CAD的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1、CAD的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)是電子信息技術(shù)的一個(gè)重要組成部分；是促進(jìn)科研成果開(kāi)發(fā)和轉(zhuǎn)化、實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動(dòng)化、加快國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防現(xiàn)代化的一項(xiàng)關(guān)鍵新技術(shù)；是提高產(chǎn)品和工程設(shè)計(jì)水平、降低消耗、縮短科研和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周 期、大幅度提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要手段；是科研單位提高自主研發(fā)能力和管理水平、參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的重要條件；也是進(jìn)一步向計(jì)算機(jī)輔助制造、 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。CAD技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用水平已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化和工業(yè)現(xiàn)代化的重 要標(biāo)志之一，它使產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作的內(nèi)容和方式發(fā)生了根本性變革，徹底改變了傳統(tǒng)手工設(shè)計(jì)繪圖的方式，極大地提高了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的速度，提 高了設(shè)計(jì)精度。

2、這一新技術(shù)的應(yīng)用將人類(lèi)的聰明才智和創(chuàng)造能力與計(jì)算機(jī)高速而精確的計(jì)算能力、大容量的存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理功能結(jié)合起來(lái)， 使兩者相得益彰。早期的CAD也就是計(jì)算機(jī)繪圖，以完成圖形的設(shè)計(jì)與繪制工作為主。經(jīng)過(guò)40多年的研究與應(yīng)用，CAD的概念已發(fā)生了本質(zhì)飛躍，它不僅包括圖形處理,還包括概念設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)和原理樣機(jī)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。它吸收和運(yùn)用了更多的與設(shè)計(jì)技 術(shù)相關(guān)聯(lián)的科學(xué)技術(shù)和理論，以及優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、有限元分析、價(jià)值分析和系統(tǒng)工程等知識(shí)。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法比較，cad徹底改變了設(shè)計(jì)的方式，提出了新的設(shè)計(jì)理念，把設(shè)計(jì)人員從繁瑣、機(jī)械的設(shè)計(jì)工作中解脫出來(lái),將精力和聰明才智轉(zhuǎn)移到創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)過(guò)程中，大大提高了產(chǎn)品設(shè)

3、計(jì)的精度和可靠新，縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，降低了產(chǎn)品的成本。1、CAD建模技術(shù)的研究和發(fā)展建模技術(shù)是CAD的核心技術(shù)，建模技術(shù)的研究、發(fā)展和應(yīng)用，就代表了CAD技術(shù)的研究、發(fā)展和應(yīng)用。下圖給出了建模技術(shù)的發(fā)展情況。圖中明確顯示了從50年代至今建模技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了二維建模、三維幾何建模（包括線(xiàn)框建模、曲面建模、實(shí)體建 模）、特征建模（包括參數(shù)化和變量化建模）及產(chǎn)品集成建模的發(fā)展過(guò)程。二維建模是最初的CAD技術(shù)用來(lái)解決二維繪圖問(wèn)題的，后來(lái)發(fā)展為三維的幾何建模 技術(shù)。三維幾何建模又分為線(xiàn)框建模、曲面建模和實(shí)體建模。線(xiàn)框建模是以線(xiàn)來(lái)構(gòu)造三 維物體，其主要算法是空間自由曲線(xiàn)的擬合和表達(dá)相對(duì)簡(jiǎn)單。曲面建模是由

4、曲面來(lái)構(gòu)造三維物體，其主要算法是自由曲面或雕塑曲面的生成算法等，其算法較為復(fù)雜。實(shí)體建 模是構(gòu)成真實(shí)的實(shí)體，其算法比較復(fù)雜。在實(shí)體建模技術(shù)研究中提出了很多算法，常用 的有邊界表示法B-rep和幾何構(gòu)造法CSG為了統(tǒng)一幾何建模的表示，還研究開(kāi)發(fā)了新 的算法即非均勻有理B樣條（NURBS算法。這種算法在幾何建模中起了重要的作用。隨 著幾何建模技術(shù)的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用的要求，到80年代后期又出現(xiàn)了參數(shù)化和變量化的建模技術(shù)。參數(shù)化建模技術(shù)一般是指設(shè)計(jì)對(duì)象的結(jié)構(gòu)形狀比較定型，可以用一組參數(shù)來(lái) 約定尺寸關(guān)系，參數(shù)的求解較簡(jiǎn)單，參數(shù)與設(shè)計(jì)對(duì)象的控制尺寸有顯示對(duì)應(yīng)關(guān)系，設(shè)計(jì) 結(jié)果的修改受尺寸驅(qū)動(dòng)。這種 CAD系統(tǒng)

5、最早推出的是 PTC公司的Pro/Engineer。變量化 建模技術(shù)是指設(shè)計(jì)對(duì)象的修改需要更大的自由度，通過(guò)求解一組約束方程來(lái)確定產(chǎn)品的尺寸和形狀。約束方程可以是幾何關(guān)系，也可以是工程計(jì)算條件，設(shè)計(jì)結(jié)果的修改受約 束方程的驅(qū)動(dòng)。變量化建模的代表是SDR第司的VGX這一技術(shù)應(yīng)用到SDRE品I-DEAS Master Series系統(tǒng)中。VGX為CAD軟件帶來(lái)了空前的易用性。 特征建模是CAD建模方法 的一個(gè)新發(fā)展。特征建模是著眼于更好地表達(dá)產(chǎn)品完整的功能和生產(chǎn)管理信息，為建立 產(chǎn)品的集成信息模型服務(wù)。特征包含了產(chǎn)品的特定幾何形狀、拓?fù)潢P(guān)系、典型功能、繪 圖表示方法、制造技術(shù)和公差要求等。特征的引

6、用直接體現(xiàn)了設(shè)計(jì)意圖，使得建立的產(chǎn) 品模型更容易為人理解和組織生產(chǎn)。產(chǎn)品集成建模是面向產(chǎn)品生命周期的關(guān)系型產(chǎn)品模型的概念。這一概念的提出， 較好地解決了信息在設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和裝配等環(huán)節(jié)的共享問(wèn)題，完整地描述了產(chǎn)品在 概念設(shè)計(jì)一一裝配設(shè)計(jì)一一零件設(shè)計(jì)全過(guò)程中的各種屬性和相互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品生命周期中的內(nèi)部描述信息（如產(chǎn)品設(shè)計(jì)、計(jì)劃、加工、檢驗(yàn)等信息）和外部過(guò)程信息（如 內(nèi)部描述信息所依賴(lài)的環(huán)境、知識(shí)和規(guī)則等）的集成。這種產(chǎn)品集成建模技術(shù)仍在研究 中。2、數(shù)據(jù)管理技術(shù)的研究和發(fā)展CAD技術(shù)的研究和應(yīng)用中，數(shù)據(jù)管理技術(shù)是其又一重要的技術(shù)，特別是在 CAD集 成系統(tǒng)中更為重要。數(shù)據(jù)管理的研究開(kāi)發(fā)經(jīng)歷

7、了文件管理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理 （PDM）三個(gè)階段。在70年代之前，主要靠文件系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理；到 1968年美國(guó) IBM公司研制了第一代數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)一一層次型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)IMS; 1969年美國(guó)的數(shù)據(jù)庫(kù)研究小組CODASY喙表了 DBTG報(bào)告，建立了第二代數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)一一網(wǎng)狀數(shù) 據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。到70年代，第三代數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)集中在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù) 上，70年代末80年代初，出現(xiàn)了商品化的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，目前仍很流行。80年代后期，開(kāi)始了第四代數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的研究，即工程數(shù)據(jù)庫(kù)和面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)的研究和開(kāi)發(fā)。盡管在數(shù)據(jù)管理方面作了大量的工作，但仍然滿(mǎn)足不了企業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)管理的

8、實(shí)際要 求。到80年代后期，在企業(yè)計(jì)算機(jī)制造環(huán)境中數(shù)據(jù)管理及設(shè)計(jì)過(guò)程自動(dòng)化的需求的驅(qū) 動(dòng)下，人們開(kāi)始尋求一種嶄新的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)，它能夠提供一個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的協(xié)作環(huán) 境，在該環(huán)境下，能夠?qū)崿F(xiàn)過(guò)程控制下的信息傳遞并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有序管理，即產(chǎn)品數(shù)據(jù) 管理（PDM）系統(tǒng)。PDM系統(tǒng)一出現(xiàn)，就成為企業(yè)關(guān)注和應(yīng)用的熱點(diǎn)，近幾年來(lái)，PDM技術(shù)在國(guó)外已取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。目前，PDM技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用、CAD系統(tǒng)集成、MRP/ERP的集成方面進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。3、標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)的研究和發(fā)展由于CAD技術(shù)的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，數(shù)據(jù)交換的格式和標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)也發(fā)展起來(lái)， 并且越來(lái)越重要。在CAD領(lǐng)域出現(xiàn)了圖形級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)、 圖形交

9、換級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品級(jí)的數(shù)據(jù) 表達(dá)和交換標(biāo)準(zhǔn)等。圖形級(jí)最早的標(biāo)準(zhǔn)有 PHIGS GK&它彳門(mén)是ISO/IEC推出的圖形信息系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。目 前還有一些其它的三維圖形支持標(biāo)準(zhǔn)，如PEX和OPEN G序也很受重視。IGES是國(guó)際上最早、最成熟的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，它主要是用于不同的CAD系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)。 從1980年到1992年已先后發(fā)布了五個(gè)版本。IGES目前還在廣泛 應(yīng)用，其目的只是傳輸幾何圖形及相應(yīng)的尺寸標(biāo)準(zhǔn)、說(shuō)明等，即只是傳輸工程圖。無(wú)法 描述工業(yè)環(huán)境所需要的產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)的全部信息。90年代初，ISO公布了產(chǎn)品數(shù)據(jù)表達(dá)與交換標(biāo)準(zhǔn) STEP STEPg一個(gè)系列的國(guó)際標(biāo) 準(zhǔn)，它提供了必要

10、的機(jī)制和定義， 使得產(chǎn)品的數(shù)據(jù)表達(dá)能夠在不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及與產(chǎn) 品定義和制造有關(guān)的環(huán)境中進(jìn)行通信。它可用于產(chǎn)品數(shù)據(jù)的傳輸、共享和存檔。STEP標(biāo)準(zhǔn)是目前CAD領(lǐng)域中最完整的標(biāo)準(zhǔn)，該系列標(biāo)準(zhǔn)還未全部完成，已公布了一部分。國(guó)內(nèi)外差距近幾年來(lái)，我國(guó)CAD系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用取得了一些成績(jī)，國(guó)內(nèi)已初步形成了二維CAD商品化軟件市場(chǎng)，在一些企業(yè)也引進(jìn)了 CAD系統(tǒng)，并取得一些效益。但與國(guó)外相比 差距仍然很大。1、目前我國(guó)CAD系統(tǒng)僅僅作為繪圖工具，缺乏設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì) 理論的指導(dǎo)我國(guó)CAD軟件開(kāi)發(fā)雖然已形成了幾個(gè)系統(tǒng)，但基本上都是二維繪圖軟件，開(kāi)發(fā)者 在技術(shù)上沒(méi)有什么創(chuàng)新， 缺乏設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)理論上的研究，因

11、此所開(kāi)發(fā)出的軟件穩(wěn)定 性和可靠性差，自然在市場(chǎng)上就無(wú)競(jìng)爭(zhēng)力。 另外，圖形CAD系統(tǒng)只能將設(shè)計(jì)過(guò)程的最后階段一一繪圖階段搬到計(jì)算機(jī)上，而設(shè)計(jì)過(guò)程仍然在設(shè)計(jì)師頭腦中完成，這樣設(shè)計(jì)效率 并沒(méi)有太大的提高。在應(yīng)用方面，很多企業(yè)也只是把 CAD作為一個(gè)繪圖工具，企業(yè)應(yīng)用中也缺乏對(duì)產(chǎn) 品設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法的研究，因此企業(yè)產(chǎn)品和創(chuàng)新產(chǎn)品少，在市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。2、我國(guó)三維CAD系統(tǒng)還不成熟，必須加快開(kāi)發(fā)真正解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)問(wèn)題的是三維 CAD系統(tǒng)，而目前我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的三維 CAD系統(tǒng) 還未真正形成商品軟件。在今年8月份國(guó)家863/CIMS項(xiàng)目“基于線(xiàn)框、曲面、實(shí)體和特征表示的產(chǎn)品造型和設(shè)計(jì)系統(tǒng)”的招標(biāo)中，有五家

12、參加了投標(biāo)，都開(kāi)發(fā)了原型系統(tǒng)， 但其功能、成熟性都不理想。而這類(lèi)CAD系統(tǒng)國(guó)外軟件早已占領(lǐng)中國(guó)市場(chǎng)，除了三維工作站CAD系統(tǒng)外，近幾年來(lái) PC機(jī)和Windows/95/98/NT環(huán)境下的三維CAD系統(tǒng)也進(jìn)入 了中國(guó)市場(chǎng)。如 Solidworks、Autodesk公司的 MDT、Cimatron等。一些原來(lái)工作站系統(tǒng) 的三維CAD軟件系統(tǒng)也推出了 PC機(jī)Windows平臺(tái)的版本。3、我國(guó)CAD技術(shù)開(kāi)發(fā)創(chuàng)新少、仿制多沒(méi)有創(chuàng)新就沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力，只仿制就不能開(kāi)發(fā)出有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。從我國(guó)二維CAD到目前研制的三維 CAD都存在這一問(wèn)題?；仡櫼幌職v史，早在“七五”攻關(guān)時(shí)用戶(hù)就提 出了 “參數(shù)設(shè)計(jì)問(wèn)題”、“數(shù)據(jù)

13、管理問(wèn)題”及數(shù)控編程中的有關(guān)要求即現(xiàn)在的“特征造 型問(wèn)題”這些技術(shù)，我國(guó) CAD研究開(kāi)發(fā)者也都知道，但都沒(méi)有引起注意。而國(guó)外的 CAD 后起之秀PTC公司抓住了用戶(hù)需求的時(shí)機(jī)，快速推出了參數(shù)化特征造型CAD系統(tǒng)一一Pro/Engineer, 一舉占領(lǐng)了國(guó)際市場(chǎng)，至今仍在國(guó)際年銷(xiāo)售額方面名列第一。4、我國(guó)CAD軟件的開(kāi)發(fā)缺乏理論研究和算法的研究CAD技術(shù)是一項(xiàng)綜合性的高新技術(shù)，涉及面廣而復(fù)雜，技術(shù)變化快，競(jìng)爭(zhēng)激烈。就建模技術(shù)而言會(huì)涉及很多模型建立的理論和算法，這些都是為解決用戶(hù)需求而研究開(kāi)發(fā)的，每種理論和算法用于 CAD系統(tǒng)中，會(huì)產(chǎn)生新的CAD軟件。如有名的CSG B-rep、 NURBS等等。

14、而我國(guó)CAD軟件開(kāi)發(fā)者缺乏這方面的研究，多年來(lái)也未見(jiàn)過(guò)有名的理論 和算法用于CAD中。只能引用別人的，當(dāng)然也只能跟在人家的后面走。5、信息集成技術(shù)落后信息技術(shù)的廣泛集成是以產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）和過(guò)程管理（PM）為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP/CAM和ERP的有機(jī)集成，在并行工程中 PDM也是重要的基礎(chǔ)。而我國(guó)在這 方面的研究?jī)H僅開(kāi)始，至今也沒(méi)有一個(gè)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上成熟的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS） q因此，這類(lèi)基礎(chǔ)性軟件也被國(guó)外的系統(tǒng)占領(lǐng)了市場(chǎng)，我們的CAD/CAPP/CAM集成技術(shù)又建立在國(guó)外基礎(chǔ)系統(tǒng)上。6、CAD中的數(shù)據(jù)交換格式和標(biāo)準(zhǔn)化落后在CAD技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化方面，我國(guó)由于技術(shù)落后，資金投入不足

15、，對(duì)此重視不夠， 至今未提出一個(gè)有關(guān) CAD方面的標(biāo)準(zhǔn)，完全是采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)， 有的已用作國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，如 IGES STEP,另外由于種種因素也跟不上國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的更新和發(fā)展，因此造成國(guó)內(nèi)CAD軟件系統(tǒng)在數(shù)據(jù)交換、標(biāo)準(zhǔn)化等方面存在不少問(wèn)題。CAD未來(lái)動(dòng)向CAD技術(shù)的發(fā)展一直是跟著實(shí)際應(yīng)用的需求而發(fā)展的，隨著CAD技術(shù)的廣泛應(yīng)用，新的需求又不斷出現(xiàn)。1、模型理論的研究：由于傳統(tǒng)的幾何模型、特征模型已不能滿(mǎn)足現(xiàn)代制造技術(shù)的 要求。從而提出了面向產(chǎn)品生命周期的關(guān)系型產(chǎn)品模型的概念。這一概念的提出，是為 了解決信息在設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)及裝配等環(huán)節(jié)的共享問(wèn)題，完整地描述產(chǎn)品在概念設(shè)計(jì) 裝配設(shè)計(jì)一一零件設(shè)計(jì)全過(guò)程中的各種屬性和相互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生命周期中的內(nèi)部描述信息和外部過(guò)程信息的集成。在產(chǎn)品模型的研究上，當(dāng)前拉出的非流形模型的研 究就是一個(gè)典型，目前我國(guó)也在研究非流形模型用于CAD系統(tǒng)中。另外，基于 STEP勺CAD技術(shù)的研究也是為了建立較好的產(chǎn)品模型。2、自頂向下的設(shè)計(jì)技術(shù)：目前流行的CAD系統(tǒng)只能支持自下而上的設(shè)計(jì)方法，即先設(shè)計(jì)零件然后搭積木式地進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)。而新的設(shè)計(jì)需求要求 CAD系統(tǒng)還要支持自頂向下（Top-down）的設(shè)計(jì)方法，并且也可混合使用這兩種設(shè)計(jì)方法。3、客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的