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浅谈CAD技术应用及发展趋势
摘要：海湾战争结束当年，美国评出的二十世纪最具影响的十大技术中，计算机辅助设计（Computer aided design，简称CAD）技术便榜上有名。本文就此论述了目前CAD技术应用软件,分析了CAD技术的发展方向与CAD研究开发热点.
关键词： CAD软件，CAD技术,发展趋势,研究热点
一、CAD技术的内涵
CAD技术是电子信息技术的一个重要组成部分;它是利用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计的方法与技术,包括设计、绘图、工程分析与文档制作等设计活动。它是综合了计算机科学与工程设计方法的最新发展而形成的一门新兴学科。从广义上说，CAD技术包括二维工程绘图、三维几何设计、有限元分析、数控加工、仿真模拟、产品数据管理、网络数据库以及上述技术（CAD/CAE/CAM）的集成技术等.
目前，CAD技术可以实现设计中的大多数活动，但也有一些活动还难用CAD技术来实现,如设计的需求分析、设计的可行性研究等。将设计过程中能用CAD技术实现的活动集合在一起就构成了CAD过程，图1就说明了设计过程与CAD过程的关系。
二、目前的CAD主要软件
CAD技术从最初的工业设计领域已渗透到人们日常生活的每个角落，从机械、电子、航空、航天、邮电、兵工、纺织、建筑、船舶、地质、采矿，一直到艺术、装演、医疗、教学、旅游、管理等，可以说无数不包，以CAD技术为基础开发的各类商业专业软件已超过10万个。以下为目前市场上比较主流的CAD软件:
（1）AutoCAD及MDT
AutoCAD系统是美国Autodesk公司为微机开发的一个交互式绘图软件,它基本上是一个二维工程绘图软件，具有较强的绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及方便用户的二次开发功能，也具有部分的三维作图造型功能。它是目前世界上应用最广的CAD软件。MDT(MechanicalDesktop)是Autodesk公司在机械行业推出的基于参数化特征实体造型和曲面造型的微机CAD/CAM软件。
(2)Pro/Engineer
Pro/Engineer系统是美国参数技术公司(ParametricTechnologyCorporation简称PTC）的产品，它刚一面世(1988年)，就以其先进的参数化设计、基于特征设计的实体造型而深受用户的欢迎，随后各大CAD/CAM公司也纷纷推出了基于约束的参数化造型模块。此外，Pro/Engineer一开始就建立在工作站上，使系统独立于硬件，便于移植；该系统用户界面简洁，概念清晰，符合工程人员的设计思想与习惯。Pro/Engineer整个系统建立在统一的数据库上,具有完整而统一的模型，能将整个设计至生产过程集成在一起，它一共有20多个模块供用户选择。基于以上原因,Pro/Engineer在最近几年已成为三维机械设计领域里最富有魅力的系统，其销售额和用户群仍以最快的速度向前发展。
(3）I—DEASMasterSeries5
I-DEASMasterSeries是美国SDRC(StructuralDynamicsResearchCorporation)公司自1993年推出的新一代机械设计自动化软件，也是SDRC公司在CAD/CAE/CAM领域的旗舰产品，并以其高度一体化、功能强大、易学易用等特点而著称。I-DEASMasterSeries5于今年6月20日在美国首次展示,其最大的突破在于VGX技术的面市,极大地改进了交互操作的直观性和可靠性。另外，该版本还增强了复杂零件设计、高级曲面造型以及有限元建模和耐用性分析等模块的功能。SDRC公司近期还集中了优势力量大力加强数控加工功能的开发。
(4）CATIA
CATIA系统是法国达索（Dassault）飞机公司DassaultSystems工程部开发的产品。该系统是在CADAM系统（原由美国洛克希德公司开发，后并入美国IBM公司）基础上扩充开发的,在CAD方面购买原CADAM系统的源程序，在加工方面则购买了有名的APT系统的源程序，并经过几年的努力,形成了商品化的系统。CATIA系统如今已经发展为集成化的CAD/CAE/CAM系统，它具有统一的用户界面、数据管理以及兼容的数据库和应用程序接口，并拥有20多个独立计价的模块。
（5）EUCLID
EUCLID软件是法国MATRA公司信息部的产品，它是由法国国家科学研究中心为英法联合研制的协和号超音速客机而开发的软件。该软件具有统一的面向对象的分布式数据库,在三维实体、复杂曲面、二维图形及有限元分析模型间不需作任何数据的转换工作。由于数据是彼此引用，而不是简单的复制，所以用户在修改某部分设计时,其他相关数据会自行更新。
(6）Unigraphics(UG）
UG起源于美国麦道(MD)公司的产品，1991年11月并入美国通用汽车公司EDS分部.如今EDS是全世界最大的信息技术(IT）服务公司，UG由其独立子公司UnigraphicsSolutions开发。UG是一个集CAD、CAE和CAM于一体的机械工程辅助系统,适用于航空航天器、汽车、通用机械以及模具等的设计、分析及制造工程。
(7）SolidWorks
SolidWorks是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统,是由美国SolidWorks公司于1995年11月研制开发的,其价格仅为工作站CAD系统的四分之一。该软件采用自顶向下的设计方法，可动态模拟装配过程,它采用基于特征的实体建模,自称100%的参数化设计和100％的可修改性,同时具有中英文两种界面可供选择其先进的特征树结构使操作更加简便和直观
三．CAD技术的发展方向
随着计算机硬件技术的发展，特别是图形处理设备的飞速发展，计算机辅助设计/制造（（CAD/CAM）技术以惊人的速度快速发展，有专家评价：“如果把电子技术看作是工业的一次革命的话,那么CAD/CAM是工业的另一次革命，它是计算机对人类文明的巨大推动在工业方面的重要体现，其前景是不可限量的"。 围绕企业创新设计能力的提高和网络计算环境的普及,CAD技术的发展方向主要围绕在标准化、开放式、集成化、智能化四方面。
    1．标准化  除了CAD支撑软件逐步实现ISO标准和工业标准外，面向应用的标准构件(零部件库）、标准化方法也已成为CAD系统中的必备内容,且向着合理化工程设计的应用方向发展.回顾历史,CAD和计算机图形学的国际标准制定总是滞后于市场上的工业标准。CAD产品更新频繁。谁家产品的技术思想领先，性能最好,用户最多,主导了市场,谁就是事实上的工业标准。CAD技术的发展不是一种纯学术行为，它是在高技术产品所固有的激烈市场竞争中不断向前推进，永无止境。目前标准有两大类:一是公用标准，主要来自国家或国际标准制定单位；另一是市场标准,或行业标准，属私有性质。前者注重标准的开放性和所采用技术的先进性,而后者以市场为导向,注重考虑有效性和经济利益.后者容易导致垄断和无谓的标准战。通过总结这个领域几十年标准化工作的经验，不少标准化专家已认识到存在的问题，并提出应对传统的标准化工作进行革新的相关观点.
2．开放性  CAD系统目前广泛建立在开放式操作系统窗口95／98／NT和UNIX平台上，在Java LINUX平台上也有CAD产品，此外CAD系统都为最终用户提供二次开发环境，甚至这类环境可开发其内核源码,使用户可定制自已的CAD系统.
    3．集成化  CAD技术的集成化体现在三个层次上：其一是广义CAD功能CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERP经过多种集成形式成为企业一体化解决方案，推动企业信息化进程.目前创新设计能力（CAD)与现代企业管理能力（ERP、PDM）的集成，已成为企业信息化的重点；其二，是将CAD技术能采用的算法，甚至功能模块或系统,做成专用芯片，以提高CAD系统的效率；其三是CAD基于网络计算环境实现异地、异构系统在企业间的集成。应运而生的虚拟设计、虚拟制造、虚拟企业就是该集成层次上的应用。
4．智能化   设计是一个含有高度智能的人类创造性活动领域，智能CAD是CAD发展的必然方向。智能CAD不仅仅是简单地将现有的智能技术与CAD技术相结合，更要深入研究人类设计的思维模型，并用信息技术来表达和模拟它。这样不仅会产生高效的CAD系统，而且必将为人工智能领域提供新的理论和方法。CAD的这个发展趋势,将对信息科学的发展产生深刻的影响。
四、CAD技术研究开发热点
    1．计算机辅助概念设计   一方面,根据有关的统计资料表明,产品工本费的70％是在产品设计阶段决定的。同时，一旦概念设计被确定下来,产品设计的60%－70%也就被确定下来。尤其需要提及的是，即使详细设计再好,也难以弥补概念设计阶段所出现的缺陷。还有产品的创新及其所具有的竞争能力基本上也是在概念设计阶段就被确定下的。故概念设计是设计过程中一个非常重要的阶段，它已成为企业竞争的一个制高点。因此计算机辅助概念设计愈来愈受到重视。但另一方面,在概念设计期间，所涉及的设计需求和约束的种种知识，往往是不精确的、近似的或未知的，也就是说复杂性很高，这给CAD技术带来很大的难度.概念设计的过程主要是评价和决策的过程，它涉及到产品功能、动作和结构等因素，它对产品的价格性能、可靠性、安全性等等起决定性的影响作用。正因为应考虑的因素和目标是多方面的.因此评价和决策过程是一个很复杂的，难度很大的过程。目前计算机辅助概念设计的方法可分为两大类：即自动生成方案和交互生成方案。当然,应用时这两种方法可以混合使用.
（1）自动生成方案 目前主要采用人工智能技术.为了使计算机有效地支持概念设计活动,需要解决两大难题.即建模问题和推理问题：A．前者是对产品的功能、动作和结构诸因素之间相互影响的复杂关系进行建模或表达。例如汽锅的蒸汽阀门,基功能是防止汽锅爆炸，它的动作是当检测到一定的压力差时,它会自动打开,而其结构是所用的实际构件的布局及其连接关系，建模的结果提供推理用；B．而推理问题实际上就是生成和选择合适的方案.
建模问题主要是建模的表示法，目前已提出各种各样的表示法。如语言、几何模型、图形、对象、知识模型和图象法等等，语言表示法属于一种形式描述方法，它能保证计算机有效地进行推理，称为面向机器的表示法。而图象表示法是一种高可视化的表示法（即可视化思维模型)，它侧重于提供一种有助于辅助设计人员创新工作的建模环境，称它为面向人的表示法,而上列其它表示法依次界于这两者之间。
推理问题的重点是在转换过程,即把用户需求映射到实现所给需求集合的一些实际的结构上。难点在于产生和选择合适的映射方法。例如知识获取是人工智能领域中一个大难题，为了解决这一问题，可以采用数据挖掘技术从已有的设计库中自动获取感兴趣的领域知识。
（2）交互技术生成方案 由于概念设计的复杂性，自动地生成合适的方案是很困难的。在自动生成和选比方案尚未成熟之前，交互技术是重要手段。在概念设计阶段可充分利用多媒体技术,如包括有效的信息搜索技术，以便在网上可查到大量对概念设计有用的设计例子.又如研究协同概念设计技术，使群体成员易于参与概念设计，并作出积极的贡献.
2．计算机支持的协同设计   设计工作是一个典型的群体工作。群体成员既有分工,又有合作.因此群体的工作由两个部分组成：一是个体工作，群体成员应完成的各自分工的任务；另一是协同工作，因为群体工作不可能分解为互相独立的个体工作,群体成员之间存在相互关联的问题。一般称为接口问题,接口难免会出现矛盾和冲突，如不及时发现和协调解决，就会造成返工和损失。传统的CAD系统只支持分工后各自应完成的具体任务,至于成员间接口问题，计算机不能支持,主要靠面谈或某种通讯工具进行讨论并加以解决.但这些方式很难做到及时并充分地协商和讲讨论.因而一项大的设计任务接口问题难免要出差错，这正是为什么设计工作会出现不断反复、不断修改这一过程的主要原因。
    3．海量信息存储、管理和检索  CAD系统处理的信息愈来愈多,而且是多媒体信息。尽管磁盘容量增长速度很快，但仍远不能满足信息量快速增长的需求.海量信息的存储、管理和快速检索已成为世人瞩目的问题。这除了依靠硬件来解决问题外,DBMS是一重要技术，实践证明，传统的关系数据库管理系统EDBMS已难已适应要求而采用面向对象和关系相结合的模型可能是个过渡的解决方案。
    4．设计法研究及其相关问题   设计工作是项复杂的且知识密集的群体活动，为了提高效率必须遵循某种正确的设计方法，虽然设计方法学的研究已有半个多世纪了，但针对CAD的设计法却是最近才有的，称为正规设计流程法，它不仅让我们知道设计是一种流程,还为开发CAD工具提供了依据，因此了解和识别设计过程的不同方面（即不同的设计活动），是开发新一代CAD系统的关键。
    5．支持设计创新   创新是产品设计的灵魂,如何利用计算机来支持创新，这是个新的课题。目前只能提供一种启迪方法，如存入大量多媒体设计数据，并通过网络方便地供设计人员查询，从而可能引导出意想不到的富有创新的设计.又如利用CSCW工具，通过直接讨论方式来相互启发,产生新的设计思想，促进创新设计。
    6．新技术在CAD中的应用  如上所述，CAD是吸收新技术最快的领域之一.例如虚拟现实与CAD集成 与计算机安全技术