CAD技术的历史-现状与未来-王智勇

郑州大学现代远程教育土木工程CAD课程论文CAD技术的历史、现状与未来学 号： 14103527012姓 名： 王智勇完成时间： 2014年9月10日CAD技术的历史、现状与未来摘要：本文主要简述CAD技术发展的历史，应用现状以及未来发展的趋势，分析其在开当今社会产业中的应用和存在的问题、发展方向及趋势。关键词：历史，现状，趋势，社会产业，问题，发展方向。Abstract： This paper briefly describes the history of the development of CAD technology, application status and future development trend, analyze its application in todays society industry and the existing problems and development direction and trend.Key word：History, Present situation, Trend, Social industry, Problem, Development direction一、CAD的基本情况介绍CAD即计算机辅助设计(CAD-Computer Aided Design) 利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。它是综合了计算机科学与工程设计方法的最新发展而形成的一门新兴学科。计算机辅助设计技术的水平成了衡量一个国家工业技术水平的重要标志。CAD的系统组成：通常以具有图形功能的交互计算机系统为基础，主要设备有：计算机主机，图形显示终端，图形输入板，绘图仪，扫描仪，打印机，磁带机，以及各类软件。CAD的功能主要包括系统功能和基本功能，A.系统功能：(1)设计组件重用；(2)简易的设计修改和版本控制功能；(3)设计的标准组件的自动产生；(4)设计是否满足要求和实际规则的检验；(5)无需建立物理原型的设计模拟；(6)装配件(一堆零件或者其它装配件)的自动设计；(7)工程文档的输出，例如制造图纸，材料明细表；(8)设计到生产设备的直接输出；(9)到快速原型或快速制造工业原型的机器的直接输出；B.基本功能：(1)编辑图形;(2)标注尺寸;(3)书写文字;(4)图层管理功能;(5)三维绘图;(6)网络功能;(7)数据交换;二、CAD 技术的发展历程1、准备和诞生时期（20世纪50年代-60年代） 1950年，美国麻省理工学院研制出 WHIRLWIND1（旋风 1）计算机的一个配件-图形显示器。1958 年，美国Calcomp公司研制出由数字记录仪发展成的滚筒式绘图机，美国GerBer公司把数控机床发展成平板式绘图机。20世纪50年代，计算机由电子管组成，用机器语言编程，主要用于科学计算，图形设备仅仅具有输出功能，CAD技术处于酝酿和准备阶段。20世纪50年代末，美国麻省理工学院在WHIRLWIND计算机上开发了SAGE战术防空系统，第一次使用了具有指挥功能和控制功能的阴极射线管CRT（Cathode Ray Tube），操作者可以用光笔在屏幕上确定目标。它预示着交互式图形生成技术的诞生，为 CAD 技术的发展作了必要的准备。2、蓬勃发展和进入应用时期（20世纪60年代） 20 世纪60年代初，美国麻省理工学院的博士生Ivan Sutherland研制出世界上第一台利用光笔的交互式图形系统SKETCHPAD。但在 20 世纪60年代，由于计算机及图形设备价格昂贵，技术复杂，只有一些实力雄厚的大公司才能使用这一技术。作为CAD技术的基础，计算机图形学在这一时期得到了很快的发展。20世纪60年代中期出现了商品化的CAD设备，CAD技术开始进入了发展和应用阶段。3、广泛应用时期（20世纪70年代） 20 世纪70年代推出了以小型机为平台的CAD系统。同时，图形软件和CAD应用支撑软件也不断充实提高。图形设备，如光栅扫描显示器、图形输入板、绘图仪等相继推出和完善。于是，20世纪70年代出现了面向中小企业的CAD商品化系统。4、突飞猛进时期（20世纪80年代） 20世纪80年代，大规模和超大规模集成电路、工作站和RISC（精简指令集计算机）等的出现使CAD系统的性能大大提高了一步。与此同时，图形软件更趋成熟，二维、三维图形处理技术，真实感图形技术以及有限元分析，优化，模拟仿真，动态景观，科学计算可视化等方面都已进入实用阶段。包括CAD/CAE/CAM一体化的综合软件包使CAD技术又上了一个层次。 5、日趋成熟的时期（20世纪90年代） 这一时期的发展主要体现在以下几个方面：CAD标准化体系进一步完善；系统智能化成为又一个技术热点；集成化成为CAD技术发展的一大趋势；科学计算可视化、虚拟设计、虚拟制造技术是 20世纪90年代CAD技术发展的新趋向。三、CAD技术的应用1、CAD技术在制造业中的应用CAD技术已经广泛应用于制造业的各个领域。其中，以机床、汽车、飞机、船舶、航天器等应用最为广泛。一个产品的设计过程要经过概念设计、详细设计、结构分析和优化、仿真模拟等几个阶段。概念设计主要解决产品的造型外观，在满足功能的前提条件下，使产品外观精致美观。在现代化设计过程中还需要考虑的因素很多，如要考虑机械产品对环境影响，考虑产品的整体结构、材料及实现主要功能的机构；详细设计是要确定产品的结构，各个零部件的结构设计，所以又称为部件设计，包括各零件的尺寸、形状和结构；结构分析主要包括有限元分析，将对各部件及产品整体的结构进行力学性能、热学性能的分析：仿真模拟则主要是产品进行装配模拟，运动机构模拟，进行干涉、碰撞分析等等。CAD技术 可以说贯穿于整个设计过程。从产品方案的选择到整机的可生产性、可维持性、可循环利用性和环境的融化等进行全面设计。当前先进的CAD应用系统已经将设计、绘图、分析、仿真、加工等一系列功能集成于一个系统内。2、CAD技术在工程设计中的应用早在二十世纪五十年代，CAD技术就应用于工程结构分析计算。但真正用在建筑、结构等领域则是在二十世纪七十年代。到了二十世纪八十年代和九十年代已经形成了建筑、结构、水、电、暖设备等一系列工程设计软件。比较流行的有ABD、HOUSE等。CAD在工程领域中的应用有以下几个方面。建筑：方案设计、三维造型、建筑渲染图即概念设计、平面布景、建筑构造设计、小区规划、日照分析、室内装潢、包括室内分隔、家具、环境装修等：结构：有限元分析、结构平面设计、框和排架结构计算和分析、高层结构分析、地基的基础设计，钢结构设计与加工；设备：水、电、暖各种设备及管道设计；市政管线：自来水、污水排放、煤气、电力、暖气、通信等：市政建筑：城市规划、城市交通、道路高架轻轨、地铁；交通工程：公路、桥梁、铁路、航空、机场、港口、码头；水利工程：大坝、水渠、河海工程。房地产开发及物业管理、工程概预算、施工过控制与管理、风景、旅游景点设计与布置、智能大厦设计等。目前在工程CAD软件中集建筑、结构、水、电、暖设备于一体的集成化CAD软件正在开发之中。此外，科学计算可视化以及虚拟现实技术正应用于建筑抗震、抗风、抗灾的分析以及虚拟建筑、室内漫游等现代化设计方法中。3、CAD技术在其他领域的应用CAD技术除了在制造业和工程设计领域中的应用外，在轻工、纺织、家电、服装、制鞋、医疗和医药乃至文化娱乐和体育方面都会用到CAD技术。轻工中，轻工机械的设计、化妆、洗涤用品、盛器、三维造型、模具设计及包装平面设计。各种小商品的造型设计；纺织行业中印花提花设计、服装CAD及排料、裁剪：制鞋业中造型以及配合人体足部骨骼肌腱的人体工学设计：医药中的分子键结构分析、医疗器械以及辅助医疗手术、家电产品的造型和模具技术，在文化娱乐上已大量利用计算机造型仿真的原始动物和外星人，并将动物画和实际背景以及演员的表演天衣无缝地合在一起，在电影制作技术上大放异彩，拍制出一部部激动人心的巨片。4、CAD技术在计算机绘图技术中的应用计算机图形处理技术足CAD的最要组成部分。机械、建筑等工程设计的任务最终要绘出零件图或施工图。绘图任务必须由图形软件来完成。近期不少究机构在AUTOCAD基础上进行了二次开发。结合国内机械和工程设计领域的应用，以我国国家标准为依据，增加了国标零部件库、设计规范、工程制图标准。相继 共推出了INTECAD和XTMCAD等机械CAD软件以及ABP、HOUSE等建筑和结构CAD软件，并已形成了相当的规模。一个图形软件应包括基本图素的生成，如点、线、曲线、多边形、圆、圆柱体、球、曲面等；图形编辑功能，如图块的生成、图形平移、旋转、放大、缩小、修改、增删等；符号及标注功能，如各种常用符号、文字巾心线、剖面线；尺寸如半径、直径、直线距离、倒角等标注：文件管理功能，包括文件的产生、存储、删除、建库等。对于三维图形还必须消隐、着色、阴影以及更高级的反走样、真实感图形、表面纹理生成等功能。四、CAD技术应用存在问题我国CAD系统的开发和应用取得了一些成绩，国内已初步形成了二维CAD商品化软件市场，在建筑设计、管道设计、装修工程设计、地理信息系统、机械制造等行业应用广泛，并取得一些效益。但与国外相比差距仍然很大，主要表现在。1、目前我国CAD系统仅仅作为绘图工具，缺乏设计方法和设计理论的指导我国CAD软件开发虽然已形成了几个系统，但基本上都是二维绘图软件，开发者在技术上没有什么创新，缺乏设计方法和设计理论上的研究，因此所开发出的软件稳定性和可靠性差，自然在市场上就无竞争力。另外，图形CAD系统只能将设计过程的最后阶段绘图阶段搬到计算机上，而设计过程仍然在设计师头脑中完成，这样设计效率并没有太大的提高。在应用方面，很多企业也只是把CAD作为一个绘图工具，企业应用中也缺乏对产品设计理论和设计方法的研究，因此企业产品和创新产品少，在市场上缺乏竞争力。2、我国三维CAD系统还不成熟，必须加快开发真正解决产品设计问题的是三维CAD系统，而目前我国自主开发的三维CAD系统还未真正形成商品软件。在今年8月份国家863/CIMS项目“基于线框、曲面、实体和特征表示的产品造型和设计系统”的招标中，有五家参加了投标，都开发了原型系统，但其功能、成熟性都不理想。而这类CAD系统国外软件早已占领中国市场，除了三维工作站CAD系统外，近几年来PC机和Windows/95/98/NT环境下的三维CAD系统也进入了中国市场。一些原来工作站系统的三维CAD软件系统也推出了PC机Windows平台的版本。3、我国CAD技术开发创新少、仿制多没有创新就没有竞争力，只仿制就不能开发出有竞争力的产品。从我国二维CAD到目前研制的三维CAD都存在这一问题。回顾一下历史，早在“七五”攻关时用户就提出了“参数设计问题”、“数据管理问题”及数控编程中的有关要求即现在的“特征造型问题”这些技术，我国CAD研究开发者也都知道，但都没有引起注意。而国外的CAD后起之秀PTC公司抓住了用户需求的时机，快速推出了参数化特征造型CAD系统Pro/Engineer，一举占领了国际市场，至今仍在国际年销售额方面名列第一。4、我国CAD软件的开发缺乏理论研究和算法的研究CAD技术是一项综合性的高新技术，涉及面广而复杂，技术变化快，竞争激烈。就建模技术而言会涉及很多模型建立的理论和算法，这些都是为解决用户需求而研究开发的，每种理论和算法用于CAD系统中，会产生新的CAD软件。如有名的CSG、B-rep、NURBS等等。而我国CAD软件开发者缺乏这方面的研究，多年来也未见过有名的理论和算法用于CAD中。只能引用别人的，当然也只能跟在人家的后面走。5、信息集成技术落后信息技术的广泛集成是以产品数据管理（PDM）和过程管理（PM）为基础，实现CAD/CAPP/CAM和ERP的有机集成，在并行工程中PDM也是重要的基础。而我国在这方面的研究仅仅开始，至今也没有一个在国内市场上成熟的数据库管理系统（DBMS）。因此，这类基础性软件也被国外的系统占领了市场，我们的CAD/CAPP/CAM集成技术又建立在国外基础系统上。6、CAD中的数据交换格式和标准化落后在CAD技术的标准化方面，我国由于技术落后，资金投入不足，对此重视不够，至今未提出一个有关CAD方面的标准，完全是采用国际标准，有的已用作国家标准，如IGES、STEP等，另外由于种种因素也跟不上国际标准的更新和发展，因此造成国内CAD软件系统在数据交换、标准化等方面存在不少问题。 五、CAD技术未来发展方向和趋势1、标准化CAD软件一般应集成在一个异构的工作平台之上，只有依靠标准化技术才能解决CAD系统支持异构跨平台的环境问题。目前，除了CAD支撑软件逐步实现ISO标准和工业标准外，面向应用的标准零部件库、标准化设计方法已成为CAD系统中的必备内容，且向合理化工程设计的应用方向发展。2、智能化设计是一个含有高度智能的人类创造性活动领域，智能CAD是CAD发展的必然方向。从人类认识和思维的模型来看，现有的人工智能技术模拟人类的思维活动明显不足。因此，智能CAD不仅是简单地将现有的智能技术与CAD技术相结合，更重要的是深入研究人类设计的思维模型，最终用信息技术来表达和模拟它，才会产生高效的CAD系统，为人工智能领域提供新的理论和方法。CAD的这个发展趋势，将对信息科学的发展产生深刻的影响。3、网络技术的应用网络技术包括硬件与软件的集成实现,各种通讯协议及制造自动化协议,信息通讯接口,系统操作控制策略等,是实现各种制造系统自动化的基础。目前早已出现了通过Internet实现跨国界模具设计的成功例子。4、多学科多功能综合产品设计技术未来产品的开发设计不仅用到机械科学的理论与知识,而且还用到电磁学、光学、控制理论等知识。产品的开发要进行多目标全性能的优化设计,以追求模具产品动静态特性、效率、精度、使用寿命、可靠性、制造成本与制造周期的最佳组合。5、逆向工程技术的应用在许多情况下,一些产品并非来自设计概念,而是起源于另外一些产品或实物,要在只有产品原型或实物模型,而没有产品图样的条件下进行模具的设计和制造以便制造出产品。此时需要通过实物的测量,然后利用测量数据进行实物的CAD几何模型的重新构造,这种过程就是逆向工程RE。逆向工程能够缩短从设计到制造的周期,是帮助设计者实现并行工程等现代设计概念的一种强有力的工具,目前在工程上正得到越来越广泛的应用。6、快速成形技术快速成形制造技术RPM是基于制造原理,迅速制造出产品原型,而与零件的几何复杂程度丝毫无关,尤其在具有复杂曲面形状的产品制造中更能显示其优越性。它不仅能够迅速制造出原型供设计评估、装配校验、功能试验,而且还可以通过形状复制快速经济地制造出产品模具,从而避免了传统模具制造的费时、高成本的NC加工,因而RPM技术在模具制造中日益发挥着重要的作用。六、结 语 技术的发展永无止境， 没有哪一种技术是常青树，CAD技术也一直处于不断地发展与探索之中，并不断地扩展它的应用范围。正是这种此消彼长的互动与交替，造就了今天CAD产业的兴旺与繁荣，也使得越来越多的人认识到CAD是一种巨大的生产力，促进了工业的高速发展。参考文献：1 魏军英，丁淑辉浅谈先进制造技术环境下现代CAD技术的发展J现代制造技术，2007(3)2 蔡汉明,陈清贵等. 机械CAD/CAM技术, 机械工业出版社，2005.3 唐承统,阎艳等. 计算机辅助设计与制造, 北京理工大学出版社, 2008.4 杨燕萍，曹丽君，王 刚CAD技术在企业中的应用与发展的研究J商场现代化，2008(10)5 董代进等. 机械CAD, 重庆大学出版社, 2007.6 谭广宇等. 机械CAD技术基础, 哈尔滨工业大学出版社, 2005.7 雷毅CAD软件发展，观念、环境、机制是关键J机械产业信息与网络，2008(6)8 周 冰未来CAD发展趋势J微型机与应用，2008(3)8