CAD(计算机辅助设计技术

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1、1 CAD （计算机辅助设计技术) 1、CAD 技术简史CAD 技术起步于 50 年代。 60 年代，随着计算软硬件技术的发展，CAD 开始迅速发展。 在这个时期， CAD技术的出发点是用传统的三视图来表达零件，以图纸为媒介进行技术交流，这就是二维计算机绘图技术。这种以二维绘图为目标的CAD 技术一直持续到70 年代末期。以后作为 CAD 技术的一个分支而相对独立稳定地发展。早期应用较为广泛的是CADAM 软件，近十年来占据绘图市场主导地位的是Autodesk 公司的 AutoCAD软件。目前，中国的CAD 用户特别是早期用户中，二维绘图仍占相当大的比重。2、CAD 技术史上的几场革命自从 5

2、0 年代 CAD 技术发展以来，到今天的广泛应用，此间经历了几次大的技术性革命，历述如下：2.1 第一次 CAD 技术革命 -曲面造型系统60 年代出现的三维CAD 系统只是简单的线框式系统，它只能表达基本的几何信息，不能有效地表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息，CAE 及 CAM 均无法实现。进入 70 年代，正值飞机和汽车工业蓬勃发展的时期。，此间飞机及汽车制造中遇到的大量的自由曲面问题，在当时只能用多截面视图和特征纬线的方式来进行表达。由于三视图方法表达的不完整性以及工业上的应用的需求的推动，此时法国人提出了贝赛尔算法使得用计算机处理曲线及曲面问题变的可行。同时，法国达索飞

3、机制造公司也基于此算法，在二维绘图系统CADAM 的基础上，开发出以表面模型为特点的三维造型系统CATIA 。CATIA 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表达曲面的工作方式。在这个时期， CAD 技术价格极其昂贵，软件商品化程度也很低。只有少数几家受到国家财政支持的军火商，在 70 年代冷战时期才有条件独立开发或依托某厂商发展CAD 技术。例如：* CADAM由美国洛克希德 (

4、Lochheed)公司支持* CALMA-由美国通用电气 (GE)公司支持* CV- 由美国波音 (Boeing)公司支持* IDEAS- 由美国国家航空及宇航局(NASA) 支持* UG- 由美国麦道 (MD) 公司开发* CATIA- 由法国达索 (Dassault)公司支持这时的 CAD 技术主要应用于军用工业。同时一些民用主干工业，如汽车巨人也开始开发一些曲面系统为自己服务，如：* SURP- 大众汽车公司* PDGS- 福特汽车公司2 * EUCLID- 雷诺汽车公司另外丰田和通用等汽车公司也开发了自己的CAD 系统但由于无军方支持，开发经费及经验不足，其开发出来的软件商品化程度较军

5、方支持的系统要低，功能覆盖面和软件水平亦相差较大。2.2 第二次 CAD 技术革命 -曲面造型技术80 年代初， CAD 系统的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。为使自己的产品更有特色，以CV、SDRC、UG 为代表的系统开始朝各自的发展方向前进。70 年代末到 80 年代初，由于计算机技术的大跨步前进，CAD、CAM 技术也开始有了较大发展。SDRC 公司在当时星球大战的背景下，由美国宇航局支持及合作，开发出了许多分析模块，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 则着在曲面技术的基础上发展CAM 技术，用以满足麦道飞机零

6、部件的加工需求；CV 和CALMV则将主要精力都方在CAD 市场份额的争夺上。尽管有了表面模型，CAM 的问题可以基本解决。但由于表面模型只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特性，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。基于对于 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

7、的共识，一时间实体造型技术呼声满天下。可以说， 实体造型技术的扑几应普及应用标志着CAD 发展史上的第二次技术革命。实体造型技术带来了算发改进和未来发展的希望的同时，也带来了数据计算量的极度膨胀。因此，在当时的硬件条件下，实体造形的计算及显示速度很慢，在实际应用中作设计显的很勉强。由于以实体模型为基础的CAE 本身就属于高层次技术，普及面窄；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下大力气去开发它，而是转去开发相对容易的表面造型技术，各公司的技术因此再度分道扬镳，实体造型技术因此没能在整个行业迅速推广。推动此次技术革命的SDRC 公司也与幸运之神擦肩而过，失去了一次大

8、发展的机会。在此后的十年里，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。在这段技术跌宕起伏的时期，CV 公司最先在曲面算发上取得突破，计算速度提高很大。由于CV 提出集成各种软件，为企业提供全方解决的思路，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，一举成为 CAD 领域的领导者，市场份额上升到第一位，兼并了CALMA公司，实力迅速膨胀。2.3 第三次 CAD 技术革命 -参数化技术正当 CV 公司业绩蒸蒸日上以及实体造型技术逐渐普及之时，CAD 技术的研究又重大发展。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

9、副总裁为首的一批人提出了一种比无约束自由造型更新颖、更好的算法-参数化实体造型方法，这种算法主要有以下特点：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。当时的参数化技术还有很多技术难点有待攻克，CV 公司内部也就是否投资参数化技术展开激烈争论。由于参数化技术核心算法与以往系统有本质差别，若采用参数化技术，势必要将全部软件重写，投资及工作量将非常惊人。另一点就是，当时技术主要用于航空和汽车工业，参数化技术还不能为这些工业中所需的大量自由曲面提供有效的工具，更何况当时CV 软件在市场、上呈供不应求之势。因此，CV 公司内部否决了参数化方案。策划参数化技术的这些人在新是想无法实现的情况下集体

10、离开了CV 公司，令成立了一家参数化技术公司（Parametric Technology Corp. PTC）,开始研制名为Pro/ENGINEER 的参数化软件。早期的Pro/ENGINEER 软3 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 技术硬件凭台成本从二十几万元降到几万美元，很多中小企业也开始有能力使用CAD 技术。 由于它们的设计工作量并不大，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，因此他们把目光投向了中低档的Pro/ENGINEER 软件

11、。 PTC 也正是因为瞄准了这一中档市场，才迎合了众多中小企业在CAD 上的需求，一举取得成功。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 也因此先行挤占了低端AutoCAD 市场，以致于在几乎所有、CAD 公司的营业额都在呈上升趋势的情况下，Autodesk公司的营业额却增长缓慢，市场排名连续下挫。 继而，PTC 公司又试图进入高端CAD 市场，与 CATIA 、 SDRC、CV、UG 等群雄在汽车及飞机制造业市场逐鹿。目前，PTC 在 CAD 市场份额排名已名列前茅。可以说，参数化技术的应用主导了CAD 发展史

12、上的第三次技术革命。2.4 第四次 CAD 技术革命 -变量化技术参数化技术的成功应用，使它几乎成为CAD 业界的标准，许多软件厂商纷纷起步赶。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、EDCLID都在原来的非参数化模型的基础上开发集成了许多其它应用软件，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将花费很大的人力财力。因此他们采用的参数化系统基本上是在原有模型基础上进行局部、小块的修补。考虑到这种“参数化技术 “的不完整性以及需要很长的过渡时期，CV、CATIA 、UG 在推出自己的

13、参数技术以后，均宣称自己是采用复合建模技术，并强调复合建模技术的优越性。这种复合建模技术，并非完全基于实体，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有本质不同用参数化技术造型后进入非参数化系统后还要进行内部卷转换，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。这养的系统由于在参数化和非参数化两方面都不占优势，系统整体竞争力不高，只能依靠某些实用性模块上的特殊能力来增强竞争力。SDRC 公司在 1990 前摸索了几年参数化技术后，也面临着同样的抉择：是同样采用逐步修补的方式，继续将其 I-DEAS 软件参数化下去， 还是全部改写。 SDRC 的开发人员积数年的参数化

14、研究经验，发现参数化技术有许多不足。首先，全尺寸约束的硬性规定干扰和制约着设计者创造力和想象力的发挥；其次，如在设计中关键的拓扑关系发生改变，失去了某些约束特征也会造成系统数据混乱。基于以上的原因， SDRC 的开发人员大胆地提出了一种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 的决策者们同意了该方案，并决定从根本上解决这一问题。从 1990 年到 1993 年，SDRC 公司投资一亿美元， 于 1993 年推出了全新体系结构的I-DEAS Master Series 软件。 在早期的大型CAD 软件中，这是唯一一家在90 年代将软件彻底从写的厂家。变量化技术既保持了

15、参数化技术的原有优点，同时又克服了它的许多不足之处。它的成功应用， 为 CAD 技术的发展提供了更大得空间和机遇。SDRC 几年来业务的快速增长，证明了它走的这条充满风险的研发道路是正确的。截止到去年，SDRC 的市场排名已由I-DEAS MS1 发布时的第九名，上升至第三位。无疑，变量化技术成就了SDRC，也驱动了CAD 发展史上的第四次技术革命。3、结语纵观 CAD 技术将近三四十年的发展历程，可见众多厂商的成败无不与其技术发展密切相关。CAD 技术基础理论的每次重大进展，无一不带动了CAD/CAE/CAM整体技术的提高以及制造手段的更新。技术的发展，永无止境。没有一种技术是常青树，CAD 技术将一直处于不断的发展和探索之中。正是这种此消彼长的互动与交替，造就了今天CAD 技术兴旺与繁荣，促进了工业的高速发展。