CAD技术的应用与发展趋势浅析
CAD技术的应用与发展趋势浅析杨秀芸贾铭钰（海淀走读大学，理工学院，北京100083）摘要：本文论述了CAD技术的发展历程和在我国的应用现状，分析了三维CAD技术的意义和CAD技术的发展趋势。关键词：CAD技术三维CAD二维CAD发展趋势一、CAD技术的内涵计算机辅助设计（Computer aided design，简称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。http://www.bcu.edu.cn/truekxyj/journal/62/clip_image001.gif
我们以某一零件设计为例，说明CAD的工作过程：⑴零件的建模，即形体设计；⑵对零件的结构尺寸进行分析、计算、修正；⑶生产模拟（仿真），修正有关尺寸；⑷绘制生产图样；⑸用零件的工作图样在计算机上进行加工工艺的规程设计。技术人员采用CAD技术可以在设计中随时计算、模拟产品试制过程，求得最佳结果，既保证了产品的性能，又大大降低了成本；同时，采用CAD软件进行图形绘制，图纸设计规范、图纸整洁、标注清晰、标准化程度高，减少了手工设计的许多错误，可以提高工作效率，大大加速了设计的过程，使产品能够早日进入市场，取得市场竞争的先机。二、 CAD技术的发展历程CAD技术起步于50年代后期。进入60年代，随着在计算机屏幕上绘图变为可行而开始迅速发展。在CAD软件发展初期，CAD的含义仅仅是图板的替代品，即：意指Computer Aided Drawing(or Drafting)而非现在我们经常讨论的CAD(Computer Aided Design)所包含的全部内容。人们希望借助此项技术来摆脱繁琐、费时、绘制精度低的传统手工绘图。此时，CAD技术的出发点是用传统的三视图方法来表达零件，以图纸为媒介进行技术交流，这就是二维计算机绘图技术。CAD技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到70年代末期，以后作为CAD技术的一个分支而相对单独、平稳地发展。进入80年代中期，CAD技术的研究又有了重大进展，提出了一种比无约束自由造型更新颍、更好的算法──参数化实体造型方法。进入90年代，参数化技术逐渐成熟起来，充分体现出其在许多通用件、零部件设计上存在的简便易行的优势。早期应用较为广泛的是CADAM软件，近十年来占据绘图市场主导地位的是 Autodesk公司的AutoCAD软件。下面简要介绍CAD技术的四次技术创新。1）第一次CAD技术革命——曲面造型技术60年代出现的三维CAD系统只是极为简单的线框式系统。这种初期的线框造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息，CAM及CAE均无法实现。进入70年代，飞机和汽车工业蓬勃发展，飞机及汽车制造中遇到了大量的自由曲面问题，当时只能采用多截面视图、特征纬线的方式来近似表达所设计的自由曲面。由于三视图方法表达的不完整性，经常发生设计完成后，制作出来的样品与设计者所想象的有很大差异甚至完全不同的情况。设计者对自己设计的曲面形状能否满足要求也无法保证，所以还经常按比例制作油泥模型，作为设计评审或方案比较的依据。既慢且繁的制作过程大大拖延产了产品的研发时间，对更新设计手段的要求越来越迫切。此时，法国人提出了贝赛尔算法，使得人们在用计算机处理曲线及曲面问题时变得可以操作，同时也使得法国的达索飞机制造公司的开发者们，能在二维绘图系统CADAM的基础上，开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统CATIA。它的出现，标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得CAM技术的开发有了现实的基础。曲面造型系统CATIA为人类带来了第一次CAD技术革命，改变了以往只能借助油泥模型来近似准确表达曲面的落后的工作方式。曲面造型系统带来的技术革新，使汽车开发手段比旧的模式有了质的飞跃，CATIA跃居制造业CAD软件的榜首，一直至今，它还是汽车及飞机制造业选用的主要CAD/CAM系统。2）第二次CAD技术革命——实体造型技术有了表面模型，CAM的问题可以基本解决。但由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、惯性矩等，对CAE十分不利，最大的问题在于分析的前处理特别困难。基于对于CAD/CAE一体化技术发展的探索，SDRC公司于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件──I-DEAS。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。它代表着未来CAD技术的发展方向。基于这样的共识，各软件纷纷仿效。一时间，实体造型技术呼声满天下。可以说，实体造型技术的普及应用标志了CAD发展史上的第二次技术革命。3）第三次CAD技术革命——参数化技术进入80年代中期，CAD技术的研究又有了重大进展。CV公司提出了一种比无约束自由造型更新颍、更好的算法──参数化实体造型方法。从算法来说，这是一种很好的设想。它主要的特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。80年代末，计算机技术迅猛发展，硬件成本大幅度下降，CAD技术的硬件平台成本从二十几万美元一下子降到只需几万美元。一个更加广阔的CAD市场完全展开，很多中小型企业也开始有能力使用CAD技术。由于他们设计的工作量并不大，零件形状也不复杂，他们很自然地把目光投向了Pro/E软件（参数化软件）。进入90年代，参数化技术变得比较成熟起来，充分体现出其在许多通用件、零部件设计上存在的简便易行的优势。可以认为，参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次技术革命。4）第四次CAD技术革命SDRC公司的开发人员发现了参数化技术尚有许多不足之处。“全尺寸约束”这一硬性规定就干扰和制约着设计者创造力及想象力的发挥。全尺寸约束，即设计者在设计初期及全过程中，必须将形状和尺寸联合起来考虑，并且通过尺寸约束来控制形状，通过尺寸的改变来驱动形状的改变，一切以尺寸(即所谓的“参数”)为出发点。一旦所设计的零件形状过于复杂时，面对满屏幕的尺寸，如何改变这些尺寸以达到所需要的形状就很不直观；再者，如在设计中关键形体的拓扑关系发生改变，失去了某些约束的几何特征也会造成系统数据混乱。开发人员以参数化技术为蓝本，提出了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术──变量化技术。从1990-1993年，将软件全部重新改写，于1993年推出了全新体系结构的软件。变量化技术既保持了参数化技术的原有的优点，同时又克服了它的许多不利之处。变量化技术成就了SDRC公司，也驱动了CAD发展的第四次技术创新。三、 CAD技术在我国的应用70年代末，我国计算机应用尚处于萌芽阶段，二维CAD图纸设计是我国最早应用的CAD技术，从80年代初，CAD技术应用经历了"六五"探索，"七五"技术攻关，"八五"普及推广，"九五"深化应用四个阶段。现在CAD技术已经在我国机械制造、建筑工程、轻工化纺、船舶汽车、航空航天、影视广告等领域起到巨大的作用。CAD技术在我国建筑工程业的应用深度和广度与发达国家的差距并不显著，其使用效果比发达国家还好。有我国自主版权的CAD支撑软件及其应用软件已能满足我国企业“甩掉图板”的要求，并已形成了一定的产业规模。CAD技术的广泛应用必将促进人们思想观念、工作模式、生产方式的转变。现在，我国的大多数CAD用户仍然以使用二维绘图为主。四、 CAD技术的发展趋势CAD技术目前已广泛应用于制造业、工程设计、电气和电子电路、仿真模拟和动画制作、轻工、纺织、家电、服装、医疗和医药乃至体育方面。但是在今天，中国的CAD用户特别是初期CAD用户中，二维绘图仍然占有相当大的比重。1．二维设计的难题二维计算机绘图对于普及CAD技术曾经起到了重要的作用，也是对进入更高层次的应用十分必要的技术准备。但是，事实上到现在为止，二维机械CAD技术还没能解决设计中几个重要问题：（1）复杂的投影线生成问题 对于铸锻件毛坯的零件，设计师常常在绘制二维工作图时非常头疼。相贯线和截交线难于画明白，对于某些细节（比如铸件上的一些交叉线上的过渡圆角）不容易在头脑中构思清楚，想用画二维图来辅助求出投影，更难以解决。因此常有这样的事，设计师在新产品试制成功后，对着真零件反过来修改自己的设计图。 （2）漏标尺寸，漏画图线的问题 就是经过几个人的审校，漏标尺寸的事仍时有发生。而且设计师在这个设计中独创的地方越多，审校的人对这个设计的构思越熟悉，漏尺寸、漏图线就越难防止。 （3）机构的几何关系和运动关系的分析讨论问题 如果是平面运动机构，事情还算好一些，即使图上的尺寸位置不太准，总有个有效的定性分析，对于空间运动，就没有好办法了。为了避开这个难题，人们在设计中总是先考虑容易设计的平面机构，而尽量避开空间机构。虽然在许多设计中，明知道空间机构可能会更巧妙，更优化。 （4）设计的更新与修改问题 对于传统的二维设计要更新或修改，就要重新绘图。尤其是多视图零件，在修改设计时，零件的表达和它的有关设计参数无法完全放在一起，当然也没有直接的关联，这些技术资料的保存和更新都十分麻烦。虽然二维图形在AutoCAD中有较方便的修改方法，但是由于是对表达“图线”的修改而不是对设计“概念”的修改，仍然是相当麻烦，相当不可靠的。 （5）设计工程管理问题这里所说的不仅仅是对图纸的管理，还有对设计的管理。一些CAD用得好的单位，已经有几千个DWG文件，而且还在继续增多。这些文件中除了图形信息外，还会有大量的设计参数等非图形信息，它们按装配层次关系有一种复杂而有序的关联。能否将传统设计中的管理模式用在CAD系统中？用二维绘图解决上述问题相当困难。这是因为在二维图的数据结构中，没有足够充分的原始数据，也无法组织和使用这些数据。二维工程图的表达并不是设计构思的完整表达，也不是设计构思的真实表达。这样的图样必须由经过专业训练的人才能读懂，数据的提取必须由读图的人按照许多规则进行解释，才能了解绘图人的意思。就是说，二维工程图的生成和认读，总也离不开“人”。而计算机应用的最终目标就是没有“人”的参与，也能自动分析和使用上游下来的设计数据。2．三维模型的表达方法随着CAD技术的发展，出现了许多种三维模型的表达方法，使得三维CAD技术的应用成为可能。常见的三维模型的表达方法有以下几种：1）构造型立体几何表达法(Constructive Solid Geometry，简称CSG法)它采用布尔运算法则(并、交、减)，将一些简单的三维几何基元(如立方体、圆柱体、环、锥体)加以组合、变化成复杂的三维模型实体，这种方法的优点是，易于控制存储的信息量，所得到的实体真实有效，并且能方便地修改它的形状。此方法的缺点是、可用于产生和修改实体的算法有限，构成图形的计算量很大，比较费时。2）边界表达法(Boundary／Representation，简称Brep)它根据顶点、边和面构成的表面来精确地描述三维模型实体。这种方法的优点是，能快速地绘制立体或线框模型。此方法的缺点是、它的数据是以表格形式出现的，空间占用量大，修改设计不如CGS法简单，例如，要修改实心立方体上的一个简单孔的尺勺，必须先用填实来删除这个孔，然后才能绘制一个新孔；所得到的实体不一定总是真实有效，可能出现错误的孔洞和颠倒现象，描述缺乏唯一性。3）参数表达法(Parameter Representation)对于自由曲面，难于用传统的几何基元来进行描述，可用参数表达法。这些方法借助参数化样条、贝塞尔b(ezier)曲线和 B样条来描述自由曲面，它的每一个X、Y、Z坐标都呈参数化形式。各种参数表达格式的差别仅在于对曲线的控制水平，即局部修改曲线而不影响临近部分的能力，以及建立几何体模型的能力。其中较好的一种是非一致有理 B样条法，它能表达复杂的自由曲面，允许局部修改曲率，能准确地描述几何基元。为了综合以上方法的优点，目前，许多CAD系统常采用 CSG、Brep和参数表达法的组合表达法。4）单元表达法(Cell Representation)单元表达法起源于分析(如有限元分析)软件，在这些软件中，要求将表面离散成单元。典型的单元有三角形、正方形或多边形，在快速成型技术中采用的三角形近似(将三维模型转化成 STL格式文件)，就是一种单元表达法在三维面的应用形式。3．三维设计的意义与CAD技术的发展趋势人们在设计零件时的原始冲动是三维的，是有颜色、材料、硬度、形状、尺寸、位置、相关零件、制造工艺等等关联概念的三维实体，甚至是带有相当复杂的运动关系的三维实体。只是由于以前的手段有限，人们不得不共同约定了在第一象限（美国是第三象限）平行正投影的二维视图表达规则，用有限个相关联的二维投影图表达自己的三维设想。但是，二维绘图在许多情况下，表达信息是不唯一和不完整的，必须不断修正和完善，才能表达清楚。而且它不能完全表述其设计意图，难于完全表现出思维中零部件的材料、形状、尺寸、相关联零件等三维实体。现在的支持软件使得人们能够直接由思维中的三维模型开始设计，有了表达全部几何参数和设计构想的可能，使得整体设计过程能够在三维模型中分析与研究，并能使用统一的数据，因而能够更好地完善其设计思想，从而使设计方案理想化。三维CAD系统中还有三维/二维的全相关性。三维CAD系统中的工程图设计与一般二维设计系统不完全相同，可以直接由三维模型投影而成，从而保证各个试图的正确性，除基本标准的三视图外，还可以生成轴测图、向视图、各种剖视图、局部视图等。在不同的设计环境中，模型都是相互关联的，三维CAD系统中三维/二维的全相关性可以保证设计的修改在三维与二维模型中保持一致。在三维的CAD产品设计中，可以调节渲染所设计产品的一些基本属性，如光源设置，模型属性（颜色、透明度、反射系数等），还可以设置模型的颜色、纹理、反射、景深、阴影等效果，从而达到渲染产品外观的效果。在三维CAD产品设计中，才可能建立充分而完整的统一的设计数据库，并以此为基础，对整体设计或部件进行有限元分析、应力应变分析、质量属性分析、空间运动分析、装配干涉分析、机构仿真、NC控制可加工性分析、准确的二维工程图生成、外观色彩和造型效果评价、商业广告造型与动画生成等一系列的需求。这才是对设计全过程的有效的辅助，这才是有明确技术效果和经济效益的CAD。因此，采用三维设计是设计理念的一种变革，是CAD真正应用的开始。从长远发展观点看，三维CAD技术必然会替代二维CAD绘图。随着微机性能价格比不断提高，随着“网络通讯的普及化”、“信息处理的智能化”、“多媒体技术的实用化”，随着CAD技术的普及应用越来越广泛，越来越深入，CAD技术正向着开放、集成、智能和标准化的方向发展。正确把握CAD技术的发展趋势，对于我国CAD软件行业开发适销对路的产品，对于企业正确选型和规划自身的CAD应用系统，都有非常深远的意义。CA D技术的日趋成熟，微机平台三维CAD软件呈迅猛发展之势。产品设计的最终出路在于三维设计，这是无法回避的。三维CAD技术是CAD应用发展的必然趋势，早日进入三维设计，就会早一天取得更大的经济效益和技术效益。
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