淺談CAD技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

淺談CAD技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

汪永恒 遼寧省本溪市機(jī)電工程學(xué)校

【摘 要】隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）漸趨活躍。CAD是通過對數(shù)字和圖形的處理實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、造型及加工的軟件。CAD的應(yīng)用使產(chǎn)品的加工制造模式發(fā)生改變，推動了機(jī)械制造業(yè)、建筑業(yè)及其他行業(yè)的高速發(fā)展。本文將對CAD的應(yīng)用及發(fā)展做簡單介紹。

【關(guān)鍵詞】CAD技術(shù) 發(fā)展趨勢 應(yīng)用

【中圖分類號】TP391.72 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-4810（2015）27-0079-03

一 概述

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）是指利用計(jì)算機(jī)及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計(jì)人員完成產(chǎn)品或工程設(shè)計(jì)，有明顯的優(yōu)越性：設(shè)計(jì)效率提高，設(shè)計(jì)周期縮短，設(shè)計(jì)質(zhì)量提高。提高產(chǎn)品開發(fā)能力增強(qiáng)了企業(yè)的競爭能力。

CAD是一個將信息技術(shù)與應(yīng)用技術(shù)集成在一起的系統(tǒng)，涉及計(jì)算、圖形、數(shù)據(jù)管理、智能、網(wǎng)絡(luò)等各個方面，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化和規(guī)范化。

二 CAD技術(shù)的應(yīng)用

1.在制造業(yè)方面

CAD技術(shù)在機(jī)床、汽車、船舶、航天等各領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，貫穿于產(chǎn)品的方案決策、結(jié)構(gòu)、性能、功能一直到工藝設(shè)計(jì)的全部過程。它集計(jì)算、仿真、圖形處理、數(shù)據(jù)管理等技術(shù)于一體，把設(shè)計(jì)對象形象化具體化，對產(chǎn)品方案的選擇和可生產(chǎn)性、可持續(xù)性、可循環(huán)利用性等進(jìn)行全面設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明CAD與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)比較有明顯的優(yōu)越性，它使設(shè)計(jì)更可靠更迅速，有利于產(chǎn)品的系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、集成化、通用化?，F(xiàn)在常用的有UG II、I-DEAS、CATIA、PRO/E、Euclid等CAD應(yīng)用系統(tǒng)，這些系統(tǒng)主要運(yùn)行在圖形工作站平臺上。在PC平臺上運(yùn)行的CAD應(yīng)用軟件主要有Cimatron、Solidwork、MDT、SolidEdge等。由于各種因素，目前在二維CAD系統(tǒng)中，Autodesk公司的AutoCAD占據(jù)了相當(dāng)?shù)氖袌觥?/p>

2.在工程設(shè)計(jì)方面

CAD應(yīng)用在工程設(shè)計(jì)中要追溯到20世紀(jì)50年代，直到八九十年代才發(fā)展起來，出現(xiàn)了建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃及城市交通設(shè)計(jì)、市政管線設(shè)計(jì)等一系列工程設(shè)計(jì)軟件。它在方案設(shè)計(jì)、三維造型、平面設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、小區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)、室內(nèi)裝潢設(shè)計(jì)、框架計(jì)算及分析、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析、管道設(shè)計(jì)、交通工程、水利工程等很多領(lǐng)域擔(dān)當(dāng)重要角色。

在設(shè)計(jì)中CAD技術(shù)的圖形處理技術(shù)尤為重要。機(jī)械建筑等設(shè)計(jì)任務(wù)的結(jié)果要有直觀的零件圖、建筑圖、施工圖等，這些圖形都需要繪圖軟件來實(shí)現(xiàn)。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用以我國國家標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，一些研究機(jī)構(gòu)開發(fā)推出了INTECAD、CTMCAD和ABP、HOUSE等軟件，現(xiàn)在又有看圖、家裝、三維等軟件相繼出現(xiàn)且功能日趨完善，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化和通用化。

3.在電氣和電子電路方面

CAD技術(shù)最早曾用于電路原理圖和布線圖的設(shè)計(jì)工作。目前，CAD技術(shù)已擴(kuò)展到印刷電路板的設(shè)計(jì)，并在集成電路、大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路的設(shè)計(jì)制造中大顯身手，由此大大推動了微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。

4.在仿真模擬和動畫制作方面

CAD技術(shù)可以真實(shí)地模擬飛機(jī)起降、船舶進(jìn)出港口、物體受力破壞分析、飛行訓(xùn)練環(huán)境、作戰(zhàn)方案系統(tǒng)、事發(fā)現(xiàn)場重現(xiàn)等。今天在文化娛樂界已大量利用計(jì)算機(jī)造型仿真出現(xiàn)實(shí)世界中沒有的生物、外星人以及各種科幻場景，并將逼真的動畫和實(shí)際場景以及演員的表演天衣無縫地合在一起，在電影制作技術(shù)中大放光彩。

5.在其他方面

CAD除了在以上方面的應(yīng)用外，在其他方面也應(yīng)用廣泛，覆蓋了紡織、服裝、家電、醫(yī)療、輕工、體育等各個行業(yè)。

三 CAD技術(shù)的發(fā)展

1.準(zhǔn)備和誕生時(shí)期（20世紀(jì)50年代至60年代）

1950年，美國麻省理工學(xué)院研制出WHIRLWIND 1（旋風(fēng)1）計(jì)算機(jī)的一個配件——圖形顯示器。1958年，美國Calcomp公司研制出由數(shù)字記錄儀發(fā)展成的滾筒式繪圖機(jī)，美國GerBer公司把數(shù)控機(jī)床發(fā)展成平板式繪圖機(jī)。20世紀(jì)50年代，計(jì)算機(jī)由電子管組成，用機(jī)器語言編程，主要用于科學(xué)計(jì)算，圖形設(shè)備僅僅具有輸出功能，CAD技術(shù)處于醞釀和準(zhǔn)備階段。20世紀(jì)50年代末，美國麻省理工學(xué)院在WHIRLWIND計(jì)算機(jī)上開發(fā)了SAGE戰(zhàn)術(shù)防空系統(tǒng)，第一次使用了具有指揮功能和控制功能的陰極射線管CRT（Cathode Ray Tube），操作者可以用光筆在屏幕上確定目標(biāo)。它預(yù)示著交互式圖形生成技術(shù)的誕生，為CAD技術(shù)的發(fā)展做了必要的準(zhǔn)備。

2.蓬勃發(fā)展和初步應(yīng)用時(shí)期（20世紀(jì)60年代）

20世紀(jì)60年代初，美國麻省理工學(xué)院的博士生Ivan Sutherland研制出世界上第一臺利用光筆的交互式圖形系統(tǒng)SKETCHPAD。但在20世紀(jì)60年代，由于計(jì)算機(jī)及圖形設(shè)備價(jià)格昂貴，技術(shù)復(fù)雜，只有一些實(shí)力雄厚的大公司才能使用這一技術(shù)。作為CAD技術(shù)的基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在這一時(shí)期得到了很快的發(fā)展。20世紀(jì)60年代中期出現(xiàn)了商品化的CAD設(shè)備，CAD技術(shù)開始進(jìn)入發(fā)展和應(yīng)用階段。

3.廣泛應(yīng)用時(shí)期（20世紀(jì)70年代）

20世紀(jì)70年代推出了以小型機(jī)為平臺的CAD系統(tǒng)。同時(shí)，圖形軟件和CAD應(yīng)用支撐軟件也不斷充實(shí)提高。圖形設(shè)備，如光柵掃描顯示器、圖形輸入板、繪圖儀等相繼推出和完善。于是，20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了面向中小企業(yè)的CAD商品化系統(tǒng)。

4.突飛猛進(jìn)時(shí)期（20世紀(jì)80年代）

20世紀(jì)80年代，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路、工作站和RISC（精簡指令集計(jì)算機(jī)）等的出現(xiàn)使CAD系統(tǒng)的性能大大提高。與此同時(shí)，圖形軟件更趨成熟，二維、三維圖形處理技術(shù)，真實(shí)感圖形技術(shù)以及有限元分析、優(yōu)化，模擬仿真，動態(tài)景觀，科學(xué)計(jì)算可視化等方面都已進(jìn)入實(shí)用階段，包括CAD/CAE/CAM一體化的綜合軟件包使CAD技術(shù)又上了一個層次。

目前CAD技術(shù)主要圍繞標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等幾個方面發(fā)展，前景廣闊。

第一，標(biāo)準(zhǔn)化。體現(xiàn)在數(shù)據(jù)模型的標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)交換格式標(biāo)準(zhǔn)化、CAD資源的規(guī)范化等。數(shù)據(jù)模型應(yīng)采用STEP標(biāo)準(zhǔn)體系，在此基礎(chǔ)上會有新的突破。CAD資源主要指各種標(biāo)準(zhǔn)符號庫等符合國家標(biāo)準(zhǔn)和各國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，是工程設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

第二，集成化。CAD技術(shù)并不是孤立的，它集成了計(jì)算機(jī)軟硬件、數(shù)據(jù)庫、外圍設(shè)備、圖形學(xué)、網(wǎng)絡(luò)等各領(lǐng)域的技術(shù)，又和CAM、CAPP、MIS、PDM等系統(tǒng)相集成成為企業(yè)一體化解決方案，推動企業(yè)信息化進(jìn)程。隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，如何構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)體系上的CAD/CAM集成化系統(tǒng)將會是人們追蹤的熱點(diǎn)。

第三，智能化。智能化設(shè)計(jì)是一個含有高度智能的人類創(chuàng)造性活動領(lǐng)域，是CAD發(fā)展的必然方向。智能CAD不僅要把現(xiàn)有CAD技術(shù)與智能技術(shù)相結(jié)合，更要深入地研究人類設(shè)計(jì)的思維模式并用信息技術(shù)模擬表達(dá)，將人工智能知識庫系統(tǒng)引進(jìn)CAD系統(tǒng)，使計(jì)算機(jī)在CAD系統(tǒng)中進(jìn)一步發(fā)揮“專家顧問”的作用而不是被動的“技術(shù)助手”。

第四，網(wǎng)絡(luò)化。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展改變了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)模式。網(wǎng)絡(luò)的CAD技術(shù)要求基于網(wǎng)絡(luò)的完善的協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境提供網(wǎng)絡(luò)的多種CAD應(yīng)用服務(wù)。

第五，三維CAD技術(shù)。隨著CAD應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，對其要求也越來越高。三維CAD具有可視化好、形象直觀、效率高和能為CIMS工程提供完善的設(shè)計(jì)、工藝、制造信息等優(yōu)勢，其取代傳統(tǒng)二維CAD成為發(fā)展的必然。三維CAD使零件設(shè)計(jì)更加方便，既可以在裝配環(huán)境中設(shè)計(jì)零件又可以利用相鄰件之間的位置、形狀來設(shè)計(jì)新零件，方便快捷的同時(shí)還可以避免裝配的失敗。零件造型過程可通過動畫演示一目了然，既縮短了設(shè)計(jì)周期提高了效率又保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，一舉多得。

5.CAD軟件技術(shù)從二維到三維的發(fā)展歷程

在機(jī)械行業(yè)中從20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的第一次CAD技術(shù)創(chuàng)新——曲面造型技術(shù)，到第二次CAD技術(shù)創(chuàng)新——實(shí)體造型技術(shù)，再到第三次CAD技術(shù)創(chuàng)新——參數(shù)化技術(shù)和第四次CAD技術(shù)創(chuàng)新——變量化技術(shù)。變量化技術(shù)既保持了參數(shù)化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了它的許多不足之處。變量化技術(shù)的成功應(yīng)用，為CAD技術(shù)的發(fā)展提供了更大的空間和機(jī)遇。在工程設(shè)計(jì)行業(yè)中從20世紀(jì)60年代末至70年代初的二維通用繪圖軟件，到20世紀(jì)70年代的二維建筑繪圖軟件，再到20世紀(jì)90年代的三維建筑模型軟件。在CAD輔助繪圖取得人們承認(rèn)和接受后，實(shí)現(xiàn)了向更高層次的飛躍，誕生了第二代CAD軟件——三維建筑模型軟件。三維建筑模型軟件的研制思路是讓建筑師在計(jì)算機(jī)上借助三維模型進(jìn)行設(shè)計(jì)構(gòu)思，把三維的建筑設(shè)計(jì)方案與二維的成圖過程串聯(lián)起來工作，以三維模型為核心控制全局，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)和優(yōu)勢，進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。

四 結(jié)束語

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國CAD/CAM技術(shù)有了很大提高并且被廣泛應(yīng)用到各個企業(yè)中。我國自己研究的CAD/CAM軟件也逐漸接近世界先進(jìn)水平。國家培養(yǎng)出很多優(yōu)秀的專業(yè)人才在CAD/CAM軟件開發(fā)方面做出了杰出的貢獻(xiàn)。但是目前我們國家的CAD軟件無論是產(chǎn)品開發(fā)水平還是商業(yè)化、市場化程度與一些發(fā)達(dá)國家還存在一定的差距，我國的CAD技術(shù)水平還處于向高技術(shù)集成和產(chǎn)業(yè)化、商品化過渡的時(shí)期，使用的大多是通用軟件，針對性的軟件較少。但是我們要清楚自己的優(yōu)勢所在：和國外軟件相比較我們更了解本國市場，提供技術(shù)支持更方便，價(jià)格更便宜。另外在政府的大力支持下，相信在CAD軟件開發(fā)領(lǐng)域會逐漸涌現(xiàn)出大批專業(yè)人才。在此基礎(chǔ)上我國的CAD技術(shù)產(chǎn)業(yè)一定會緊跟時(shí)代的腳步、順應(yīng)社會的發(fā)展、遵守國際規(guī)范、立足國內(nèi)、結(jié)合國情、面向我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需求開發(fā)出具有中國特色的CAD軟件。

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〔責(zé)任編輯：龐遠(yuǎn)燕〕