第1章CAD技術(shù)發(fā)展史

1、第1章 CAD技術(shù)發(fā)展史CAD（Computer Aided Design）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，也就是使用計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)來(lái)輔助工程師進(jìn)行產(chǎn)品或工程的設(shè)計(jì)。CAD技術(shù)是一項(xiàng)綜合性、迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的高新技術(shù)。但是，在CAD軟件發(fā)展初期，CAD的含義僅僅是圖板的替代品，被稱為計(jì)算機(jī)輔助出圖Computer Aided Drawing（or Drafting）。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）在其近50年的演變歷史中，經(jīng)歷了巨大發(fā)展，其技術(shù)發(fā)展進(jìn)程如圖1-1所示。20世紀(jì)60年代 70年代 80年代 90年代 21世紀(jì)圖1-1 CAD技術(shù)演變1第一次CAD技術(shù)革命貴族化的曲面造型系統(tǒng)CAD技術(shù)起步于20世紀(jì)

2、50年代后期。此時(shí)CAD技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)是用傳統(tǒng)的三視圖方法來(lái)表達(dá)零件，以圖紙為媒介進(jìn)行技術(shù)交流，這就是典型的二維計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)。20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的三維CAD系統(tǒng)只是極為簡(jiǎn)單的線框式系統(tǒng)，只能表達(dá)基本的幾何信息，不能有效表達(dá)幾何數(shù)據(jù)間的拓?fù)潢P(guān)系。由于缺乏形體的表面信息，計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）及計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）均無(wú)法實(shí)現(xiàn)。這時(shí)，法國(guó)人提出了貝塞爾算法，使得人們?cè)谑褂糜?jì)算機(jī)處理曲線及曲面問題時(shí)變?yōu)榭赡?，同時(shí)也使得法國(guó)的達(dá)索飛機(jī)制造公司的開發(fā)者能在二維繪圖系統(tǒng)CADAM的基礎(chǔ)上，開發(fā)出以表面模型為特點(diǎn)的自由曲面建模法，推出了三維曲面造型系統(tǒng)CATIA。它的出現(xiàn)，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)從單

3、純模仿工程圖紙的三視圖模式中解放出來(lái)，首次實(shí)現(xiàn)以計(jì)算機(jī)完整描述產(chǎn)品零件的主要信息，同時(shí)也使得CAM技術(shù)的開發(fā)有了實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。曲面造型系統(tǒng)CATIA為人類帶來(lái)了第一次CAD技術(shù)革命，改變了以往只能借助油泥模型來(lái)近似準(zhǔn)確表達(dá)曲面的落后的工作方式。此時(shí)的CAD技術(shù)價(jià)格極其昂貴，而且軟件商品化程度低，開發(fā)者本身就是CAD大用戶，彼此之間技術(shù)保密。只有少數(shù)幾家受到國(guó)家財(cái)政支持的軍火商，在20世紀(jì)70年代冷戰(zhàn)時(shí)期才有條件獨(dú)立開發(fā)或者依托某廠商發(fā)展CAD技術(shù)，如表1-1所示。表1-1 CAD軟件的早期應(yīng)用軟 件開發(fā)及支持公司UG美國(guó)麥道（MD）公司開發(fā)I-DEAS美國(guó)國(guó)家航空及宇航局（NASA）支持CV美國(guó)

4、波音（Boeing）公司支持CALMA美國(guó)通用電氣（GE）公司開發(fā)CADAM美國(guó)洛克希德（Lochheed）公司支持CATIA法國(guó)達(dá)索（Dassault）公司開發(fā)2第二次CAD技術(shù)革命生不逢時(shí)的實(shí)體造型技術(shù)20世紀(jì)80年代初，CAD系統(tǒng)價(jià)格依然令一般企業(yè)望而卻步，這使得CAD技術(shù)無(wú)法擁有更廣闊的市場(chǎng)。為了使自己的產(chǎn)品更具特色，在有限市場(chǎng)中獲得更大的市場(chǎng)份額，以UG、CV、SDRC為代表的系統(tǒng)開始朝各自的發(fā)展方向前進(jìn)。20世紀(jì)80年代末到90年代初，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的大跨步前進(jìn)，CAE、CAM技術(shù)也開始有了較大發(fā)展。SDRC（Structural Dynamics Research Corpora

5、tion）公司在當(dāng)時(shí)星球大戰(zhàn)計(jì)劃的背景下，由美國(guó)宇航局支持及合作，開發(fā)出許多專用分析模塊，用以降低巨大的太空實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，同時(shí)在CAD技術(shù)方面也進(jìn)行了許多開拓；UG則著重在曲面技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展CAM技術(shù)，以滿足麥道飛機(jī)零部件的設(shè)計(jì)、加工需求；CV和CALMA則將主要精力都放在CAD市場(chǎng)份額的爭(zhēng)奪上。有了表面模型，CAM的問題可以基本解決。但是由于表面模型技術(shù)只能表達(dá)形體的表面信息，難以準(zhǔn)確地表達(dá)零件的其他特性，例如質(zhì)量、重心、慣性矩等，對(duì)CAE十分不利，最大的問題在于分析的前處理特別困難?；趯?duì)CAD/CAE一體化技術(shù)發(fā)展的探索，SDRC公司于1979年發(fā)布了世界上第一個(gè)完全基于實(shí)體造型技術(shù)的大型

6、CAD/CAE軟件I-DEAS。由于實(shí)體造型技術(shù)能夠精確表達(dá)零件的全部屬性，在理論上有助于統(tǒng)一CAD、CAE、CAM的模型表達(dá)，給設(shè)計(jì)帶來(lái)了驚人的方便性。它代表著未來(lái)CAD技術(shù)的發(fā)展方向?；谶@樣的共識(shí)，各軟件紛紛仿效，一時(shí)間，實(shí)體造型技術(shù)呼聲滿天下?？梢哉f(shuō)，實(shí)體造型技術(shù)的普及應(yīng)用標(biāo)志著CAD發(fā)展史上的第二次技術(shù)革命。但是新技術(shù)的發(fā)展往往是曲折和不平衡的。實(shí)體造型技術(shù)既帶來(lái)了算法的改進(jìn)和未來(lái)發(fā)展的希望，也帶來(lái)了數(shù)據(jù)計(jì)算量的極度膨脹。在當(dāng)時(shí)的硬件條件下，實(shí)體造型的計(jì)算及顯示速度很慢，在實(shí)際應(yīng)用中做設(shè)計(jì)顯得較為勉強(qiáng)。由于以實(shí)體模型為前提的CAE本來(lái)就屬于較高層次技術(shù)，普及面比較窄，反映還不強(qiáng)烈；另

7、外，在算法和系統(tǒng)效率的矛盾面前，許多贊成實(shí)體造型技術(shù)的公司并沒有大力去開發(fā)它，而是轉(zhuǎn)去攻克相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)的表面模型技術(shù)。各公司的技術(shù)取向再度分道揚(yáng)鑣。實(shí)體造型技術(shù)也因此沒能迅速在整個(gè)行業(yè)全面推廣。推動(dòng)了此次技術(shù)革命的SDRC公司與幸運(yùn)之神擦肩而過(guò)，失去了一次大飛躍的機(jī)會(huì)。在以后的10年中，隨著硬件性能的提高，實(shí)體造型技術(shù)又逐漸為眾多CAD系統(tǒng)所采用。3第三次CAD技術(shù)革命一鳴驚人的參數(shù)化技術(shù)正當(dāng)CV公司業(yè)績(jī)蒸蒸日上以及實(shí)體造型技術(shù)逐漸普及之時(shí)，CAD技術(shù)的研究又有了重大進(jìn)展。在此之前的造型技術(shù)都屬于無(wú)約束自由造型，進(jìn)入20世紀(jì)80年代中期，CV公司內(nèi)部以高級(jí)副總裁為首的一批人提出了一種比“無(wú)約束

8、自由造型”更新穎、更好的算法參數(shù)化實(shí)體造型方法。從算法上來(lái)說(shuō)，這是一種很好的設(shè)想，它的主要特點(diǎn)是：基于特征、全尺寸約束、全數(shù)據(jù)相關(guān)、尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)修改。但可惜的是：最終在CV公司內(nèi)部否決了參數(shù)化技術(shù)方案。策劃參數(shù)化技術(shù)的這些人在新思想無(wú)法實(shí)現(xiàn)時(shí)，集體離開了CV公司，自行成立了“參數(shù)技術(shù)公司（Parametric Technology Corporation）”，開始研制命名為Pro/E的參數(shù)化軟件。早期的Pro/E軟件性能很低，只能完成簡(jiǎn)單的工作，但是由于第一次實(shí)現(xiàn)了尺寸驅(qū)動(dòng)零件設(shè)計(jì)修改，使人們看到了它今后給設(shè)計(jì)者帶來(lái)的方便性?？梢哉J(rèn)為，參數(shù)化技術(shù)的應(yīng)用主導(dǎo)了CAD發(fā)展史上的第三次技術(shù)革命。4第

9、四次CAD技術(shù)革命更上一層樓的變量化技術(shù)參數(shù)化技術(shù)的成功應(yīng)用，使得它在20世紀(jì)90年代前后幾乎成為CAD業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)，許多軟件廠商紛紛起步追趕。但是，技術(shù)理論上的認(rèn)可并非意味著實(shí)踐上的可行性。由于UG、CATIA、CV、EUCLID都在原來(lái)的非參數(shù)化模型基礎(chǔ)上開發(fā)或者集成了許多其他應(yīng)用，包括CAM、PIPING和CAE接口等，在CAD方面也做了許多應(yīng)用模塊開發(fā)，重新開發(fā)一套完全參數(shù)化的造型系統(tǒng)困難很大，因?yàn)檫@樣做意味著必須將軟件全部重新改寫，何況他們?cè)趨?shù)化技術(shù)上并沒有完全解決好所有問題，因此他們采用的參數(shù)化系統(tǒng)基本上都是在原有模型技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部、小塊的修補(bǔ)?？紤]到這種“參數(shù)化”的不完整性

10、以及需要很長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)渡時(shí)期，UG、CV、CATIA在推出自己的參數(shù)化技術(shù)以后，均宣傳自己是采用復(fù)合建模技術(shù)，并強(qiáng)調(diào)復(fù)合建模技術(shù)的優(yōu)越性。20世紀(jì)90年代以前的SDRC公司已經(jīng)摸索了幾年參數(shù)化技術(shù)，當(dāng)時(shí)也面臨同樣的抉擇：要么它同樣采用逐步修補(bǔ)方式，繼續(xù)將其I-DEAS軟件“參數(shù)化”下去，這樣做風(fēng)險(xiǎn)小但必然導(dǎo)致產(chǎn)品的綜合競(jìng)爭(zhēng)力不高；然而是否一定要走參數(shù)化這“華山一條路”呢？積數(shù)年對(duì)參數(shù)化技術(shù)的研究經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)工程設(shè)計(jì)過(guò)程的深刻理解，SDRC的開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)了參數(shù)化技術(shù)尚有許多不足之處。首先，“全尺寸約束”這一硬性規(guī)定就干擾和制約著設(shè)計(jì)者創(chuàng)造力及想象力的發(fā)揮?！耙欢ㄒs束嗎？”“一定要以尺寸為設(shè)計(jì)的先

11、決條件嗎？”“欠約束能否將設(shè)計(jì)正確進(jìn)行下去？”沿著這個(gè)思路，在對(duì)現(xiàn)有各種造型技術(shù)進(jìn)行了充分分析和比較以后，一個(gè)更新穎大膽的設(shè)想產(chǎn)生了。SDRC公司的開發(fā)人員以參數(shù)化技術(shù)為藍(lán)本，提出了一種比參數(shù)化技術(shù)更為先進(jìn)的實(shí)體造型技術(shù)變量化技術(shù)，作為開發(fā)方向。SDRC的決策者們權(quán)衡利弊，同意了這個(gè)方案。于是，從1990年開始，歷經(jīng)3年時(shí)間，投資一億多美元，將軟件全部重新改寫，于1993年正式推出全新體系結(jié)構(gòu)的I-DEAS Master Series軟件。在早期出現(xiàn)的大型CAD軟件中，這是唯一一家在20世紀(jì)90年代將軟件徹底重寫的廠家。事實(shí)上，I-DEAS MS1發(fā)布時(shí)，SDRC市場(chǎng)排名僅位居第九，而在此以后

12、，SDRC每年的排位都要超越一兩位同行，截止到2001年5月，SDRC被EDS公司收購(gòu)前，其市場(chǎng)排名已穩(wěn)居前三位。無(wú)疑，變量化技術(shù)成就了SDRC，也驅(qū)動(dòng)了CAD發(fā)展的第四次技術(shù)革命。20世紀(jì)90年代以后，隨著PC機(jī)硬件設(shè)備的快速發(fā)展以及Windows操作系統(tǒng)的日益壟斷，以Windows為平臺(tái)的CAD軟件快速發(fā)展。與Windows無(wú)縫連接、價(jià)格低廉、易學(xué)易用的中、低端CAD軟件不斷涌現(xiàn)。SolidEdge、SolidWorks等一系列三維CAD軟件基本上全盤繼承變量化技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展。變量化技術(shù)已經(jīng)成為CAD軟件公認(rèn)的發(fā)展方向。5第五次CAD技術(shù)革命同步技術(shù)，建模技術(shù)發(fā)展的巨大突破20

13、08年將見證三維CAD設(shè)計(jì)歷史中的又一個(gè)里程碑。Siemens PLM Software推出了創(chuàng)新的同步建模技術(shù)（with Synchronous Technology）交互式三維實(shí)體建模中一個(gè)成熟的、突破性的飛躍。新技術(shù)在參數(shù)化、基于歷史記錄建模的基礎(chǔ)上前進(jìn)了一大步，同時(shí)與先前技術(shù)共存。同步建模技術(shù)實(shí)時(shí)檢查產(chǎn)品模型當(dāng)前的幾何條件，并且將它們與設(shè)計(jì)人員添加的參數(shù)和幾何約束合并在一起，以便評(píng)估、構(gòu)建新的幾何模型并且編輯模型，無(wú)須重復(fù)全部歷史記錄。用戶可以設(shè)想同步技術(shù)所帶來(lái)的性能影響和設(shè)計(jì)靈活性進(jìn)行編輯而無(wú)須重新生成整個(gè)模型，這是因?yàn)橥浇＜夹g(shù)能夠?qū)崟r(shí)發(fā)現(xiàn)、定位和解析依賴關(guān)系。設(shè)計(jì)人員不必再研究

14、和分析復(fù)雜的約束關(guān)系以便了解如何進(jìn)行模型編輯，也不用擔(dān)心編輯的后續(xù)模型關(guān)聯(lián)性，由此將對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品的開發(fā)帶來(lái)巨大的正面利益。設(shè)計(jì)人員可能會(huì)反問，“當(dāng)建模應(yīng)用程序能夠立即識(shí)別哪些幾何相互關(guān)系并且保持時(shí)，我們?yōu)槭裁催€要多余地再?gòu)?qiáng)制加上諸如兩個(gè)模型面是共平面，或者是相切等約束條件？”同步建模技術(shù)突破了基于歷史記錄的設(shè)計(jì)系統(tǒng)固有的局限性?；跉v史記錄的設(shè)計(jì)系統(tǒng)不能完全確定依賴相互的關(guān)系，從而必須依賴于全面重新執(zhí)行順序建模歷史記錄。對(duì)于如圖1-2所示問題，在目前基于有序歷史記錄的系統(tǒng)中，在需要對(duì)歷史記錄清單中的特征進(jìn)行變更的任何時(shí)候，系統(tǒng)都需要抑制所有后續(xù)幾何模型，回復(fù)模型到某個(gè)特征再進(jìn)行變更，再重新執(zhí)行后

15、續(xù)特征命令來(lái)重新建立模型。在大型、復(fù)雜的模型中，特征損失可能非常巨大，這是取決于目標(biāo)特征在歷史記錄中靠后有多遠(yuǎn)。同步建模技術(shù)則沒有此類問題，系統(tǒng)實(shí)時(shí)識(shí)別這些變化發(fā)生在哪里，并且使模型重建僅局限于使模型的幾何條件保持正確所必要的極小部分。正如同CAD用戶在20世紀(jì)80年代開始，逐步了解、認(rèn)可、習(xí)慣于參數(shù)化、變量化建模，“同步建模技術(shù)”勢(shì)必在整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)中更廣泛地被應(yīng)用，因?yàn)榇思夹g(shù)提供的在實(shí)體模型中識(shí)別當(dāng)前幾何條件的實(shí)時(shí)力量與用戶施加的約束和參數(shù)尺寸共存，所以用戶將平穩(wěn)過(guò)渡，以便越來(lái)越多地利用新的突破功能。圖1-2 模型編輯產(chǎn)品開發(fā)部門利用“同步建模技術(shù)”的強(qiáng)大設(shè)計(jì)性能實(shí)現(xiàn)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)將為其提供動(dòng)力，CAD建模的新智能之風(fēng)實(shí)際上將從他們的桌面上刮起。若需要獲取更