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CAD技术发展

发布时间:2009年06月10日 00:47 来源:
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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

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AutoC AD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。

CAD技术史上的几场革命

      自从50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:

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(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 
      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 化程度较军方支持的系统要低,功能覆盖面和软件水平亦相 差较大。

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。

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,C AD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 。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发展史上的第三 次技术革命。

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,S DRC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。

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。

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