；

2)在制造阶段，企业面临的是一个信息离散的、素材异构、且非理想的工程场景。其核心关注点是产品的质量保障、以及效率和成本；

3)产品和技术能力的迭代和可持续提升机制还需要考虑到基于标准规范的操作流程和基于F颗粒度的工程信息自动流转应用问题。

为有效解决上述问题，AI技术有望在以下方面大有作为：

1)通过对工程知识和存量数据的知识提取，构建知识库、规则库、零部件库、结构库、参数库、案例案等，并研发辅助/智能应用工具；

2)结合设计流程的重构和标准化操作开展智能融合，形成对各类操作的智能辅助和操作替代;

值得关注的是AI技术的应用是一项专业性极强的工作，特别是企业知识、规则的提取和重构。从本质上讲， AI仅是应用工具，专业的应用工具。

5  结束语

总之，CAx软件的发展除自身功能外、操作协同和多学科融合外，还将涉及CAx软件间的集成应用、操作的模型化、工程信息的信息化流转以集成应用模型的构建。

而AI技术的应用，除了将CAx软件升化为智能工具外，更重要的与企业工程场景的适匹和智能应用生态的构建，通过产品和企业技术能力进化机制和迭代模型构建为核心，切实提升企业的核心竞争力。

参考文献：

[1] ISO 23952：2020，Automation systems and integration — Quality information framework (QIF) — An integrated model for manufacturing quality information 

[2] Marko Simoni Iztok Pal i Simon Klančnik，Advancing Intelligent Toolpath Generation: A Systematic Review of CAD–CAM Integration in Industry 4.0 and 5.0   Strojniški vestnik - Journal of Mechanical Engineering  VOL 71  NO 9-10  Y 2025

[3] SIEMENS, Engineering the future: The top trends driving the industrial machinery industry，https://resources.sw.siemens.com/en-US/e-book-4-trends-advanced-machine-engineering/

[4] 工业软件产业圈，西门子、达索、PTC抢跑新赛道：加速传统PLM灭亡！ 2025-04-24

[5] 国产工业软件突围样本：以行业深耕 + 生态共建，逐鹿世界级舞台， e-works数字化企业网 2025.04