1.3 CAD技術的發展歷程及發展趨勢

1.CAD技術的發展歷程

20世紀60年代初，美國麻省理工學院（MIT）開發了名為Sketchpad的計算機交互圖形處理系統，并描述了人機對話設計和制造的全過程，形成了最初的CAD概念，即科學計算和繪圖。從20世紀60年代初到70年代中期，CAD從封閉的專用系統走向商品化，CAD技術開始進入實用階段。這一時期的主要技術特征是二維、三維線框幾何造型方法的發展。這種造型方法通過若干線型元素互連組成線型框架，其僅定義出設計模型的基本輪廓，不能表示設計對象的表面和形體的幾何信息，在設計模型上不能任意截取切面，模型的描述也不完整，顯示的圖形有“多義性”，即模型的不確定性。此時，有代表性的CAD軟件系統，如美國通用汽車公司的DAC-1和洛克希德公司的CADAM等。隨著計算機軟硬件的發展，計算機被逐步應用于設計過程，形成了CAD系統，同時給CAD概念增加了新的含義，逐步形成了當今應用十分廣泛的CAD/CAE/CAM集成的CAD系統。

CAD技術經歷了四次技術革命，分別是：

第一次CAD革命—曲面造型技術。20世紀70年代后期，CAD進入高速發展時期。該階段的主要技術特點是自由曲面造型技術取得突破。由于大規模集成電路的問世，CAD系統價格下降，此時正逢飛機和汽車工業蓬勃發展，飛機和汽車制造中遇到大量的自由曲面問題。法國達索飛機制造公司（Dassault）率先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，采用多截面視圖、特征緯線的方式來近似表達自由曲面。

第二次CAD革命—實體造型技術。20世紀80年代初，隨著工程分析和計算技術的快速發展，CAE、CAM技術開始有了較大的需求，表面模型技術只能表達形體的表面信息，不能準確表達零件的其他屬性，如質量、質心和慣性矩等，難以滿足CAE技術的需求，尤其是難以解決模型分析的前處理問題。1979年，SDRC公司成功開發了第一個基于實體造型技術的CAD/CAE軟件I-DEAS。由于實體造型技術能夠精確表達零件的全部幾何、拓撲和材料屬性，在理論上有助于統一CAD、CAE、CAM的模型表達。

第三次CAD革命—參數化特征造型技術。20世紀80年代中期，CV（計算機視覺）公司的一些技術人員提出了參數化實體造型方法，其特點是基于特征、全尺寸約束、全數據相關、尺寸驅動設計修改等。參數化實體造型技術的出現和特征造型概念的提出標志著CAD技術進入了CAD/CAM集成化的新階段，使設計模型在幾何和拓撲意義上建立了基于約束的關聯，保證了模型編輯的高效性和可靠性；特征造型將與產品制造工藝等相關的非幾何、拓撲和材料信息包含在模型中，是CAD建模理論和技術的重要拓展。美國PTC公司憑借新技術的優勢在CAD市場份額的占有率中名列前茅，有力地推動了CAD技術向前發展。

第四次CAD革命—變量化造型技術。20世紀90年代，CAD技術已趨于成熟，出現了許多商業應用CAD軟件，如UG、Creo、CATIA等，這些軟件開始逐步應用于企業的產品設計，標志著數字化設計技術能較好地服務于產品設計的各個階段。但參數化技術尚存在不足，假設設計者在設計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模型的形狀，一旦所設計的零件形狀復雜，如何通過修改尺寸得到所需形狀的模型就很不直觀；另外，設計中某些關鍵形體的拓撲關系發生改變，使某些約束特征丟失，也會造成系統數據混亂。變量化設計技術從設計原理、方法和目的出發，提出了一種對參數化技術進行改良的先進實體造型技術。

隨著數字化設計與制造技術的快速發展，產品的設計模式也發生著根本性變化，具有設計制造等全面信息的三維數字化模型將取代傳統的二維圖樣，成為產品工藝設計、工裝設計、零部件加工、裝配與檢測等產品全生命周期的唯一設計制造依據。基于模型定義（Model Based Definition, MBD）的技術是一種面向計算機應用的產品數字化定義技術，是指用集成的三維實體模型完整地表達產品定義信息，將產品的設計信息、工藝描述信息、加工制造信息、檢測信息和管理信息定義到產品的三維數字化模型中，使三維模型成為產品全生命周期各階段信息的唯一載體，保證設計數據的唯一性。MBD技術貫穿整個產品全生命周期，使得模型在設計、工藝、生產、檢測和維護等環節保持一致性和可追蹤性，因此MBD技術能夠有效地縮短產品研制周期，改善生產現場工作環境，提高產品質量和生產效率。

2.CAD技術的發展趨勢

隨著計算機網絡技術和現代設計方法的快速發展，CAD技術的內涵也發生了很大變化，其主要特征是CAD技術在向更深入和廣泛領域發展的同時，緊密結合先進制造技術，日益向集成化、網絡化、智能化方向發展，可支持產品的自動化設計及智能設計理論方法、設計環境、設計工具等各種相關技術，能使設計工作實現集成化、網絡化和智能化，達到提高產品設計質量、降低產品成本和縮短設計周期的目的。

（1）網絡協同設計

汽車、船舶和飛機等產品的設計是多階段、多學科、多部門的綜合性復雜過程，隨著網絡技術的快速發展，數字化設計技術必然向網絡協同化發展。網絡協同設計可以幫助企業以電子形式高效傳輸二維圖樣，使制造企業將動態的三維模型集成到自定義的在線目錄中或各種電子商務服務中，通過互聯網隨時隨地進行實時交流和協作。這種基于網絡的協作模式對企業控制設計與制造成本、提高產品質量和加快新品上市是至關重要的。

（2）智能化

產品設計過程中方案構思與擬訂、最佳方案選擇、結構設計、評價及參數選擇等工作過去大都依賴于設計數據和設計者的經驗和知識，如果運用人工智能技術建立產品設計相關的知識模型，采用問題推理等方法能大幅提高設計決策的效率和質量、縮短設計時間。因此，將人工智能、知識工程、基于大數據的深度學習等方法與數字化設計技術相結合，實現產品設計和決策的智能化是數字化設計技術發展的必然趨勢。

（3）集成化

集成化是多角度、多層次的。它可以是一個CAD系統內部各模塊之間的集成、多種CAD系統之間的集成、動態聯盟中企業的集成等，從而有效支持整個產品全生命周期的開發設計。為保證集成的有效性，需要進一步完善產品數據交換技術、產品全生命周期數據管理技術等。

（4）標準化

標準化、規范化是數字化設計技術的重要保證。迄今為止，我國已制定了一系列CAD技術相關標準，可大致分為5類：

1）計算機圖形標準。

2）CAD技術制圖標準。

3）產品數據技術標準。

4）CAD文件管理和存檔標準。

5）CAD一致性測試標準。

此外，在航空航天等行業中，針對某種CAD軟件的應用也制定了行業的CAD應用規范。隨著技術進步，新標準和新規范還會出現，這些標準對CAD系統的開發和應用具有指導性作用，指明了數字化設計技術標準化發展的方向。