CAD技術(shù)的歷史,現(xiàn)狀與未來

1、大學(xué)現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育土木工程CAD課程論文CADK術(shù)的歷史、現(xiàn)狀與未來學(xué)號名：王智勇完成時(shí)間：2014年9月10日CA限術(shù)的歷史、現(xiàn)狀與未來摘要：本文主要簡述CA跟術(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(huì)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(huì)產(chǎn)業(yè)，問題，發(fā)展方向。Abstract:ThispaperbrieflydescribesthehistoryofthedevelopmentofCADtechnology,applicationstatusandfuturedevelopmenttrend,analyzeitsa

2、pplicationintoday'ssocietyindustryandtheexistingproblemsanddevelopmentdirectionandtrend.Keyword:History,Presentsituation,Trend,Socialindustry,Problem,Developmentdirection一、CAD勺基本情況介紹CAEW計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD-ComputerAidedDesign）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)負(fù)計(jì)算、信息存儲(chǔ)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

3、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(gè)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計(jì)算機(jī)系統(tǒng)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，掃描儀，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(dòng)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(dòng)設(shè)計(jì)；（7）工程文檔的輸出，例如制造圖紙，材料明細(xì)表；（8）設(shè)計(jì)到生產(chǎn)設(shè)備的直接輸出；

4、（9）到快速原型或快速制造工業(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(gè)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，CA成術(shù)處于醞釀和準(zhǔn)備階段。20

5、世紀(jì)50年代末，美國麻省理工學(xué)院在WHIRLWIN計(jì)算機(jī)上開發(fā)了SAGEM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（CathodeRayTube）,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IvanSutherland研制出世界上第一臺利用光筆的交互式圖形系統(tǒng)SKETCHPAD且在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CADJJ術(shù)的基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在這一時(shí)

6、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CADS備，CADfe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CA而統(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CAC®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

7、有限元分析，優(yōu)化，模擬仿真，動(dòng)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/CAMk體化的綜合軟件包使CADK術(shù)又上了一個(gè)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(gè)方面：CALB準(zhǔn)化體系進(jìn)一步完善；系統(tǒng)智能化成為又一個(gè)技術(shù)熱點(diǎn)；集成化成為CADft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CA酸術(shù)發(fā)展的新趨向。三、CADK術(shù)的應(yīng)用1、CADfe術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用CADK術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。其中，以機(jī)床、汽車、飛機(jī)、船舶、航天器等應(yīng)用最為廣泛。一個(gè)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

8、優(yōu)化、仿真模擬等幾個(gè)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(gè)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(dòng)機(jī)構(gòu)模擬，進(jìn)行干涉、碰撞分析等等。CADK術(shù)可以說貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)過程。從產(chǎn)品方案的選擇到整機(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)

9、的CA皿用系統(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(gè)系統(tǒng)。2、CADft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，CADft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ABDHOUS萼。CADft工程領(lǐng)域中的應(yīng)用有以下幾個(gè)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、室裝潢、包括室分隔、家具、環(huán)境裝修等：結(jié)構(gòu)：有限元分析、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)

10、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CALB件中集建筑、結(jié)構(gòu)、水、電、暖設(shè)備于一體的集成化CALB件正在開發(fā)之中。止匕外，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、室漫游等現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法中。3、CADfe術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用CA成術(shù)除了在制造業(yè)和工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域中

11、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(huì)用到CA酸術(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CADR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(dòng)物和外星人，并將動(dòng)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，拍制出一部部激動(dòng)人心的巨片。4、CADfe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

12、勺最要組成部分。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礎(chǔ)上進(jìn)行了二次開發(fā)。結(jié)合國機(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)、工程制圖標(biāo)準(zhǔn)。相繼共推出了INTECAtJDXTMCAD機(jī)械CAEB件以及ABRHOUS等建筑和結(jié)構(gòu)CAEB件，并已形成了相當(dāng)?shù)囊?guī)模。一個(gè)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、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

13、等標(biāo)注：文件管理功能，包括文件的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、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、CADJ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，國已初步形成了二維CADS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CADS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®C件開發(fā)雖然已形成了幾個(gè)系統(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(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)理論上的研究，因此所開發(fā)出的

14、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CADS統(tǒng)只能將設(shè)計(jì)過程的最后階段一一繪圖階段搬到計(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乍為一個(gè)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CA而統(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)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)，

15、但其功能、成熟性都不理想。而這類CADS統(tǒng)國外軟件早已占領(lǐng)中國市場，除了三維工作站CADS統(tǒng)外，近幾年來PC機(jī)和Windows/95/98/NT環(huán)境下的三維CADS統(tǒng)也進(jìn)入了中國市場。一些原來工作站系統(tǒng)的三維CADt件系統(tǒng)也推出了PC機(jī)Windows平臺的版本。3、我國CADK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®目前研制的三維CADffi存在這一問題。回顧一下歷史，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“特征造型問題”這些技術(shù)，我國CAM究開發(fā)者也都知道，但都沒有引起注意

16、。而國外的CAD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CAEB件的開發(fā)缺乏理論研究和算法的研究CAD#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(huì)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CADS統(tǒng)中，會(huì)產(chǎn)生新的CAEB件。如有名的CSGB-rep、NURB等等。而我國CA%C件開發(fā)者缺乏這方面的研究，多年來也未見過有名的理論和算法用于CADo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

17、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/CAMERP的有機(jī)集成，在并行工程中PDM&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(gè)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(chǔ)性軟件也被國外的系統(tǒng)占領(lǐng)了市場，我們的CAD/CAPP/CAM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CADft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(gè)有關(guān)CADf面的標(biāo)準(zhǔn)，完全是采用國際標(biāo)準(zhǔn)，有的已用作國家標(biāo)準(zhǔn)，如IGESSTEP?,另外由于種種因素也跟不上國際標(biāo)準(zhǔn)的更

18、新和發(fā)展，因此造成國CAEB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、CADK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(gè)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(gè)含有高度智能的人類創(chuàng)造性活動(dòng)領(lǐng)域，智能CADCADt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)模擬人類的思維活動(dòng)明顯不足。因此，智能CA訃僅是簡單地將現(xiàn)有的智能技術(shù)與CA吸術(shù)相結(jié)合，更

19、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(huì)產(chǎn)生高效的CA際統(tǒng)，為人工智能領(lǐng)域提供新的理論和方法。CAD勺這個(gè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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)嵨铮谥挥挟a(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