1.2 NX軟件與CAD技術的發展歷程

在當今高效益、高效率、高技術競爭的時代，要適應瞬息萬變的市場要求，提高產品質量，縮短生產周期，最大限度地提供滿足客戶需求的產品和服務，就必須采用先進的設計和制造技術。產品設計技術的發展是影響機械制造業發展的主要因素，NX軟件的發展與CAD技術的發展存在密切的聯系。

1.2.1 NX軟件的發展歷程

20世紀70年代，美國麥道飛機公司為了解決自動編程的問題，成立了專門的數控小組，其研究成果逐步發展成為CAD/CAM一體化的UG軟件。在20世紀90年代，該軟件被EDS公司收并，為通用汽車公司服務，并于2007年5月正式被西門子收購。因此，UG軟件有著美國航空和汽車兩大產業的發展背景。自UG 19版以后，此產品更名為NX。NX軟件是西門子新一代數字化產品開發系統，它可以通過過程變更來驅動產品革新。

1．NX軟件的發展歷史

（1）1960年，McDonnell Douglas Automation公司成立。

（2）1976年，McDonnell Douglas Automation公司收購Unigraphics CAD/CAM/CAE系統的開發商——United Computer公司，Unigraphics雛形產品問世。

（3）1983年，Unigraphics II進入市場。

（4）1986年，Unigraphics融合了業界領先的、為實踐所證實的實體建模核心——Parasolid的部分功能。

（5）1989年，Unigraphics宣布支持UNIX平臺及開放系統結構，并將一個新的與STEP標準兼容的三維實體建模核心Parasolid引入Unigraphics。

（6）1990年，Unigraphics作為McDonnell Douglas（現在已經并入波音公司）的機械CAD/CAM/CAE的標準。

（7）1991年，Unigraphics開始了從CAD/CAM大型機版本到工作站版本的移植。

（8）1993年，Unigraphics引入復合建模的概念，可將實體建模、曲面建模、線框建模、半參數化及參數化建模融為一體。

（9）1995年，Unigraphics首次發布Windows NT版本。

（10）1996年，Unigraphics發布了能夠自動進行干涉檢查的高級裝配功能模塊、先進的CAM模塊及具有A類曲面造型能力的工業造型模塊，占領了巨大的市場份額，已成為高端、中端及商業CAD/CAM/CAE應用開發的常用軟件。

（11）1997年，Unigraphics新增了包括WAVE在內的一系列工業領先的新功能，WAVE這一功能可以定義、控制和評估產品模板，被認為是當時業界最有影響的新技術。

（12）2000年，Unigraphics發布新版本——UG V17。新版本的發布，使UGS成為工業界第一個可裝載包含深層嵌入“基于工程知識”（KBE）語言的世界級MCAD軟件產品的主要供應商。

（13）2001年，Unigraphics并購SDRC的I-DEAS軟件，公司更名為EDS PLM Solutions，同時提出了產品生命周期管理（PLM）的新概念。Unigraphics發布新版本——UG V18，新版本對舊版本中的對話框做了大量的調整，實現了在更少的對話框中完成更多的工作，使設計更加便捷。

（14）2002年，Unigraphics發布新版本——UG NX1，開始將I-DEAS與UG進行融合。

（15）2003年，Unigraphics發布新版本——UG NX2，這也象征著世界兩大領先的產品Unigraphics和I-DEAS的統一進程的第二步。

（16）2004年，Unigraphics發布新版本——UG NX3，該版本是將I-DEAS的重要功能移植入UG軟件的第一個版本。

（17）2005年，Unigraphics發布新版本——UG NX4，該版本以UG在數字化模擬和知識工程領域的領導地位為基礎，并針對產品式樣、設計、模擬和制造開發了新功能，它帶有數據遷移工具，能夠對希望過渡到UG的I-DEAS用戶提供很大的幫助。

（18）2007年4月，UGS公司發布了UG NX 5.0——下一代數字產品開發軟件，可以幫助用戶以更快的速度開發創新產品，實現更高的成本效益。

（19）2007年5月10日，全球領先的產品生命周期管理軟件和服務提供商UGS公司宣布，西門子已經完成對UGS公司的收購，并于2007年5月4日生效。UGS公司從此更名為Simens PLM Software，并作為西門子自動化與驅動集團的一個全球分支機構展開運作。

（20）2008年6月，Siemens PLM Software發布了NX 6.0，建立在新的同步建模技術基礎之上的NX 6.0在市場上產生了重大影響。同步建模技術的發布是NX軟件發展中的一個重要里程碑，并且向MCAD市場展示了西門子的鄭重承諾。

（21）2009年10月，Siemens PLM Software推出其旗艦數字化產品開發解決方案——NX7。NX7引入了“HD3D”（三維精確描述）功能，即一個開放、直觀的可視化環境，有助于全球產品開發團隊充分發掘PLM信息的價值，并顯著提升其制定產品決策的能力。此外，NX7還新增了同步建模技術的增強功能。

（22）2011年10月，Siemens PLM Software發布了NX 8.0，NX 8.0在其CAE方案中加入了大量的增強功能，包括用于解決世界上最具挑戰性的仿真問題及應用廣泛的NX Nastran&reg軟件。

（23）2012年11月，Siemens PLM Software發布了NX 8.5，NX 8.5集成了眾多以用戶為中心的增強特性和新功能，可全面提升產品設計和制造環節的靈活性和生產效率。

（24）2013年9月，Siemens PLM Software發布了NX9正式版軟件，此版軟件僅支持64位操作系統，主要在用戶交互方面引入了Microsoft Ribbon方法，采用了如同微軟Office 2010的用戶界面的Ribbon（帶狀工具條）功能區型界面。此外，還引入了NX“創意塑型”這種新方法來創建高度程式化的模型；在2D草圖繪制方面引入了同步技術概念，無須預先創建約束即可更改邏輯，還可以自動識別各種關系（如相切）。

（25）2014年12月，Siemens PLM Software發布了NX10，引入了NX布局，這是一種易于使用的2D概念設計環境，它已經被完全集成到NX制圖應用模塊中。NX布局提供了多個專用工具來支持2D設計和布局。用戶可以探索2D環境中的概念，然后使用這些數據來生成3D模型和裝配。此外，還引入了對雙監視器的支持。如果用戶在兩臺監視器上工作，就可以將導航器放在第二個監視器上，將主監視器僅僅用于顯示圖形。

（26）2016年7月，Siemens PLM Software發布了產品開發解決方案——NX11，可以在協同受管環境中工作的同時提高產品開發和制造方面的生產力水平，并且通過Web訪問幫助信息，可以從軟件內部及Windows開始菜單訪問幫助系統。

（27）2017年10月，Siemens PLM Software發布的NX12可在單個多學科的平臺上提供產品設計、開發和制造的高級技術。NX12基于NX11中引入的主要增強功能（如Convergent Modeling）構建，由于支持直接操作掃描的或優化的小平面幾何體，因此其提供的優化工具支持創成式設計工作流程。為了支持不斷普及的增材制造，本版本將高級工具與傳統建模方法相結合來設計輕量級部件，以定制設計驗證檢查器增強新功能，從而確保可制造性。

（28）2019年1月，Siemens PLM Software正式發布NX1847版本，該版本的發布是本行業的又一個重大里程碑。NX1847是為了紀念德國西門子集團創始于1847年而開發的。該軟件可以實現在線升級，會自動檢查更新包，比較容易保持NX軟件的最新版本，便于用戶了解軟件的新功能及性能改進。此外，該版本針對產品的各方面均帶來了重要的新功能和增強功能，可以讓用戶在協同環境中工作的同時提高產品開發和制造方面的生產效率。

2．NX1847新功能

Siemens PLM Software使用Continuous Release模式交付其NX軟件產品。這種新的交付模式可以使用戶更快地獲得新的增強功能和質量改進內容，同時減少有效部署NX所需要的工作量。西門子由此成為第一家以這種方式提供產品的主要CAD / CAM / CAE供應商。

1）設計功能

在設計環境中，NX1847建模的所有方面都有所增強，包括傳統建模和Convergent Modeling增強功能，以及可視化和用戶交互等核心功能。

NX1847使用3D注釋和基于模型的定義方法來交流設計意圖，引入用于比較PMI的新功能，有利于跟蹤定義模型的注釋的更改。此外，引入新技術數據包（TDP）解決方案，更容易與用戶和供應商共享信息，從而改善協同和供應商數據交換。

NX1847增強了在NX 12.0.2中引入的嵌入式虛擬現實（VR）應用程序，其中的新工具可讓用戶以更高層次進行設計互動。使用嵌入式VR工具，可以實現數字化映射。

2）加工功能

NX減材制造和增材制造中的新功能能夠變換制造部件的方式。NX1847增加了增強型CNC編程自動化、新高速加工方法和高級機器人自動化生產等功能，有助于用戶快速提供更高質量的部件；改進了增材制造，有助于用戶更輕松地設置構建托盤和設計臨界支撐結構，并且比以前更好控制。

3）Simcenter 3D

Simcenter 3D是針對3D仿真的統一、可伸縮、開放和可擴展的環境。在NX1847的Simcenter 3D中，引入了新的尖端仿真功能，加強了與Simcenter產品組合的連接，并擴展了集成多學科環境以涵蓋更廣泛的仿真覆蓋范圍，主要包括用于創成式設計和增材制造過程仿真的新的和增強的仿真解算方案，使Simcenter 3D能夠提前對工程和制造工藝進行仿真。此外，Simcenter 3D的仿真覆蓋范圍已經過擴展，可涵蓋傳輸仿真等新解算方案，這樣可以使總體傳輸仿真處理時間減少大約80%。NX1847還包括通過Simcenter 3D和Simcenter產品組合（如STAR-CCM+）之間協同而形成的數字化主線新紐帶，以進行航空聲學和航空聲振分析。NX1847使用基于NX的Convergent Modeling功能構建的添加增強功能，可以對收斂體直接劃分網格，從而簡化掃描或優化數據的分析過程。總體而言，Simcenter 3D可以幫助工程師進行創新，并降低預測產品性能所需的工作量、成本和時間。

1.2.2 CAD技術的發展歷程

CAD技術起步于20世紀50年代后期。在發展初期，CAD的含義僅僅是圖板的替代品，即Computer Aided Drawing（or Drafting），而非現在的CAD（Computer Aided Design）所包含的全部內容。此時，CAD技術是在傳統的三視圖的基礎上，通過在計算機屏幕上繪圖來表達零件外形，并以圖紙為媒介進行技術交流，也就是二維計算機繪圖技術。

1．曲面造型技術

20世紀60年代出現的三維CAD系統只是極為簡單的線框造型系統。這種初期的線框造型系統只能表達基本的幾何信息，不能有效地表達幾何數據間的拓撲關系，這是因為缺乏形體的表面信息，并且CAM及CAE均無法實現。

20世紀70年代，正值飛機和汽車工業的蓬勃發展時期。在此期間，設計者在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，因此經常發生在設計完成后，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。而且，設計者對自己設計的曲面形狀能否滿足要求也無法保證，所以還經常需要按比例制作油泥模型，并以此作為設計評審或方案比較的依據。這種既慢且繁的制作過程大大拖延了產品的研發時間，因此要求更新設計手段的“呼聲”越來越高。

此時，法國某學者提出了貝塞爾算法，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。該系統的出現，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，首次實現使用計算機完整地描述產品零件的主要信息，同時也使得CAM技術的開發有了現實的基礎。

然而，此時的CAD技術價格極其昂貴，而且軟件商品化程度低，這主要是因為開發者本身就是CAD技術的大用戶，要求技術保密。只有少數幾家受到國家財政支持的公司，在20世紀70年代后期才有條件獨立開發或依托某廠商發展CAD技術。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，CV由美國波音（Boeing）公司支持，I-DEAS由美國國家航空航天局（NASA）支持，UG由美國麥道（MD）公司開發，CATIA由法國達索（Dassault）公司開發。這時的CAD技術主要應用于軍品制造領域。

但受此項技術的吸引，一些民品制造企業也開始摸索開發一些曲面造型系統為自己服務，如汽車業“巨頭”大眾汽車公司開發的SURF、福特汽車公司開發的PDGS、雷諾汽車公司開發的EUCLID，豐田、通用汽車公司等也開發了自己的CAD系統。但是由于無軍方支持，開發經費及經驗不足，他們開發出來的軟件商品化程度都比軍方支持的系統低，功能覆蓋面和軟件水平也相差較大。

曲面造型系統帶來的技術革新，使汽車開發手段與舊的模式相比有了質的飛躍，新車型的開發速度也大幅度提高，許多車型的開發周期由原來的大約6年縮短到大約3年。CAD技術給用戶帶來了巨大的好處及頗豐的收益，因此汽車工業開始大量采用CAD技術。

2．實體造型技術

20世紀80年代初期，CAD系統的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。20世紀70年代末期到80年代初期，由于計算機技術的大跨步前進，CAE、CAM技術也開始有了較大發展。SDRC公司在當時“星球大戰計劃”的背景下，由美國國家航空航天局支持，合作開發出了許多專用分析模塊，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，用以滿足飛機零部件的加工需求；CV和CALMA則將主要精力都放在CAD市場份額的爭奪上。

曲面模型技術可以基本解決CAM的問題。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他特性，如質量、重心、慣性矩等，對CAE十分不利，最大的問題就在于分析的前處理特別困難。基于對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——I-DEAS。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便利性，代表著未來CAD技術的發展方向。基于這樣的共識，各軟件公司紛紛仿效，使得實體造型技術“風靡全球”。可以說，實體造型技術的普及應用，標志著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。在當時的硬件條件下，實體造型的計算及顯示速度很慢，在實際應用中進行設計顯得比較勉強；以實體模型為前提的CAE屬于較高層次的技術，普及面較窄；另外，在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并沒有加大力量去解決這個矛盾，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。

3．參數化技術

如果說在此之前的實體造型技術都屬于無約束的自由造型，那么在20世紀80年代中期，有人提出了一種比無約束自由造型更新穎、更好的算法——參數化實體造型方法。從算法上來說，這是一種很好的設想，它的主要特點包括基于特征、全尺寸約束、全數據相關、尺寸驅動設計修改。但是當時的參數化技術方案還處于發展的初級階段，很多技術難點有待于攻克。而且參數化技術核心算法與以往的系統有本質差別，若采用參數化技術，必須將全部軟件重新改寫，則投資及開發工作量必然很大。當時的CAD技術主要應用在航空和汽車工業，而這些工業對自由曲面的需求量非常大，參數化技術還不能提供解決自由曲面的有效工具（如實體曲面問題等）。在此情況下，一個新的公司成立了，即參數技術公司PTC（Parametric Technology Corp.），并開始研發被命名為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，但由于第一次實現了尺寸驅動設計修改，使人們看到了它今后將給設計者帶來的便利性。

20世紀80年代末期，隨著計算機技術的迅猛發展，硬件成本大幅度下降，CAD技術的硬件平臺成本從二十幾萬美元下降到幾萬美元。自此CAD技術迎來了一個更加廣闊的市場，很多中小型企業也開始有能力使用CAD技術。20世紀90年代，參數化技術變得更加成熟，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。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．變量化技術

參數化技術的成功應用，使得它幾乎成為CAD業界的標準，但是技術理論上的認可并不意味著實踐上的可行性。由于CATIA、CV、UG、EUCLID都在原來的非參數化模型基礎上開發或集成了許多其他應用，包括CAM、PIPING和CAE接口等，在CAD方面也進行了許多應用模塊開發，因此重新開發一套完全參數化的造型系統面臨著很大的困難。因為這樣做意味著必須將軟件全部重新改寫，而且他們在參數化技術上并沒有完全解決好所有問題，所以他們采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，CV、CATIA、UG在推出自己的參數化技術以后，均宣傳自己采用的是復合建模技術，并強調復合建模技術的優越性。

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。由于參數化技術和非參數化技術的內核本質不同，在使用參數化技術造型后，進入非參數化系統還要進行內部轉換，才能被系統接受，而大量的轉換極易導致數據丟失或其他不利條件。因此，這樣的系統在參數化技術上和非參數化技術上均不具備優勢，系統整體競爭力自然不高，只能依靠某些實用性模塊上的特殊能力來增強競爭力。

在參數化技術的發展過程中，開發人員發現該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。全尺寸約束，即設計者在設計初期及全過程中，必須將形狀和尺寸聯合起來考慮，并且通過尺寸約束來控制形狀，通過尺寸的改變來驅動形狀的改變，一切均以尺寸（即所謂的“參數”）為出發點。一旦所設計的零件形狀過于復雜，設計者通過修改大量尺寸以獲得所需要的形狀就很不直觀；再者，如果在設計中關鍵形體的拓撲關系發生改變，失去了某些約束的幾何特征就會造成系統數據混亂。

一種比參數化技術更為先進的實體造型技術——變量化技術，可以彌補參數化技術的不足。變量化技術既保持了參數化技術原有的優點，又克服了參數化技術的許多不足。變量化技術的成功應用，為CAD技術的發展提供了更大的空間和機遇。

CAD技術基礎理論的每次重大進展，均帶動了CAD/CAM/CAE整體技術的提高及制造手段的更新。技術發展永無止境，沒有一種技術是“常青樹”，CAD技術一直處于不斷的發展與探索之中。正是這種“此消彼長”的互動與交替，推動了CAD技術的發展與應用，促進了工業的高速發展。