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CAD发展现状以及发展史 CAD（Computer Aided Design）计算机辅助设计，也就是使用计算机和信息技术来辅助工程师进行产品或工程的设计。CAD技术是一项综合性、迅速发展和广泛应用的高新技术。但是，在CAD软件发展初期，CAD的含义仅仅是图板的替代品，被称为计算机辅助出图Computer Aided Drawing（or Drafting）。计算机辅助设计（CAD）在其近50年的演变历史中，经历了巨大发展，其技术发展进程如图1所示。20世纪60年代 70年代 80年代 90年代 21世纪 图1 CAD技术演变1第一次CAD技术革命 CAD技术起步于20世纪50年代后期。此时CAD技术的出发点是用传统的三视图方法来表达零件，以图纸为媒介进行技术交流，这就是典型的二维计算机绘图技术。20世纪60年代出现的三维CAD系统只是极为简单的线框式系统，只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息，计算机辅助制造（CAM）及计算机辅助工程（CAE）均无法实现。 这时，法国人提出了贝塞尔算法，使得人们在使用计算机处理曲线及曲面问题时变为可能，同时也使得法国的达索飞机制造公司的开发者能在二维绘图系统CADAM的基础上，开发出以表面模型为特点的自由曲面建模法，推出了三维曲面造型系统CATIA。它的出现，标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得CAM技术的开发有了实现的基础。曲面造型系统CATIA为人类带来了第一次CAD技术革命，改变了以往只能借助油泥模型来近似准确表达曲面的落后的工作方式。 此时的CAD技术价格极其昂贵，而且软件商品化程度低，开发者本身就是CAD大用户，彼此之间技术保密。只有少数几家受到国家财政支持的军火商，在20世纪70年代冷战时期才有条件独立开发或者依托某厂商发展CAD技术，如表1所示。表1 CAD软件的早期应用表1 CAD软件的早期应用软 件开发及支持公司UG美国麦道（MD）公司开发I-DEAS美国国家航空及宇航局（NASA）支持CV美国波音（Boeing）公司支持CALMA美国通用电气（GE）公司开发CADAM美国洛克希德（Lochheed）公司支持CATIA法国达索（Dassault）公司开发 这时的CAD技术主要应用在军用工业。但受此项技术的吸引，一些民用主干工业，如汽车业的巨人也开始摸索开发一些曲面系统为自己服务，如：大众汽车公司 SURF、福特汽车公司 PDGS、雷诺汽车公司 EUCLID 另外还有丰田、通用汽车公司等都开发了自己的CAD系统。由于无军方支持，开发经费及经验不足，其开发出来的软件商品化程度都较军方支持的系统要低，功能覆盖面和软件水平亦相差较大。 曲面造型系统带来的技术革新，使汽车开发手段比旧的模式有了质的飞跃，新车型开发速度也大幅度提高，许多车型的开发周期由原来的6年缩短到只需约3年。CAD技术给使用者带来了巨大的好处及颇丰的收益，汽车工业开始大量采用CAD技术。80年代初，几乎全世界所有的汽车工业和航空工业都购买过相当数量的CATIA，其结果是CATIA跃居制造业CAD软件榜首，并且保持了许多年。最近几年，从造型理论上来说，CATIA并没有突破性的进展，CAD技术本身已相对落后。达索公司公布的96年营业额只有2.68亿美元，这并不足以使其稳据世界排名第二的位置。但其庞大用户群的巨大惯性以及由IBM提供的约3亿美元的强有力系统集成支持，使得它依然排在CAD行业前列2第二次CAD技术革命 20世纪80年代初，CAD系统价格依然令一般企业望而却步，这使得CAD技术无法拥有更广阔的市场。为了使自己的产品更具特色，在有限市场中获得更大的市场份额，以UG、CV、SDRC为代表的系统开始朝各自的发展方向前进。20世纪80年代末到90年代初，由于计算机技术的大跨步前进，CAE、CAM技术也开始有了较大发展。SDRC（Structural Dynamics Research Corporation）公司在当时星球大战计划的背景下，由美国宇航局支持及合作，开发出许多专用分析模块，用以降低巨大的太空实验费用，同时在CAD技术方面也进行了许多开拓；UG则着重在曲面技术的基础上发展CAM技术，以满足麦道飞机零部件的设计、加工需求；CV和CALMA则将主要精力都放在CAD市场份额的争夺上。 有了表面模型，CAM的问题可以基本解决。但是由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确地表达零件的其他特性，例如质量、重心、惯性矩等，对CAE十分不利，最大的问题在于分析的前处理特别困难。基于对CAD/CAE一体化技术发展的探索，SDRC公司于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件I-DEAS。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。它代表着未来CAD技术的发展方向。基于这样的共识，各软件纷纷仿效，一时间，实体造型技术呼声满天下。可以说，实体造型技术的普及应用标志着CAD发展史上的第二次技术革命。 但是新技术的发展往往是曲折和不平衡的。实体造型技术既带来了算法的改进和未来发展的希望，也带来了数据计算量的极度膨胀。在当时的硬件条件下，实体造型的计算及显示速度很慢，在实际应用中做设计显得较为勉强。 由于以实体模型为前提的CAE本来就属于较高层次技术，普及面比较窄，反映还不强烈；另外，在算法和系统效率的矛盾面前，许多赞成实体造型技术的公司并没有大力去开发它，而是转去攻克相对容易实现的表面模型技术。各公司的技术取向再度分道扬镳。实体造型技术也因此没能迅速在整个行业全面推广。推动了此次技术革命的SDRC公司与幸运之神擦肩而过，失去了一次大飞跃的机会。在以后的10年中，随着硬件性能的提高，实体造型技术又逐渐为众多CAD系统所采用。 在这段矛盾碰撞、技术起伏跌宕时期，CV公司最先在曲面算法上取得突破，计算速度提高较大。由于CV提出了集成各种软件，为企业提供全方位解决方案的思路，并采取了将软件的运行平台向价格较低的小型机转移等有利措施，一跃成为CAD领域的领导者，市场份额上升到第1位，兼并了CALMA公司，实力迅速膨胀。3. 第三次CAD技术革命 正当CV公司业绩蒸蒸日上以及实体造型技术逐渐普及之时，CAD技术的研究又有了重大进展。如果说在此之前的造型技术都属于无约束自由造型的话，进入80年代中期，CV公司内部以高级副总裁为首的一批人提出了一种比无约束自由造型更新颍、更好的算法参数化实体造型方法。从算法上来说，这是一种很好的设想。它主要的特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。当时的参数化技术方案还处于一种发展的初级阶段，很多技术难点有待于攻克。是否马上投资发展这项技术呢？CV内部展开了激烈的争论。由于参数化技术核心算法与以往的系统有本质差别，若采用参数化技术，必须将全部软件重新改写，投资及开发工作量必然很大。当时CAD技术主要应用在航空和汽车工业，这些工业中自由曲面的需求量非常大，参数化技术还不能提供解决自由曲面的有效工具(如实体曲面问题等)，更何况当时CV的软件在市场上几乎呈供不应求之势，于是，CV公司内部否决了参数化技术方案。 策划参数化技术的这些人在新思想无法实现时，集体离开了CV公司，另成立了一个参数技术公司(Parametric Technology Corp.)，开始研制命名为Pro/E的参数化软件。早期的Pro/E软件性能很低，只能完成简单的工作，但由于第一次实现了尺寸驱动零件设计修改，使人们看到了它今后将给设计者带来的方便性。 80年代末，计算机技术迅猛发展，硬件成本大幅度下降，CAD技术的硬件平台成本从二十几万美元一下子降到只需几万美元。一个更加广阔的CAD市场完全展开，很多中小型企业也开始有能力使用CAD技术。由于他们设计的工作量并不大，零件形状也不复杂，更重要的是他们无钱投资大型高档软件，因此他们很自然地把目光投向了中低档的Pro/E软件。了解CAD市场的人都知道，它的分布几乎呈金字塔型。在高端的三维系统与低端的二维绘图软件之间事实上存在一个非常大的中档市场。PTC在起家之初即以瞄准这个充满潜力的市场，在旧时王榭堂前燕尚未来得及飞入寻常百姓家之时，迎合众多的中小企业上CAD的需求，一举进入了这块市场，获得了巨大的成功。进入90年代，参数化技术变得比较成熟起来，充分体现出其在许多通用件、零部件设计上存在的简便易行的优势。踌躇满志的PTC先行挤占低端的AutoCAD市场，致使在几乎所有的CAD公司营业额都呈上升趋势的情况下，Autodesk公司营业额却增长缓慢，市场排名连续下挫；继而PTC又试图进入高端CAD市场，与CATIA、I-DEAS、CV、UG等群雄逐鹿，一直打算进入汽车及飞机制造业市场。目前，PTC在CAD市场份额排名上已名列前茅。可以认为，参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次技术革命。4. 第四次CAD技术革命 参数化技术的成功应用，使得它在90年前后几乎成为CAD业界的标准，许多软件厂商纷纷起步追赶。但是技术理论上的认可并非意味着实践上的可行性。由于CATIA、CV、UG、EUCLID都在原来的非参数化模型基础上开发或集成了许多其它应用，包括CAM、PIPING和CAE接口等，在CAD方面也做了许多应用模块开发。重新开发一套完全参数化的造型系统困难很大，因为这样做意味着必须将软件全部重新改写，何况他们在参数化技术上并没有完全解决好所有问题。因此他们采用的参数化系统基本上都是在原有模型技术的基础上进行局部、小块的修补。考虑到这种参数化化的不完整性以及需要很长时间的过渡时期，CV、CATIA、UG在推出自己的参数化技术以后，均宣传自己是采用复合建模技术，并强调复合建模技术的优越性。这种把线框模型、曲面模型及实体模型叠加在一起的复合建模技术，并非完全基于实体，只是主模型技术的雏形，难以全面应用参数化技术。由于参数化技术和非参数化技术内核本质不同，用参数化技术造型后进入非参数化系统还要进行内部转换，才能被系统接受，而大量的转换极易导致数据丢失或其它不利条件。这样的系统由于其在参数化技术上和非参数化技术上均不具备优势，系统整体竞争力自然不高，只能依靠某些实用性模块上的特殊能力来增强竞争力。可是30年的CAD软件技术发展也给了我们这样一点启示：决定软件先进性及生命力的主要因素是软件基础技术，而并非特定的应用技术。 90年以前的SDRC公司已经摸索了几年参数化技术，当时也面临同样的抉择：要么它同样采用逐步修补方式，继续将其I-DEAS软件参数化下去，这样做风险小但必然导致产品的综合竞争力不高；但是否一定要走参数化这华山一条路呢？积数年对参数化技术的研究经验以及对工程设计过程的深刻理解，SDRC的开发人员发现了参数化技术尚有许多不足之处。首先，全尺寸约束这一硬性规定就干扰和制约着设计者创造力及想象力的发挥。 全尺寸约束，即设计者在设计初期及全过程中，必须将形状和尺寸联合起来考虑，并且通过尺寸约束来控制形状，通过尺寸的改变来驱动形状的改变，一切以尺寸(即所谓的参数)为出发点。一旦所设计的零件形状过于复杂时，面对满屏幕的尺寸，如何改变这些尺寸以达到所需要的形状就很不直观；再者，如在设计中关键形体的拓扑关系发生改变，失去了某些约束的几何特征也会造成系统数据混乱。实事上，全约束是对设计者的一种硬性规定。一定要全约束吗？一定要以尺寸为设计的先决条件吗？欠约束能否将设计正确进行下去？沿着这个思路，在对现有各种造型技术进行了充分地分析和比较以后，一个更新颖大胆的设想产生了。SDRC的开发人员以参数化技术为蓝本，提出了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术变量化技术，作为今后的开发方向。SDRC的决策者们权衡利弊，同意了这个方案，决定在公司效益正好之时，抓住机遇，从根本上解决问题，否则日后落后无疑。于是，从1990至1993年，历经3年时间，投资一亿多美元，将软件全部重新改写，于1993年推出全新体系结构的I-DEAS Master Series软件。在早期出现的大型CAD软件中，这是唯一一家在90年代将软件彻底重写的厂家。 众所周知，已知全参数的方程组去顺序求解比较容易。但在欠约束的情况下，其方程联立求解的数学处理和在软件实现上的难度是可想而知的。SDRC攻克了这些难题，并就此形成了一整套独特的变量化造型理论及软件开发方法。在I-DEAS Master Series(以下简称I-DEAS MS)软件系列中，变量化的理念是按如下步骤一步步实现的： I-DEAS MS 1 用主模型技术统一数据表达，变量化构画草图；I-DEAS MS 2 变量化截面整形；I-DEAS MS 3 变量化方程；I-DEAS MS 4 变量化扫掠(曲面)；I-DEAS MS 5 变量化三维特征，VGX；I-DEAS MS 6 变量化装配，PMI等。 变量化技术既保持了参数化技术的原有的优点，同时又克服了它的许多不利之处。它的成功应用，为CAD技术的发展提供了更大的空间和机遇。而且SDRC这几年业务的快速增长，也证明了它走的这条当时看起来是充满风险的研发道路是绝对正确的。也许DaraTech的96CAD市场评论是对的：看起来SDRC要飞黄腾达了。事实上，I-DEAS MS1发布时，SDRC市场排名仅位居第9，而在此以后，SDRC每年的排位都要超越一、两位同行，截止到去年，SDRC的市场排名已上升至第3位。无疑，变量化技术成就了SDRC，也驱动了CAD发展的第四次技术革命。CAD发展现状经过四十多年的发展，CAD/CAM技术有了长足的进步。现在CAD/CAM主要运行在工作站或微机平台上。工作站虽然性能优越，图形处理速度快，但价格却十分昂贵，这在一定程度上限制了CAD/CAM技术的推广。随着Pentium芯片和WindowsNT操作系统的出现并流行，以前只能运行在工作站上的CAD/CAM软件现在也可以运行在微机上。由于微机的价格远远比工作站低，性能也不比中低档工作站逊色多少，并且windowsXP操作系统的安全性与DOS、Windows3.x、Windows95/98等操作系统相比有了很大提高。所以，微机平台为普及CAD应用创造了绝好的条件。在此基础上，CAD/CAM软件厂商展开了新一轮的竞争。一方面工作站上著名的CAD/CAM的软件（如UG、CATIA）全功能地移植到微机平台，使微机完全对等地实现了工作站环境的处理能力；另一方面CAD/CAM软件打破了原有Unix环境的桎梏，在Windows平台上全面拓展。Pentium以上处理器和NT环境已经或者正在成为CAD/CAM软件运行和应用的主流平台。 当今CAD/CAM软件动态如下:一、使用微机作为开发和应用平台 微机平台的CAD/CAM软件的特点是:1.采用Windows环境采用WindowsNT操作系统是新一代推出的微机CAD/CAM软件的共同特点。现在，个人计算机已经具备了与中低档工作站竞争的实力，再加上其价格低廉，使得普及CAD应用成为可能。Windows平台上的新一代CAD/CAM软件基本上都采用典型的Windows界面和操作规范，同时由于DDE和OLE技术的广泛应用，这些CAD/CAM软件可以与Windows平台的其他软件进行动态数据交换，也可以在不退出CAD/CAM软件的前提下嵌入（或链接）其他应用程序的对象。2.采用COM技术 COM(ComponentObjectModel)是国际上为提高软件稳定性和开发效率而引入的重要技术。现今推出的Windows平台的CAD/CAM软件都或多或少地应用了COM技术。通过使用现成的组件，软件开发商可以避免软件开发中许多烦琐和困难的基础部分，从而可以从极高的起点出发，大大缩短CAD软件上市周期，这样容易取得竞争优势。同时，由于采用面向对象技术，使得微机CAD软件的可维护性和可扩展性得以增强。3.吸收Unix平台软件的优点 新一代微机平台CAD软件充分吸取Unix工作站软件的精华。诸如参数驱动、特征造型、动态导航、二维与三维双向相关、STEP标准和动态图形显示等这些比较好的特点已经被微机平台软件全部吸收。二、PDM技术的实施随着CAD技术的推广，原有的技术管理系统面临着巨大的挑战。在采用计算机辅助设计以前，产品的设计、工艺和经营管理过程中涉及到的各类图纸、技术文档、工艺卡片、生产单、更改单、采购单、成本核算单和材料清单等均由人工编写、审批、归类、分发和存档，所有的资料均通过技术资料室进行统一管理。自从采用计算机技术之后，上述与产品有关的信息都变成了电子信息。简单地采用计算机技术模拟原来人工管理资料的方法往往不能从根本上解决先进的设计制造手段与落后的资料管理之间的矛盾。要解决这个矛盾，必须采用PDM技术。PDM（产品数据管理）是从管理CAD/CAM系统的高度上诞生的先进的计算机管理系统软件。它管理的是产品整个生命周期内的全部数据。工程技术人员根据市场需求设计的产品图纸和编写的工艺文档仅仅是产品数据中的一部分。PDM系统除了要管理上述数据外，还要对相关的市场需求、分析、设计与制造过程中的全部更改历程、用户使用说明及售后服务等数据进行统一有效的管理。由此可见，PDM系统管理的产品信息将涉及到企业的产品设计、工艺、制造、经营和服务等部门。因此，PDM系统的实施具有涉及面广、信息工作量大等特点。实施PDM技术可以实现并行工程，提高产品设计效率，支持全面质量管理，实现人、过程、技术三者的平衡。因此它可以为企业带来巨大收益。PDM技术实施与CAD/CAM技术的实施不一样，前者调整的是企业的管理模式。将原来的人工管理方式转变为PDM的计算机管理模式，既要兼顾原有的管理习惯，又要考虑信息集成的要求。由于企业技术环境、管理水平、企业文化等方面的差异，每个企业的PDM实施过程都不会相同。只有对企业的计算机环境、企业过程以及PDM的总体目标有了充分的理解后，全面地分析企业对PDM产品的详细需求，才能选出最适合本企业发展的PDM产品和解决方案。三、现代集成制造系统（CIMS）的研究及应用1973年美国的瑟夫哈林顿博士在ComputerIntegratedManufacturing一书中首次提出CIM(ComputerIntegratedManufacturing)的概念。它的内涵是借助计算机，把企业中与制造有关的各种技术系统地集成起来，进而提高企业适应市场竞争的能力。这个概念强调了两个方面:(1)企业的各个生产环节是不可分割的，需要统一安排组织。（2）产品制造过程实质上是信息采集、传递、加工处理的过程。CIM是一个先进的思想，但是由于当时技术水平的限制，直到80年代初，这个思想才被制造领域重视并采用。近十余年来，在市场竞争的激励与相关技术进步的推动下，CIM在实践中被不断充实、完善与发展。从这个概念出发，经历了信息集成、过程集成和企业集成的研究和实践，我们提出了现代集成制造系统(ContemporaryIntegratedManufacturingSystem，CIMS)的概念。目前国外流行的CAD/CAM软件CAD/CAM技术经过几十年的发展，先后走过大型机、小型机、工作站、微机时代，每个时代都有当时流行的CAD/CAM软件。现在，工作站和微机平台CAD/CAM软件已经占据主导地位，并且出现了一批比较优秀、比较流行的商品化软件。下面我们将分别介绍国内外一些流行的软件。Unigraphics(UG) UG是UnigraphicsSolutions公司的拳头产品。该公司首次突破传统CAD/CAM模式，为用户提供一个全面的产品建模系统。在UG中，优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起，这一结合被实践证明是强有力的，并被大多数CAD/CAM软件厂商所采用。 UG最早应用于美国麦道飞机公司。它是从二维绘图、数控加工编程、曲面造型等功能发展起来的软件。90年代初，美国通用汽车公司选中UG作为全公司的CAD/CAE/CAM/CIM主导系统，这进一步推动了UG的发展。1997年10月UnigraphicsSolutions公司与Intergraph公司签约，合并了后者的机械CAD产品，将微机版的SOLIDEDGE软件统一到Parasolid平台上。由此形成了一个从低端到高端，兼有Unix工作站版和WindowsNT微机版的较完善的企业级CAD/CAE/CAM/PDM集成系统。 2AutoCAD AutoCAD是Autodesk公司的主导产品。Autodesk公司是世界第四大PC软件公司。目前在CAD/CAE/CAM工业领域内，该公司是拥有全球用户量最多的软件供应商，也是全球规模最大的基于PC平台的CAD和动画及可视化软件企业。Autodesk公司的软件产品已被广泛地应用于机械设计、建筑设计、影视制作、视频游戏开发以及Web网的数据开发等重大领域。 AutoCAD是当今最流行的二维绘图软件，它在二维绘图领域拥有广泛的用户群。AutoCAD有强大的二维功能，如绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及二次开发等功能，同时有部分三维功能。AutoCAD提供AutoLISP、ADS、ARX作为二次开发的工具。在许多实际应用领域(如机械、建筑、电子)中，一些软件开发商在AutoCAD的基础上已开发出许多符合实际应用的软件。目前，Autodesk公司已经发布AutoCAD2000，它相当于AutoCADR15版。 3SolidWorks SolidWorks是生信国际有限公司推出的基于Windows的机械设计软件。生信公司是一家专业化的信息高速技术服务公司，在信息和技术方面一直保持与国际CAD/CAE/CAM/PDM市场同步。该公司提倡的“基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统“是以Windows为平台，以SolidWorks为核心的各种应用的集成，包括结构分析、运动分析、工程数据管理和数控加工等，为中国企业提供了梦寐以求的解决方案。 SolidWorks是微机版参数化特征造型软件的新秀，该软件旨在以工作站版的相应软件价格的1/