CAD技术的五次重大技术革命

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  CAD(Computer Aided Design)——计算机辅助设计,是利用计算机软件及其相关的硬件设备,通过强大的图形处理能力和数值计算能力,帮助工程设计人员进行计算分析、信息存储、图形绘制、实物模拟等各项工作的一种技术和方法。

  CAD诞生于20世纪60年代,美国麻省理工学院于1963年首次提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新的思想,到了60年代中后期,专用CAD系统开始问世,标志着CAD技术已经进入初步应用阶段,但由于当时硬件设施的昂贵,只有美国通用汽车公司和美国波音航空公司使用自行开发的交互式绘图系统。

  随着时间的推移,计算机技术不断发展和普及,CAD历经了五次重大技术革命。

第一次CAD技术革命——曲面造型

  60年代出现的三维CAD系统只是极为简单的线框式系统。这种初期的线框造型系统只能表达基本的几何信息,不能有效表达几何数据间的拓扑关系。进入70年代,计算机先后出现了鼠标和光栅扫描图形显示器,使绘图更便于操作,图形显示分辨率不断提高,给CAD技术的发展创造了平台。

  此间飞机及汽车制造中遇到了大量的自由曲面问题,当时只能采用多截面视图、特征纬线的方式来近似表达所设计的自由曲面。由于三视图方法表达的不完整性,经常发生设计完成后,制作出来的样品与设计者所想象的有很大差异甚至完全不同的情况。

  这时法国人提出了贝赛尔算法,使得人们在用计算机处理曲线及曲面问题时变得可以操作,同时也使得法国的达索飞机制造公司的开发者们,能在二维绘图系统CADAM的基础上,开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法,推出了三维曲面造型系统CATIA。

  它的出现,标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来,首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息,同时也使得具有绘图、二维线框模型建立、三维结构分析和数据加工功能的CAM技术的开发有了现实的基础。曲面造型系统CATIA为人类带来了第一次CAD技术革命,改变了以往只能借助油泥模型来近似准确表达曲面的落后的工作方式。

第二次CAD技术革命——实体造型

  80年代初,CAD系统价格依然令一般企业望而却步,这使得CAD技术无法拥有更广阔的市场。为使自己的产品更具特色,在有限的市场中获得更大的市场份额,以CV、SDRC、UG为代表的系统开始朝各自的发展方向前进。

  SDRC公司在当时美国的星球大战计划的背景下,由美国宇航局支持及合作,开发出了许多专用分析模块。有了表面模型,CAM的问题可以基本解决。但由于表面模型技术只能表达形体的表面信息,难以准确表达零件的其它特性,基于对于CAD/CAE一体化技术发展的探索,SDRC公司于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件──IDEAS。

  由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性,在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达,给设计带来了惊人的方便性。实体造型技术的普及应用标志CAD发展史上的第二次技术革命。

第三次CAD技术革命——参数化技术

  进入20世纪80年代中期,CV公司内部以高级副总裁为首的一批人提出了参数化实体造型方法。从算法上来说,这是一种很好的设想,它的主要特点是:基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。但可惜的是:最终在CV公司内部否决了参数化技术方案。

  策划参数化技术的这些人在新思想无法实现时,集体离开了CV公司,自行成立了“参数技术公司”,开始研制命名为Pro/E的参数化软件。早期的Pro/E软件性能很低,只能完成简单的工作,但是由于第一次实现了尺寸驱动零件设计修改,使人们看到了它今后给设计者带来的方便性。

  进入90年代,参数化技术变得比较成熟起来,充分体现出其在许多通用件、零部件设计上存在的简便易行的优势。参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次技术革命。

第四次CAD技术革命——变量化技术

  参数化技术的成功应用,使得它在90年代前后几乎成为CAD业界的标准,但是其存在的缺陷导致重新开发一套完全参数化的造型系统困难很大,只能是在原有模型技术的基础上进行局部、小块的修补。这种把线框模型、曲面模型及实体模型叠加在一起的复合建模技术,并非完全基于实体,只是主模型技术的雏形,难以全面应用参数化技术。

  SDRC的决策者们权衡利弊,以参数化技术为蓝本,提出了一种更为先进的实体造型技术——变量化技术,作为开发方向。从1990至1993年,历经3年时间,投资一亿多美元,将软件全部重新改写,推出全新体系结构的IDEAS Master Series软件。

  90年代后期,随着PC机硬件设备的快速发展以及Windows操作系统的日益垄断,以Windows为平台的CAD软件快速发展。与Windows无缝连接、价格低廉、易学易用的中、低端CAD软件不断涌现。Solid Edge、SolidWorks等一系列三维CAD软件基本上全盘继承变量化技术,并在此基础上继续发展。变量化技术已经成为CAD软件公认的发展方向。

第五次CAD技术革命——同步建模技术

  进入21世纪以后,SiemensPLM Software推出的创新的同步建模技术——交互式三维实体建模随着计算机网络化的普及,可视化、虚拟现实化技术的应用使同步化,交互式建模技术进入一个成熟的、突破性的飞跃期。

  同步建模技术在参数化、基于历史记录建模的基础上前进了一大步,同时与先前技术共存。同步建模技术实时检查产品模型当前的几何条件,并且将它们与设计人员添加的参数和几何约束合并在一起,以便评估、构建新的几何模型并且编辑模型,无需重复全部历史记录。

  利用其智能模型交互操作,同步建模技术用户变得轻松自如,将降低他们对嵌入在模型中的永久几何约束的依赖。设计人员可以选择不用这类嵌入式约束来编辑初始模型,因为他们知道同步建模技术将识别明显的几何约束并且对其进行智能管理。该演变的影响将带来产品开发过程的根本变化。

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