机械CAD的应用及发展前景
摘要：本文回顾了机械CAD的发展历史，将CAD的发展历史分为五个阶段，介绍了我国CAD的应用现状，它在我国应用中存在的问题，探寻了CAD在我国的发展趋势和应用新思路，那就是向着智能化、集成化等方面发展的心思路。
关键词：机械CAD；集成化；智能化；发展趋势
一、引言
随着科技的发展，CAD技术已经广泛应用到我们的科研与教学等等方面，那么什么是CAD技术呢？CAD技术是设计人员在CAD系统的辅助下,根据产品的设计程序进行设计的一项新技术,是随着电子技术和计算机技术的发展而逐步发展起来的,它具有工程及产品的分析计算、几何建模、仿真与试验、绘制图形、工程数据库的管理、生成设计文件等功能【1】。机械CAD 即是CAD 技术在机械设计中具体运用的产物,是一项综合高新技术,该技术的运用和发展,正在引发一场深刻的产品设计的技术革命。
总的来说，它的发展可以分为五个阶段:
第一阶段—初始准备阶段，1959年12月在MIT召开的一次计划会议上,明确提出了CAD的概念。
第二阶段—研制实验阶段，1962年,美国学者I.E.Sutherland发表了“人机对话图形通信系统”的论文,并研制出了SKETCHPAD系统,第一次实现了人机交互的设计方法。1964年美国通用汽车公司和IBM公司成功开发了用于汽车前玻璃线性设计的DAC-I系统【1】。此后CAD在世界范围内得到迅速而全面的发展。
第三阶段—技术商品化阶段，20世纪70年代, CAD技术进入了大多工程和产品设计的领域。
第四阶段—高速发展阶段，20世纪80年代是CAD技术的高速发展阶段。在此期间，由于科学技术
的迅速发展，超大规模集成电路的出现是计算机的成本大幅度下降，计算机硬件和软件的功能都达到了新的水平，加之价格大大下降，使CAD的硬件配置和软件开发适应于中、小型企业的承受能力，打破了CAD 技术被大企业垄断的局面。其中。Autoddesk公司自1982年推出微机辅助设计与绘图软件系统AutoCAD以来，多次更新版本，改善功能，在世界范围内有较大的影响。
第五阶段—全面普及阶段，20世纪90年代, CAD开始在设计领域全面普及,成为工程界重要的设计工具。
我国制造业与发达国家尚有一定的差距,主要表现在产品设计开发方法和技术手段的落后,无法及时开发出市场需要的、具有创新性和独特性的新产品。CAD技术能够有效提高技术水平和工作质量, CAD技术是一种工具,一旦员工掌握了它,就可以从繁琐的工作中解放出来。如利用CAD设计分析产品后,可使产品设计更合理,提高工效,增加了企业新产品的开发能力,提高了企业的竞争力,真正体现了先进设计手段的作用。CAD技术也便于设计人员熟练掌握,通过使用先进设计软件,既培养了人才,也稳定了人才。应用CAD技术起到了提高机械制造企业的设计效率,优化设计方案,减轻技术人员的劳动强度,缩短设计周期,加强设计的标准化等用,为企业实现设计现代化提供了支持。加入WTO后,我国制造企业急需提高核心竞争力,而CAD技术的有效使用必然会有助于企业核心竞争力的提升,创造竞争优势。
二、机械CAD在我国的应用现状与问题
CAD技术是随着电子技术和计算机技术的发展而逐步发展起来的,它具有工程及产品的分析计算、几何建模、仿真与试验、绘制图形,工程数据库的管理,生成设计文件等功能。经过四十多年的努力,CAD技术的广泛应用已经引起了一场工程设计领域中的技术革命,特别是近二十年来,由于计算机硬件性能的不断提高,CAD技术有了大规模的发展,目前CAD技术已经应用于许多行业,如机械,汽车,飞机,船舶,电子,轻工,建筑,化工,纺织及服装等,CAD技术应用于机械类产品设计的比例最大,机械CAD在整个工程CAD中占有比较重要的地位。应用CAD技术起到了提高机械制造企业的设计效率，优化了设计方案，减轻技术人员的劳动强度，缩短设计周期，加强设计的标准化等作用，为企业实现设计现代化提供了支持。
我国在CAD技术的研究、开发和推广上取得了较大的进展,但与工业发达国家相比,在应用或开发的广度和深度上还存在着很大的差距,国内的CAD软件功能单一,集成化程度低、性能稳定性差,缺乏竞争力, 其商品化程度低, 难以进入市场。CAD系统仅仅是图板的代替品, 设计人员借助CAD来摆脱传统的手工制图, CAD 系统的深层次应用不到位,在制造业领域、真正用CAD技术进行产品设计的比例不高,这些都制约了CAD技术在我国机械制造业中发挥更大作用。
三、机械CAD的发展趋势与新思路
3.1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。
传统形式的手画工程图已经有了成熟的国际标准，相互都能理解。而存储在磁盘、光盘上的形形色色的CAD二进制数字记录，要想实现标准化就复杂、困难得多。从80年代中期起，ISO国际标准化组织着手酝酿制订这类标准，称作ISO10303《产品数据表达与交换标准》，简称STEP【13】。它要涵盖所有人工设计的产品，采用统一的数字化定义方法。由于STEP标准涉及的面非常宽，众口难调，标准的制定过程十分缓慢，存在问题很多。而在我国，CAD应用工程的实施具有更加严密的组织领导体系，而且实际从事CAD应用软件开发的单位相对比较集中，起步比国外晚，不存在要与过去开发的老系统保持兼容问题。如果我国采取主动贯彻STEP积极思想的方针，不纠缠于过分繁琐的技术细节，针对我国的现实需要和技术发展前景，及早统一协调自主开发软件的数据模型，这将有助于推动国内CAD界的学术研究风气，促进CAD软件开发水平的大幅度提高。这种主动出击的策略要比单纯等待STEP标准草案一版一版更新有利得多。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。
CAD软件一般应集成在一个异构的工作平台之上，为了支持异构跨平台的环境，就要求它应是一个开放的系统，这里主要是靠标准化技术来解决这个问题。
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，这已经成为进一步制定标准的障碍。因此提出应对传统的标准化工作进行革新。有专家建议标准革新的目标是公用标准应变成工业标准，也就是说革新后仍应以公用标准为基础，不过要从工业标准中吸收其注重经济利益和效率的优点。另外，也有人提出现在制定标准的单位很多，但是标准制定过程却没有标准，这也是标准革新过程中值得考虑的问题。这些观点对我国制定CAD标准也许有所启迪。
3.2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。
3.3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。
国际CAD商品系统开发的另一个趋势是在全球范围内优选最成功的功能构件，进行集成。至今最成熟的几何造型平台有两家：Parasolid和ACIS；几何约束求解构件有一家，它的主要产品是2D和3D DCM【12】。我国开发的机械CAD应用系统已经部分采用ACIS和Parasolid平台，这是合理的。但是国际上近来又有一种思潮，要求软件开发自由化，以免受制于一、二家公司垄断性产品的束缚。这就是选用Linux操作系统以及在它基础上开发各种共享软件，开放源程序。我国也在酝酿自主开发因特网、操作系统、以及各种办公的国产化系统。这时，自研制几何造型通用平台和各种功能构件也将提上议事日程，我们要及早做好准备。
3.4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。从人类认识和思维的模型来看，现有的人工智能技术对模拟人类的思维活动（包括形象思维、抽象思维和创造性思维等多种形式）往往是束手无策的。因此，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、结论
CAD技术的发展可以更好地帮助完成设计工作,提高产品开发的创新能力,降低成本。我国全面入世后,市场竞争更加剧烈,为了提高产品质量,缩短产品开发周期,提高经济效益,企业对CAD技术的需求更为迫切,只有正确把握CAD技术发展的趋势,才能逐步缩短与国外的差距,研发出代表世界先进水平的机械CAD软件,使工程设计实现自动化,进一步降低企业成本,提高工作效率,赢得市场竞争主动权,积极参与国际市场竞争,提高企业自身竞争力。在科学技术日新月异的今天，机械CAD已经大张旗鼓的进入了我们的机械行业，相信如果机械CAD按照我们的设想向智能，集成等方面发展，那么它的应用潜能将无可限量。
五、致谢
在论文编写中承蒙刘长荣、郑玉才等老师的大力帮助,谨以此篇幅感谢两位恩师的指导的支持，谢谢你们。
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