CAD技術(shù)的歷史-現(xiàn)狀與未來

1、大學現(xiàn)代遠程教育土木工程CAD課程論文CAD技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀與未來學 號： 姓 名： 王智勇完成時間： 2014年9月10日CAD技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀與未來摘要：本文主要簡述CAD技術(shù)發(fā)展的歷史，應用現(xiàn)狀以及未來發(fā)展的趨勢，分析其在開當今社會產(chǎn)業(yè)中的應用和存在的問題、發(fā)展方向及趨勢。關(guān)鍵詞：歷史，現(xiàn)狀，趨勢，社會產(chǎn)業(yè)，問題，發(fā)展方向。Abstract： This paper briefly describes the history of the development of CAD technology, application status and future development tre

2、nd, analyze its application in todays society industry and the existing problems and development direction and trend.Key word：History, Present situation, Trend, Social industry, Problem, Development direction一、CAD的基本情況介紹CAD即計算機輔助設計(CAD-Computer Aided Design) 利用計算機及其圖形設備幫助設計人員進行設計工作。在工程和產(chǎn)品設計中，計算機可以幫助

3、設計人員擔負計算、信息存儲和制圖等項工作。它是綜合了計算機科學與工程設計方法的最新發(fā)展而形成的一門新興學科。計算機輔助設計技術(shù)的水平成了衡量一個國家工業(yè)技術(shù)水平的重要標志。CAD的系統(tǒng)組成：通常以具有圖形功能的交互計算機系統(tǒng)為基礎，主要設備有：計算機主機，圖形顯示終端，圖形輸入板，繪圖儀，掃描儀，打印機，磁帶機，以及各類軟件。CAD的功能主要包括系統(tǒng)功能和基本功能，A.系統(tǒng)功能：(1)設計組件重用；(2)簡易的設計修改和版本控制功能；(3)設計的標準組件的自動產(chǎn)生；(4)設計是否滿足要求和實際規(guī)則的檢驗；(5)無需建立物理原型的設計模擬；(6)裝配件(一堆零件或者其它裝配件)的自動設計；(7)

4、工程文檔的輸出，例如制造圖紙，材料明細表；(8)設計到生產(chǎn)設備的直接輸出；(9)到快速原型或快速制造工業(yè)原型的機器的直接輸出；B.基本功能：(1)編輯圖形;(2)標注尺寸;(3)書寫文字;(4)圖層管理功能;(5)三維繪圖;(6)網(wǎng)絡功能;(7)數(shù)據(jù)交換;二、CAD 技術(shù)的發(fā)展歷程1、準備和誕生時期（20世紀50年代-60年代） 1950年，美國麻省理工學院研制出 WHIRLWIND1（旋風 1）計算機的一個配件-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，美國GerBer公司把數(shù)控機床發(fā)展成平板式繪圖機。20世紀50年代，計算機由電子管組成，用機器

5、語言編程，主要用于科學計算，圖形設備僅僅具有輸出功能，CAD技術(shù)處于醞釀和準備階段。20世紀50年代末，美國麻省理工學院在WHIRLWIND計算機上開發(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。它預示著交互式圖形生成技術(shù)的誕生，為 CAD 技術(shù)的發(fā)展作了必要的準備。2、蓬勃發(fā)展和進入應用時期（20世紀60年代） 20 世紀60年代初，美國麻省理工學院的博士生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60年代，由于計算機及圖形

6、設備價格昂貴，技術(shù)復雜，只有一些實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，計算機圖形學在這一時期得到了很快的發(fā)展。20世紀60年代中期出現(xiàn)了商品化的CAD設備，CAD技術(shù)開始進入了發(fā)展和應用階段。3、廣泛應用時期（20世紀70年代） 20 世紀70年代推出了以小型機為平臺的CAD系統(tǒng)。同時，圖形軟件和CAD應用支撐軟件也不斷充實提高。圖形設備，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、突飛猛進時期（20世紀80年代） 20世紀80年代，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路、工作站和RISC（精簡指令集計算機）等的出現(xiàn)

7、使CAD系統(tǒng)的性能大大提高了一步。與此同時，圖形軟件更趨成熟，二維、三維圖形處理技術(shù)，真實感圖形技術(shù)以及有限元分析，優(yōu)化，模擬仿真，動態(tài)景觀，科學計算可視化等方面都已進入實用階段。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。 5、日趨成熟的時期（20世紀90年代） 這一時期的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面：CAD標準化體系進一步完善；系統(tǒng)智能化成為又一個技術(shù)熱點；集成化成為CAD技術(shù)發(fā)展的一大趨勢；科學計算可視化、虛擬設計、虛擬制造技術(shù)是 20世紀90年代CAD技術(shù)發(fā)展的新趨向。三、CAD技術(shù)的應用1、CAD技術(shù)在制造業(yè)中的應用CAD技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于制造業(yè)的各個領(lǐng)域。

8、其中，以機床、汽車、飛機、船舶、航天器等應用最為廣泛。一個產(chǎn)品的設計過程要經(jīng)過概念設計、詳細設計、結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化、仿真模擬等幾個階段。概念設計主要解決產(chǎn)品的造型外觀，在滿足功能的前提條件下，使產(chǎn)品外觀精致美觀。在現(xiàn)代化設計過程中還需要考慮的因素很多，如要考慮機械產(chǎn)品對環(huán)境影響，考慮產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)、材料及實現(xiàn)主要功能的機構(gòu)；詳細設計是要確定產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，各個零部件的結(jié)構(gòu)設計，所以又稱為部件設計，包括各零件的尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)分析主要包括有限元分析，將對各部件及產(chǎn)品整體的結(jié)構(gòu)進行力學性能、熱學性能的分析：仿真模擬則主要是產(chǎn)品進行裝配模擬，運動機構(gòu)模擬，進行干涉、碰撞分析等等。CAD技術(shù) 可以說貫

9、穿于整個設計過程。從產(chǎn)品方案的選擇到整機的可生產(chǎn)性、可維持性、可循環(huán)利用性和環(huán)境的融化等進行全面設計。當前先進的CAD應用系統(tǒng)已經(jīng)將設計、繪圖、分析、仿真、加工等一系列功能集成于一個系統(tǒng)。2、CAD技術(shù)在工程設計中的應用早在二十世紀五十年代，CAD技術(shù)就應用于工程結(jié)構(gòu)分析計算。但真正用在建筑、結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域則是在二十世紀七十年代。到了二十世紀八十年代和九十年代已經(jīng)形成了建筑、結(jié)構(gòu)、水、電、暖設備等一系列工程設計軟件。比較流行的有ABD、HOUSE等。CAD在工程領(lǐng)域中的應用有以下幾個方面。建筑：方案設計、三維造型、建筑渲染圖即概念設計、平面布景、建筑構(gòu)造設計、小區(qū)規(guī)劃、日照分析、室裝潢、包括室分隔

10、、家具、環(huán)境裝修等：結(jié)構(gòu)：有限元分析、結(jié)構(gòu)平面設計、框和排架結(jié)構(gòu)計算和分析、高層結(jié)構(gòu)分析、地基的基礎設計，鋼結(jié)構(gòu)設計與加工；設備：水、電、暖各種設備及管道設計；市政管線：自來水、污水排放、煤氣、電力、暖氣、通信等：市政建筑：城市規(guī)劃、城市交通、道路高架輕軌、地鐵；交通工程：公路、橋梁、鐵路、航空、機場、港口、碼頭；水利工程：大壩、水渠、河海工程。房地產(chǎn)開發(fā)及物業(yè)管理、工程概預算、施工過控制與管理、風景、旅游景點設計與布置、智能大廈設計等。目前在工程CAD軟件中集建筑、結(jié)構(gòu)、水、電、暖設備于一體的集成化CAD軟件正在開發(fā)之中。此外，科學計算可視化以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)正應用于建筑抗震、抗風、抗災的分析

11、以及虛擬建筑、室漫游等現(xiàn)代化設計方法中。3、CAD技術(shù)在其他領(lǐng)域的應用CAD技術(shù)除了在制造業(yè)和工程設計領(lǐng)域中的應用外，在輕工、紡織、家電、服裝、制鞋、醫(yī)療和醫(yī)藥乃至文化娛樂和體育方面都會用到CAD技術(shù)。輕工中，輕工機械的設計、化妝、洗滌用品、盛器、三維造型、模具設計及包裝平面設計。各種小商品的造型設計；紡織行業(yè)中印花提花設計、服裝CAD及排料、裁剪：制鞋業(yè)中造型以及配合人體足部骨骼肌腱的人體工學設計：醫(yī)藥中的分子鍵結(jié)構(gòu)分析、醫(yī)療器械以及輔助醫(yī)療手術(shù)、家電產(chǎn)品的造型和模具技術(shù)，在文化娛樂上已大量利用計算機造型仿真的原始動物和外星人，并將動物畫和實際背景以及演員的表演天衣無縫地合在一起，在電影制作

12、技術(shù)上大放異彩，拍制出一部部激動人心的巨片。4、CAD技術(shù)在計算機繪圖技術(shù)中的應用計算機圖形處理技術(shù)足CAD的最要組成部分。機械、建筑等工程設計的任務最終要繪出零件圖或施工圖。繪圖任務必須由圖形軟件來完成。近期不少究機構(gòu)在AUTOCAD基礎上進行了二次開發(fā)。結(jié)合國機械和工程設計領(lǐng)域的應用，以我國國家標準為依據(jù)，增加了國標零部件庫、設計規(guī)、工程制圖標準。相繼 共推出了INTECAD和XTMCAD等機械CAD軟件以及ABP、HOUSE等建筑和結(jié)構(gòu)CAD軟件，并已形成了相當?shù)囊?guī)模。一個圖形軟件應包括基本圖素的生成，如點、線、曲線、多邊形、圓、圓柱體、球、曲面等；圖形編輯功能，如圖塊的生成、圖形平移、

13、旋轉(zhuǎn)、放大、縮小、修改、增刪等；符號及標注功能，如各種常用符號、文字巾心線、剖面線；尺寸如半徑、直徑、直線距離、倒角等標注：文件管理功能，包括文件的產(chǎn)生、存儲、刪除、建庫等。對于三維圖形還必須消隱、著色、陰影以及更高級的反走樣、真實感圖形、表面紋理生成等功能。四、CAD技術(shù)應用存在問題我國CAD系統(tǒng)的開發(fā)和應用取得了一些成績，國已初步形成了二維CAD商品化軟件市場，在建筑設計、管道設計、裝修工程設計、地理信息系統(tǒng)、機械制造等行業(yè)應用廣泛，并取得一些效益。但與國外相比差距仍然很大，主要表現(xiàn)在。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

14、統(tǒng)，但基本上都是二維繪圖軟件，開發(fā)者在技術(shù)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(chǎn)品設計理論和設計方法的研究，因此企業(yè)產(chǎn)品和創(chuàng)新產(chǎn)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(chǎn)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

15、目“基于線框、曲面、實體和特征表示的產(chǎn)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(lǐng)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。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(shù)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(chǎn)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(guān)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

16、的有關(guān)要求即現(xiàn)在的“特征造型問題”這些技術(shù)，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(lǐng)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(shù)是一項綜合性的高新技術(shù)，涉及面廣而復雜，技術(shù)變化快，競爭激烈。就建模技術(shù)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(chǎn)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，

17、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(shù)落后信息技術(shù)的廣泛集成是以產(chǎn)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(lǐng)了市場，我們的CAD/CAPP/CAM集成技術(shù)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(shù)的標準化方面，我國由于技術(shù)落后，資金投入不足，對此重視不夠，至今未提出一個有關(guān)CAD方面的標準

18、，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。 五、CAD技術(shù)未來發(fā)展方向和趨勢1、標準化CAD軟件一般應集成在一個異構(gòu)的工作平臺之上，只有依靠標準化技術(shù)才能解決CAD系統(tǒng)支持異構(gòu)跨平臺的環(huán)境問題。目前，除了CAD支撐軟件逐步實現(xiàn)ISO標準和工業(yè)標準外，面向應用的標準零部件庫、標準化設計方法已成為CAD系統(tǒng)中的必備容，且向合理化工程設計的應用方向發(fā)展。2、智能化設計是一個含有高度智能的人類創(chuàng)造性活動領(lǐng)域，智能CAD是CAD發(fā)展的必然方向。從人類認識和思維的模型來看，現(xiàn)

19、有的人工智能技術(shù)模擬人類的思維活動明顯不足。因此，智能CAD不僅是簡單地將現(xiàn)有的智能技術(shù)與CAD技術(shù)相結(jié)合，更重要的是深入研究人類設計的思維模型，最終用信息技術(shù)來表達和模擬它，才會產(chǎn)生高效的CAD系統(tǒng)，為人工智能領(lǐng)域提供新的理論和方法。CAD的這個發(fā)展趨勢，將對信息科學的發(fā)展產(chǎn)生深刻的影響。3、網(wǎng)絡技術(shù)的應用網(wǎng)絡技術(shù)包括硬件與軟件的集成實現(xiàn),各種通訊協(xié)議及制造自動化協(xié)議,信息通訊接口,系統(tǒng)操作控制策略等,是實現(xiàn)各種制造系統(tǒng)自動化的基礎。目前早已出現(xiàn)了通過Internet實現(xiàn)跨國界模具設計的成功例子。4、多學科多功能綜合產(chǎn)品設計技術(shù)未來產(chǎn)品的開發(fā)設計不僅用到機械科學的理論與知識,而且還用到電磁學、光學、控制理論等知識。產(chǎn)品的開發(fā)要進行多目標全性能的優(yōu)化設計,以追求模具產(chǎn)品動靜態(tài)特性、效率、精度、使用壽命、可靠性、制造成本與制造周期的最佳組合。5、逆向工程技術(shù)的應用在許多情況下,一些產(chǎn)品并非來自設計概念,而是起源于另外一些產(chǎn)品或?qū)嵨?要在只有產(chǎn)品原型或?qū)嵨锬Ｐ?而沒有產(chǎn)品圖樣的條件下進行模具的設計和制造以便制造出產(chǎn)品。此時需要通過實物的測量,然后利用測量數(shù)據(jù)進行實物的CAD幾何模型的重新構(gòu)造,這種過程就是逆向工程RE。逆向