CAD技術(shù)發(fā)展歷程概述

CAD技術(shù)起步于50年代后期。進(jìn)入60年代，隨著在計(jì)算機(jī)屏幕上繪圖變?yōu)榭尚卸_始迅速發(fā)展。人們希望借助此項(xiàng)技術(shù)來擺脫繁瑣、費(fèi)時(shí)、繪制精度低的傳統(tǒng)手工繪圖。此時(shí)CAD技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)是用傳統(tǒng)的三視圖方法來表達(dá)零件，以圖紙為媒介進(jìn)行技術(shù)交流，這就是二維計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)。

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(shù)以二維繪圖為主要目標(biāo)的算法一直持續(xù)到70年代末期，以后作為CAD技術(shù)的一個(gè)分支而相對(duì)單獨(dú)、平穩(wěn)地發(fā) 展。早期應(yīng)用較為廣泛的是CADAM軟件，近十年來占據(jù)繪圖市場(chǎng)主導(dǎo)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(dāng)大的比重。

1. 第一次CAD技術(shù)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(jiǎn)單的線框式系統(tǒng)。這種初期的線框造型系統(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，CAM及CAE均無法實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)入70年代，正值飛機(jī)和汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展時(shí)期。此間飛機(jī)及汽車制造中遇到了大量的自由曲面問題，當(dāng)時(shí)只能采用多截面視圖、特征緯線的方式來近似表達(dá)所設(shè)計(jì)的自由曲面。由于三視圖方法表達(dá)的不完整性，經(jīng)常發(fā)生設(shè)計(jì)完成后，制作出來的樣品與設(shè)計(jì)者所想象的有很大差異甚至完全不同的情況。設(shè)計(jì)者對(duì)自己設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)評(píng)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(shí)間，要求更新設(shè)計(jì)手段的呼聲越來越高。

此時(shí)法國人提出了貝賽爾算法，使得人們?cè)谟糜?jì)算機(jī)處理曲線及曲面問題時(shí)變得可以操作，同時(shí)也使得法國的達(dá)索飛機(jī)制造公司的開發(fā)者們，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)的自由曲面建模方法，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)從單純模仿工程圖紙的三視圖模式中解放出來，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)有了現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)。曲面造型系統(tǒng)CATIA為人類帶來了第一次CAD技術(shù)革命，改變了以往只能借助油泥模型來近似準(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(也許還有人記得，曾幾何時(shí)，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(shù)保密。只有少數(shù)幾家受到國家財(cái)政支持的軍火商，在70年代冷戰(zhàn)時(shí)期才有條件獨(dú)立開發(fā)或依托某廠商發(fā)展CAD技術(shù)。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(dá)索(Dassault)公司開發(fā)

這時(shí)的CAD技術(shù)主要應(yīng)用在軍用工業(yè)。但受此項(xiàng)技術(shù)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(wù)，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(fèi)及經(jīng)驗(yàn)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(shù)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(shù)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(shù)。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(dāng)數(shù)量的CATIA，其結(jié)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(jìn)展，CAD技術(shù)本身已相對(duì)落后。達(dá)索公司公布的96年?duì)I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(qiáng)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(shù)革命──生不逢時(shí)的實(shí)體造型技術(shù)

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)無法擁有更廣闊的市場(chǎng)。為使自己的產(chǎn)品更具特色，在有限的市場(chǎng)中獲得更大的市場(chǎng)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(jìn)。70年代末到80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公司在當(dāng)時(shí)星球大戰(zhàn)計(jì)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(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)，用以滿足麥道飛機(jī)零部件的加工需求；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)確表達(dá)零件的其它特性，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)于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)帶來了驚人的方便性。它代表著未來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，實(shí)體造型技術(shù)的普及應(yīng)用標(biāo)志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)既帶來了算法的改進(jìn)和未來發(fā)展的希望，也帶來了數(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)顯得比較勉強(qiáng)。由于以實(shí)體模型為前提的CAE本來就屬于較高層次技術(shù)，普及面較窄，反映還不強(qiáng)烈；另外，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)的公司并沒有下大力量去開發(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)也就此沒能迅速在整個(gè)行業(yè)全面推廣開。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，失去了一次大飛躍的機(jī)會(huì)。在以后的10年里，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。

在這段矛盾碰撞、技術(shù)起伏跌宕時(shí)期，CV公司最先在曲面算法上取得突破，計(jì)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(yùn)行平臺(tái)向價(jià)格較低的小型機(jī)轉(zhuǎn)移等有利措施，一躍成為CAD領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，市場(chǎng)份額上升到第1位，兼并了CALMA公司，實(shí)力迅速膨脹。

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。如果說在此之前的造型技術(shù)都屬于無約束自由造型的話，進(jìn)入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約束自由造型更新潁、更好的算法──參數(shù)化實(shí)體造型方法。從算法上來說，這是一種很好的設(shè)想。它主要的特點(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。

當(dāng)時(shí)的參數(shù)化技術(shù)方案還處于一種發(fā)展的初級(jí)階段，很多技術(shù)難點(diǎn)有待于攻克。是否馬上投資發(fā)展這項(xiàng)技術(shù)呢？CV內(nèi)部展開了激烈的爭(zhēng)論。由于參數(shù)化技術(shù)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(shù)，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(dāng)時(shí)CAD技術(shù)主要應(yīng)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(shù)還不能提供解決自由曲面的有效工具(如實(shí)體曲面問題等)，更何況當(dāng)時(shí)CV的軟件在市場(chǎng)上幾乎呈供不應(yīng)求之勢(shì)，于是，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法實(shí)現(xiàn)時(shí)，集體離開了CV公司，另成立了一個(gè)參數(shù)技術(shù)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(jiǎn)單的工作，但由于第一次實(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將給設(shè)計(jì)者帶來的方便性。

80年代末，計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，硬件成本大幅度下降，CAD技術(shù)的硬件平臺(tái)成本從二十幾萬美元一下子降到只需幾萬美元。一個(gè)更加廣闊的CAD市場(chǎng)完全展開，很多中小型企業(yè)也開始有能力使用CAD技術(shù)。由于他們?cè)O(shè)計(jì)的工作量并不大，零件形狀也不復(fù)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(chǎng)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(shí)上存在一個(gè)非常大的中檔市場(chǎng)。PTC在起家之初即以瞄準(zhǔn)這個(gè)充滿潛力的市場(chǎng)，在“舊時(shí)王榭堂前燕”尚未來得及“飛入尋常百姓家”之時(shí)，迎合眾多的中小企業(yè)上CAD的需求，一舉進(jìn)入了這塊市場(chǎng)，獲得了巨大的成功。進(jìn)入90年代，參數(shù)化技術(shù)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(shè)計(jì)上存在的簡(jiǎn)便易行的優(yōu)勢(shì)。躊躇滿志的PTC先行擠占低端的AutoCAD市場(chǎng)，致使在幾乎所有的CAD公司營業(yè)額都呈上升趨勢(shì)的情況下，Autodesk公司營業(yè)額卻增長緩慢，市場(chǎng)排名連續(xù)下挫；繼而PTC又試圖進(jìn)入高端CAD市場(chǎng)，與CATIA、I-DEAS、CV、UG等群雄逐鹿，一直打算進(jìn)入汽車及飛機(jī)制造業(yè)市場(chǎng)。目前，PTC在CAD市場(chǎng)份額排名上已名列前茅。

可以認(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. 第四次CAD技術(shù)革命─更上層樓的變量化技術(shù)

參數(shù)化技術(shù)的成功應(yīng)用，使得它在90年前后幾乎成為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CATIA、CV、UG、EUCLID都在原來的非參數(shù)化模型基礎(chǔ)上開發(fā)或集成了許多其它應(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”化的不完整性以及需要很長時(shí)間的過渡時(shí)期，CV、CATIA、UG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。

這種把線框模型、曲面模型及實(shí)體模型疊加在一起的復(fù)合建模技術(shù)，并非完全基于實(shí)體，只是主模型技術(shù)的“雛形”，難以全面應(yīng)用參數(shù)化技術(shù)。由于參數(shù)化技術(shù)和非參數(shù)化技術(shù)內(nèi)核本質(zhì)不同，用參數(shù)化技術(shù)造型后進(jìn)入非參數(shù)化系統(tǒng)還要進(jìn)行內(nèi)部轉(zhuǎn)換，才能被系統(tǒng)接受，而大量的轉(zhuǎn)換極易導(dǎo)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(shù)上和非參數(shù)化技術(shù)上均不具備優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)整體競(jìng)爭(zhēng)力自然不高，只能依靠某些實(shí)用性模塊上的特殊能力來增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力?？墒?0年的CAD軟件技術(shù)發(fā)展也給了我們這樣一點(diǎn)啟示：決定軟件先進(jìn)性及生命力的主要因素是軟件基礎(chǔ)技術(shù)，而并非特定的應(yīng)用技術(shù)。

90年以前的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；但是否一定要走參數(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。

全尺寸約束，即設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)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(dòng)形狀的改變，一切以尺寸(即所謂的“參數(shù)”)為出發(fā)點(diǎn)。

一旦所設(shè)計(jì)的零件形狀過于復(fù)雜時(shí)，面對(duì)滿屏幕的尺寸，如何改變這些尺寸以達(dá)到所需要的形狀就很不直觀；再者，如在設(shè)計(jì)中關(guān)鍵形體的拓?fù)潢P(guān)系發(fā)生改變，失去了某些約束的幾何特征也會(huì)造成系統(tǒng)數(shù)據(jù)混亂。實(shí)事上，全約束是對(duì)設(shè)計(jì)者的一種硬性規(guī)定?！耙欢ㄒs束嗎？”“一定要以尺寸為設(shè)計(jì)的先決條件嗎？”“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)行了充分地分析和比較以后，一個(gè)更新穎大膽的設(shè)想產(chǎn)生了。

SDRC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)，作為今后的開發(fā)方向。SDRC的決策者們權(quán)衡利弊，同意了這個(gè)方案，決定在公司效益正好之時(shí)，抓住機(jī)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(shí)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(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(xué)處理和在軟件實(shí)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(dú)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(jiǎn)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(shí)現(xiàn)的：

I-DEAS MS 1 用主模型技術(shù)統(tǒng)一數(shù)據(jù)表達(dá)，變量化構(gòu)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(shù)既保持了參數(shù)化技術(shù)的原有的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了它的許多不利之處。它的成功應(yīng)用，為CAD技術(shù)的發(fā)展提供了更大的空間和機(jī)遇。而且SDRC這幾年業(yè)務(wù)的快速增長，也證明了它走的這條當(dāng)時(shí)看起來是充滿風(fēng)險(xiǎn)的研發(fā)道路是絕對(duì)正確的。也許DaraTech的96CAD市場(chǎng)評(píng)論是對(duì)的：“看起來SDRC要飛黃騰達(dá)了”。事實(shí)上，I-DEAS MS1發(fā)布時(shí)，SDRC市場(chǎng)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(chǎng)排名已上升至第3位。無疑，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。

以史為鑒，可知興衰。眾多CAD廠商的成敗無一不與其技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)。溫故而知新。CAD技術(shù)基礎(chǔ)理論的每次重大進(jìn)展，無一不帶動(dòng)了CAD/ CAM/CAE整體技術(shù)的提高以及制造手段的更新。技術(shù)發(fā)展，永無止境。沒有一種技術(shù)是常青樹，CAD技術(shù)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(dòng)與交替，造就了今天CAD技術(shù)的興旺與繁榮，促進(jìn)了工業(yè)的高速發(fā)展。今天，越來越多的人認(rèn)識(shí)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(shù)的發(fā)展伴隨著人們對(duì)它認(rèn)識(shí)及應(yīng)用水平的提高，日新月異，更上層樓。