CAD技術(shù)發(fā)展歷程、國內(nèi)外流行設(shè)計(jì)軟件及研究方向

李元杰 方達(dá)

【摘要】本文嘗試從CAD技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展入手，闡述了CAD的概念、構(gòu)成、功能和優(yōu)勢；流行的國內(nèi)外CAD設(shè)計(jì)軟件的特色；與現(xiàn)有CAD主流技術(shù)相結(jié)合，對當(dāng)前CAD技術(shù)主題進(jìn)行探討。展望未來CAD研究發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】CAD技術(shù)；機(jī)械制圖；國內(nèi)外設(shè)計(jì)軟件；二維與三維

中圖分類號：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號1006-0278（2015）07-147-02

一、CAD概念

CAD是Computer Aided Design的簡稱，中文名是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。是指運(yùn)用電腦軟件模擬實(shí)物設(shè)計(jì)并進(jìn)行計(jì)算分析、圖形繪制、二維或三維建模、模擬試驗(yàn)、最終生成設(shè)計(jì)成品等功能。1973年，國際信息處理聯(lián)合會(huì)給CAD下了一個(gè)更為準(zhǔn)確的定義：“CAD是將機(jī)器與人混編在解題專業(yè)中并使人和機(jī)器最好的特征相結(jié)合的一種技術(shù)?！?/p>

隨著電腦計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，裝備更新日新月異，作為軟件的CAD技術(shù)得到長足并且訓(xùn)猛的發(fā)展。CAD技術(shù)從一種替代傳統(tǒng)手工制圖的工具成為了突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種變革或者創(chuàng)新。

1950年左右，CAD技術(shù)誕生。第一個(gè)版本所處的階段被定義為被動(dòng)式圖形處理階段，該階段為之后的發(fā)展打下基礎(chǔ)。1960年初，科學(xué)家們提出了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、交互技術(shù)等新思想，理論基礎(chǔ)則在此階段發(fā)展和應(yīng)用。60年中期則已開始有商品化的CAD軟件與設(shè)備。1970年美國Applicon公司首先推出整套CAD系統(tǒng)，該成果意味著CAD技術(shù)已經(jīng)到了廣泛使用階段。80年代，CAD技術(shù)進(jìn)入全面拓展階段， CAD圖形系統(tǒng)的銷量逐日遞增， CAD技術(shù)開始從發(fā)達(dá)國家向發(fā)展中國家延伸，從大中企業(yè)向小企業(yè)延伸，從用于傳統(tǒng)的工件設(shè)計(jì)發(fā)展到用于工藝以及流程設(shè)計(jì)。時(shí)代發(fā)展到90年代，CAD技術(shù)開始向著集成化、標(biāo)準(zhǔn)化、開放化、和智能化方向進(jìn)一步發(fā)展。

二、國內(nèi)外流行的CAD設(shè)計(jì)軟件的特點(diǎn)

（一）國外軟件

1.AutoCAD。AUTOCAD是美國Autodesk公司推出的一款通用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的軟件。由于它具有的強(qiáng)大功能，操作簡單，兼容性好，在二維繪圖，文件管理和三維設(shè)計(jì)等諸多方面?zhèn)涫茉O(shè)計(jì)者的青睞。AUTOCAD是傳統(tǒng)的手工繪圖無法相比的高效繪圖工具。它能根據(jù)用戶鍵入的指令準(zhǔn)確而快速地繪制出用戶所需求的圖形，具有無需二次繪制，能夠批量修改圖形并且易于修正錯(cuò)誤等特點(diǎn)，并能最終批量輸出準(zhǔn)確清晰的圖紙。

2.ProE/Engineer。ProE是軟件Pro/Engineer的簡稱。是美國參數(shù)技術(shù)公司（Parametric Technology Corporation，簡稱PTC）的核心產(chǎn)品。這是一款集CAE/CAM /CAD功能于一體的綜合性三維軟件，在當(dāng)今的三維造型軟件領(lǐng)域中占有其一席之地。PTC公司所提出的新型概念例如參數(shù)化、運(yùn)用單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關(guān)性問題，模塊化等。顛覆了機(jī)械行業(yè)的傳統(tǒng)觀念。這種全新的概念已成為相關(guān)領(lǐng)域的行業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)了。

3. Unigraphics （UG）。UG是軟件Unigraphics NX的縮寫，來自SiemensPLM公司的交互式CAD/CAM系統(tǒng)是軟件UG的“頭銜”，它首先工作在工作站上，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及用戶數(shù)目的快速增長，于是移植到PC，并且銷量取得了爆炸性的增長。UG的功能可謂十分強(qiáng)大，它能夠輕松實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜造型及實(shí)體的架構(gòu)。數(shù)控加工編程、曲面造型、二維繪圖等功能完全不在話下。軟件UG擁有能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)合理的的變量化技術(shù)以及參數(shù)化技術(shù)和傳統(tǒng)的曲面功能、實(shí)體線框結(jié)合在一起的特色。

4.SolidWorks。SolidWorks為達(dá)索系統(tǒng)（Dassault SystemesS.A）下的子公司。而軟件SolidWorks是一款CAE/CAM/ CAD桌面集成系統(tǒng)。它是世界上第一個(gè)在匯總并繼承了各種主流機(jī)械CAD系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，基于Windows所開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)。軟件SolidWorks是面向各大工業(yè)的產(chǎn)品級機(jī)械設(shè)計(jì)工具。它采用非全約束的特征建模技術(shù)。其在設(shè)計(jì)過程中的全相關(guān)性，能夠在設(shè)計(jì)任何階段進(jìn)行改動(dòng)設(shè)計(jì)，并且能夠自動(dòng)改變相關(guān)部分的數(shù)據(jù)。

（二）國內(nèi)軟件

1.CAXA電子圖板。CAXA電子圖板是北京數(shù)碼大方科技股份有限公司推出的二維CAD產(chǎn)品。具有完全獨(dú)立自主知識產(chǎn)權(quán)，超過30萬的正版用戶，穩(wěn)定高效，兼容卓越。它對于裝配圖、零件圖、工藝圖表等各種圖紙流程均有輔助設(shè)計(jì)功能。幾乎滿足所有需要二維繪圖的地方，可以為生產(chǎn)方便地準(zhǔn)備數(shù)據(jù)；并能夠迅速地與各種管理軟件交叉。方便設(shè)計(jì)人員，使他們可以把精力集中在設(shè)計(jì)構(gòu)想上。

2.開目CAD。開目CAD是武漢開目信息技術(shù)有限責(zé)任公司開發(fā)的CAD的一種純二維平面CAD和圖紙管理軟件。是比較容易上手的CAD軟件。它的繪圖方式主要來自于手工繪圖的習(xí)慣，吸收部分Autodesk公司的AutoCAD的特點(diǎn)，繪圖思路。它的操作相對簡潔，制圖效率比AutoCAD要高得多。它同時(shí)支持多種幾何約束以及多視圖的同時(shí)驅(qū)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)局部參數(shù)化，來處理設(shè)計(jì)中的過約束或者欠約束等情況。

3.凱思PICAD。PICAD是北京凱思軟件公司的自主CAD產(chǎn)品。作為國內(nèi)商品化最早的具有自主版權(quán)的二維CAD支撐平臺，為國產(chǎn)CAD開創(chuàng)了新紀(jì)元。PICAD作為首批通過中國信息產(chǎn)業(yè)部審核并獲準(zhǔn)登記的CAD產(chǎn)品，同時(shí)也是唯一獲得中國軟件行業(yè)協(xié)會(huì)“中國優(yōu)秀軟件產(chǎn)品”稱號的機(jī)械CAD類軟件，在汽車、機(jī)床、通用機(jī)械等各行各業(yè)被廣泛采用。它具有繪圖智能化、局部圖形參數(shù)化以及適用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

三、當(dāng)前CAD技術(shù)的研究方向

現(xiàn)今采用的主流CAD技術(shù)，像特征造型、圖形交互、參數(shù)化設(shè)計(jì)等，都是技術(shù)研究的成果，在這些相對成熟的技術(shù)上確立研究方向，為明天的CAD系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

（一）研究方向一：二維與三維之間的相互轉(zhuǎn)換

在設(shè)計(jì)界仍有相當(dāng)比例的工程師在整個(gè)設(shè)計(jì)流程中并沒有使用各路的CAD軟件，紙、筆、尺子依然是他們的標(biāo)準(zhǔn)配置。而在使用CAD的工程師中，相當(dāng)比例的人卻在使用二維CAD。為何三維CAD不太受待見呢？以一下三點(diǎn)原因可見一斑：

1.三維CAD遠(yuǎn)比二維CAD復(fù)雜；

2.已經(jīng)習(xí)慣二維設(shè)計(jì)的CAD用戶對于三維的設(shè)計(jì)不能很好的把握；

3.用戶已有的二維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在三維系統(tǒng)中得到支持困難；

所以，CAD公司應(yīng)該著眼于二維CAD用戶，幫助他們自然簡潔地轉(zhuǎn)移到三維CAD設(shè)計(jì)環(huán)境中去。為此CAD公司需要為三維系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)類似二維設(shè)計(jì)環(huán)境的用戶界面；此外，三維CAD軟件需要設(shè)計(jì)一種更加用戶友好的工作界面，并在此基礎(chǔ)上為那些早已習(xí)慣二維設(shè)計(jì)的用戶提供更好的三維設(shè)計(jì)技術(shù)與知識的支持，從而幫助用戶更好的從二維設(shè)計(jì)（如二維繪圖和草圖）轉(zhuǎn)向三維設(shè)計(jì)。

（二）研究方向二：CAD幾何造型技術(shù)的擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域

美國Purdue大學(xué)的Hoffmann教授在ACM/Solid Modeling 2001所做的大會(huì)演講中，對未來10年CAD技術(shù)的發(fā)展做出了他自己的預(yù)測。他認(rèn)為CAD技術(shù)將會(huì)延伸到各行各業(yè)，像建筑、醫(yī)學(xué)、游戲、地理……CAD幾何造型技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中都有所涉及，但這并不是發(fā)展的最終目標(biāo)，應(yīng)該對其對應(yīng)的行業(yè)相對應(yīng)的拓展廣度，發(fā)掘深度。誠然，不同的領(lǐng)域所要面對問題側(cè)重點(diǎn)不盡相同。全盤照搬的話以現(xiàn)有的技術(shù)較難成功。但是CAD幾何造型的核心技術(shù)必定能夠與這些領(lǐng)域結(jié)合，這些領(lǐng)域內(nèi)的特定問題都能——被攻破。

（三）研究方向三：CAD、CPC與互聯(lián)網(wǎng)

在現(xiàn)在這種信息大爆炸時(shí)代，人們能夠運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)方便快捷的獲取所需的知識技術(shù)地或者與別的行業(yè)人士進(jìn)行交流?；ヂ?lián)網(wǎng)的出現(xiàn)給設(shè)計(jì)，制造業(yè)等各行各業(yè)帶來了新的沖擊：設(shè)計(jì)師、工程師、制造商、供應(yīng)商、技術(shù)人員以及消費(fèi)者和管理人員之間，通過互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)隨地能夠進(jìn)行溝通與交流。

為滿足日益增長的用戶需求，各大CAD公司都已開始針對此種聯(lián)網(wǎng)協(xié)同開發(fā)出了協(xié)同設(shè)計(jì)（CPC）技術(shù)，該技術(shù)的出現(xiàn)能夠使CAD軟件不再僅僅只是一個(gè)軟件。同時(shí)也使得CAD在整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造過程中所扮演的角色發(fā)生了翻天覆地的變化——從功能單一的輔助設(shè)計(jì)工具已升格為整個(gè)產(chǎn)品在生產(chǎn)各個(gè)階段的協(xié)同部分。

為實(shí)現(xiàn)CPC在各個(gè)不同的設(shè)計(jì)工具之間的協(xié)同，則需要有一個(gè)很強(qiáng)兼容能力的軟件來匯總處理各個(gè)部門的數(shù)據(jù)，并把它們整合一起，并且完成相關(guān)計(jì)算，這樣才能完成協(xié)同設(shè)計(jì)。

另外一個(gè)值得注意的是資料管理需要與CAD軟件結(jié)合在一起，這樣才能更好的使協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)與互聯(lián)網(wǎng)相互聯(lián)通，更好的設(shè)計(jì)新產(chǎn)品。

而為了充分利用互聯(lián)網(wǎng)，CAD公司還需要做到：

1.研究有效的三維數(shù)據(jù)共享技術(shù)：如安全性、傳輸速度、沖突解決等技術(shù)；

2.研究為需要三維數(shù)據(jù)的用戶提供完整并靈活的解決方案；

3.研究幾何壓縮方法以及高效的編碼技術(shù)，為能夠提供高質(zhì)量、高速度的傳輸大量的圖形數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)做出努力；

4.研究在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行高效、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)顯示。

四、結(jié)語

CAD技術(shù)在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用是非常廣泛的，給工程設(shè)計(jì)人員的工作帶來了巨大的便利。CAD技術(shù)正朝著開放化、集成化、智能化、協(xié)同化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。技術(shù)是不斷發(fā)展的，每一個(gè)工程設(shè)計(jì)者都應(yīng)該運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)，在各自的崗位發(fā)揮自己最佳的水平，為客戶提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)和優(yōu)良的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王利華，張振軍.CAD在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006（2）.

[2]葉修梓，彭維，何利力.從工業(yè)界的角度看CAD技術(shù)的研究主題與發(fā)展方向[Z].2003.

[3]鄧學(xué)雄，梁柯.現(xiàn)代CAD技術(shù)的發(fā)展特征[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造， 2001（3）.