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liuqh鐵桿木蟲 (正式寫手)
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【分享】CAD技術發(fā)展史 已有1人參與
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網上偶然搜到的一篇文章，供大家參考 CAD技術發(fā)展史 CAD（Computer Aided Design）——計算機輔助設計，也就是使用計算機和信息技術來輔助工程師進行產品或工程的設計。CAD技術是一項綜合性、迅速發(fā)展和廣泛應用的高新技術。但是，在CAD軟件發(fā)展初期，CAD的含義僅僅是圖板的替代品，被稱為計算機輔助出圖——Computer Aided Drawing（or Drafting）。 計算機輔助設計（CAD）在其近50年的演變歷史中，經歷了巨大發(fā)展。 1．第一次CAD技術革命——貴族化的曲面造型系統(tǒng) CAD技術起步于20世紀50年代后期。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，這就是典型的二維計算機繪圖技術。20世紀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)，只能表達基本的幾何信息，不能有效表達幾何數據間的拓撲關系。由于缺乏形體的表面信息，計算機輔助制造（CAM）及計算機輔助工程（CAE）均無法實現(xiàn)。 這時，法國人提出了貝塞爾算法，使得人們在使用計算機處理曲線及曲面問題時變?yōu)榭赡�，同時也使得法國的達索飛機制造公司的開發(fā)者能在二維繪圖系統(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品零件的主要信息，同時也使得CAM技術的開發(fā)有了實現(xiàn)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，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。只有少數幾家受到國家財政支持的軍火商，在20世紀70年代冷戰(zhàn)時期才有條件獨立開發(fā)或者依托某廠商發(fā)展CAD技術，如表1-1所示。 表1-1 CAD軟件的早期應用 軟 件 開發(fā)及支持公司 UG 美國麥道（MD）公司開發(fā) I-DEAS 美國國家航空及宇航局（NASA）支持 CV 美國波音（Boeing）公司支持 CALMA 美國通用電氣（GE）公司開發(fā) CADAM 美國洛克希德（Lochheed）公司支持 CATIA 法國達索（Dassault）公司開發(fā) 2．第二次CAD技術革命——生不逢時的實體造型技術 20世紀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。為了使自己的產品更具特色，在有限市場中獲得更大的市場份額，以UG、CV、SDRC為代表的系統(tǒng)開始朝各自的發(fā)展方向前進。20世紀80年代末到90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（Structural Dynamics Research Corporation）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，以滿足麥道飛機零部件的設計、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。但是由于表面模型技術只能表達形體的表面信息，難以準確地表達零件的其他特性，例如質量、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�？梢哉f，實體造型技術的普及應用標志著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，也帶來了數據計算量的極度膨脹。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較為勉強。 由于以實體模型為前提的CAE本來就屬于較高層次技術，普及面比較窄，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大力去開發(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。實體造型技術也因此沒能迅速在整個行業(yè)全面推廣。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年中，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。 3．第三次CAD技術革命——一鳴驚人的參數化技術 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。在此之前的造型技術都屬于無約束自由造型，進入20世紀80年代中期，CV公司內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”更新穎、更好的算法——參數化實體造型方法。從算法上來說，這是一種很好的設想，它的主要特點是：基于特征、全尺寸約束、全數據相關、尺寸驅動設計修改。但可惜的是：最終在CV公司內部否決了參數化技術方案。 策劃參數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，自行成立了“參數技術公司（Parametric Technology Corporation）”，開始研制命名為Pro/E的參數化軟件。早期的Pro/E軟件性能很低，只能完成簡單的工作，但是由于第一次實現(xiàn)了尺寸驅動零件設計修改，使人們看到了它今后給設計者帶來的方便性。 可以認為，參數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——更上一層樓的變量化技術 參數化技術的成功應用，使得它在20世紀90年代前后幾乎成為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UG、CATIA、CV、EUCLID都在原來的非參數化模型基礎上開發(fā)或者集成了許多其他應用，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�？紤]到這種“參數化”的不完整性以及需要很長時間的過渡時期，UG、CV、CATIA在推出自己的參數化技術以后，均宣傳自己是采用復合建模技術，并強調復合建模技術的優(yōu)越性。 20世紀90年代以前的SDRC公司已經摸索了幾年參數化技術，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“參數化”下去，這樣做風險小但必然導致產品的綜合競爭力不高；然而是否一定要走參數化這“華山一條路”呢？積數年對參數化技術的研究經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。 “一定要全約束嗎？”“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分析和比較以后，一個更新穎大膽的設想產生了。SDRC公司的開發(fā)人員以參數化技術為藍本，提出了一種比參數化技術更為先進的實體造型技術——變量化技術，作為開發(fā)方向。SDRC的決策者們權衡利弊，同意了這個方案。于是，從1990年開始，歷經3年時間，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20世紀90年代將軟件徹底重寫的廠家。 事實上，I-DEAS MS1發(fā)布時，SDRC市場排名僅位居第九，而在此以后，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公司收購前，其市場排名已穩(wěn)居前三位。無疑，變量化技術成就了SDRC，也驅動了CAD發(fā)展的第四次技術革命。 20世紀90年代以后，隨著PC機硬件設備的快速發(fā)展以及Windows操作系統(tǒng)的日益壟斷，以Windows為平臺的CAD軟件快速發(fā)展。與Windows無縫連接、價格低廉、易學易用的中、低端CAD軟件不斷涌現(xiàn)。Solid Edge、SolidWorks等一系列三維CAD軟件基本上全盤繼承變量化技術，并在此基礎上繼續(xù)發(fā)展。變量化技術已經成為CAD軟件公認的發(fā)展方向。 5．第五次CAD技術革命——同步技術，建模技術發(fā)展的巨大突破 2008年將見證三維CAD設計歷史中的又一個里程碑。 Siemens PLM Software推出了創(chuàng)新的同步建模技術（with Synchronous Technology）——交互式三維實體建模中一個成熟的、突破性的飛躍。新技術在參數化、基于歷史記錄建模的基礎上前進了一大步，同時與先前技術共存。同步建模技術實時檢查產品模型當前的幾何條件，并且將它們與設計人員添加的參數和幾何約束合并在一起，以便評估、構建新的幾何模型并且編輯模型，無須重復全部歷史記錄。 用戶可以設想同步技術所帶來的性能影響和設計靈活性——進行編輯而無須重新生成整個模型，這是因為同步建模技術能夠實時發(fā)現(xiàn)、定位和解析依賴關系。設計人員不必再研究和分析復雜的約束關系以便了解如何進行模型編輯，也不用擔心編輯的后續(xù)模型關聯(lián)性，由此將對復雜產品的開發(fā)帶來巨大的正面利益。 設計人員可能會反問，“當建模應用程序能夠立即識別哪些幾何相互關系并且保持時，我們?yōu)槭裁催�要多余地再強制加上諸如兩個模型面是共平面，或者是相切等約束條件？” 同步建模技術突破了基于歷史記錄的設計系統(tǒng)固有的局限性。基于歷史記錄的設計系統(tǒng)不能完全確定依賴相互的關系，從而必須依賴于全面重新執(zhí)行順序建模歷史記錄。對于如圖1-2所示問題，在目前基于有序歷史記錄的系統(tǒng)中，在需要對歷史記錄清單中的特征進行變更的任何時候，系統(tǒng)都需要抑制所有后續(xù)幾何模型，回復模型到某個特征再進行變更，再重新執(zhí)行后續(xù)特征命令來重新建立模型。在大型、復雜的模型中，特征損失可能非常巨大，這是取決于目標特征在歷史記錄中靠后有多遠。同步建模技術則沒有此類問題，系統(tǒng)實時識別這些變化發(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80年代開始，逐步了解、認可、習慣于參數化、變量化建模，“同步建模技術”勢必在整個機械設計行業(yè)中更廣泛地被應用，因為此技術提供的在實體模型中識別當前幾何條件的實時力量與用戶施加的約束和參數尺寸共存，所以用戶將平穩(wěn)過渡，以便越來越多地利用新的突破功能。 產品開發(fā)部門利用“同步建模技術”的強大設計性能實現(xiàn)的競爭優(yōu)勢將為其提供動力，CAD建模的新智能之風實際上將從他們的桌面上刮起。 若需要獲取更多信息，請參閱光盤文件“同步建模技術白皮書.pdf”。 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都帶動了CAD/CAM/CAE整體技術的提高以及制造手段的更新。 科技發(fā)展，永無止境，沒有一種技術是“常青樹”。CAD技術一直處于不斷地發(fā)展與探索之中。正是這種此消彼長的互動與交替，造就了目前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是一種巨大的生產力，不斷加入到用戶行列之中。 |
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zxt2001:歡迎參與評論！無論是科學研究還是工程應用，了解CAD技術的發(fā)展史還是有意義的。小木蟲是一個學術性論壇，提倡百家之言。但我們不能過分追求功利化和實用化，在學術交流的前提下，大家可以暢所欲言，個人觀點，謝謝！ 2010-10-21 14:12:20
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2樓2010-10-21 11:51:17
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