广义CAD技术发展历程的详细介绍

孙家广
摘自【计算机世界报】
计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，CAD）是用计算机系统协助产生、修改、分析和优化设计的技术。随着Internet/Intranet网络和并行、高性能计算及事务处理的普及，异地、协同、虚拟设计及实时仿真也得到了广泛应用。

----CAD作为信息技术的一个重要组成部分，将计算机高速、海量数据存储及处理和挖掘能力与人的综合分析及创造性思维能力结合起来，对加速工程和产品的开发、缩短设计制造周期、提高质量、降低成本、增强企业市场竞争能力与创新能力发挥着重要作用。无论是军事工业还是民用工业，无论是建筑行业还是制造加工业，无论是机械、电子、轻纺产品，还是文体、影视广告制作都离不开CAD技术。CAD技术是企业信息化的重要技术基础，也是企业进入国际市场的入场券。

----CAD，如果从美国麻省理工学院（MIT）旋风I号所配的图形系统算起，迄今已有50年；若以MIT林肯实验室的I.E.Sutherland发表的人机通信的图形系统博士论文为开始，也有36年的历史了。CAD技术经过近半个世纪的发展，在理论、技术、系统和应用等方面都有了长足的进步，下面就计算机辅助设计（CAD）、工艺规划（CAPP）、制造（CAM）、工程分析（CAE）以及产品数据管理（PDM）等方面的内容作一个简单回顾。

计算机辅助设计（CAD）
----1．用户接口

----用户是通过用户接口使用CAD系统的，早期的计算机使用字符式的用户接口（SUI），进入70年代，人们开始研究图形用户接口（GUI）。1984年，Apple公司开发的Macintosh使GUI演变成窗口系统，并成为PC机上的主流。进入90年代，随着网络、多媒体技术的广泛应用，网络用户接口（NUI）和多媒体用户接口（MUI）已成为CAD系统的主导界面。工作站CAD系统基本采用Motif作为其用户接口。

----2．图形标准

----70年代初，为降低CAD软件的成本，研究人员提出了研发与设备无关的图形软件。1974年，在美国国家标准化局（ANSI）举行的ACMSIGGRAPH——一个“与机器无关的图形技术”的工作会议上就提出了制定图形标准的问题，并于1977年提出了“核心图形系统”（CGS）标准文本。随后，ISO发布了计算机图形接口（CGI）、计算机图形元文件标准（CGM）、计算机图形核心系统（GKS）、程序员层次交互式图形系统PHIGS等国际标准文本。在产品数据交换方面，70年代末，美国CAM-I提出了初始化图形标准IGES、产品数据定义接口PDDI、产品数据交换规范PDES。90年代，ISO批准了将产品模型数据交换标准STEP作为国际标准。STEP的应用对CAD相应单元技术及系统的集成起到了积极作用。

----3．工程绘图

----计算机辅助绘制工程图纸是CAD应用最早、最成功的领域。从70年代中期开始，这一技术就经历了以下几个阶段：

----被动绘图用计算机解释执行绘图指令，在绘图仪上输出相应的图纸；

----交互绘图用户用交互工具反复修改显示屏幕上的图形，直到满意为止，最后成功地输出相应的工程图纸；

----参数化绘图用户不必输入图纸上的图形元素（如直线、圆虎字符、标注等），而是输入设计零部件的参数，由CAD系统自动地输出相应零部件的工程图纸；

----智能绘图在参数化绘图的基础上把工程绘图的相应规则和规定做成知识规则库，在相应专家系统的引导下，可以拟人化地自动输出某些专业工程图纸或产品、工程设计方案图。

----针对企业内旧图纸输入计算机的问题，90年代时，国内外不少单位进行了工程图纸扫描输入和自动识别重建技术与系统的研究开发，但由于识别和重构理论还没有真正突破，相应的系统还在试用中。

----4．数字建模

----(1)线框、曲面建模

----数字建模是用计算机表示实际的或假想的形体和景物的技术，是CAD的基础和核心，涉及到线框、曲面、实体和特征建模。由于用计算机处理几何信息存在表示误差和计算误差，使这个在CAD中相对古老又复杂的领域，至今仍有许多尚未解决的难题。从1963年佛格森（Ferguson）将曲线曲面表示成参数矢量函数形式开始，线框、曲面建模经历了如下发展阶段：

----1963年佛格森（Ferguson）将曲线曲面表示成参数矢量函数形式；

----1964年孔斯（Coons）用封闭曲线的四条边界定义一块曲面；

----1971年贝塞尔（Bezier）发表了一种用控制多边形定义曲线和曲面的方法；

----1972年德布尔（DeBoor）给出了B样条的标准计算方法；

----1974年戈登（Gordon）和里森费尔德（Riesenfeld）将B样条理论用于形状描述，提出了B样条曲线、曲面；

----1975年佛斯普里尔（Versprill）在其博士论文中提出了有理B样条方法；

----20世纪80年代后期皮格尔（Piegl）和蒂勒（Tiller）将有理B样条发展成非均匀有理B样条（NURBS）方法，并成为当前自由曲线和曲面描述的最广为流行的技术。用NURBS可统一表示初等解析曲线和曲面以及有理与非有理Bezier、非有理B样条曲线和曲面。

----(2)实体建模

----由于线框和曲面建模不能表示出形体内部的状况，不能支持形体的优化设计等应用，60年代末，美国和英国都分别进行了实体造型技术与系统的研发。美国罗切斯特大学1972年开始PADL实体造型系统的研究，并于1976年和1982年分别推出PADL1版及PADL2版；英国ShapeData公司也在70年代初推出了Romulus实体造型系统。80年代，国际上实体造型系统有十几种，但迄今仍有影响的是：Pro/Engineer、CATIA、IDEAS、Parasolid和ACIS，其中Parasolid和ACIS作为实体造型的内核已支持许多最终用户在其上开发出适合不同应用目的的商业版实体造型系统，如SolidEdge、Solidwork、MDT等。实体造型常用的表示形式有构造的实体几何（CSG）表示、边界表示（BRep）和扫描表示，其中最关键的运算有形体的求交运算、集合运算和欧拉操作。

----(3)特征建模

----特征建模又称为特征造型。特征造型是建立形体的产品信息模型，以支持设计和制造全过程，实现CAD/CAM集成的一种新兴造型技术。形体的产品信息模型包括几何拓扑信息和非几何信息，如形状、公差、材料、制造过程的工艺规则以及相应的成本等。特征是对产品的一组特定属性的描写，它们反映了一个实际零件或部件的特定几何形状和特定加工要求，为设计人员和其他系统提供了更高层次的设计概念与手段。

----特征造型技术是80年代末兴起的。两方面的因素导致了它的出现与应用。一方面，传统的实体造型技术是建立在几何表示和操作之上的，低层次的、无应用含义的几何操作与设计人员高层次的设计要领产生了矛盾；另一方面，近10年间，CIMS技术得到了长足发展，这就要求传统的造型系统除了满足自身信息的完备性之外，还必须为其他系统，包括CAPP、CAM等提供反映设计人员意图的非几何信息，如公差、材料等。

----为了适应计算机动画制作，以及直接反映物体运动和变化规律，基于物理定律的建模技术与系统近10年来有了长足的发展。用于表示像山峦、树木、草丛、云雾等不规则形体的造型技术与系统，如分数维造型、基于文法的造型和粒子系统，从80年代开始研究，现在已达到实用水平。

----5．参数化设计

----在新产品的研制过程中，约70％～80％的成本耗费于设计阶段。因此，如何开发和研究先进的设计方法与工具，以提高产品设计的效率就显得至关重要。人工智能学研究认为，设计问题是约束满足问题（ConstraintSatisfactionProblem，CSP），即给定功能、结构、材料及制造等方面的约束描述，求得设计对象的细节。

----参数化设计的关键是几何约束关系的提取和表达、几何约束的求解以及参数化几何模型的构造。70年代末及80年代初，英国剑桥大学的R.C.Hillyard和美国MIT大学的D.C.Gossard等率先将参数化设计用于CAD中；1985年，美国PTC公司首先推出参数化CAD系统Pro/Engineer。目前，二维参数化设计技术已发展得较为成熟，在参数化绘图方面已得到了广泛应用。而三维参数化造型能处理的问题还比较简单，能处理的面类型主要是轴线、平面和轴对称面，能处理的约束类型还很有限。

----在参数化设计中，几何约束关系的表示形式主要有：由算术运算符、逻辑比较运算符和标准数学函数组成的等式或不等式关系；曲线关系；关系文件；面向人工智能的知识表达方式。

----6．图形显示

----为了真实表示用CAD技术生成的产品和工程的数字模型，真实感图形显示技术也是CAD中的重要内容，其主要包括光照明模型、绘制算法、加速算法等内容。

----图形显示早期采用的是简单局部光照明模型。Lambert余弦定律总结了一个理想漫反射物在点光照射下的漫反射光照明模型，并根据这一模型提出了用多边形各顶点光亮度作双线性插值的明暗处理模型（1971年）、镜面反射的经验模型和单一光源下的Phong光照明模型（1973年）、局部光照明模型和整体光照模型（1981年），提高了计算机生成图形的真实性。

----真实感图形绘制方法最早是1974年由Catmull提出的Z缓存器隐藏面消除算法，随后，提出了基于扫描线的双参数多项式绘制算法、递归的光线跟踪算法和相应的整体光照模型。70年代中期，Catmull首先采用纹理映射技术生成景物表面的纹理细节，根据纹理定义域的不同，可分为二维纹理和三维纹理；基于纹理的表现形式，又可分为颜色纹理、几何纹理和过程纹理。1984年，美国Cornell大学的学者将热辐射工程中的辐射度方法引入CAD中，产生了真实图形生成的辐射度算法。80年代中期，为了适应显示多维数据场的需要，科学计算可视化的研究和应用在医学、有限元分析等领域发展迅速。随着三维真实感图形实时显示和多媒体技术的发展，模拟用户身临其境的虚拟现实或临境环境也在90年代有了显著的进步和发展，并促进了虚拟设计、虚拟制造和虚拟企业工作的开展。

计算机辅助工艺规划（CAPP）
----工艺规划是连接产品设计和产品制造的桥梁，对产品质量和制造成本有着重要的影响。

----世界上最早研究CAPP的国家是挪威，始于1966年，并于1969年正式推出世界上第一个CAPP系统AutoPros，后于1973年正式推出商品化AutoPros系统。美国是60年代末开始研究CAPP的，并于1976年由CAM-I公司推出颇具影响力的CAP-I’sAutomatedProcessPlanning系统。

----从60年代末至今的30年间，先后出现了在设计方式上不同的两类系统，即：

----派生式（Variant）系统已从单纯的检索式发展成为今天具有不同程度的修改、编辑和自动筛选功能的系统，融合了部分创成式的原则和方法。

----创成式（Generative）系统其研究与开发始于70年代中期，而且很快得到普遍重视，被认为是有前途的方法，但实践结果并不理想。

----近年来，这两类系统都在发展中不断改进、提高和互相渗透，从80年代开始，人们探索将人工智能（AI）、专家系统技术等应用于CAPP系统的研究和开发，研制成功了基于知识的（Knowledge-based）创成式CAPP系统或CAPP专家系统。近几年来，有人将人工神经元网络技术、模糊推理以及基于实例的推理等用于CAPP之中，也有人提出了CAPP系统构造工具的思路，并进行了卓有成效的实践。还有人将传统派生法、传统创成法与人工智能结合在一起，综合它们的优点，构造了混合式CAPP系统。现在国内外已有许多上述各类系统的实例，一般是针对某个企业、某类零件的专用CAPP系统，但迄今为止，已得到实际生产考验和令人满意的商品化系统还不多。我国对CAPP的研究始于80年代初，也有几个系统在企业中应用。

计算机辅助制造（CAM）
----CAM中最核心的技术是数控技术。通常零件结构采用空间直角坐标系中的点、线、面的数字量表示，CAM就是用数控机床按数字量控制刀具运动，完成零件加工。数控加工主要分程序编制和加工过程两个步骤。程序编制是根据图纸或CAD信息，按照数控机床控制系统的要求，确定加工指令，完成零件数控程序编制；加工过程是将得到的数控程序传输给数控机床，控制机床各坐标的伺服系统，驱动机床，使刀具和工件严格按执行程序的规定相对运动，加工出符合要求的零件。40年代末，美国开始研究数控加工技术，并于1952年生产出第一台数控机床，1957年，第一批数控机床投入使用。我国1958年研制成功第一台配有电子管数控系统的数控机床，1965年开始成批生产晶体管数控系统的三坐标数控铣床。90年代时，国内外已有数万种技术先进、基于PC的三坐标至六坐标数控机床，并在生产中得到广泛应用。

计算机辅助工程分析（CAE）
----CAE主要是实现结构分析和结构优化。虽然CAE的方法有多种，但应用最广泛、最成熟的是有限元分析，又称有限单元法，其基本思想的提出可追溯到1943年，Courant第一次应用定义在三角区域上的分片连续函数和最小位能原理来求解St.Venant扭转问题。现代有限单元法的第一个成功的尝试是在1956年，Turner、Clough等人在分析飞机结构时，将钢架位移法推广应用于弹性力学平面问题，给出了用三角形单元求得平面应力问题的正确答案。1960年，Clough进一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了“有限单元法”，使人们认识到它的功效。60年代后，特别是随着计算机的发展和广泛应用，有限元分析在结构力学、弹性力学、流体力学、热力学、电磁学、航天航空、土建、水利、材料等工程设计和工程分析领域越来越成为一种不可缺少的有效的计算和分析方法。

----有限单元法的基本思想是将物体（即连续的求解域）离散成有限个简单单元的组合，用这些单元的集合来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题。物体被离散后，通过对其中各个单元进行单元分析，最终得到对整个物体的分析结构。随着单元数目的增加，解的近似程度将不断增大。有限元分析过程主要包括三个阶段：

----前处理阶段首先建立有限元模型，完成数据的输入，对模型进行离散顶点节点数据工作。网格剖分是该阶段的关键步骤。

----有限元分析过程通过对各单元进行单元分析，最终得到对所有单元的整体分析。该阶段主要是通过求解线性方程组得到计算结果。

----后处理阶段用各种方式将分析结果显示出来并进行评估。该过程通过直观的、图形的、矢量的和动态的显示让人们对数据量极大的分析结构有直观的认识。

产品数据管理（PDM）
----CAD技术的普及，使企业中存在的产品设计制造数据信息共享程度低、传递速度慢、业务管理落后、设计方式陈旧、支撑技术不配套和应用集成系统效率不高的矛盾越来越突出。80年代初，制造企业为解决上述矛盾开发了不少自用的PDM系统，到80年代后期，许多专业公司择优将其演变成PDM产品。90年代时，美国部分制造企业开始采用PDM进行管理。

----我国90年代中期开始研发PDM系统，由于吸收了国外PDM发展的经验教训，因此，起点较高。目前，“863”计划支持的基于CORBA/Web的PDM系统与国际上先进的PDM系统的差距不到5年。PDM是集成并管理与产品有关的信息、过程及其人与组织的技术，其应用分为企业图档电子化管理、部门级数据管理、企业级数据管理和企业间数据管理四个层次。PDM通过权限管理、工作流管理、项目管理和配置与变更管理等，实现在正确的时间、把正确的信息、以正确的形式、传送给正确的人、完成正确的任务，最终达到数据共享、人员协同、过程优化和增效减员的目的。PDM作为一个管理系统，需要针对企业的特殊需求来定制和实施，为此，企业模型的建立、实施规范的制定是加速PDM推广应用的关键因素。

----近30年来，软件发展经过了四次浪潮。70年代，批处理计算风迷全球，80年代，联机处理计算独占风骚，90年代，基于客户/服务器的处理计算模式盛行一时，90年代后期以Internet、Java和分布式构件技术驱动的网络计算正以不可阻挡之势迅速普及到各个领域，形成了软件发展的第四次浪潮。在第四次浪潮下，主机终端形式、台式计算形式、客户/服务器形式和网络计算形式将共存、共融、共同发展。在第四浪潮的冲击下，异地、异构、协同、虚拟CAD技术的发展和应用将会更加普及、更加高效。