CAD技術發(fā)展歷程概述

CAD技術起步于50年代后期。進入60年代，隨著在計算機屏幕上繪圖變?yōu)榭尚卸_始迅速發(fā)展。人們希望借助此項技術來擺脫繁瑣、費時、繪制精度低的傳統(tǒng)手工繪圖。此時CAD技術的出發(fā)點是用傳統(tǒng)的三視圖方法來表達零件，以圖紙為媒介進行技術交流，這就是二維計算機繪圖技術。

在CAD軟件發(fā)展初期，CAD的含義僅僅是圖板的替代品，即：意指Computer Aided Drawing(or Drafting)而非現(xiàn)在我們經(jīng)常討論的CAD(Computer Aided Design)所包含的全部內(nèi)容。CAD技術以二維繪圖為主要目標的算法一直持續(xù)到70年代末期，以后作為CAD技術的一個分支而相對單獨、平穩(wěn)地發(fā) 展。早期應用較為廣泛的是CADAM軟件，近十年來占據(jù)繪圖市場主導地位的是 Autodesk公司的AutoCAD軟件。在今天中國的CAD用戶特別是初期CAD用戶中，二維繪圖仍然占有相當大的比重。

1. 第一次CAD技術革命──“貴族化”的曲面造型系統(tǒng)

60年代出現(xiàn)的三維CAD系統(tǒng)只是極為簡單的線框式系統(tǒng)。這種初期的線框造型系統(tǒng)只能表達基本的幾何信息，不能有效表達幾何數(shù)據(jù)間的拓撲關系。由于缺乏形體的表面信息，CAM及CAE均無法實現(xiàn)。

進入70年代，正值飛機和汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展時期。此間飛機及汽車制造中遇到了大量的自由曲面問題，當時只能采用多截面視圖、特征緯線的方式來近似表達所設計的自由曲面。由于三視圖方法表達的不完整性，經(jīng)常發(fā)生設計完成后，制作出來的樣品與設計者所想象的有很大差異甚至完全不同的情況。設計者對自己設計的曲面形狀能否滿足要求也無法保證，所以還經(jīng)常按比例制作油泥模型，作為設計評審或方案比較的依據(jù)。既慢且繁的制作過程大大拖延產(chǎn)了產(chǎn)品的研發(fā)時間，要求更新設計手段的呼聲越來越高。

此時法國人提出了貝賽爾算法，使得人們在用計算機處理曲線及曲面問題時變得可以操作，同時也使得法國的達索飛機制造公司的開發(fā)者們，能在二維繪圖系統(tǒng)CADAM的基礎上，開發(fā)出以表面模型為特點的自由曲面建模方法，推出了三維曲面造型系統(tǒng)CATIA。它的出現(xiàn)，標志著計算機輔助設計技術從單純模仿工程圖紙的三視圖模式中解放出來，首次實現(xiàn)以計算機完整描述產(chǎn)品零件的主要信息，同時也使得CAM技術的開發(fā)有了現(xiàn)實的基礎。曲面造型系統(tǒng)CATIA為人類帶來了第一次CAD技術革命，改變了以往只能借助油泥模型來近似準確表達曲面的落后的工作方式。

此時的CAD技術價格極其昂貴(也許還有人記得，曾幾何時，在國內(nèi)租用一套CATIA的年租金即需15～20萬美元)，而且軟件商品化程度低，開發(fā)者本身就是CAD大用戶，彼此之間技術保密。只有少數(shù)幾家受到國家財政支持的軍火商，在70年代冷戰(zhàn)時期才有條件獨立開發(fā)或依托某廠商發(fā)展CAD技術。例如：

CADAM由美國洛克希德(Lochheed)公司支持

CALMA 由美國通用電氣(GE)公司開發(fā)

CV 由美國波音(Boeing)公司支持

I-DEAS 由美國國家航空及宇航局(NASA)支持

UG 由美國麥道(MD)公司開發(fā)

CATIA 由法國達索(Dassault)公司開發(fā)

這時的CAD技術主要應用在軍用工業(yè)。但受此項技術的吸引，一些民用主干工業(yè)，如汽車業(yè)的巨人也開始摸索開發(fā)一些曲面系統(tǒng)為自己服務，如： 大眾汽車公司 SURF 、福特汽車公司 PDGS 、雷諾汽車公司 EUCLID 。另外還有豐田、通用汽車公司等都開發(fā)了自己的CAD系統(tǒng)。由于無軍方支持，開發(fā)經(jīng)費及經(jīng)驗不足，其開發(fā)出來的軟件商品化程度都較軍方支持的系統(tǒng)要低，功能覆蓋面和軟件水平亦相差較大。

曲面造型系統(tǒng)帶來的技術革新，使汽車開發(fā)手段比舊的模式有了質(zhì)的飛躍，新車型開發(fā)速度也大幅度提高，許多車型的開發(fā)周期由原來的6年縮短到只需約3年。CAD技術給使用者帶來了巨大的好處及頗豐的收益，汽車工業(yè)開始大量采用CAD技術。80年代初，幾乎全世界所有的汽車工業(yè)和航空工業(yè)都購買過相當數(shù)量的CATIA，其結果是CATIA躍居制造業(yè)CAD軟件榜首，并且保持了許多年。最近幾年，從造型理論上來說，CATIA并沒有突破性的進展，CAD技術本身已相對落后。達索公司公布的96年營業(yè)額只有2.68億美元，這并不足以使其穩(wěn)據(jù)世界排名第二的位置。但其龐大用戶群的巨大慣性以及由IBM提供的約3億美元的強有力系統(tǒng)集成支持，使得它依然排在CAD行業(yè)前列。

2. 第二次CAD技術革命──生不逢時的實體造型技術

80年代初，CAD系統(tǒng)價格依然令一般企業(yè)望而卻步，這使得CAD技術無法擁有更廣闊的市場。為使自己的產(chǎn)品更具特色，在有限的市場中獲得更大的市場份額，以CV、SDRC、UG為代表的系統(tǒng)開始朝各自的發(fā)展方向前進。70年代末到80年代初，由于計算機技術的大跨步前進，CAE、CAM技術也開始有了較大發(fā)展。

SDRC公司在當時星球大戰(zhàn)計劃的背景下，由美國宇航局支持及合作，開發(fā)出了許多專用分析模塊，用以降低巨大的太空實驗費用，同時在CAD技術方面也進行了許多開拓；UG則著重在曲面技術的基礎上發(fā)展CAM技術，用以滿足麥道飛機零部件的加工需求；CV和CALMA則將主要精力都放在CAD市場份額的爭奪上。

有了表面模型，CAM的問題可以基本解決。但由于表面模型技術只能表達形體的表面信息，難以準確表達零件的其它特性，如質(zhì)量、重心、慣性矩等，對CAE十分不利，最大的問題在于分析的前處理特別困難?；趯τ贑AD/CAE一體化技術發(fā)展的探索，SDRC公司于1979年發(fā)布了世界上第一個完全基于實體造型技術的大型CAD/CAE軟件──I-DEAS。由于實體造型技術能夠精確表達零件的全部屬性，在理論上有助于統(tǒng)一CAD、CAE、CAM的模型表達，給設計帶來了驚人的方便性。它代表著未來CAD技術的發(fā)展方向?；谶@樣的共識，各軟件紛紛仿效。一時間，實體造型技術呼聲滿天下。可以說，實體造型技術的普及應用標志CAD發(fā)展史上的第二次技術革命。

但是新技術的發(fā)展往往是曲折和不平衡的。實體造型技術既帶來了算法的改進和未來發(fā)展的希望，也帶來了數(shù)據(jù)計算量的極度膨脹。在當時的硬件條件下，實體造型的計算及顯示速度很慢，在實際應用中做設計顯得比較勉強。由于以實體模型為前提的CAE本來就屬于較高層次技術，普及面較窄，反映還不強烈；另外，在算法和系統(tǒng)效率的矛盾面前，許多贊成實體造型技術的公司并沒有下大力量去開發(fā)它，而是轉去攻克相對容易實現(xiàn)的表面模型技術。各公司的技術取向再度分道揚鑣。實體造型技術也就此沒能迅速在整個行業(yè)全面推廣開。推動了此次技術革命的SDRC公司與幸運之神擦肩而過，失去了一次大飛躍的機會。在以后的10年里，隨著硬件性能的提高，實體造型技術又逐漸為眾多CAD系統(tǒng)所采用。

在這段矛盾碰撞、技術起伏跌宕時期，CV公司最先在曲面算法上取得突破，計算速度提高較大。

由于CV提出了集成各種軟件，為企業(yè)提供全方位解決方案的思路，并采取了將軟件的運行平臺向價格較低的小型機轉移等有利措施，一躍成為CAD領域的領導者，市場份額上升到第1位，兼并了CALMA公司，實力迅速膨脹。

3. 第三次CAD技術革命—— 一鳴驚人的參數(shù)化技術

正當CV公司業(yè)績蒸蒸日上以及實體造型技術逐漸普及之時，CAD技術的研究又有了重大進展。如果說在此之前的造型技術都屬于無約束自由造型的話，進入80年代中期，CV公司內(nèi)部以高級副總裁為首的一批人提出了一種比無約束自由造型更新潁、更好的算法──參數(shù)化實體造型方法。從算法上來說，這是一種很好的設想。它主要的特點是：基于特征、全尺寸約束、全數(shù)據(jù)相關、尺寸驅(qū)動設計修改。

當時的參數(shù)化技術方案還處于一種發(fā)展的初級階段，很多技術難點有待于攻克。是否馬上投資發(fā)展這項技術呢？CV內(nèi)部展開了激烈的爭論。由于參數(shù)化技術核心算法與以往的系統(tǒng)有本質(zhì)差別，若采用參數(shù)化技術，必須將全部軟件重新改寫，投資及開發(fā)工作量必然很大。當時CAD技術主要應用在航空和汽車工業(yè)，這些工業(yè)中自由曲面的需求量非常大，參數(shù)化技術還不能提供解決自由曲面的有效工具(如實體曲面問題等)，更何況當時CV的軟件在市場上幾乎呈供不應求之勢，于是，CV公司內(nèi)部否決了參數(shù)化技術方案。

策劃參數(shù)化技術的這些人在新思想無法實現(xiàn)時，集體離開了CV公司，另成立了一個參數(shù)技術公司(Parametric Technology Corp.)，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，只能完成簡單的工作，但由于第一次實現(xiàn)了尺寸驅(qū)動零件設計修改，使人們看到了它今后將給設計者帶來的方便性。

80年代末，計算機技術迅猛發(fā)展，硬件成本大幅度下降，CAD技術的硬件平臺成本從二十幾萬美元一下子降到只需幾萬美元。一個更加廣闊的CAD市場完全展開，很多中小型企業(yè)也開始有能力使用CAD技術。由于他們設計的工作量并不大，零件形狀也不復雜，更重要的是他們無錢投資大型高檔軟件，因此他們很自然地把目光投向了中低檔的Pro/E軟件。了解CAD市場的人都知道，它的分布幾乎呈金字塔型。在高端的三維系統(tǒng)與低端的二維繪圖軟件之間事實上存在一個非常大的中檔市場。PTC在起家之初即以瞄準這個充滿潛力的市場，在“舊時王榭堂前燕”尚未來得及“飛入尋常百姓家”之時，迎合眾多的中小企業(yè)上CAD的需求，一舉進入了這塊市場，獲得了巨大的成功。進入90年代，參數(shù)化技術變得比較成熟起來，充分體現(xiàn)出其在許多通用件、零部件設計上存在的簡便易行的優(yōu)勢。躊躇滿志的PTC先行擠占低端的AutoCAD市場，致使在幾乎所有的CAD公司營業(yè)額都呈上升趨勢的情況下，Autodesk公司營業(yè)額卻增長緩慢，市場排名連續(xù)下挫；繼而PTC又試圖進入高端CAD市場，與CATIA、I-DEAS、CV、UG等群雄逐鹿，一直打算進入汽車及飛機制造業(yè)市場。目前，PTC在CAD市場份額排名上已名列前茅。

可以認為，參數(shù)化技術的應用主導了CAD發(fā)展史上的第三次技術革命。

4. 第四次CAD技術革命─更上層樓的變量化技術

參數(shù)化技術的成功應用，使得它在90年前后幾乎成為CAD業(yè)界的標準，許多軟件廠商紛紛起步追趕。但是技術理論上的認可并非意味著實踐上的可行性。由于CATIA、CV、UG、EUCLID都在原來的非參數(shù)化模型基礎上開發(fā)或集成了許多其它應用，包括CAM、PIPING和CAE接口等，在CAD方面也做了許多應用模塊開發(fā)。重新開發(fā)一套完全參數(shù)化的造型系統(tǒng)困難很大，因為這樣做意味著必須將軟件全部重新改寫，何況他們在參數(shù)化技術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的基礎上進行局部、小塊的修補。考慮到這種“參數(shù)化”化的不完整性以及需要很長時間的過渡時期，CV、CATIA、UG在推出自己的參數(shù)化技術以后，均宣傳自己是采用復合建模技術，并強調(diào)復合建模技術的優(yōu)越性。

這種把線框模型、曲面模型及實體模型疊加在一起的復合建模技術，并非完全基于實體，只是主模型技術的“雛形”，難以全面應用參數(shù)化技術。由于參數(shù)化技術和非參數(shù)化技術內(nèi)核本質(zhì)不同，用參數(shù)化技術造型后進入非參數(shù)化系統(tǒng)還要進行內(nèi)部轉換，才能被系統(tǒng)接受，而大量的轉換極易導致數(shù)據(jù)丟失或其它不利條件。這樣的系統(tǒng)由于其在參數(shù)化技術上和非參數(shù)化技術上均不具備優(yōu)勢，系統(tǒng)整體競爭力自然不高，只能依靠某些實用性模塊上的特殊能力來增強競爭力?？墒?0年的CAD軟件技術發(fā)展也給了我們這樣一點啟示：決定軟件先進性及生命力的主要因素是軟件基礎技術，而并非特定的應用技術。

90年以前的SDRC公司已經(jīng)摸索了幾年參數(shù)化技術，當時也面臨同樣的抉擇：要么它同樣采用逐步修補方式，繼續(xù)將其I-DEAS軟件“參數(shù)化”下去，這樣做風險小但必然導致產(chǎn)品的綜合競爭力不高；但是否一定要走參數(shù)化這“華山一條路”呢？積數(shù)年對參數(shù)化技術的研究經(jīng)驗以及對工程設計過程的深刻理解，SDRC的開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)了參數(shù)化技術尚有許多不足之處。首先，“全尺寸約束”這一硬性規(guī)定就干擾和制約著設計者創(chuàng)造力及想象力的發(fā)揮。

全尺寸約束，即設計者在設計初期及全過程中，必須將形狀和尺寸聯(lián)合起來考慮，并且通過尺寸約束來控制形狀，通過尺寸的改變來驅(qū)動形狀的改變，一切以尺寸(即所謂的“參數(shù)”)為出發(fā)點。

一旦所設計的零件形狀過于復雜時，面對滿屏幕的尺寸，如何改變這些尺寸以達到所需要的形狀就很不直觀；再者，如在設計中關鍵形體的拓撲關系發(fā)生改變，失去了某些約束的幾何特征也會造成系統(tǒng)數(shù)據(jù)混亂。實事上，全約束是對設計者的一種硬性規(guī)定?！耙欢ㄒs束嗎？”“一定要以尺寸為設計的先決條件嗎？”“欠約束能否將設計正確進行下去？”沿著這個思路，在對現(xiàn)有各種造型技術進行了充分地分析和比較以后，一個更新穎大膽的設想產(chǎn)生了。

SDRC的開發(fā)人員以參數(shù)化技術為藍本，提出了一種比參數(shù)化技術更為先進的實體造型技術──變量化技術，作為今后的開發(fā)方向。SDRC的決策者們權衡利弊，同意了這個方案，決定在公司效益正好之時，抓住機遇，從根本上解決問題，否則日后落后無疑。于是，從1990至1993年，歷經(jīng)3年時間，投資一億多美元，將軟件全部重新改寫，于1993年推出全新體系結構的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90年代將軟件徹底重寫的廠家。

眾所周知，已知全參數(shù)的方程組去順序求解比較容易。但在欠約束的情況下，其方程聯(lián)立求解的數(shù)學處理和在軟件實現(xiàn)上的難度是可想而知的。SDRC攻克了這些難題，并就此形成了一整套獨特的變量化造型理論及軟件開發(fā)方法。在I-DEAS Master Series(以下簡稱I-DEAS MS)軟件系列中，變量化的理念是按如下步驟一步步實現(xiàn)的：

I-DEAS MS 1 用主模型技術統(tǒng)一數(shù)據(jù)表達，變量化構畫草圖；

I-DEAS MS 2 變量化截面整形；

I-DEAS MS 3 變量化方程；

I-DEAS MS 4 變量化掃掠(曲面)；

I-DEAS MS 5 變量化三維特征，VGX；

I-DEAS MS 6 變量化裝配，PMI等。

變量化技術既保持了參數(shù)化技術的原有的優(yōu)點，同時又克服了它的許多不利之處。它的成功應用，為CAD技術的發(fā)展提供了更大的空間和機遇。而且SDRC這幾年業(yè)務的快速增長，也證明了它走的這條當時看起來是充滿風險的研發(fā)道路是絕對正確的。也許DaraTech的96CAD市場評論是對的：“看起來SDRC要飛黃騰達了”。事實上，I-DEAS MS1發(fā)布時，SDRC市場排名僅位居第9，而在此以后，SDRC每年的排位都要超越一、兩位同行，截止到去年，SDRC的市場排名已上升至第3位。無疑，變量化技術成就了SDRC，也驅(qū)動了CAD發(fā)展的第四次技術革命。

以史為鑒，可知興衰。眾多CAD廠商的成敗無一不與其技術發(fā)展密切相關。溫故而知新。CAD技術基礎理論的每次重大進展，無一不帶動了CAD/ CAM/CAE整體技術的提高以及制造手段的更新。技術發(fā)展，永無止境。沒有一種技術是常青樹，CAD技術一直處于不斷的發(fā)展與探索之中。正是這種此消彼長的互動與交替，造就了今天CAD技術的興旺與繁榮，促進了工業(yè)的高速發(fā)展。今天，越來越多的人認識到CAD是一種巨大的生產(chǎn)力，不斷加入到用戶行列之中。愿CAD技術的發(fā)展伴隨著人們對它認識及應用水平的提高，日新月異，更上層樓。