三维CAD软件的发展与应用现状
三维CAD软件的发展与应用现状
杨××
（河北科技师范学院机械电子系，昌黎，066600）
摘要：本文主要介绍了三维CAD软件的产生和发展历程及我国的CAD应用现状。CAD软件发展初期，是以二维绘图为主.随着生产的发展和技术的进步，三维CAD技术逐渐兴起，并经历了四次技术革命，正朝着网络化智能化方向发展。我国三维CAD技术的应用较晚，发展水平有限，但三维CAD技术的应用是大势所趋，高性能三维CAD技术工具的采用,不仅可以改变传统的产品设计生产模式,而且从设计多样性、设计质量、和设计效费比上都能得到质的飞跃。
关键词：参数化技术；三维曲面造型系统；实体造型技术；变量化技术
1 引言
CAD(计算机辅助设计)是随着计算机及其外围设备、计算机软件的迅速发展而形成的一门新兴技术,是电子信息技术与产业工程技术的结晶。CAD技术及其应用程度已成为衡量一个国家科技现代化和现代制造业水平的重要标志。
CAD技术起步于20世纪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。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。随着计算机技术的发展和生产的需要，CAD技术另一个重要分支即直观、形象、快捷、生产率高的三维CAD技术应运而生。三维CAD软件是在60年代出现的，并随着生产力的发展，三维设计软件已经占据了当今CAD软件的主导地位,三维CAD和CAM、CAE紧密结合极大的促进了社会生产力的进步[12]。
2 三维CAD软件的发展历程
自从20世纪50年代CAD技术发展以来,到三维CAD技术的广泛应用,迄今为止，已经历了五次技术革命。
2.1第一次CAD技术革命──曲面造型系统 [5]
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，法国人提出了贝塞尔算法，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，在二维绘图系统CADAM的基础上，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。 2.2第二次CAD技术革命──实体造型技术
70年代末到80年代初，由于计算机技术的大跨步前进，CAE、CAM技术也开始有了较大发展。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。可以说，实体造型技术的普及应用标志CAD发展史上的第二次技术革命。
2.3第三次CAD技术革命——参数化技术
如果说在此之前的造型技术都属于无约束自由造型的话，进入80年代中期，PTC(Parametric Technology Corp.)公司提出了一种比无约束自由造型更新颖、更好的算法──参数化实体造型方法。并开发研制了Pro/E软件，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。Pro/ENGINEER自问世以来，二十余年间已成为全世界最普及的3DCAD/CAM系统。Pro/ENGINEER在今天俨然成为3DCAD/CAM系统的标准软件，广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、自行车、航天、家电、玩具等各行业。Pro/ENGINEER可谓是一个全方位的3D产品开发软件，集成了零件设计、产品装配、模具开发、数控加工、钣金件设计、铸造件设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机构仿真、应力分析、产品数据库管理等功能于一体，其模块众多。
参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次技术革命。
2.4 第四次CAD技术革命─—变量化技术
三维设计参数化技术的成功应用,使它几乎成为CAD业界的标准。SDRC公司在1990年前摸索了几年参数化技术后,提出了一种更为先进的三维设计技术——变量化技术。1993年推出了全新体系结构的I-DEAS Master Series软件。
这一被业界称为21世纪CAD领域具有革命性突破的新技术就是VGX。VGX的全称为Variation Geometry Extended,即超变量化几何。VGX技术扩展了变量化产品结构,允许用户对一个完整的三维数字产品从几何造型、设计过程、特征到设计约束都可以进行实时直接操作。对于设计人员而言,采用VGX,就像拿捏一个真实的零部件面团一样,可以随意塑造其形状,而且,随着设计的深化,VGX可以保留每一个中间设计过程的产品信息。
VGX提供了前所未有的三维变量化控制技术。VGX将两种最佳的造型技术直接几何描述和历史树描述结合起来,从而提供了更为易学易用的特性。设计人员可以针对零件上的任意特征直接进行图形化的编辑、修改,这就使得用户对其三维产品的设计更为直观和实时。用户在一个主模型中,就可以实现动态地捕捉设计、分析和制造的意图。
变量化技术既保持了参数化技术的原有优点,同时又克服了它的许多不足之处。它的成功应用,为三维设计技术的发展提供了更大的空间和机遇。也驱动了三维设计发展史上的第四次技术革命[3][6]。
2.5 第五次技术革命－－行为建模技术[8][9][10]
每个工程师解决问题的方法不尽相同,并且工程师没有足够的时间来研究所有可能的设计解决方案。设想一下,如果您已知道工程师解决问题的方法,之后您让计算机来自动分析所有可能的替代设计,并为您提出最佳设计。
这些问题我们用这样的方案来解决,它把获取产品意图作为工程过程的一个普通零件,并自动建立能满足多个目标的虚拟原型。而且,因为问题和解决方案是在设计中用电子方式获得的,所以系统可以自动解决未来真实的工程问题。
这种独特的解决方案是PTC的Pro/ENGINEER的核心,被称为行为建模技术——第五代CAD技术。行为建模技术是这样一种技术:它通过综合所需的功能行为、设计内容和几何要求来达到设计的完美。通过知识捕捉和交互求解的智能过程,行为建模使工程师追求新颖的设计,并能在需要改动时演示设计功能和设计的稳定性。行为建模工具能够捕捉用户的设计意图,且能自动地建立虚拟模型来满足多个优化目标。行为建模使设计者更为有效地、用更合适的方法解决工程问题。
行为建模技术的强大功能体现在三个方面:智能模型、目标驱动的设计能力和开放的可扩展的开发环境。智能模型可捕捉设计和过程中的智能信息,以及定义产品所要求的工程规则范围。目标驱动的设计能力可对设计进行优化以达到多重目标,并可随市场而改变。一个开放的设计环境使企业能在统一的工程过程中集成多种设计开发手段[6][7]。
行为建模包括下面几个方面的内容:构造设计、灵敏度分析、可行性分析、优化设计、多目标设计和用户自定义特征等。
通过Pro/ENGINEER的“Behavioral Modeler”(行为建模器),设计工程师从而可以迅速地抓住设计理念,定义好设计参数,规划出最佳的解决方案,因此不必要浪费大量的时间在重复操作和计算分析上,这样可以在短时间内由计算机计算出最佳解。如设计一个高度不变的水杯,在容积大小要求改变时,系统可以轻易求解出设变后的直径。同时它能使零件自适应地进行目标追踪,如凸轮轴力求保持动平衡;集装箱争取保持正确的容积;机械装置自适应寻求性能与间隙目标的最佳配合等。
3 三维CAD软件的应用现状
3.1 企业内存在的CAD问题[11][12]
如果让我们调查一下国内企业中CAD的应用，会得出如下结论，很多所谓CAD应用很好的企业，也只是做到用手工出图转变为计算机出图的现状，当然计算机出图是有很多优点的，漂亮、规范、修改容易、存档方便等。但是如果我们只是停留在这个阶段，就失去了CAD的作用，因为CAD是辅助设计，不是辅助绘图。既然是设计就不但想到产品的机械模型，还应想到产品的结构分析、运动机构分析和生产加工处理等，只有这样才能真正发挥CAD的作用。如果真正做到这一点，单凭二维设计是不够的，虽然传统的制图方法是通过二维视图来描述三维实体，但这种描述做不到进一步的结构分析、运动机构分析和数控加工，不能真正做到生产的自动化，更有甚者，二维视图的描述经常出现二意性和理解错误，因为人们只是按着一些规定在想象三维的模样，限于这种描述方法的缺陷，必须找到更先进的、更合理的三维设计手段，使CAD、CAM、CAE以及PDM融为一体。当然这个目标要有一个过程，但现在我们必须明确。
其实，很早就有了先进的解决办法，那就是采用在图形工作站上使用三维CAD软件，只所以采用工作站是因为当时的微机还不能胜任这项工作，也确实有很多企业看到这种先机，于是不论系统是多么昂贵，不惜血本买进大量的工作站系统，事隔几年，一些企业叫苦不迭，因为血本并未带回效益。但回过头来看，我们发现，这种思想是对的，只是这个想法未变成现实，因为买来的工作站系统在闲置，一个静止的机器怎能去创造效益呢？
究其原因有很多，但最主要的原因是工作站上的系统软件和CAD软件使用起来太复杂，并不能使每个设计人员都能掌握，因此，一旦熟悉操作、使用的（经过培训）技术人员流失，系统马上进入瘫痪，再培养人员是几年以后的事情，转眼到了系统该更新的时候了。是否是我们的设计人员水平低呢？不是，我们的设计水平是够的，是我们的CAD系统太复杂了，不可能在有限的时间内让技术人员既精通本专业，又精通另外的计算机专业。所以必须使系统软件和CAD软件的使用更简单更容易，只有这样CAD才能真正得到普及，这也是CAD产业发展、普及的一个方面。有很多CAD厂商确实看到了这一点，也是这么做的，比如Solid works软件就是一个很好的例子。
现在企业有了新的契机，因为现在的计算机系统不用昂贵的工作站做平台，用很便宜的微机平台就可以达到目的，而微机平台上的操作系统软件正在标准化、即采用操作简单的WINDOWS，上面的CAD三维软件功能与工作站上的软件功能相当，但使用却简单的多，相对而言三维CAD软件的价格也便宜的多，企业不用动用很多的资金就可以实现自己的梦想了，所以真正的三维CAD时代已经来临。
3.2 三维设计软件的广泛应用是大势所趋[13][14]
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。CAD技术在我国机械行业应用较早，并得到迅速发展，取得一批重要应用成果。
近年来,随着我国制造业信息化步伐的加快,微机CAD软件在国内企业中的应用不仅蓬勃而起,同时很多企业也出现了更高程度的CAD使用要求,三维CAD软件在设计中的作用越来越明显,需求也随之加大。据国家ＣＡＤ应用办公室对全国237家ＣＡＤ应用工程示范企业做了调查后发现,CAD技术应用发展的趋势之一,已从二维绘图逐渐向三维设计过渡。1998年,在上述企业中有57%的企业不同程度的应用到了三维设计,而2001年这一数字已上升到了69%。
国内企业在完成CAD绘图以后,二维向三维转化已是大势所趋,因为高性能三维CAD技术工具的采用,不仅可以改变传统的产品设计生产的模式,从设计多样性、设计质量、和设计效费比上得到质的飞跃,而且掌握三维CAD软件技术,将有助于打破某些技术垄断,从而使国内企业摆脱国外“制造车间”的尴尬局面,有能力进行各种创新设计。
4 结束语[5]
三维CAD技术不仅大幅度提高设计效率和产品质量，改善劳动条件，更为重要的是它已成为现代工业中必不可少的主要技术手段。随着微机三维CAD/CAM系统的日趋完善及Window操作平台的普及和微机性能价格比的不断提高，三维CAD技术在诸多领域的实际生产中将发挥越来越大的作用。并且三维设计技术将朝着网络化,集成化,智能化方向发展。
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The present application situation and development of the three dimensions CAD software
Yang Zhiguo
(Dept. of Machinery and Electron, Hebei Normal University of Science & Technology, Changli, 066600)
Abstract: The appearance and development course of three dimensions CAD software and our country CAD's present application situation are introduced in this article. In the early days for CAD software, the two dimension mapping is priority. With the manufacture development and technique improvement three CAD's technique is spring up one by one .It undergoes four technological revolutions and is developing towards the network and intelligence orientation .The application of Three dimensions CAD's technique in our country is late , and the level is low. However, the trend of the three CAD's technique applications is obesity. With the application of the high performance three dimensions CAD’s technique tools, not only the tradition pattern of the product design manufacture may be revised , the design diversified quality , design quality and the design expense contrasts will obtain qualitative leap.
Key words: parameterization technique; three dimensions camber mold making systems; solid modeling technique; variable technique
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