CAD技术网络调研报告.doc

CAD技术现状及发展网络调查前言：CAD(Computer Aided Design)是计算机辅助设计的英文缩写，自1950年计算机辅助设计(CAD)技术诞生以来，已广泛地应用于机械、电子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等领域，产品的设计效率飞速地提高。现已将计算机辅助制造技术(Computer Aided Manufacturing，CAM)和产品数据管理技术(Product Data Management，PDM)及计算机集成制造系统(Computer Itegrated manufacturing system，CIMS)集于一体。在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；由计算机自动产生的设计结果，可以快速作出图形显示出来，使设计人员及时对设计作出判断和修改；CAD 能够减轻设计人员的劳动，缩短设计周期和提高设计质量。本次调查针对现阶段我们对CAD认识和了解的局限性，对当今CAD技术的应用和发展进行了一次初步浅显的调查，让我们对CAD有一个更加全面和深刻的认识。并从中寻找出自己在这方面的不足和今后努力的方向。本次在网上的调研的内容主要有以下三个方面；一、CAD技术的发展史，二、CAD技术的现阶段应用情况，三、CAD技术的发展趋势。一、 CAD技术的发展史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，其技术发展进程如上图1所示。1第一次CAD技术革命贵族化的曲面造型系统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。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。2第二次CAD技术革命生不逢时的实体造型技术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。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。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。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。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。实体造型技术也因此没能迅速在整个行业全面推广。3第三次CAD技术革命一鸣惊人的参数化技术进入20世纪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”的算法参数化实体造型方法。它的主要特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。但可惜的是：最终在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，自行成立了“参数技术公司(Parametric Technology Corporation)”，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，但是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给设计者带来的方便性。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技术革命更上一层楼的变量化技术参数化技术的成功应用，使得它在20世纪90年代前后几乎成为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UG、CATIA、CV、EUCLID都在原来的非参数化模型基础上开发或者集成了许多其他应用，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。20世纪90年代以前的SDRC公司已经摸索了几年参数化技术，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公司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，作为开发方向。于1993年正式推出全新体系结构的I-DEAS Master Series软件。变量化技术驱动了CAD发展的第四次技术革命。5第五次CAD技术革命同步技术，建模技术发展的巨大突破Siemens PLM Software推出了创新的同步建模技术(with Synchronous Technology)交互式三维实体建模中一个成熟的、突破性的飞跃。新技术在参数化、基于历史记录建模的基础上前进了一大步，同时与先前技术共存。同步建模技术实时检查产品模型当前的几何条件，并且将它们与设计人员添加的参数和几何约束合并在一起，以便评估、构建新的几何模型并且编辑模型，无须重复全部历史记录。用户可以设想同步技术所带来的性能影响和设计灵活性进行编辑而无须重新生成整个模型，这是因为同步建模技术能够实时发现、定位和解析依赖关系。设计人员不必再研究和分析复杂的约束关系以便了解如何进行模型编辑，也不用担心编辑的后续模型关联性，由此将对复杂产品的开发带来巨大的正面利益。二 、CAD技术的现阶段应用情况CAD最早的应用是在汽车制造、航空航天以及电子工业的大公司中。随着计算机变得更便宜，应用范围也逐渐变广CAD技术和系统有了飞速的发展，CAD/CAM的应用迅速普及。在工业发达国家，CAD/CAM技术的应用已迅速从军事工业向民用工业扩展，由大型企业向中小企业推广，由高技术领域的应用向日用家电、轻工产品的设计和制造中普及。而且这一技术正在从发达国家流向发展中国家。CAD是一个包括范围很广的概念，概括来说，CAD的设计对象有两大类，一类是机械、电气、电子、轻工和纺织产品；另一类是工程设计产品，即工程建筑，国外简称AEC(Architecture、Engineering和Construction)。而如今，CAD技术的应用范围已经延伸到艺术、电影、动画、广告和娱乐等领域，产生了巨大的经济及社会效益，有着广泛的应用前景。CAD在机械制造行业的应用最早，也最为广泛。采用CAD技术进行产品设计不但可以使设计人员甩掉图板，更新传统的设计思想，实现设计自动化，降低产品的成本，提高企业及其产品在市场上的竞争能力；还可以使企业由原来的串行式作业转变为并行作业，建立一种全新的设计和生产技术管理体制，缩短产品的开发周期，提高劳动生产率。如今世界各大航空、航天及汽车等制造业巨头不但广泛采用CAD/CAM技术进行产品设计，而且投入大量的人力物力及资金进行CAD/CAM软件的开发，以保持自己技术上的领先地位和国际市场上的优势。计算机辅助建筑设计(Computer Aided Architecture Design，简称CAAD)是CAD在建筑方面的应用，它为建筑设计带来了一场真正的革命。随着CAAD软件从最初的二维通用绘图软件发展到如今的三维建筑模型软件，CAAD技术已开始被广为采用，这不但可以提高设计质量，缩短工程周期，还可以节约2%至5%的建设投资，而近几年来我国每年的基本建设投资都有几千亿元之多，如果全国大小近万个工程设计单位都采用CAD技术，则可以大大提高基本建设的投资效益。 CAD技术还被用于轻纺及服装行业中。以前我国纺织品及服装的花样设计、图案的协调、色彩的变化、图案的分色、描稿及配色等均由人工完成，速度慢、效率低，而目前国际市场上对纺织品及服装的要求是批量小、花色多、质量高、交货要迅速，这使得我国纺织产品在国际市场上的竞争力不强。采用CAD技术以后，大大加快了我国纺织及服装企业走向国际市场的步伐。 如今，CAD技术已进入到人们的日常生活中，在电影、动画、广告和娱乐等领域大显身手。电影拍摄中利用CAD技术已有十余年的历史，美国好来坞电影公司主要利用CAD技术构造布景，可以利用虚拟现实的手法设计出人工不可能做到的布景。这不仅能节省大量的人力、物力，降低电影的拍摄成本，而且还可以给观众造成一种新奇、古怪和难以想像的环境，获得极大的票房收入。比如美国的星球大战、外星人、侏罗纪公园等科幻片以及完全用三维计算机动画制作的影片玩具总动员，都取得了极大的成功。轰动全球的大片泰坦尼克应用了大量的三维动画制作，用计算机真实地模拟了泰克尼克航行、沉船的全过程。此外，动画和广告制作中也充分利用了计算机造型技术，实质上也是一种虚拟现实技术。虚拟现实技术还被用于各种模拟器及景物的实时漫游、娱乐游戏中。 近十年来，在CIMS工程和CAD应用工程的推动下，我国计算机辅助设计技术应用越来越普遍，越来越多的设计单位和企业采用这一技术来提高设计效率、产品质量和改善劳动条件。目前，我国从国外引进的CAD软件有好几十种，国内的一些科研机构、高校和软件公司也都立足于国内，开发出了自己的CAD软件，并投放市场，我国的CAD技术应用呈现出一片欣欣向荣的景象。 以前，个人计算机和工作站相比在计算、图形、网络及并行处理等方面均有较大的差别。个人计算机上运行的DOS及Windows等系统软件在可靠性、安全性及效率等方面也不如工作站上的系统软件。然而，随着计算机硬件技术的飞速发展，个人计算机的计算能力、图形处理能力的不断提高和操作系统的逐渐完善，使其与专业RISC/Unix工作站的性能差距逐渐缩小。尤其是Intel的PentiumPro和Pentium芯片以及Microsoft的WindowsNT的发布，使得个人计算机在性能上完全具备了与中低档工作站竞争的实力，加之个人计算机价格低廉，这使其在普及CAD应用中起到了工作站所不能代替的作用。 当今CAD/CAM领域的主流技术有以下两方面：(1)基础造型技术在CAD技术发展的初期，CAD仅限于计算机辅助绘图，随着计算机软、硬件技术的飞速发展，CAD技术才从二维平面绘图发展到三维产品建模，随之也就产生了三维线框造型、曲面造型以及实体造型技术。而如今参数化及变量化设计思想和特征造型则代表了当今CAD技术的发展方向。 传统的CAD绘图软件都是用固定的尺寸值定义几何元素，要进行图面修改只有删除原有的线条后重画，而新产品的打样设计不可避免的要进行多次的修改，进行零件形状和尺寸的综合协调、优化，而且大多数设计工作都是在原有设计基础上的改进。因此，新的CAD系统都增加了参数化和变量化设计模块，使得产品的设计图可以随着某些结构尺寸的修改和使用环境的变化而自动修改图形，这可以减少大量的重复劳动，减轻设计工作量。 参数化设计一般是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺寸关系，参数的求解较简单，参数与设计对象的控制尺寸有显式对应关系，设计结果的修改受尺寸驱动。生产中最常用的系列化标准件就是属于这一类型。变量化设计(Variational design)是指设计对象的修改需要更大的自由度，通过求解一组约束方程来确定产品的尺寸和形状。约束方程可以是几何关系，也可以是工程计算条件，设计结果的修改受到约束方程驱动。变量化设计允许尺寸欠约束的存在，这样设计者便可以采用先形状后尺寸的设计方式，将满足设计要求的几何形状放在第一位而暂不用考虑尺寸细节，设计过程相对宽松。变量化设计可以用于公差分析、运动机构协调、设计优化、初步方案设计选型等，尤其在做概念设计时更显得得心应手。 (2)CAD的数据交换格式及标准化 随着CAD技术的不断发展和日益成熟以及各行业CAD应用的不断深入，CAD标准化工作越来越显示出了它的重要性。CAD标准化工作作为高新技术标准化的一部分，在CAD技术工作中占有很重要的位置，国家科委工业司和国家技术监督局标准司于八五期间共同发布了CAD通用技术规范，规定了我国CAD技术各方面的标准，而其中CAD数据交换问题是CAD广泛应用后各行业所面临的重要问题。由于CAD数据的急剧膨胀，而不同的CAD系统产生的数据文件又采用不同的数据格式，甚至各个CAD系统中数据元素的类型也不尽相同，这种状况潜在地阻碍了CAD技术的进一步应用和发展。所以，如何能使企业的CAD技术信息实现最大限度的共享并进行有效的管理是标准化所面临的非常重要的课题。 三、CAD技术的发展趋势CAD是当前设计人员的热门话题之一，如何更好的改造传统的设计方法，从科技进步中获得经济效益，是一个很值得讨论的问题。CAD技术作新产品研发的一个重要组成部分，是促进科研成果的开发和转化，促进传统产业和学科的更新和改造，实现设计自动化，增强企业及其产品在市场上的竞争能力，加速国民经济发展和国防现代化的一项关键性高技术，也是进一步向计算机集成制造(CIM)发展的重要技术基础。CAD技术发展的主要趋势主要有以下几方面集成化、标准化、智能化、网络化、虚拟设计、并行工程、面向先进制造技术的CAD等。()集成化。CAD技术作为成熟的普及技术，当下已在各行各业中得到广泛应用，成为部分企业的现实生产力。作为一种设计工具，CAD的核心目标是帮助工程技术人员设计出更好、更具市场竞争力的产品，从二维到三维，再到协调应用。随着WEB技术的不断渗透，SaaS(软件运营)应用的不断深入，基于WEB 的团队协同应用将逐渐得到普及，集成化将成为今后CAD发展的显著趋势。CAD是产品数据产生的源头，是PLM(产品生命周期管理)系统的基础。广义的CAD产生的数据提供给PLM，再与ERP/CRM(企业资源计划系统基于大型数据仓库的客户资料管理系统)等企业信息化软件集成，构成企业完整的信息化平台和应用。正如业内人士的共识，“CAD如果仅仅是一个产生数据的工具，不能与其他系统更好的协同，产品数据不能很好地被使用、 再生和共享，那么就是垃圾信息，因此 CAD逐渐向集成化的PLM发展，只做CAD的软件商将面临被并购或者淘汰。”()标准化。随着CAD技术的发展，工业标准化问题越来越显出它的重要性。迄今已制定了很多标准，主要包括：CAD通用技术规范、CAD开发和应用标准化、CAD制图标准、CAD数据交换标准、CAD标准件标准、CAD文件管理和光盘存档标准、CAD一致性测试等内容。编制CAD标准体系表是CAD标准化的一项重要工作，它可使得我们能够把握本领域标准化工作的全局，了解不同标准之间的关系。由于技术是不断发展的标准体系表也不应该是一成不变的。CAD标准体是一个开放的系统，它应该随着技术的发展而改变。()智能化。智能化CAD就是计算机能代替人的部分劳动，CAD/CAM系统应用逐步深入，逐渐提出智能化需求.设计是一个含有高度智能的人类创造性活动。智能CAD/CAM是发展的必然方向。智能设计在运用知识化、信息化的基础上，建立基于知识的设计仓库，及时准确地向设计师提供产品开发所需的知识和帮助，智能地支持设计人员，同时捕获和理解设计人员意图、自动检测失误，回答问题、提出建议方案等。并具有推理功能，使设计新手也能做出好的设计来，现代设计的核心是创新设计，人们正试图把创新技法和人工智能技术相结合应用到CAD技术中，用智能设计、智能制造系统去创造性指导解决新产品、新工程和新系统的设计制造，这样才能使我们的产品、工程和系统有创造性。()网络化。网络技术是计算机技术与通讯技术相互渗透而又密切结合的产物，并在计算机应用和信息传输中起了越来越重要的作用。当今，世界已进入信息时代，信息已成为推动社会向前发展的巨大资源，信息在使用和流通的过程中非但不会损耗，而且只有通过使用和流通才能充分发挥其效用，且不断增值。信息的采集、传输和分发离不开计算机网络。同样，CAD/CAM系统也只有通过网络互连起来，才能达到资源共享和协调合作，发挥更大的效能。所以公用信息图形、编码、零件等都存储在眼务器所带的一个公用数据库中，用户可以通过网络共享其中的数据，进行各自的工作。用户之间也可以通过网络交换相互所需的中间处理值和最后结果。方便不同的地区的设计人员交流。可以更高效的进行产品的设计和研发。()虚拟设计。虚拟设计技术是由多学科先进知识形成的综合系统技术，其本质是以计算机支持的仿真技术为前提，在产品设计阶段，实时地并行地模拟出产品开发全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品制造成本、产品的可制造性、产品的可维护性和可拆卸性等，从而提高产品设计的一次成功率。它也有利于更有效更经济灵活地组织制造生产，使工厂和车间的设计与布局更合理更有效，以达到产品的开发周期成本的最小化、产品设计质量最优化、生产效率的最高化。 虚拟设计技术是由各个“虚拟”的产品开发活动来组成，由“虚拟”的产品开发组织来实施，由“虚拟”的产品开发资源来保证，通过分析“虚拟”的产品信息和产品开发过程信息求得对开发“虚拟产品”的时间、成本、质量和开发风险的评估，从而作出开发“虚拟产品”系统和综合的建议。虚拟设计技术的最终目的是缩短产品开发周期，以及缩短产品开发与用户之间的距离。虚拟设计是20世纪90年代发展起来的一个新的研究领域，它是计算机图形学、人工智能、计算机网络、信息处理、机械设计与制造等技术综合发展的产物，在机械行业有广泛的应用前景，如虚拟布局、虚拟装配、产品原型快速生成、虚拟制造等。目前，虚拟设计对传统设计方法的革命性的影响已经逐渐显现出来。由于虚拟设计系统基本上不消耗资源和能量，也不生产实际产品，而是产品的设计、开发与加工过程在计算机上的本质实现，即完成产品的数字化过程。与传统的设计和制造相比较，它具有高度集成、快速成型、分布合作等特征。虚拟设计技术不仅在科技界，而且在企业界引起了广泛关注，成为研究的热点。()并行工程。并行工程是通过组织多学科的设计团队，在设计的早期阶段全面考虑产品的各个方面，包括研制、制造和维修保障等，并充分利用先进的质量工程方法和计算机集成环境，实现在较短的时间内，以较低