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我國CAD技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

　CAD技術的發(fā)展至今已有30多年的歷史。在CAD發(fā)展中，新的技術和新的算法不斷涌現(xiàn)，它主要表現(xiàn)在建模、數(shù)據(jù)管理、標準化技術的研究和發(fā)展方面。我國CAD系統(tǒng)開發(fā)、應用已取得初步成果，但還存在一些問題……

　　 CAD新發(fā)展

　CAD技術產生于本世紀50年代后期。CAD技術的發(fā)展與工業(yè)實際應用和需求密切相關，隨著實際應用的需要,一些計算機應用的新技術和一些新的算法在CAD中不斷出現(xiàn)和發(fā)展，主要表現(xiàn)在：建模技術的研究和發(fā)展；數(shù)據(jù)管理技術的研究和發(fā)展；標準化技術的研究和發(fā)展三個方面。

　　 1、CAD建模技術的研究和發(fā)展

　　建模技術是CAD的核心技術，建模技術的研究、發(fā)展和應用，就代表了CAD技術的研究、發(fā)展和應用。下圖給出了建模技術的發(fā)展情況。圖中明確顯示了從50年代至今建模技術的發(fā)展經歷了二維建模、三維幾何建模（包括線框建模、曲面建模、實體建模）、特征建模（包括參數(shù)化和變量化建模）及產品集成建模的發(fā)展過程。

　二維建模是最初的CAD技術用來解決二維繪圖問題的，后來發(fā)展為三維的幾何建模技術。三維幾何建模又分為線框建模、曲面建模和實體建模。線框建模是以線來構造三維物體，其主要算法是空間自由曲線的擬合和表達相對簡單。曲面建模是由曲面來構造三維物體，其主要算法是自由曲面或雕塑曲面的生成算法等，其算法較為復雜。實體建模是構成真實的實體，其算法比較復雜。在實體建模技術研究中提出了很多算法，常用的有邊界表示法B-rep和幾何構造法CSG。為了統(tǒng)一幾何建模的表示，還研究開發(fā)了新的算法

 
即非均勻有理B樣條（NURBS）算法。這種算法在幾何建模中起了重要的作用。隨著幾何建模技術的發(fā)展和實際應用的要求，到80年代后期又出現(xiàn)了參數(shù)化和變量化的建模技術。參數(shù)化建模技術一般是指設計對象的結構形狀比較定型，可以用一組參數(shù)來約定尺寸關系，參數(shù)的求解較簡單，參數(shù)與設計對象的控制尺寸有顯示對應關系，設計結果的修改受尺寸驅動。這種CAD系統(tǒng)最早推出的是PTC公司的Pro/Engineer。變量化建模技術是指設計對象的修改需要更大的自由度，通過求解一組約束方程來確定產品的尺寸和形狀。約束方程可以是幾何關系，也可以是工程計算條件，設計結果的修改受約束方程的驅動。變量化建模的代表是SDRC公司的VGX。這一技術應用到SDRC產品I-DEAS Master Series系統(tǒng)中。VGX為CAD軟件帶來了空前的易用性。特征建模是CAD建模方法的一個新發(fā)展。特征建模是著眼于更好地表達產品完整的功能和生產管理信息，為建立產品的集成信息模型服務。特征包含了產品的特定幾何形狀、拓撲關系、典型功能、繪圖表示方法、制造技術和公差要求等。特征的引用直接體現(xiàn)了設計意圖，使得建立的產品模型更容易為人理解和組織生產。

　　 產品集成建模是面向產品生命周期的關系型產品模型的概念。這一概念的提出，較好地解決了信息在設計、制造、檢驗和裝配等環(huán)節(jié)的共享問題，完整地描述了產品在概念設計——裝配設計——零件設計全過程中的各種屬性和相互關系，實現(xiàn)了產品生命周期中的內部描述信息（如產品設計、計劃、加工、檢驗等信息）和外部過程信息（如內部描述信息所依賴的環(huán)境、知識和規(guī)則等）的集成。這種產品集成建模技術仍在研究中。

　　 2、數(shù)據(jù)管理技術的研究和發(fā)展

　　 CAD技術的研究和應用中，數(shù)據(jù)管理技術是其又一重要的技術，特別是在CAD集成系統(tǒng)中更為重要。數(shù)據(jù)管理的研究開發(fā)經歷了文件管理、數(shù)據(jù)庫管理和產品數(shù)據(jù)管理（PDM）三個階段。在70年代之前，主要靠文件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行管理；到1968年美國IBM公司研制了第一代數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)——層次型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)IMS；1969年美國的數(shù)據(jù)庫研究小組CODASYL發(fā)表了DBTG報告，建立了第二代數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)——網狀數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。到70年代，第三代數(shù)據(jù)庫技術的研究和開發(fā)集中在關系型數(shù)據(jù)庫技術上，70年代末80年代初，出現(xiàn)了商品化的關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，目前仍很流行。80年代后期，開始了第四代數(shù)據(jù)庫技術的研究，即工程數(shù)據(jù)庫和面向對象數(shù)據(jù)庫的研究和開發(fā)。

　　 盡管在數(shù)據(jù)管理方面作了大量的工作，但仍然滿足不了企業(yè)對數(shù)據(jù)管理的實際要求。到80年代后期，在企業(yè)計算機制造環(huán)境中數(shù)據(jù)管理及設計過程自動化的需求的驅動下，人們開始尋求一種嶄新的產品數(shù)據(jù)管理技術，它能夠提供一個產品開發(fā)的協(xié)作環(huán)境，在該環(huán)境下，能夠實現(xiàn)過程控制下的信息傳遞并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有序管理，即產品數(shù)據(jù)管理（PDM）系統(tǒng)。PDM系統(tǒng)一出現(xiàn)，就成為企業(yè)關注和應用的熱點，近幾年來，PDM技術在國外已取得了突飛猛進的發(fā)展。目前，PDM技術在網絡上的應用、CAD系統(tǒng)集成、MRP/ERP的集成方面進行研究開發(fā)。

　　 3、標準化技術的研究和發(fā)展

　　 由于CAD技術的發(fā)展和廣泛的應用，數(shù)據(jù)交換的格式和標準化技術也發(fā)展起來，并且越來越重要。在CAD領域出現(xiàn)了圖形級的標準、圖形交換級的標準、產品級的數(shù)據(jù)表達和交換標準等。

　　 圖形級最早的標準有PHIGS、GKS，它們是ISO/IEC推出的圖形信息系統(tǒng)標準。目前還有一些其它的三維圖形支持標準，如PEX和OPEN GL等也很受重視。

　　 IGES是國際上最早、最成熟的數(shù)據(jù)交換標準，它主要是用于不同的CAD系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)交換的標準。從1980年到1992年已先后發(fā)布了五個版本。IGES目前還在廣泛應用，其目的只是傳輸幾何圖形及相應的尺寸標準、說明等，即只是傳輸工程圖。無法描述工業(yè)環(huán)境所需要的產品定義數(shù)據(jù)的全部信息。

　　 90年代初，ISO公布了產品數(shù)據(jù)表達與交換標準STEP。STEP是一個系列的國際標準，它提供了必要的機制和定義，使得產品的數(shù)據(jù)表達能夠在不同的計算機系統(tǒng)及與產品定義和制造有關的環(huán)境中進行通信。它可用于產品數(shù)據(jù)的傳輸、共享和存檔。STEP標準是目前CAD領域中最完整的標準，該系列標準還未全部完成，已公布了一部分。


　　 差距仍然很大

　　 近幾年來，我國CAD系統(tǒng)的開發(fā)和應用取得了一些成績，國內已初步形成了二維CAD商品化軟件市場，在一些企業(yè)也引進了CAD系統(tǒng)，并取得一些效益。但與國外相比差距仍然很大。

　　 1、目前我國CAD系統(tǒng)僅僅作為繪圖工具，缺乏設計方法和設計理論的指導

　　 我國CAD軟件開發(fā)雖然已形成了幾個系統(tǒng)，但基本上都是二維繪圖軟件，開發(fā)者在技術上沒有什么創(chuàng)新，缺乏設計方法和設計理論上的研究，因此所開發(fā)出的軟件穩(wěn)定性和可靠性差，自然在市場上就無競爭力。另外，圖形CAD系統(tǒng)只能將設計過程的最后階段——繪圖階段搬到計算機上，而設計過程仍然在設計師頭腦中完成，這樣設計效率并沒有太大的提高。

　　 在應用方面，很多企業(yè)也只是把CAD作為一個繪圖工具，企業(yè)應用中也缺乏對產品設計理論和設計方法的研究，因此企業(yè)產品和創(chuàng)新產品少，在市場上缺乏競爭力。

　　 2、我國三維CAD系統(tǒng)還不成熟，必須加快開發(fā)

　　 真正解決產品設計問題的是三維CAD系統(tǒng)，而目前我國自主開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)還未真正形成商品軟件。在今年8月份國家863/CIMS項目“基于線框、曲面、實體和特征表示的產品造型和設計系統(tǒng)”的招標中，有五家參加了投標，都開發(fā)了原型系統(tǒng)，但其功能、成熟性都不理想。而這類CAD系統(tǒng)國外軟件早已占領中國市場，除了三維工作站CAD系統(tǒng)外，近幾年來PC機和Windows/95/98/NT環(huán)境下的三維CAD系統(tǒng)也進入了中國市場。如Solidworks、Autodesk公司的MDT、Cimatron等。一些原來工作站系統(tǒng)的三維CAD軟件系統(tǒng)也推出了PC機Windows平臺的版本。

　　 3、我國CAD技術開發(fā)創(chuàng)新少、仿制多

　　 沒有創(chuàng)新就沒有競爭力，只仿制就不能開發(fā)出有競爭力的產品。從我國二維CAD到目前研制的三維CAD都存在這一問題�；仡櫼幌職v史，早在“七五”攻關時用戶就提出了“參數(shù)設計問題”、“數(shù)據(jù)管理問題”及數(shù)控編程中的有關要求即現(xiàn)在的“特征造型問題”這些技術，我國CAD研究開發(fā)者也都知道，但都沒有引起注意。而國外的CAD后起之秀PTC公司抓住了用戶需求的時機，快速推出了參數(shù)化特征造型CAD系統(tǒng)——Pro/Engineer，一舉占領了國際市場，至今仍在國際年銷售額方面名列第一。

　　 4、我國CAD軟件的開發(fā)缺乏理論研究和算法的研究

　　 CAD技術是一項綜合性的高新技術，涉及面廣而復雜，技術變化快，競爭激烈。就建模技術而言會涉及很多模型建立的理論和算法，這些都是為解決用戶需求而研究開發(fā)的，每種理論和算法用于CAD系統(tǒng)中，會產生新的CAD軟件。如有名的CSG、B-rep、NURBS等等。而我國CAD軟件開發(fā)者缺乏這方面的研究，多年來也未見過有名的理論和算法用于CAD中。只能引用別人的，當然也只能跟在人家的后面走。

　　 5、信息集成技術落后

　　 信息技術的廣泛集成是以產品數(shù)據(jù)管理（PDM）和過程管理（PM）為基礎，實現(xiàn)CAD/CAPP/CAM和ERP的有機集成，在并行工程中PDM也是重要的基礎。而我國在這方面的研究僅僅開始，至今也沒有一個在國內市場上成熟的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）。因此，這類基礎性軟件也被國外的系統(tǒng)占領了市場，我們的CAD/CAPP/CAM集成技術又建立在國外基礎系統(tǒng)上。

　　 6、CAD中的數(shù)據(jù)交換格式和標準化落后

　　 在CAD技術的標準化方面，我國由于技術落后，資金投入不足，對此重視不夠，至今未提出一個有關CAD方面的標準，完全是采用國際標準，有的已用作國家標準，如IGES、STEP等，另外由于種種因素也跟不上國際標準的更新和發(fā)展，因此造成國內CAD軟件系統(tǒng)在數(shù)據(jù)交換、標準化等方面存在不少問題。


　　 CAD未來動向

　　 CAD技術的發(fā)展一直是跟著實際應用的需求而發(fā)展的，隨著CAD技術的廣泛應用，新的需求又不斷出現(xiàn)。

　　 1、模型理論的研究：由于傳統(tǒng)的幾何模型、特征模型已不能滿足現(xiàn)代制造技術的要求。從而提出了面向產品生命周期的關系型產品模型的概念。這一概念的提出，是為了解決信息在設計、制造和檢驗及裝配等環(huán)節(jié)的共享問題，完整地描述產品在概念設計——裝配設計——零件設計全過程中的各種屬性和相互關系，實現(xiàn)產品生命周期中的內部描述信息和外部過程信息的集成。在產品模型的研究上，當前拉出的非流形模型的研究就是一個典型，目前我國也在研究非流形模型用于CAD系統(tǒng)中。另外，基于STEP的CAD技術的研究也是為了建立較好的產品模型。

　　 2、自頂向下的設計技術：目前流行的CAD系統(tǒng)只能支持自下而上的設計方法，即先設計零件然后搭積木式地進行裝配設計。而新的設計需求要求CAD系統(tǒng)還要支持自頂向下（Top-down）的設計方法，并且也可混合使用這兩種設計方法。

　　3、客戶機/服務器及網絡環(huán)境下的CAD技術：隨著客戶機/服務器系統(tǒng)在企業(yè)的應用，企業(yè)大都建立了網絡環(huán)境。因此，單機的CAD系統(tǒng)已不適合，網絡環(huán)境下的CAD系統(tǒng)已成為普遍的要求。

　　 4、多媒體系統(tǒng)CAD技術的研究應用。

　　 5、并行環(huán)境下的CAD技術的研究應用：在并行環(huán)境下的CAD系統(tǒng)要求全關聯(lián)的關系模型，包括各種隱含在模型中的設計關系和設計約束。

　　6、集成化技術的研究：要實現(xiàn)設計、制造到管理，產品生命周期的全過程的無縫集成，都是CAD技術研究的內容之一，其基礎是PDM以及靈活的外部接口，良好的開放性，功能增大的開發(fā)語言等。
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