CAD发展现状以及发展史

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1、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。CAD 演变 同步建模技术 基于历史记录的实体建模 三维表面 建模 三维线框 二维 画板 20 世纪 60 年代 70

2、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

3、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

4、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 EUC

5、LID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

6、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

7、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，

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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，A

14、utodesk 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 C

15、AM、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

16、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，