CAD技术的发展趋势及主流软件产品.doc

CAD技术的发展趋势及主流软件产品1. 引言计算机辅助设计（Computer Aided Design，简称CAD）技术产生于19世纪50年代后期。CAD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1 。CAD系统的发展和应用使传统的产品设计方法与生产模式发生深刻的变化，产生了巨大的社会经济效益。目前，CAD技术研究热点有计算机辅助概念设计、计算机支持的协同设计、海量信息存储、管理及检索、设计法研究及其相关问题、支持创新设计等。可以预见CAD技术将有新的飞跃，同时还会引起一场设计变革2 。2. CAD市场状况及主流软件产品随着Pentium芯片和Windows NT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。微机平台为普及CAD应用创造了绝好的条件。Pentium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11 。在2D市场上占绝对优势的是Autodesk公司的AutoCAD软件。3D市场的主流仍然是SolidEdge软件、SolidWorks软件，和UGII、CATIA、Pro/E、I-Deas的微机产品，再配合一些国产的3D软件产品，国内比较成熟的3D软件有CAXA-ME、GS-CAD、金银花系统等软件产品。2.1 部分国产CAD软件主要功能和技术特点举例 (1) 高华CAD 高华CAD是由清华大学开发的CAD系列产品，包括计算机辅助绘图支撑系统ghdrafting、机械设计及绘图系统ghmds、工艺设计系统ghcapp、三维几何造型系统ghgems、产品数据管理系统ghpdms及自动数控编程系统ghcam。其中ghmds是基于参数化设计的cad/cae/cam集成系统，它具有全程导航、图形绘制、明细表的处理、全约束参数化设计、参数化图素拼装、尺寸标注、标准件库、图像编辑等功能模块。 （2）gs-cad98 CAD系统 gs-cad98是一个基于微机、中文windows95/nt平台的三维cad系统。该软件是在国家“七五”重大攻关及863/cims主题目标产品开发成果的基础上，参照solidworks的用户界面风格及主要功能开发完成的。它实现了三维零件设计与装配设计，工程图生成的全程关联，在任一模块中所做的变更，在其他模块中都能自动地做出相应变更。 （3）CAXA CAXA是北京北航海尔软件有限公司（原北京华正软件工程研究所）面向我国工业界推出的自主开发的、中文界面、三维复杂形面CAD/CAM软件。CAXA包括CAXA电子图板V2(CAXA-EBV2)、CAXA三维电子图板V2(CAXA-EB3DV2)等绘图软件， CAXA实体设计V2、CAXA注塑模设计师V2(CAXA-IMD)等设计类软件，和CAXA制造工程师2000(CAXA-ME2000)等CAM软件。（4）金银花系统 “金银花（Lonicera）”系统来源于北京航空航天大学国家863/CIMS设计自动化工程实验室，又经过该实验室和广州红地技术有限公司联手进行了商品化、产业化的开发而成。该软件主要应用于机械产品设计和制造中，它可以实现设计/制造一体化和自动化。该软件采用面向对象的技术，使用先进的实体建模、参数化特征造型、二维和三维一体化、SDAI标准数据存取接口的技术；具备机械产品设计、工艺规划设计和数控加工程序自动生成等功能；同时还具有多种标准数据接口。目前金银花系统的系列产品包括：机械设计平台MDA、数控编程系统NCP、产品数据管理PDS、工艺设计工具MPP。（5）开目CAD 开目CAD是华中科技大学开发的具有自主版权的基于微机平台的CAD和图纸管理软件，它面向工程实际，模拟人的设计绘图思路，操作简便，机械绘图效率比AutoCAD高得多。开目CAD支持多种几何约束种类及多视图同时驱动，具有局部参数化的功能，能够处理设计中的过约束和欠约束的情况。开目CAD实现了CAD、CAPP、CAM的集成，适合我国设计人员的习惯，是全国CAD应用工程主推产品之一。产品包括开目CAD 、电气CAD、机械零件、CAPP、PDM、BOM、MIS(ERP) 、OA、进销存、CRM等软件。（6）InteCAD InteCADTool是由武汉天喻信息公司开发的具有完全独立自主版权的二维机械CAD系统，它符合Windows系统标准，采用Windows界面风格，易学、易用。基于特征的设计思想使画图和改图都无比快捷；是国内最优秀的多文档、多窗口操作的机械CAD系统。InteSolid是天喻公司生产的产品造型与设计系统。它采用面向对象技术和先进的几何造型器ACIS作为底层造型平台，面向用户的设计意图通过零件造型、装配设计和工程图的生成来满足产品设计与造型的需要，在国内处于领先地位。天喻信息公司产品包括InteCADTool、InteSolid、InteCAPP、InteCAST、IntePDM、InteAMS等软件。（7）大恒CAD 大恒通用机械CAD系统（HMCAD）最早开发于1991年，是针对机械制造及设计行业的通用机械CAD系统。HMCAD系统采用面向对象的编程技术，具有强大的参数化绘图功能。是目前国内公认的AutoCAD平台上机械CAD软件的代表。在作图过程中，动态导航器会预测每一步的作图意图，引导用户绘制准确的几何图形。随后，利用系统的尺寸驱动功能，修改草图上的尺寸获得所需的精确设计。HMCAD已在全国范围内数千家企业中使用，广泛分布在机械、冶金、航空航天、市政建设、电子、电气等重要行业，具有良好的用户基础。（8）XTMCAD XTMCAD 是由北京艾克斯特科技股份有限公司与清华大学机械CAD开发中心数十位博、硕士毕业生不懈努力开发出来的以AutoCAD 为平台的新一代二维特征化参数化集成机械 CAD 系统：XTMCAD for AutoCAD。它具有动态导航、参数化设计及图库建立与管理功能，还具有常用零件优化设计、工艺模块及工程图纸管理等模块。当 Autodesk 推出 Mechanical Desktop (MDT) 后，作为Autodesk 全球 ADN 成员的艾克斯特公司，推出了基于MDT的三维机械设计增强系统即 XTMCAD 3D。其他产品有XTPDM、XTCAPP、TeamDesigner（集成化柔性设计CAD系统）、XTEDS（电气设计及仿真软件）、XTERP、XTGDES（齿轮设计专家系统）、DFMA（面向制造与装配的设计分析系统）等。（9）PICAD PICAD系统是北京凯思博宏计算机应用工程有限公司开发的具有自主版权的CAD软件。该软件具有智能化、参数化和较强的开放性，对特征点和特征坐标可自动捕捉及动态导航；系统提供局部图形参数化、参数化图素拼装及可扩充的参数图符库；提供交互环境下的开放的二次开发工具；智能标注系统可自动选择标注方式；首先推出全新的“所绘即所得”自动参数化技术；可回溯的、安全的历史记录管理器；是真正的面向对象和面向特征设计的CAD系统。凯思博宏公司还在企业现代化信息管理系统和CAD、PDM、OA、CAPP等领域开发完成了一系列产品、专用系统及综合应用系统。2.2 国外CAD软件 （1）Unigraphics（UG） Unigraphics Solutions公司开发的产品UG是一个功能强大的CAD/CAM软件，针对于整个产品开发的全过程，从产品的概念设计直到产品建模、分析和制造过程，它提供给用户一个灵活的复合建模模块。作为一流产品，UG提供了全系列的工具，包括针对计算机辅助工业设计（CAID）艺术级工具，并与功能强大的CAD/CAM/CAE解决方案紧密集成。UG具有独特的知识驱动自动化（KDA）的功能，使产品和过程的知识能够集成在一个系统里。（2）Pro/Engineer Pro/Engineer系统是美国参数技术公司（PTC）的产品。PTC公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念，开发出来的第三代机械CAD/CAE/CAM产品Pro/Engineer软件能将设计至生产全过程集成到一起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程。Pro/Engineer采用技术指标化设计、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。Pro/Engineer系统用户界面简洁，概念清晰，符合工程人员的设计思想与习惯。整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统一的模型。（3）I-DEAS I-DEAS是美国SDRC公司开发的CAD/CAM软件。I-DEAS的新能力涉及针对各产品领域的增强。包括核心实体造型及设计、数字化验证(CAE)，数字化制造(CAM)、二维绘图及三维产品标注。I-DEAS在CAD/CAE一体化技术方面一直雄居世界榜首，软件内含诸如结构分析、热力分析、优化设计、耐久性分析等真正提高产品性能的高级分析功能。SDRC也是全球最大的专业CAM软件生产厂商。I-DEASCAMAND是CAM行业的顶级产品，可以方便地仿真刀具及机床的运动，可以从简单的2轴、2.5轴加工到以7轴5联动方式来加工极为复杂的工件表面，并可以对数控加工过程进行自动控制和优化。（4）CATIA CATIA系统是法国达索（Dassault）飞机公司DassaultSystems工程部开发的产品。该系统是在CADAM系统（原由美国洛克希德公司开发，后并入美国IBM公司）基础上扩充开发的，在CAD方面购买原CADAM系统的源程序，在加工方面则购买了有名的APT系统的源程序，形成了商品化的系统。CATIA采用先进的混合建模技术、在整个产品生命周期内方便的修改能力、所有模块具有全相关性、具有并行工程的设计环境、支持从概念设计直到产品实现的全过程。它也是世界上第一个实现产品数字化样机开发（DMU）的软件。CATIA系统如今已经发展为集成化的CAD/CAE/CAM系统，它具有统一的用户界面、数据管理以及兼容的数据库和应用程序接口，并拥有20多个独立计价的模块。（5）SolidEdge SolidEdge的JupiterTechnology是IntergraphCo.花了六年所开发出来的软件平台架构。SolidEdge是真正Windows软件，采用最新的STREAM技术，完全与Microsoft产品相兼容的真正技术指标化的三维实体造型系统。它利用逻辑推理和决策概念来动态捕捉工程师的设计意图，STREAM技术易学、易用，通过改善用户交互速度和效率，所以能比其它中档CAD设计软件产生更多的效益。Solid Edge采用Unigraphics Solutions的Parasolid V10造型内核作为强大的软件核心。SolidEdge利用相邻零件的几何信息，使新零件的设计可在装配造型内完成；模塑加强模块直接支持复杂塑料零件造型设计；钣金模块使用户可以快速简捷地完成各种钣金零件的设计；利用二维几何图形作为实体造型的特征草图，实现三维实体造型，为从CAD绘图升至三维实体造型的设计提供了简单、快速的方法。（6）SolidWorks 由美国SolidWorks公司于1995年11月研制开发的SolidWorks是一套基于Windows平台的全参数化特征造型软件，它可以十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。图形界面友好，用户上手快。该软件可以应用于以规则几何形体为主的机械产品设计及生产准备工作中，其价位适中。该软件采用Parasolid作为几何平台和DCM作为约束管理模块，自顶向下基于特征的实体建模设计方法，可动态模拟装配过程，自动生成装配明细表、装配爆炸图，动态装配仿真、干涉检查、装配形态控制，同时具有中英文两种界面可供选择其先进的特征树结构使操作更加简便和直观。（7）AutoCAD AutoCAD是美国Autodesk公司为微机开发的一个交互式二维工程绘图软件，Autodesk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。AutoCAD是当今最流行的二维绘图软件，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、ARX等作为二次开发的工具。AutoCAD Mechanical是2D机械设计与工程用的AutoCAD，含有智能的工程图与详细视图的制作能力，拥有增強的设计与分解工具，內建 IGES转换器，可以在 Autodesk Streamline提供的主机服务上，共享设计资料，进行项目合作。（8）MDT MDT是Autodesk公司在PC平台上开发的三维机械CAD系统。它以三维设计为基础，集设计、分析、制造以及文档管理等多种功能为一体。MDT基于特征的参数化实体造型、基于NURBS的曲面造型、可以比较方便地完成几百甚至上千个零件的大型装配、提供相关联的绘图和草图功能、提供完整的模型和绘图的双向联结。该软件与AutoCAD完全融为一体，用户可以方便地实现三维向二维的转换。MDT为AutoCAD用户向三维升级提供了一个较好的选择。2.3 CAE软件 （1）MSC系列 MSC.Software Corporation (简称MSC)创建于1963年, 总部设在美国洛杉矶，是享誉全球最大的工程校验，有限元分析和计算机仿真预测应用软件(CAE) 供应商，也是世界最著名最权威最可靠的大型通用结构有限元分析软件MSC.NASTRAN的开发者。MSC公司的 MSC.NASTRAN 软件始终作为美国联邦航空管理局(FAA)飞行器适航证领取的唯一验证软件。MSC.NASTRAN是世界上功能最全面、性能超群、应用最广泛的大型通用结构有限元分析软件，也是全球CAE工业标准的原代码程序。能够有效解决各类大型复杂结构的强度、刚度、屈曲、模态、动力学、热力学、非线性、(噪)声学、流体-结构耦合、气动弹性、超单元、惯性释放及结构优化等问题。通过MSC.NASTRAN的分析可确保各个零部件及整个系统在最合理的环境下正常工作，获得最佳性能。（2） ANSYS ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。ANSYS软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；（3）I-DEAS有限元分析功能 I-DEAS有限元建模和预览分析结果。直接从I-DEAS零件主模型、装配体主模型或从其它CAD系统模型自动生成有限元网格。线性求解器(Model Solution Linear) 用于线性结构热场和流场有限元分析的模块，以多种固定形式给出求解参数和输 出结果，使运行简化。非线性求解器(Model Solution Non-Linear) 用于载荷、材料特性、接触条件或结构刚度随位移变化的非线性条件下的有限元分析非线性求解器支持几何非线性、材料非线性、面面接触及它们综合的分析；还支持加载自动步长控制和弯曲分析等复杂问题。（4）UG/FEA UG/FEA是一个与UG/Scenario for FEA前和后处理功能紧密集成的有限元解算器，优越的单元技术和强大的数字方法是UG/FEA的基础，稀少的矩阵数字法，大大地增加了解算速度和减少需要的磁盘空间量，使数字处理快速的有效。UG/FEA支持概念分析的广泛的各种分析类型，这些包括线性静态，标准模态，稳态热传递，线性屈服和支持装配件包括间隙分析，对薄壁零件和梁的尺寸优化 作为可选项功能是有效支持的材料类型包括各向同性，各向异性和正交（Orthotrapic）异性。2.4 虚拟产品开发软件 （1）ADAMS 美国MDI(Mechanical Dynamics Inc.)公司开发的ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）软件，是世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学分析软件。用户使用ADAMS软件，可以自动生成包括机-电-液一体化在内的、任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模型，能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计、到产品方案修改、优化、试验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果，从而达到缩短产品开发周期、降低开发成本、提高产品质量及竞争力的目的。（2）Deneb Deneb的ENVISION提供了一个高级的、基于物理的3D环境。它对涉及结构、机械和人员动作的应用进行设计、检验和建立快速的原型。ENVISION VP虚拟样机 ENVISION VP的基于物理的模型中包括了支持虚拟环境的动态特性。这个环境支持基于仿真的设计。在这个环境中，用户可以快速、高效的对产品进行设计、建造、测试和操作。这个环境中还支持多产品和系统设计。并具有如下特点：实时动态分析、并行工程、基于仿真的培训、人体工程、IGRIP 交互产品和过程开发、QUEST 离散事件仿真标准。（3）EAI产品 EAI（Engineering Animation，Inc.）公司在这方面则处于领先位置。它是一家专注于三维可视化技术的美国公司，其产品用于满足汽车、重型装备、航空航天及其它制造业的用户工程设计中三维可视化、数字原型等方面的需要。它提供的基于设计项目组的设计环境，使用户可方便地使整个工程项目可视化，分析研究整个装配过程，方便地浏览设计发生变化所产生的结果，并进行实时通讯，其选项使整个过程更加逼真。EAI的产品适用于多种平台，与众多的流行CAD软件能无缝连接。（4）visualNastran Desktop系列软件 visualNastran Desktop系列软件前身为Working Model系列软件，是由美国MSC公司开发的基于微机平台的系列虚拟样机分析仿真系统，主要包括机构分析、动态仿真和有限元分析等专业功能。visualNastran系列软件包括：集成运动学/动力学仿真和有限元分析功能的仿真系统；三维机械运动学/动力学分析仿真系统；二维机械运动学/动力学原理分析、概念设计系统；部件装配级三维有限元分析系统；部件装配级三维有限元分析和设计优化系统；三维机械动力学/运动学模型真实感浏览器；三维机械动力学/运动学模型浏览器等。3. CAD技术的发展趋势从上述CAD产品的发展过程可以看出，CAD技术经历了二维平面图形设计，交互式图形设计、三维线框模型设计、三维实体造型设计、自由曲面造型设计、参数化设计、特征造型设计等发展过程 3 。近年来，又出现了许多先进技术，如变量化技术、虚拟产品建模技术等。随着互连网的普及，集成化（Integrated）、智能化（Intelligent）、协同化（Collaborative）成为CAD技术新的发展特点。使CAD技术得以更广泛的应用，发展成为支持协同设计、异地设计和信息共享的网络CAD4 。3.1 变量化设计环境先进的超变量几何（Variational Geometry eXtended，VGX）技术是一种现代CAD的核心技术。VGX提供了三维变量化控制技术，贯穿于2维草图设计、3维零件造型、直到装配体设计全过程。提供变量化草绘、建立变量方程、设计变量特征的能力。直接修改与基于设计历程修改相结合，可随时灵活地修改原约束、建立新约束和删除旧约束，或进行与造型顺序无关的尺寸标注，而不必关心设计顺序。VGX可在欠约束情况下进行任意几何与工程约束的自由创新设计，可在复杂的曲面边缘上自动生成凸缘。VGX完全一体化的变量化设计环境，支持统一的线框、裁剪曲面和实体造型。VGX技术扩展了变量化产品结构，允许用户对一个完整的三维数字产品从几何造型、设计过程、特征，到设计约束，都可以进行实时直接操作。而且，随着设计的深化，VGX可以保留每一个中间设计过程的产品信息。VGX为用户提出了一种交互操作模型的三维环境，设计人员在零部件上定义关系时，不再关心二维设计信息如何变成三维，从而简化了设计建模的过程。设计人员可以针对零件上的任意特征直接进行图形化的编辑、修改，这就使得用户对其三维产品的设计更为直观和实时。用户在一个主模型中，就可以实现动态地捕捉设计、分析和造的意图。VGX技术极大地改进了交互操作的直观性及可靠性，从而使CAD软件更加易于使用，效率更高。3.2 虚拟产品建模技术虚拟现实（Virtual Reality, VR）技术在CAD中的应用也已经开始，可以进行各类具有沉浸感的可视化模拟，用以验证设计的正确性和可行性。还可以在设计阶段模拟零部件的装配过程，检查所用零部件是否合适和正确。在概念设计阶段，支持人机工程学，检验操作时是否舒适、方便，可用于方案选比。虚拟制造（Virtual Manufacturing，VM）是实际制造过程在计算机上的本质实现。即利用各方面仿真与虚拟现实等技术构造一个虚拟的、集成的、有机的制造环境，在此环境下，产品开发人员通过网络协同技术，快速地、并行地进行产品开发 5 。虚拟制造是在计算机中生成产品的虚拟原型取代物理原型进行测试、仿真、分析以得出其性能、可制造性、可维护性、可装配性以及成本、外观等的评价，从而缩短产品开发周期、降低开发成本、提高企业快速响应的能力6 。虚拟产品建模就是指建立产品的虚拟原型或虚拟样机的过程。基于虚拟样机的试验仿真分析，可以在真实制造之前发现问题，并得以解决。虚拟样机是集产品几何信息（变量特征、设计历程、工程约束方程），工艺信息（尺寸、坐标系、公差配合、形位公差、材料及物理属性）和加工工艺信息等为一体的完整的信息主模型。3.3 CAD/CAM/CAE/PDM集成技术许多企业已经建立了CAD、CAM、CAE、CAPP等软件平台，并应用于产品开发的各个环节。在产品的全生命周期中，CAD系统用于产品的设计，CAE系统用于产品分析，CAPP/CAM系统用于产品的加工生产，PDM系统用于管理与产品有关的数据和过程，ERP系统管理企业的人、财、物、信息等企业资源7 。这些系统如果相互独立, 则较难发挥企业的整体效益。随着企业生产的发展，需要进行以产品为核心和以企业经营流程为核心的集成环境，这就需要CAD、PDM、ERP集成系统的支持。如何保证产品数据的有效性、完整性、唯一性、最新性及共享性，是集成系统的核心问题。这就要求建立集成产品信息模型，它能够容易地在产品生命周期的不同环节间进行转换。要求能支持集成地、并行地设计产品及其相关的各种过程，帮助产品开发人员在设计一开始就考虑产品从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。目前PC级CAD软件大都提出了CAD/CAM/CAE/PDM软件集成的解决方案。3.4 智能CAD技术 设计是一个含有高度智能的人类创造性活动领域，CAD系统将引入知识工程，从而产生智能CAD系统。智能CAD是CAD发展的必然方向。智能设计（Intelligent Design）和基于知识库系统（Knowledge based system）的工程是出现在产品处理发展过程中的新趋势8 。在运用知识化、信息化的基础上，建立基于知识的设计仓库（Design Repository），它能及时准确地向设计人员提供产品开发所需的信息与帮助，利用Web机制，可以实现信息共享与交换，解决了产品设计中对知识的需求的问题。从数据库（Database）到数据仓库（Data Warehouse）到知识库（Knowledge Repository），从单纯的数据集到应用一定的规则从数据中进行知识的挖掘，到让数据自身具有自我学习、积累能力，这是一个对数据处理、应用逐步深入的过程。智能CAD软件采用动态导航技术，用户甚至会觉得设计过程中有一位同事在指点提示，用户的设计工作就是在与这位同事的交流中完成的。3.5 协同技术 计算机支持协同工作（Computer Supported Cooperative Work，CSCW）作为一项支持并行工程的使能技术，在现代CAD环境中得以实现，协同机制构造一种“虚拟工作空间”，开发成员围绕一个共同任务协同地进行工作。这要求CAD软件可以很好地解决协同设计中的各种冲突，包括基于规则的冲突消解、基于实例的冲突消解、基于约束的冲突消解及冲突协商；Internet/Intranet上进行群体成员间多媒体信息传输；异构环境中的数据传输与工具集成；设计群体中人人交互技术，包括利用白板、语音、视频等工具进行电子会议等。产品协同商务（CPC）解决方案是一个完全建立在Internet平台、CORBA和Java技术的基础上的产品。CPC定义为一类采用Internet技术的软件和服务，它允许企业或个人个体在产品的整个生命周期中协作开发、生产、管理产品9 。CPC将所有产品和过程生