CAD技術的五次重大技術革命

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  CAD(Computer Aided Design)——計算機輔助設計,是利用計算機軟件及其相關的硬件設備,通過強大的圖形處理能力和數值計算能力,幫助工程設計人員進行計算分析、信息存儲、圖形繪制、實物模擬等各項工作的一種技術和方法。

  CAD誕生于20世紀60年代,美國麻省理工學院于1963年首次提出了計算機圖形學、交互技術、分層存儲符號的數據結構等新的思想,到了60年代中后期,專用CAD系統開始問世,標志著CAD技術已經進入初步應用階段,但由于當時硬件設施的昂貴,只有美國通用汽車公司和美國波音航空公司使用自行開發的交互式繪圖系統。

  隨著時間的推移,計算機技術不斷發展和普及,CAD歷經了五次重大技術革命。

第一次CAD技術革命——曲面造型

  60年代出現的三維CAD系統只是極為簡單的線框式系統。這種初期的線框造型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系。進入70年代,計算機先后出現了鼠標和光柵掃描圖形顯示器,使繪圖更便于操作,圖形顯示分辨率不斷提高,給CAD技術的發展創造了平臺。

  此間飛機及汽車制造中遇到了大量的自由曲面問題,當時只能采用多截面視圖、特征緯線的方式來近似表達所設計的自由曲面。由于三視圖方法表達的不完整性,經常發生設計完成后,制作出來的樣品與設計者所想象的有很大差異甚至完全不同的情況。

  這時法國人提出了貝賽爾算法,使得人們在用計算機處理曲線及曲面問題時變得可以操作,同時也使得法國的達索飛機制造公司的開發者們,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方法,推出了三維曲面造型系統CATIA。

  它的出現,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,首次實現以計算機完整描述產品零件的主要信息,同時也使得具有繪圖、二維線框模型建立、三維結構分析和數據加工功能的CAM技術的開發有了現實的基礎。曲面造型系統CATIA為人類帶來了第一次CAD技術革命,改變了以往只能借助油泥模型來近似準確表達曲面的落后的工作方式。

第二次CAD技術革命——實體造型

  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。為使自己的產品更具特色,在有限的市場中獲得更大的市場份額,以CV、SDRC、UG為代表的系統開始朝各自的發展方向前進。

  SDRC公司在當時美國的星球大戰計劃的背景下,由美國宇航局支持及合作,開發出了許多專用分析模塊。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只能表達形體的表面信息,難以準確表達零件的其它特性,基于對于CAD/CAE一體化技術發展的探索,SDRC公司于1979年發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──IDEAS。

  由于實體造型技術能夠精確表達零件的全部屬性,在理論上有助于統一CAD、CAE、CAM的模型表達,給設計帶來了驚人的方便性。實體造型技術的普及應用標志CAD發展史上的第二次技術革命。

第三次CAD技術革命——參數化技術

  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時,集體離開了CV公司,自行成立了“參數技術公司”,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。

  進入90年代,參數化技術變得比較成熟起來,充分體現出其在許多通用件、零部件設計上存在的簡便易行的優勢。參數化技術的應用主導了CAD發展史上的第三次技術革命。

第四次CAD技術革命——變量化技術

  參數化技術的成功應用,使得它在90年代前后幾乎成為CAD業界的標準,但是其存在的缺陷導致重新開發一套完全參數化的造型系統困難很大,只能是在原有模型技術的基礎上進行局部、小塊的修補。這種把線框模型、曲面模型及實體模型疊加在一起的復合建模技術,并非完全基于實體,只是主模型技術的雛形,難以全面應用參數化技術。

  SDRC的決策者們權衡利弊,以參數化技術為藍本,提出了一種更為先進的實體造型技術——變量化技術,作為開發方向。從1990至1993年,歷經3年時間,投資一億多美元,將軟件全部重新改寫,推出全新體系結構的IDEAS Master Series軟件。

  90年代后期,隨著PC機硬件設備的快速發展以及Windows操作系統的日益壟斷,以Windows為平臺的CAD軟件快速發展。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。Solid Edge、SolidWorks等一系列三維CAD軟件基本上全盤繼承變量化技術,并在此基礎上繼續發展。變量化技術已經成為CAD軟件公認的發展方向。

第五次CAD技術革命——同步建模技術

  進入21世紀以后,SiemensPLM Software推出的創新的同步建模技術——交互式三維實體建模隨著計算機網絡化的普及,可視化、虛擬現實化技術的應用使同步化,交互式建模技術進入一個成熟的、突破性的飛躍期。

  同步建模技術在參數化、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,無需重復全部歷史記錄。

  利用其智能模型交互操作,同步建模技術用戶變得輕松自如,將降低他們對嵌入在模型中的永久幾何約束的依賴。設計人員可以選擇不用這類嵌入式約束來編輯初始模型,因為他們知道同步建模技術將識別明顯的幾何約束并且對其進行智能管理。該演變的影響將帶來產品開發過程的根本變化。