CAD的研究现状及发展趋势.doc

CAD的研究现状及发展趋势 计算机辅助设计技术是电子信息技术的一个重要组成部分；是促进科研成果开发和转化、实现设计自动化、加快国民经济发展和国防现代化的一项关键新技术；是提高产品和工程设计水平、降低消耗、缩短科研和新产品开发周期、大幅度提高劳动生产率的重要手段；是科研单位提高自主研发能力和管理水平、参与国际竞争的重要条件；也是进一步向计算机辅助制造、计算机集成制造系统发展的重要基础。 CAD技术的发展与应用水平已经成为一个国家科学技术现代化和工业现代化的重要标志之一，它使产品设计工作的内容和方式发生了根本性变革，彻底改变了传统手工设计绘图的方式，极大地提高了产品开发的速度，提高了设计精度。这一新技术的应用将人类的聪明才智和创造能力与计算机高速而精确的计算能力、大容量的存储和数据处理功能结合起来，使两者相得益彰。 早期的CAD也就是计算机绘图，以完成图形的设计与绘制工作为主。经过40多年的研究与应用，CAD的概念已发生了本质飞跃，它不仅包括图形处理，还包括概念设计、造型设计和原理样机设计等内容。它吸收和运用了更多的与设计技术相关联的科学技术和理论，以及优化设计、可靠性设计、有限元分析、价值分析和系统工程等知识。与传统设计方法比较，cad彻底改变了设计的方式，提出了新的设计理念，把设计人员从繁琐、机械的设计工作中解脱出来，将精力和聪明才智转移到创造性的设计过程中，大大提高了产品设计的精度和可靠新，缩短了产品设计周期，降低了产品的成本。 1、CAD建模技术的研究和发展建模技术是CAD的核心技术，建模技术的研究、发展和应用，就代表了CAD技术的研究、发展和应用。下图给出了建模技术的发展情况。图中明确显示了从50年代至今建模技术的发展经历了二维建模、三维几何建模（包括线框建模、曲面建模、实体建模）、特征建模（包括参数化和变量化建模）及产品集成建模的发展过程。二维建模是最初的CAD技术用来解决二维绘图问题的，后来发展为三维的几何建模技术。三维几何建模又分为线框建模、曲面建模和实体建模。线框建模是以线来构造三维物体，其主要算法是空间自由曲线的拟合和表达相对简单。曲面建模是由曲面来构造三维物体，其主要算法是自由曲面或雕塑曲面的生成算法等，其算法较为复杂。实体建模是构成真实的实体，其算法比较复杂。在实体建模技术研究中提出了很多算法，常用的有边界表示法B-rep和几何构造法CSG。为了统一几何建模的表示，还研究开发了新的算法 即非均匀有理B样条（NURBS）算法。这种算法在几何建模中起了重要的作用。随着几何建模技术的发展和实际应用的要求，到80年代后期又出现了参数化和变量化的建模技术。参数化建模技术一般是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺寸关系，参数的求解较简单，参数与设计对象的控制尺寸有显示对应关系，设计结果的修改受尺寸驱动。这种CAD系统最早推出的是PTC公司的Pro/Engineer。变量化建模技术是指设计对象的修改需要更大的自由度，通过求解一组约束方程来确定产品的尺寸和形状。约束方程可以是几何关系，也可以是工程计算条件，设计结果的修改受约束方程的驱动。变量化建模的代表是SDRC公司的VGX。这一技术应用到SDRC产品I-DEAS Master Series系统中。VGX为CAD软件带来了空前的易用性。特征建模是CAD建模方法的一个新发展。特征建模是着眼于更好地表达产品完整的功能和生产管理信息，为建立产品的集成信息模型服务。特征包含了产品的特定几何形状、拓扑关系、典型功能、绘图表示方法、制造技术和公差要求等。特征的引用直接体现了设计意图，使得建立的产品模型更容易为人理解和组织生产。 产品集成建模是面向产品生命周期的关系型产品模型的概念。这一概念的提出，较好地解决了信息在设计、制造、检验和装配等环节的共享问题，完整地描述了产品在概念设计装配设计零件设计全过程中的各种属性和相互关系，实现了产品生命周期中的内部描述信息（如产品设计、计划、加工、检验等信息）和外部过程信息（如内部描述信息所依赖的环境、知识和规则等）的集成。这种产品集成建模技术仍在研究中。 2、数据管理技术的研究和发展 CAD技术的研究和应用中，数据管理技术是其又一重要的技术，特别是在CAD集成系统中更为重要。数据管理的研究开发经历了文件管理、数据库管理和产品数据管理（PDM）三个阶段。在70年代之前，主要靠文件系统对数据进行管理；到1968年美国IBM公司研制了第一代数据库管理系统层次型数据库管理系统IMS；1969年美国的数据库研究小组CODASYL发表了DBTG报告，建立了第二代数据库管理系统网状数据库管理系统。到70年代，第三代数据库技术的研究和开发集中在关系型数据库技术上，70年代末80年代初，出现了商品化的关系型数据库管理系统，目前仍很流行。80年代后期，开始了第四代数据库技术的研究，即工程数据库和面向对象数据库的研究和开发。 尽管在数据管理方面作了大量的工作，但仍然满足不了企业对数据管理的实际要求。到80年代后期，在企业计算机制造环境中数据管理及设计过程自动化的需求的驱动下，人们开始寻求一种崭新的产品数据管理技术，它能够提供一个产品开发的协作环境，在该环境下，能够实现过程控制下的信息传递并实现数据的有序管理，即产品数据管理（PDM）系统。PDM系统一出现，就成为企业关注和应用的热点，近几年来，PDM技术在国外已取得了突飞猛进的发展。目前，PDM技术在网络上的应用、CAD系统集成、MRP/ERP的集成方面进行研究开发。 3、标准化技术的研究和发展 由于CAD技术的发展和广泛的应用，数据交换的格式和标准化技术也发展起来，并且越来越重要。在CAD领域出现了图形级的标准、图形交换级的标准、产品级的数据表达和交换标准等。 图形级最早的标准有PHIGS、GKS，它们是ISO/IEC推出的图形信息系统标准。目前还有一些其它的三维图形支持标准，如PEX和OPEN GL等也很受重视。 IGES是国际上最早、最成熟的数据交换标准，它主要是用于不同的CAD系统之间进行数据交换的标准。从1980年到1992年已先后发布了五个版本。IGES目前还在广泛应用，其目的只是传输几何图形及相应的尺寸标准、说明等，即只是传输工程图。无法描述工业环境所需要的产品定义数据的全部信息。 90年代初，ISO公布了产品数据表达与交换标准STEP。STEP是一个系列的国际标准，它提供了必要的机制和定义，使得产品的数据表达能够在不同的计算机系统及与产品定义和制造有关的环境中进行通信。它可用于产品数据的传输、共享和存档。STEP标准是目前CAD领域中最完整的标准，该系列标准还未全部完成，已公布了一部分。 国内外差距 近几年来，我国CAD系统的开发和应用取得了一些成绩，国内已初步形成了二维CAD商品化软件市场，在一些企业也引进了CAD系统，并取得一些效益。但与国外相比差距仍然很大。 1、目前我国CAD系统仅仅作为绘图工具，缺乏设计方法和设计理论的指导 我国CAD软件开发虽然已形成了几个系统，但基本上都是二维绘图软件，开发者在技术上没有什么创新，缺乏设计方法和设计理论上的研究，因此所开发出的软件稳定性和可靠性差，自然在市场上就无竞争力。另外，图形CAD系统只能将设计过程的最后阶段绘图阶段搬到计算机上，而设计过程仍然在设计师头脑中完成，这样设计效率并没有太大的提高。 在应用方面，很多企业也只是把CAD作为一个绘图工具，企业应用中也缺乏对产品设计理论和设计方法的研究，因此企业产品和创新产品少，在市场上缺乏竞争力。 2、我国三维CAD系统还不成熟，必须加快开发 真正解决产品设计问题的是三维CAD系统，而目前我国自主开发的三维CAD系统还未真正形成商品软件。在今年8月份国家863/CIMS项目“基于线框、曲面、实体和特征表示的产品造型和设计系统”的招标中，有五家参加了投标，都开发了原型系统，但其功能、成熟性都不理想。而这类CAD系统国外软件早已占领中国市场，除了三维工作站CAD系统外，近几年来PC机和Windows/95/98/NT环境下的三维CAD系统也进入了中国市场。如Solidworks、Autodesk公司的MDT、Cimatron等。一些原来工作站系统的三维CAD软件系统也推出了PC机Windows平台的版本。 3、我国CAD技术开发创新少、仿制多 没有创新就没有竞争力，只仿制就不能开发出有竞争力的产品。从我国二维CAD到目前研制的三维CAD都存在这一问题。回顾一下历史，早在“七五”攻关时用户就提出了“参数设计问题”、“数据管理问题”及数控编程中的有关要求即现在的“特征造型问题”这些技术，我国CAD研究开发者也都知道，但都没有引起注意。而国外的CAD后起之秀PTC公司抓住了用户需求的时机，快速推出了参数化特征造型CAD系统Pro/Engineer，一举占领了国际市场，至今仍在国际年销售额方面名列第一。 4、我国CAD软件的开发缺乏理论研究和算法的研究 CAD技术是一项综合性的高新技术，涉及面广而复杂，技术变化快，竞争激烈。就建模技术而言会涉及很多模型建立的理论和算法，这些都是为解决用户需求而研究开发的，每种理论和算法用于CAD系统中，会产生新的CAD软件。如有名的CSG、B-rep、NURBS等等。而我国CAD软件开发者缺乏这方面的研究，多年来也未见过有名的理论和算法用于CAD中。只能引用别人的，当然也只能跟在人家的后面走。 5、信息集成技术落后 信息技术的广泛集成是以产品数据管理（PDM）和过程管理（PM）为基础，实现CAD/CAPP/CAM和ERP的有机集成，在并行工程中PDM也是重要的基础。而我国在这方面的研究仅仅开始，至今也没有一个在国内市场上成熟的数据库管理系统（DBMS）。因此，这类基础性软件也被国外的系统占领了市场，我们的CAD/CAPP/CAM集成技术又建立在国外基础系统上。 6、CAD中的数据交换格式和标准化落后 在CAD技术的标准化方面，我国由于技术落后，资金投入不足，对此重视不够，至今未提出一个有关CAD方面的标准，完全是采用国际标准，有的已用作国家标准，如IGES、STEP等，另外由于种种因素也跟不上国际标准的更新和发展，因此造成国内CAD软件系统在数据交换、标准化等方面存在不少问题。 CAD未来动向 CAD技术的发展一直是跟着实际应用的需求而发展的，随着CAD技术的广泛应用，新的需求又不断出现。 1、模型理论的研究：由于传统的几何模型、特征模型已不能满足现代制造技术的要求。从而提出了面向产品生命周期的关系型产品模型的概念。这一概念的提出，是为了解决信息在设计、制造和检验及装配等环节的共享问题，完整地描述产品在概念设计装配设计零件设计全过程中的各种属性和相互关系，实现产品生命周期中的内部描述信息和外部过程信息的集成。在产品模型的研究上，当前拉出的非流形模型的研究就是一个典型，目前我国也在研究非流形模型用于CAD系统中。另外，基于STEP的CAD技术的研究也是为了建立较好的产品模型。 2、自顶向下的设计技术：目前流行的CAD系统只能支持自下而上的设计方法，即先设计零件然后搭积木式地进行装配设计。而新的设计需求要求CAD系统还要支持自顶向下（Top-down）的设计方法，并且也可混合使用这两种设计方法。3、客户机/服务器及网络环境下的CAD技术：随着客户机/服务器系统在企业的应用，企业大都建立了网络环境。因此，单机的CAD系统已不适合，网络环境下的CAD系统已成为普遍的要求。 4、多媒体系统CAD技术的研究应用。 5、并行环境下的CAD技术的研究应用：在并行环境下的CAD系统要求全关联的关系模型，包括各种隐含在模型中的设计关系和设计约束。6、集成化技术的研究：要实现设计、制造到管理，产品生命周期的全过程的无缝集成，都是CAD技术研究的内容之一，其基础是PDM以及灵活的外部接口，良好的开放性，功能增大的开发语言等。