CAD技術(shù)的歷史現(xiàn)狀與未來王智勇

1、鄭州大學(xué)現(xiàn)代遠(yuǎn)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(xué) 號： 姓 名： 王智勇完成時(shí)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(yīng)用現(xiàn)狀以及未來發(fā)展的趨勢，分析其在開當(dāng)今社會產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)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 t

2、rend, 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(cad-computer aided design) 利用計(jì)算機(jī)及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。在工程和產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)可以幫助設(shè)計(jì)人員擔(dān)

3、負(fù)計(jì)算、信息存儲和制圖等項(xiàng)工作。它是綜合了計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程設(shè)計(jì)方法的最新發(fā)展而形成的一門新興學(xué)科。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(biāo)志。cad的系統(tǒng)組成：通常以具有圖形功能的交互為基礎(chǔ)，主要設(shè)備有：計(jì)算機(jī)主機(jī)，圖形顯示終端，圖形輸入板，繪圖儀，打印機(jī)，磁帶機(jī)，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(shè)計(jì)組件重用；(2)簡易的設(shè)計(jì)修改和版本控制功能；(3)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)組件的自動產(chǎn)生；(4)設(shè)計(jì)是否滿足要求和實(shí)際規(guī)則的檢驗(yàn)；(5)無需建立物理原型的設(shè)計(jì)模擬；(6)裝配件(一堆零件或者其它裝配件)的自動設(shè)計(jì)；(7)工程文檔的輸出，例如制造圖紙

4、，材料明細(xì)表；(8)設(shè)計(jì)到生產(chǎn)設(shè)備的直接輸出；(9)到或快速制造工業(yè)原型的機(jī)器的直接輸出；b.基本功能：(1)編輯圖形;(2)標(biāo)注尺寸;(3)書寫文字;(4)圖層管理功能;(5)三維繪圖;(6)網(wǎng)絡(luò)功能;(7)數(shù)據(jù)交換;二、cad 技術(shù)的發(fā)展歷程1、準(zhǔn)備和誕生時(shí)期（20世紀(jì)50年代-60年代） 1950年，美國麻省理工學(xué)院研制出 whirlwind1（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

5、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)展作了必要的準(zhǔn)備。2、蓬勃發(fā)展和進(jìn)入應(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

6、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)入了發(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)的性能大大提高了一步。與

7、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。 5、日趨成熟的時(shí)期（20世紀(jì)90年代） 這一時(shí)期的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面：cad標(biāo)準(zhǔn)化體系進(jìn)一步完善；系統(tǒng)智能化成為又一個技術(shù)熱點(diǎn)；集成化成為cad技術(shù)發(fā)展的一大趨勢；科學(xué)計(jì)算可視化、虛擬設(shè)計(jì)、虛擬制造技術(shù)是 20世紀(jì)90年代cad技術(shù)發(fā)展的新趨向。三、cad技術(shù)的應(yīng)用1、cad技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用cad技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制造業(yè)的各個領(lǐng)域。其中，以機(jī)床、汽車、飛機(jī)、船舶、航天

8、器等應(yīng)用最為廣泛。一個產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程要經(jīng)過概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化、仿真模擬等幾個階段。概念設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)過程中還需要考慮的因素很多，如要考慮機(jī)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(shí)現(xiàn)主要功能的機(jī)構(gòu)；詳細(xì)設(shè)計(jì)是要確定產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，各個零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所以又稱為部件設(shè)計(jì)，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(jìn)行力學(xué)性能、熱學(xué)性能的分析：仿真模擬則主要是產(chǎn)品進(jìn)行裝配模擬，運(yùn)動機(jī)構(gòu)模擬，進(jìn)行干涉、碰撞分析等等。cad技術(shù) 可以說貫穿于整個設(shè)計(jì)過程。從產(chǎn)品方案的選擇到

9、整機(jī)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(jìn)行全面設(shè)計(jì)。當(dāng)前先進(jìn)的cad應(yīng)用系統(tǒng)已經(jīng)將設(shè)計(jì)、繪圖、分析、仿真、加工等一系列功能集成于一個系統(tǒng)內(nèi)。2、cad技術(shù)在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用早在二十世紀(jì)五十年代，cad技術(shù)就應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。但真正用在建筑、結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域則是在二十世紀(jì)七十年代。到了二十世紀(jì)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(shè)備等一系列工程設(shè)計(jì)軟件。比較流行的有abd、house等。cad在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用有以下幾個方面。建筑：方案設(shè)計(jì)、三維造型、建筑渲染圖即概念設(shè)計(jì)、平面布景、建筑構(gòu)造設(shè)計(jì)、小區(qū)規(guī)劃、日照分析、室內(nèi)裝潢、包括室內(nèi)分隔、家具、環(huán)境裝修等：結(jié)構(gòu)：有限

10、元分析、結(jié)構(gòu)平面設(shè)計(jì)、框和排架結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析、高層結(jié)構(gòu)分析、地基的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工；設(shè)備：水、電、暖各種設(shè)備及管道設(shè)計(jì)；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(jī)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(yù)算、施工過控制與管理、風(fēng)景、旅游景點(diǎn)設(shè)計(jì)與布置、智能大廈設(shè)計(jì)等。目前在工程cad軟件中集建筑、結(jié)構(gòu)、水、電、暖設(shè)備于一體的集成化cad軟件正在開發(fā)之中。此外，科學(xué)計(jì)算可視化以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正應(yīng)用于建筑抗震、抗風(fēng)、抗災(zāi)的分析以及虛擬建筑、室內(nèi)漫游等現(xiàn)代化

11、設(shè)計(jì)方法中。3、cad技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用cad技術(shù)除了在制造業(yè)和工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)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(jī)械的設(shè)計(jì)、化妝、洗滌用品、盛器、三維造型、模具設(shè)計(jì)及包裝平面設(shè)計(jì)。各種小商品的造型設(shè)計(jì)；紡織行業(yè)中印花提花設(shè)計(jì)、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(xué)設(shè)計(jì)：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(jì)算機(jī)造型仿真的原始動物和外星人，并將動物畫和實(shí)際背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)上大放異彩，拍制出一部部

12、激動人心的巨片。4、cad技術(shù)在計(jì)算機(jī)繪圖技術(shù)中的應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)足cad的最要組成部分。機(jī)械、建筑等工程設(shè)計(jì)的任務(wù)最終要繪出零件圖或施工圖。繪圖任務(wù)必須由圖形軟件來完成。近期不少究機(jī)構(gòu)在autocad基礎(chǔ)上進(jìn)行了二次開發(fā)。結(jié)合國內(nèi)機(jī)械和工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用，以我國國家標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，增加了國標(biāo)零部件庫、設(shè)計(jì)規(guī)范、工程制圖標(biāo)準(zhǔn)。相繼 共推出了intecad和xtmcad等機(jī)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(dāng)?shù)囊?guī)模。一個圖形軟件應(yīng)包括基本圖素的生成，如點(diǎn)、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、旋轉(zhuǎn)、放大、縮小、修改、

13、增刪等；符號及標(biāo)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(biāo)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(shí)感圖形、表面紋理生成等功能。四、cad技術(shù)應(yīng)用存在問題我國cad系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用取得了一些成績，國內(nèi)已初步形成了二維cad商品化軟件市場，在建筑設(shè)計(jì)、管道設(shè)計(jì)、裝修工程設(shè)計(jì)、地理信息系統(tǒng)、機(jī)械制造等行業(yè)應(yīng)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(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)理論的指導(dǎo)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

14、圖軟件，開發(fā)者在技術(shù)上沒有什么創(chuàng)新，缺乏設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)過程的最后階段繪圖階段搬到計(jì)算機(jī)上，而設(shè)計(jì)過程仍然在設(shè)計(jì)師頭腦中完成，這樣設(shè)計(jì)效率并沒有太大的提高。在應(yīng)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(yīng)用中也缺乏對產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(xiàng)目“基于線框、曲面、實(shí)

15、體和特征表示的產(chǎn)品造型和設(shè)計(jì)系統(tǒng)”的招標(biāo)中，有五家參加了投標(biāo)，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(jī)和windows/95/98/nt環(huán)境下的三維cad系統(tǒng)也進(jìn)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(jī)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(shí)用戶就提出了“參數(shù)設(shè)計(jì)問題”、“數(shù)據(jù)管理問題”及數(shù)控編程中的有關(guān)要求即現(xiàn)在的“特

16、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(shí)機(jī)，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(xiàng)綜合性的高新技術(shù)，涉及面廣而復(fù)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，多年來也未見過有名的理

17、論和算法用于cad中。只能引用別人的，當(dāng)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(chǔ)，實(shí)現(xiàn)cad/capp/cam和erp的有機(jī)集成，在并行工程中pdm也是重要的基礎(chǔ)。而我國在這方面的研究僅僅開始，至今也沒有一個在國內(nèi)市場上成熟的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（dbms）。因此，這類基礎(chǔ)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(chǔ)系統(tǒng)上。6、cad中的數(shù)據(jù)交換格式和標(biāo)準(zhǔn)化落后在cad技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，完全是采用國際標(biāo)準(zhǔn)

18、，有的已用作國家標(biāo)準(zhǔn)，如iges、step等，另外由于種種因素也跟不上國際標(biāo)準(zhǔn)的更新和發(fā)展，因此造成國內(nèi)cad軟件系統(tǒng)在數(shù)據(jù)交換、標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化cad軟件一般應(yīng)集成在一個異構(gòu)的工作平臺之上，只有依靠標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)iso標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外，面向應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)零部件庫、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法已成為cad系統(tǒng)中的必備內(nèi)容，且向合理化工程設(shè)計(jì)的應(yīng)用方向發(fā)展。2、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，智能cad是cad發(fā)展的必然方向。從人類認(rèn)識和思維的模型來看，現(xiàn)有的人工智能技術(shù)

19、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(shè)計(jì)的思維模型，最終用信息技術(shù)來表達(dá)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(xué)的發(fā)展產(chǎn)生深刻的影響。3、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括硬件與軟件的集成實(shí)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(shí)現(xiàn)各種制造系統(tǒng)自動化的基礎(chǔ)。目前早已出現(xiàn)了通過internet實(shí)現(xiàn)跨國界模具設(shè)計(jì)的成功例子。4、多學(xué)科多功能綜合產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)未來產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)不僅用到機(jī)械科學(xué)的理論與知識,而且還用到電磁學(xué)、光學(xué)、控制理論等知識。產(chǎn)品的開發(fā)要進(jìn)行多目標(biāo)全性能的優(yōu)化設(shè)計(jì),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(yīng)用在許多情況下,一些產(chǎn)品并非來自設(shè)計(jì)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(jìn)行模具的設(shè)計(jì)和制造以便制造出產(chǎn)品。此時(shí)需要通過實(shí)物的測量,然后利用測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)物的cad幾何模型的重新構(gòu)造,這種過程就是逆向工程re。逆向工程能夠縮短從設(shè)計(jì)到制造的周期,是幫助設(shè)計(jì)者