CAD技術發展歷程概述

CAD技術起步于50年代后期。進入60年代，隨著在計算機屏幕上繪圖變為可行而開始迅速發展。人們希望借助此項技術來擺脫繁瑣、費時、繪制精度低的傳統手工繪圖。此時CAD技術的出發點是用傳統的三視圖方法來表達零件，以圖紙為媒介進行技術交流，這就是二維計算機繪圖技術。

在CAD軟件發展初期，CAD的含義僅僅是圖板的替代品，即：意指Computer Aided Drawing(or Drafting)而非現在我們經常討論的CAD(Computer Aided Design)所包含的全部內容。CAD技術以二維繪圖為主要目標的算法一直持續到70年代末期，以后作為CAD技術的一個分支而相對單獨、平穩地發 展。早期應用較為廣泛的是CADAM軟件，近十年來占據繪圖市場主導地位的是 Autodesk公司的AutoCAD軟件。在今天中國的CAD用戶特別是初期CAD用戶中，二維繪圖仍然占有相當大的比重。

1. 第一次CAD技術革命──“貴族化”的曲面造型系統

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。由于缺乏形體的表面信息，CAM及CAE均無法實現。

進入70年代，正值飛機和汽車工業的蓬勃發展時期。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。設計者對自己設計的曲面形狀能否滿足要求也無法保證，所以還經常按比例制作油泥模型，作為設計評審或方案比較的依據。既慢且繁的制作過程大大拖延產了產品的研發時間，要求更新設計手段的呼聲越來越高。

此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。

此時的CAD技術價格極其昂貴(也許還有人記得，曾幾何時，在國內租用一套CATIA的年租金即需15～20萬美元)，而且軟件商品化程度低，開發者本身就是CAD大用戶，彼此之間技術保密。只有少數幾家受到國家財政支持的軍火商，在70年代冷戰時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 由美國國家航空及宇航局(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技術主要應用在軍用工業。但受此項技術的吸引，一些民用主干工業，如汽車業的巨人也開始摸索開發一些曲面系統為自己服務，如： 大眾汽車公司 SURF 、福特汽車公司 PDGS 、雷諾汽車公司 EUCLID 。另外還有豐田、通用汽車公司等都開發了自己的CAD系統。由于無軍方支持，開發經費及經驗不足，其開發出來的軟件商品化程度都較軍方支持的系統要低，功能覆蓋面和軟件水平亦相差較大。

曲面造型系統帶來的技術革新，使汽車開發手段比舊的模式有了質的飛躍，新車型開發速度也大幅度提高，許多車型的開發周期由原來的6年縮短到只需約3年。CAD技術給使用者帶來了巨大的好處及頗豐的收益，汽車工業開始大量采用CAD技術。80年代初，幾乎全世界所有的汽車工業和航空工業都購買過相當數量的CATIA，其結果是CATIA躍居制造業CAD軟件榜首，并且保持了許多年。最近幾年，從造型理論上來說，CATIA并沒有突破性的進展，CAD技術本身已相對落后。達索公司公布的96年營業額只有2.68億美元，這并不足以使其穩據世界排名第二的位置。但其龐大用戶群的巨大慣性以及由IBM提供的約3億美元的強有力系統集成支持，使得它依然排在CAD行業前列。

2. 第二次CAD技術革命──生不逢時的實體造型技術

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。70年代末到80年代初，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，由美國宇航局支持及合作，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，用以滿足麥道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。

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，如質量、重心、慣性矩等，對CAE十分不利，最大的問題在于分析的前處理特別困難。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──I-DEAS。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。它代表著未來CAD技術的發展方向。基于這樣的共識，各軟件紛紛仿效。一時間，實體造型技術呼聲滿天下。可以說，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。

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，在實際應用中做設計顯得比較勉強。由于以實體模型為前提的CAE本來就屬于較高層次技術，普及面較窄，反映還不強烈；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下大力量去開發它，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。實體造型技術也就此沒能迅速在整個行業全面推廣開。推動了此次技術革命的SDRC公司與幸運之神擦肩而過，失去了一次大飛躍的機會。在以后的10年里，隨著硬件性能的提高，實體造型技術又逐漸為眾多CAD系統所采用。

在這段矛盾碰撞、技術起伏跌宕時期，CV公司最先在曲面算法上取得突破，計算速度提高較大。

由于CV提出了集成各種軟件，為企業提供全方位解決方案的思路，并采取了將軟件的運行平臺向價格較低的小型機轉移等有利措施，一躍成為CAD領域的領導者，市場份額上升到第1位，兼并了CALMA公司，實力迅速膨脹。

3. 第三次CAD技術革命—— 一鳴驚人的參數化技術

正當CV公司業績蒸蒸日上以及實體造型技術逐漸普及之時，CAD技術的研究又有了重大進展。如果說在此之前的造型技術都屬于無約束自由造型的話，進入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一種比無約束自由造型更新潁、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。它主要的特點是：基于特征、全尺寸約束、全數據相關、尺寸驅動設計修改。

當時的參數化技術方案還處于一種發展的初級階段，很多技術難點有待于攻克。是否馬上投資發展這項技術呢？CV內部展開了激烈的爭論。由于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，投資及開發工作量必然很大。當時CAD技術主要應用在航空和汽車工業，這些工業中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)，更何況當時CV的軟件在市場上幾乎呈供不應求之勢，于是，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，另成立了一個參數技術公司(Parametric Technology Corp.)，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將給設計者帶來的方便性。

80年代末，計算機技術迅猛發展，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一下子降到只需幾萬美元。一個更加廣闊的CAD市場完全展開，很多中小型企業也開始有能力使用CAD技術。由于他們設計的工作量并不大，零件形狀也不復雜，更重要的是他們無錢投資大型高檔軟件，因此他們很自然地把目光投向了中低檔的Pro/E軟件。了解CAD市場的人都知道，它的分布幾乎呈金字塔型。在高端的三維系統與低端的二維繪圖軟件之間事實上存在一個非常大的中檔市場。PTC在起家之初即以瞄準這個充滿潛力的市場，在“舊時王榭堂前燕”尚未來得及“飛入尋常百姓家”之時，迎合眾多的中小企業上CAD的需求，一舉進入了這塊市場，獲得了巨大的成功。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。躊躇滿志的PTC先行擠占低端的AutoCAD市場，致使在幾乎所有的CAD公司營業額都呈上升趨勢的情況下，Autodesk公司營業額卻增長緩慢，市場排名連續下挫；繼而PTC又試圖進入高端CAD市場，與CATIA、I-DEAS、CV、UG等群雄逐鹿，一直打算進入汽車及飛機制造業市場。目前，PTC在CAD市場份額排名上已名列前茅。

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. 第四次CAD技術革命─更上層樓的變量化技術

參數化技術的成功應用，使得它在90年前后幾乎成為CAD業界的標準，許多軟件廠商紛紛起步追趕。但是技術理論上的認可并非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它應用，包括CAM、PIPING和CAE接口等，在CAD方面也做了許多應用模塊開發。重新開發一套完全參數化的造型系統困難很大，因為這樣做意味著必須將軟件全部重新改寫，何況他們在參數化技術上并沒有完全解決好所有問題。因此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”化的不完整性以及需要很長時間的過渡時期，CV、CATIA、UG在推出自己的參數化技術以后，均宣傳自己是采用復合建模技術，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內核本質不同，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它不利條件。這樣的系統由于其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。可是30年的CAD軟件技術發展也給了我們這樣一點啟示：決定軟件先進性及生命力的主要因素是軟件基礎技術，而并非特定的應用技術。

90年以前的SDRC公司已經摸索了幾年參數化技術，當時也面臨同樣的抉擇：要么它同樣采用逐步修補方式，繼續將其I-DEAS軟件“參數化”下去，這樣做風險小但必然導致產品的綜合競爭力不高；但是否一定要走參數化這“華山一條路”呢？積數年對參數化技術的研究經驗以及對工程設計過程的深刻理解，SDRC的開發人員發現了參數化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時，面對滿屏幕的尺寸，如何改變這些尺寸以達到所需要的形狀就很不直觀；再者，如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也會造成系統數據混亂。實事上，全約束是對設計者的一種硬性規定。“一定要全約束嗎？”“一定要以尺寸為設計的先決條件嗎？”“欠約束能否將設計正確進行下去？”沿著這個思路，在對現有各種造型技術進行了充分地分析和比較以后，一個更新穎大膽的設想產生了。

SDRC的開發人員以參數化技術為藍本，提出了一種比參數化技術更為先進的實體造型技術──變量化技術，作為今后的開發方向。SDRC的決策者們權衡利弊，同意了這個方案，決定在公司效益正好之時，抓住機遇，從根本上解決問題，否則日后落后無疑。于是，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，于1993年推出全新體系結構的I-DEAS Master Series軟件。在早期出現的大型CAD軟件中，這是唯一一家在90年代將軟件徹底重寫的廠家。

眾所周知，已知全參數的方程組去順序求解比較容易。但在欠約束的情況下，其方程聯立求解的數學處理和在軟件實現上的難度是可想而知的。SDRC攻克了這些難題，并就此形成了一整套獨特的變量化造型理論及軟件開發方法。在I-DEAS Master Series(以下簡稱I-DEAS MS)軟件系列中，變量化的理念是按如下步驟一步步實現的：

I-DEAS MS 1 用主模型技術統一數據表達，變量化構畫草圖；

I-DEAS MS 2 變量化截面整形；

I-DEAS MS 3 變量化方程；

I-DEAS MS 4 變量化掃掠(曲面)；

I-DEAS MS 5 變量化三維特征，VGX；

I-DEAS MS 6 變量化裝配，PMI等。

變量化技術既保持了參數化技術的原有的優點，同時又克服了它的許多不利之處。它的成功應用，為CAD技術的發展提供了更大的空間和機遇。而且SDRC這幾年業務的快速增長，也證明了它走的這條當時看起來是充滿風險的研發道路是絕對正確的。也許DaraTech的96CAD市場評論是對的：“看起來SDRC要飛黃騰達了”。事實上，I-DEAS MS1發布時，SDRC市場排名僅位居第9，而在此以后，SDRC每年的排位都要超越一、兩位同行，截止到去年，SDRC的市場排名已上升至第3位。無疑，變量化技術成就了SDRC，也驅動了CAD發展的第四次技術革命。

以史為鑒，可知興衰。眾多CAD廠商的成敗無一不與其技術發展密切相關。溫故而知新。CAD技術基礎理論的每次重大進展，無一不帶動了CAD/ CAM/CAE整體技術的提高以及制造手段的更新。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，造就了今天CAD技術的興旺與繁榮，促進了工業的高速發展。今天，越來越多的人認識到CAD是一種巨大的生產力，不斷加入到用戶行列之中。愿CAD技術的發展伴隨著人們對它認識及應用水平的提高，日新月異，更上層樓。