CAD技術發展史

   時間:2014-03-06 14:01:58
CAD技術發展史簡介
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、迅速發展……
CAD技術發展史正文

CADComputer 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、迅速發展和廣泛應用的高新技術。但是,在CAD軟體發展初期,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 Drawingor Drafting)。

計算機輔助設計(CAD)在其近50年的演變歷史中,經歷了巨大發展,其技術發展進程如圖1-1所示。

20世紀60年代    70年代  80年代   90年代                       21世紀

1-1  CAD技術演變

1.第一次CAD技術革命——貴族化的曲面造型系統

CAD技術起步於20世紀50年代後期。此時CAD技術的出發點是用傳統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年代出現的三維CAD系統只是極為簡單的線框式系統,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係。由於缺乏形體的表面信息,計算機輔助製造(CAM)及計算機輔助工程(CAE)均無法實現。

這時,法國人提出了貝塞爾演算法,使得人們在使用計算機處理曲線及曲面問題時變為可能,同時也使得法國的達索飛機製造公司的開發者能在二維繪圖系統CADAM的基礎上,開發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CATIA。它的出現,標誌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技術的開發有了實現的基礎。曲面造型系統CATIA為人類帶來了第一次CAD技術革命,改變了以往只能藉助油泥模型來近似準確表達曲面的落後的工作方式。

此時的CAD技術價格極其昂貴,而且軟體商品化程度低,開發者本身就是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年代冷戰時期才有條件獨立開發或者依託某廠商發展CAD技術,如表1-1所示。

1-1  CAD軟體的早期應用

   

開發及支持公司

UG

美國麥道(MD)公司開發

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

CADAM

美國洛克希德(Lochheed)公司支持

CATIA

法國達索(Dassault)公司開發

 

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系統價格依然令一般企業望而卻步,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UGCVSDRC為代表的系統開始朝各自的發展方向前進。20世紀80年代末到90年代初,由於計算機技術的大跨步前進,CAECAM技術也開始有了較大發展。SDRCStructural Dynamics Research Corporation)公司在當時星球大戰計劃的背景下,由美國宇航局支持及合作,開發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展CAM技術,以滿足麥道飛機零部件的設計、加工需求;CVCALMA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。但是由於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,最大的問題在於分析的前處理特別困難。基於對CAD/CAE一體化技術發展的探索,SDRC公司於1979年發布了世界上第一個完全基於實體造型技術的大型CAD/CAE軟體——I-DEAS。由於實體造型技術能夠精確表達零件的全部屬性,在理論上有助於統一CADCAECAM的模型表達,給設計帶來了驚人的方便性。它代表著未來CAD技術的發展方向。基於這樣的共識,各軟體紛紛仿效,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誌著CAD發展史上的第二次技術革命。

但是新技術的發展往往是曲折和不平衡的。實體造型技術既帶來了演算法的改進和未來發展的希望,也帶來了數據計算量的極度膨脹。在當時的硬體條件下,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。

由於以實體模型為前提的CAE本來就屬於較高層次技術,普及面比較窄,反映還不強烈;另外,在演算法和系統效率的矛盾面前,許多贊成實體造型技術的公司並沒有大力去開發它,而是轉去攻克相對容易實現的表面模型技術。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。在以後的10年中,隨著硬體性能的提高,實體造型技術又逐漸為眾多CAD系統所採用。

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於無約束自由造型,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、更好的演算法——參數化實體造型方法。從演算法上來說,這是一種很好的設想,它的主要特點是:基於特徵、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)”,開始研製命名為Pro/E的參數化軟體。早期的Pro/E軟體性能很低,只能完成簡單的工作,但是由於第一次實現了尺寸驅動零件設計修改,使人們看到了它今後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——更上一層樓的變數化技術

參數化技術的成功應用,使得它在20世紀90年代前後幾乎成為CAD業界的標準,許多軟體廠商紛紛起步追趕。但是,技術理論上的認可並非意味著實踐上的可行性。由於UGCATIACVEUCLID都在原來的非參數化模型基礎上開發或者集成了許多其他應用,包括CAMPIPINGCAE介面等,在CAD方面也做了許多應用模塊開發,重新開發一套完全參數化的造型系統困難很大,因為這樣做意味著必須將軟體全部重新改寫,何況他們在參數化技術上並沒有完全解決好所有問題,因此他們採用的參數化系統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“參數化”的不完整性以及需要很長時間的過渡時期,UGCVCATIA在推出自己的參數化技術以後,均宣傳自己是採用複合建模技術,並強調複合建模技術的優越性。

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:要麼它同樣採用逐步修補方式,繼續將其I-DEAS軟體“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的開發人員發現了參數化技術尚有許多不足之處。首先,“全尺寸約束”這一硬性規定就干擾和制約著設計者創造力及想象力的發揮。

“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,在對現有各種造型技術進行了充分分析和比較以後,一個更新穎大膽的設想產生了。SDRC公司的開發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——變數化技術,作為開發方向。SDRC的決策者們權衡利弊,同意了這個方案。於是,從1990年開始,歷經3年時間,投資一億多美元,將軟體全部重新改寫,於1993年正式推出全新體系結構的I-DEAS Master Series軟體。在早期出現的大型CAD軟體中,這是唯一一家在20世紀90年代將軟體徹底重寫的廠家。

事實上,I-DEAS MS1發布時,SDRC市場排名僅位居第九,而在此以後,SDRC每年的排位都要超越一兩位同行,截止到20015月,SDRCEDS公司收購前,其市場排名已穩居前三位。無疑,變數化技術成就了SDRC,也驅動了CAD發展的第四次技術革命。

20世紀90年代以後,隨著PC機硬體設備的快速發展以及Windows操作系統的日益壟斷,以Windows為平台的CAD軟體快速發展。與Windows無縫連接、價格低廉、易學易用的中、低端CAD軟體不斷湧現。Solid EdgeSolidWorks等一系列三維CAD軟體基本上全盤繼承變數化技術,並在此基礎上繼續發展。變數化技術已經成為CAD軟體公認的發展方向。

5.第五次CAD技術革命——同步技術,建模技術發展的巨大突破

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、基於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,並且將它們與設計人員添加的參數和幾何約束合併在一起,以便評估、構建新的幾何模型並且編輯模型,無須重複全部歷史記錄。

 

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現、定位和解析依賴關係。設計人員不必再研究和分析複雜的約束關係以便了解如何進行模型編輯,也不用擔心編輯的後續模型關聯性,由此將對複雜產品的開發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係並且保持時,我們為什麼還要多餘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於歷史記錄的設計系統固有的局限性。基於歷史記錄的設計系統不能完全確定依賴相互的關係,從而必須依賴於全面重新執行順序建模歷史記錄。對於如圖1-2所示問題,在目前基於有序歷史記錄的系統中,在需要對歷史記錄清單中的特徵進行變更的任何時候,系統都需要抑制所有後續幾何模型,回復模型到某個特徵再進行變更,再重新執行後續特徵命令來重新建立模型。在大型、複雜的模型中,特徵損失可能非常巨大,這是取決於目標特徵在歷史記錄中靠後有多遠。同步建模技術則沒有此類問題,系統實時識別這些變化發生在哪裡,並且使模型重建僅局限於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、習慣於參數化、變數化建模,“同步建模技術”勢必在整個機械設計行業中更廣泛地被應用,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,所以用戶將平穩過渡,以便越來越多地利用新的突破功能。

1-2  模型編輯

產品開發部門利用“同步建模技術”的強大設計性能實現的競爭優勢將為其提供動力,CAD建模的新智能之風實際上將從他們的桌面上颳起。

若需要獲取更多信息,請參閱光碟文件“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製造手段的更新。

科技發展,永無止境,沒有一種技術是“常青樹”。CAD技術一直處於不斷地發展與探索之中。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,促進了工業的高速發展。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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