CAD技术的历史、现状与未来

郑州大学现代远程教育《土木工程CAD》课程论文CAD技术的历史、现状与未来学号：姓名：完成时间：CAD技术的历史、现状与未来摘要：CAD即计算机辅助设计(CAD-ComputerAidedDesign)是计算机系统在工程和产品设计的各个阶段中，为设计人员提供快速、有效的工具和手段，加快和优化设计过程以达到最佳设计效果的一种技术，简称CAD。AutoCAD是由美国Autodesk公司于二十世纪八十年代初为微机上应用CAD技术而开发的绘图程序软件包，经过不断的完美，现已经成为国际上广为流行的绘图工具。它的普及应用将使产品设计制造生产的传统模式发生深刻的变化，从而带动制造业技术的快速发展。本文主要介绍了CAD技术的历史、现状与未来。关键词：CAD,历史,现状,未来Abstract:TheCAD,theComputerAidedDesign(CAD-ComputerAidedDesign)isacomputer

systemin

eachstageofengineering

andproductdesign,

toprovide

fast,

effective

toolsandmethods

for

designpersonnel,

toacceleratetheoptimizationand

designprocessofatechnology

toachievethebest

designeffect，RefertoasCAD.AutoCADisdesignedbytheUnitedStatesinthe1980s,AutodeskcompanydevelopofthedrawingprogrampackagesformicrocomputerontheapplicationofCADtechnology,throughcontinuousperfect,nowhasbecometheinternationalpopulardrawingtools.Thepopularizationandapplicationofitwillmaketheproductsdesignandmanufactureoftheproductionoftraditionalpatterntohavetheprofoundchange,thuspromotemanufacturingtechnologyofrapiddevelopment。ThisarticlemainlyintroducedtheCADtechnologyhistory,presentandfuture.Keyword:CADHistoryPresentFutureCAD的分类按应用领域划分：有机械CAD/CAM、建筑CAD、电子CAD/CAM、工业设计CAD/CAM、地图CAD、纹织CAD/CAM和服装CAD/CAM等按CAD/CAM系统所用计算机的类型划分：分为大型机CAD/CAM系统、小型机CAD/CAM系统、工作站CAD/CAM系统和微机CAD/CAM系统。在实际应用中，往往按照CAD系统的规模进行分类，即网络环境下的CAD/CAM系统和单机环境下的CAD/CAM系统。CAD的发展历程一、从时间角度看CAD技术从20世纪60年代初开始出现，40年来随着微电子技术共同高速发展，形成了一门新兴的学科。尤其是20世纪80年代中期，分布式工作站的出现和微机CAD技术的普及应用，引发了产品和工程设计领域的革命性变化。CAD技术已从少数高技术大工业向中小企业扩散，并且形成了技术产业。现在CAD技术已应用于各行各业，大到航空航天、机械、造船、汽车、工程建筑、电机电器，小到服装裁剪、皮鞋楦头和纺织业的花色图案等。1963年，美国麻省理工学院的I.E.Sutherland在其博士论文中开发了SKETCHPAD系统，该系统可以用光笔在图形显示器上实现选择、定位等交互功能，对符号和图形的存储采用分层的数据结构，即一幅较复杂的完整图形可以通过分层调用各子图来生成。20世纪60年代中期，美国的一些大公司研制了CAD系统，如洛克希德飞机公司的CADAM系统，美国通用汽车公司为设计汽车车身和外形而开发的CAD-1系统。20世纪60年代末期至70年代中期为CAD技术的成熟阶段。以小型、超小型计算机为主机的CAD系统进入市场并形成主流，接着出现了一批专门经营CAD系统硬件和软件的公司，如ComputerVision、Intergraph、Calma、Applicon等。20世纪70年代末以后，32位超级微机工作站和微型计算机的出现对CAD技术的发展起了极大的推动作用。工作站是属于单用户的计算机系统，具有较高的响应速度，因而特别适用于CAD系统。在这期间，计算机交互图形技术日渐成熟并在工业界得到广泛应用。20世纪80年代中期以后，CAD技术与CAM技术相结合，形成了CAD/CAM新技术，导致了新理论、新算法的大量涌现。在软件方面，不仅实现了工程和产品的设计计算和绘图，而且能进行工程造型、自由曲面设计、有限元分析、机构及机器分析与仿真、模具设计制造等各种工程应用。特别是实体造型、特征建模、参数化设计等理论的发展与应用，推动了CAD技术的发展。二、从技术角度看：CAD共经历了四个发展阶段1、CAD发展的初级阶段：CAD发展的初级阶段为计算机辅助几何设计，计算机辅助几何设计主要研究曲线和曲面的计算。20世纪60年代末至70年代初，由法国雷诺汽车公司的工程师Bézier和美国麻省理工学院的Coons教授开展的曲线和曲面设计工作而开创。CAD技术起步于20世纪50年代后期。当时的CAD技术的出发点是用传统的三视图方法来表示零件，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系统只是用极为简单的线框表示的三维模型系统，只能表示基本的几何信息，不能有效地描述几何数据间的拓扑关系到Bézier算法的提出，才使得人们使用计算机处理曲线和曲面变为可能，同时也使得法国的达索飞机制造公司的开发者们，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方法，推出了三维曲面造型系统CATIA。CATIA的推出，标志着CAD技术已经摆脱了从单纯模仿工程图纸的三视图的方式，能够用计算机完整描述产品零件的重要信息，同时也使得CAM技术的实现有了坚实的基础。80年代初，几乎全世界所有的汽车工业和航空工业制造商都购买了CATIA，其结果是CATIA跃居制造业CAD系统榜首，并保持了多年的榜首地位。2、CAD发展的实体造型阶段20世纪70年代末到80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的发展。SDRC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，用以降低庞大的太空实验费用，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和加工需求；CV和CALMA则将主要精力都放在CAD市场份额的争夺上。基于对CAD/CAE一体化技术的研究，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。实体造型技术的普及应用，标志着CAD技术有了质的飞跃。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极度增大的问题。在当时的硬件条件下，实体造型的计算及显示速度很慢，应用于实际的设计过程显得较为勉强。3、CAD发展的参数化技术阶段进入20世纪80年代中期，CV公司提出了一种比“无约束自由造型”更新颖的算法——参数化实体造型方法。它主要的特点是基于特征、全尺寸约束、全数据相关和尺寸驱动设计与修改。CV公司最终否决了参数化技术方案。参数化技术的策划者在其新思想无法实现时，集体离开了CV公司，另行成立了一个参数技术公司(ParametricTechnologyCorp.)，开始研制命名为Pro/E（Pro/Engineer）的参数化软件。4、CAD发展的变量化技术阶段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。SDRC从1990至1993年，历经3年的时间，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-DEASMasterSeries软件。20世纪90年代以后，随着ＰＣ机硬件设备的快速发展以及Windows操作系统的日益完善，以Windows为平台的CAD软件快速发展。与Windows无缝连接、价格低廉、易学易用的中、低端CAD软件不断涌现。SolidEdge和SolidWorks等一系列三维CAD软件基本上全盘继承变量化技术，并在此基础上继续发展。变量化技术己经成为CAD软件公认的发展方向。CAD技术的现状我国CAD系统的开发和应用取得了一些成绩，国内已初步形成了二维CAD商品化软件市场，在一些企业也引进了CAD系统，并取得一些效益。但与国外相比差距仍然很大。1、目前我国CAD系统仅仅作为绘图工具，缺乏设计方法和设计理论的指导我国CAD软件开发虽然已形成了几个系统，但基本上都是二维绘图软件，开发者在技术上没有什么创新，缺乏设计方法和设计理论上的研究，因此所开发出的软件稳定性和可靠性差，自然在市场上就无竞争力。另外，图形CAD系统只能将设计过程的最后阶段——绘图阶段搬到计算机上，而设计过程仍然在设计师头脑中完成，这样设计效率并没有太大的提高。在应用方面，很多企业也只是把CAD作为一个绘图工具，企业应用中也缺乏对产品设计理论和设计方法的研究，因此企业产品和创新产品少，在市场上缺乏竞争力。2、我国三维CAD系统还不成熟，必须加快开发真正解决产品设计问题的是三维CAD系统，而目前我国自主开发的三维CAD系统还未真正形成商品软件。在今年8月份国家863/CIMS项目“基于线框、曲面、实体和特征表示的产品造型和设计系统”的招标中，有五家参加了投标，都开发了原型系统，但其功能、成熟性都不理想。而这类CAD系统国外软件早已占领中国市场，除了三维工作站CAD系统外，近几年来PC机和Windows/95/98/NT环境下的三维CAD系统也进入了中国市场。一些原来工作站系统的三维CAD软件系统也推出了PC机Windows平台的版本。3、我国CAD技术开发创新少、仿制多没有创新就没有竞争力，只仿制就不能开发出有竞争力的产品。从我国二维CAD到目前研制的三维CAD都存在这一问题。回顾一下历史，早在“七五”攻关时用户就提出了“参数设计问题”、“数据管理问题”及数控编程中的有关要求即现在的“特征造型问题”这些技术，我国CAD研究开发者也都知道，但都没有引起注意。而国外的CAD后起之秀PTC公司抓住了用户需求的时机，快速推出了参数化特征造型CAD系统——Pro/Engineer，一举占领了国际市场，至今仍在国际年销售额方面名列第一。4、我国CAD软件的开发缺乏理论研究和算法的研究CAD技术是一项综合性的高新技术，涉及面广而复杂，技术变化快，竞争激烈。就建模技术而言会涉及很多模型建立的理论和算法，这些都是为解决用户需求而研究开发的，每种理论和算法用于CAD系统中，会产生新的CAD软件。如有名的CSG、B-rep、NURBS等等。而我国CAD软件开发者缺乏这方面的研究，多年来也未见过有名的理论和算法用于CAD中。只能引用别人的，当然也只能跟在人家的后面走。5、信息集成技术落后信息技术的广泛集成是以产品数据管理（PDM）和过程管理（PM）为基础，实现CAD/CAPP/CAM和ERP的有机集成，在并行工程中PDM也是重要的基础。而我国在这方面的研究仅仅开始，至今也没有一个在国内市场上成熟的数据库管理系统（DBMS）。因此，这类基础性软件也被国外的系统占领了市场，我们的CAD/CAPP/CAM集成技术又建立在国外基础系统上。6、CAD中的数据交换格式和标准化落后在CAD技术的标准化方面，我国由于技术落后，资金投入不足，对此重视不够，至今未提出一个有关CAD方面的标准，完全是采用国际标准，有的已用作国家标准，如IGES、STEP等，另外由于种种因素也跟不上国际标准的更新和发展，因此造成国内CAD软件系统在数据交换、标准化等方面存在不少问题。CAD技术的未来1、标准化CAD软件一般应集成在一个异构的工作平台之上，只有依靠标准化技术才能解决CAD系统支持异构跨平台的环境问题。目前，除了CAD支撑软件逐步实现ISO标准和工业标准外，面向应用的标准零部件库、标准化设计方法已成为CAD系统中的必备内容，且向合理化工程设计的应用方向发展。2、智能化设计是一个含有高度智能的人类创造性活动领域，智能CAD是CAD发展的必然方向。从人类认识和思维的模型来看，现有的人工智能技术模拟人类的思维活动明显不足。因此，智能CAD不仅是简单地将现有的智能技术与CAD技术相结合，更重要的是深入研究人类设计的思维模型，最终用信息技术来表达和模拟它，才会产生高效的CAD系统，为人工智能领域提供新的理论和方法。CAD的这个发展趋势，将对信息科学的发展产生深刻的影响。3、网络技术的应用网络技术包括硬件与软件的集成实现,各种通讯协议及制造自动化协议,信息通讯接口,系统操作控制策略等,是实现各种制造系统自动化的基础。目前早已出现了通过Internet实现跨国界模具设计的成功例子。4、多学科多功能综合产品设计技术未来产品的开发设计不仅用到机械科学的理论与知识,而且还用到电磁学、光学、控制理论等知识。产品的开发要进行多目标全性能的优化设计,以追求模具产品动静态特性、效率、精度、使用寿命、可靠性、制造成本与制造周期的最佳组合。5、逆向工程技术的应用在许多情况下,一些产品并非来自设计概念,而是起源于另外一些产品或实物,