制造业信息化背景知识培训材料
制造业信息化背景知识
企业信息化知识
随着市场竞争的加剧我国制造业面临新的挑战。如何以最快的上市速度（T-Time to Market），最好的质量（Q－Quality），最低的成本（C－Cost），最优的服务（S-Service）及最清洁的环境（E-Environment）来满足不同客户对产品的要求，以及企业如何能够保持可持续发展，是我国制造业企业所面临的新难题。解决这些难题的有效方法就是采用将制造技术和信息技术、自动化技术、现代管理技术与系统技术有机融合而形成新一代先进制造技术
企业信息化建设的实质在于增强企业核心竞争力，计算机技术的发展给传统信息的处理工作带来了革命性的变化，同时给传统管理带来了很大的冲击，企业信息化建设的核心在于建立企业知识共享的基架，并按照计算机管理的特点重组企业的业务流程，这一切将对企业的管理带来革命性的变化。
1．企业信息化的定义
企业信息化：即挖掘先进的管理理念，应用先进的计算机网络技术去整合企业现有的生产、经营、设计、制造、管理，及时地为企业的“三层决策”系统（战术层、战略层、决策层）提供准确而有效的数据信息，以便对需求做出迅速的反应，其本质是加强企业的“核心竞争力”。
2．企业信息化的内涵
1）目标：企业进行信息化建设的目的是“增强企业的核心竞争力”。
2）手段：计算机软件和网络技术。
3）涉及的部门：企业的各个部门，包括：企业的生产、经营、设计、制造、管理等职能部门。
4）支持层：高级经理层（决策层）、中间管理层（战略层）、基础业务层（战术层）。
5）功能：进行信息的收集、传输、加工、存储、更新和维护。
6）组成：企业信息化是一个人机合一的系统，包括人、计算机网络硬件、系统平台、数据库平台、通用软件、应用软件、终端设备（如数控机床等）。
3．企业信息化的外延
1）企业信息化的基础是企业的管理和运行模式，而不是计算机网络技术本身，其中的计算机网络技术仅仅是企业信息化的实现手段。
2）企业信息化建设的概念是发展的，它随着管理理念、实现手段等因素的发展而发展。
3）企业信息化是一项集成技术：企业建设信息化的关键点在于信息的集成和共享，即实现将关键的准确的数据及时的传输的相应的决策人的手中，为企业的运作决策提供数据。
4）企业信息化是一个系统工程：企业的信息化建设是一个人机合一的有层次的系统工程，包括企业领导和员工理念的信息化；企业决策、组织管理信息化；企业经营手段信息化；设计、加工应用信息化。
5）企业信息化的实现是一个过程：包含了人才培养、咨询服务、方案设计、设备采购、网络建设、软件选型、应用培训、二次开发等过程。
4．企业信息化的分类
信息化可分为：城市信息化、政府信息化、企业信息化、教育信息化等。
而企业的信息化建设可以按照不同的分类方式，常用的分类方式有按照行业、企业运营模式和企业的应用深度等进行分类。
按所处行业分：制造业信息化、商业信息化、金融业信息化、服务业务信息化等。
按照企业的运营模式：离散型企业的信息化和流程型企业的信息化。
5．企业信息化的内容
企业信息化建设包括：网络平台建设、信息资源建设、应用系统建设三大部分。
企业信息化在应用层可分为如下一些主要系统：
（1）工程设计系统；
（2）生产制造系统；
（3）企业经营系统；
（4）办公自动化系统；
（5）企业供应链系统；
（6）企业电子商务系统。
所有系统要建立在“计算机通信网络平台”之上，并要配有网络资源管理系统和信息安全监控系统。
6．企业级信息化的特点
企业级的信息化不同与科室/部门的信息化系统，其具有以下特点：
（1）必须建立企业网络平台
（2）要实现跨平台的信息共享与大范围的协作；
（3）要实现企业级的信息集成；
（4）要实现企业与Internet的连接；
（5）要解决好开放与安全、管理方面的问题；
（6）长期性、发展性
7．企业信息化的层次
企业信息化是一个发展的问题，同时也是一个层次问题，根据企业信息化的不同的集成度，可将企业的信息化分为：
1）单元技术
2）技术部门集成
3）企业内部集成
4）动态联盟集成
此外还可分为
1）数据集成
2）知识集成
3）人的集成
8．企业信息化的意义
从宏观上看，企业的信息化建设：
1）增强国家经济的可持续性快速发展，增强国家的综合实力；
2）有利于迎接加入WTO后的挑战，适应国际化竞争。加入WTO以后，企业将更直接地面对国际竞争的挑战，在全球知识经济和信息化高速发展的今天，信息化是决定企业成败的关键因素，也是企业实现跨地区、跨行业、跨所有制，特别是跨国经营的重要前提。
3）有利于实现国有企业改革与脱困目标。
4）有利于抓住新世纪的良好发展机遇。我们正处在知识经济迅速崛起，全球信息化迅速发展的时代。对信息的采集、共享、利用和传播，不仅成为决定企业竞争力的关键因素，也成为决定国家生产力水平和经济增长的关键因素。
5）现代信息技术的迅速发展，为我们开发和利用信息提供了有力的技术支持。只有实现信息化,企业才有可能抓住机遇，实现健康发展。
6）企业信息化实现企业全部生产经营活动的运营自动化、管理网络化、决策智能化。其中，运营自动化是基础，决策智能化是顶峰。
7）增加企业间的技术流通，总体提升整个行业的技术水平；
从中观上而言，企业信息化可以为企业带来：
1）有利于增强企业的核心竞争力，适应市场化竞争的要求。
2）有利于理顺和提高企业的管理，实现管理的井井有条；
3）提高设计效率，缩短设计周期，保证设计质量；
4）降低企业的库存，节约占用资金，节约生产材料，降低生产成本；
5）缩短企业的服务时间和提高企业的客户满意度，并可及时的获取客户需求，实现按订单生产；
6）加速资金流在企业内部和企业间的流动速率，实现资金的快速重复有效的利用；
7）加速信息流在企业内部和企业间的流动；
8）加速知识在企业中的传播，实现现有知识的及时更新和应用；
从微观上看，企业信息化可以为使用人员带来：
1）降低技术人才的劳动强度，用计算机实现繁杂、重复的简单体力劳动，从而提升技术人才的脑力价值；
2）可以改善职工的工作环境；
企业信息化的相关技术
计算机辅助设计（CAD）
计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）是用计算机系统协助产生、修改、分析和优化设计的技术。随着Internet/Intranet网络和并行、高性能计算及事务处理的普及，异地、协同、虚拟设计及实时仿真也得到了广泛应用。
CAD作为信息技术的一个重要组成部分，将计算机高速、海量数据存储及处理和挖掘能力与人的综合分析及创造性思维能力结合起来，对加速工程和产品的开发、缩短设计制造周期、提高质量、降低成本、增强企业市场竞争能力与创新能力发挥着重要作用。无论是军事工业还是民用工业，无论是建筑行业还是制造加工业，无论是机械、电子、轻纺产品，还是文体、影视广告制作都离不开CAD技术。CAD技术是企业信息化的重要技术基础，也是
企业进入国际市场的入场券。
CAD，如果从美国麻省理工学院（MIT）旋风I号所配的图形系统算起，迄今已有50年；若以MIT林肯实验室的I.E. Sutherland发表的人机通信的图形系统博士论文为开始，也有36年的历史了。CAD技术经过近半个世纪的发展，在理论、技术、系统和应用等方面都有了长足的进步。
CAD技术的发展
自从50年代CAD技术发展以来，到今天的广泛应用，此间经历了几次大的技术性革命，历述如下：
第一次CAD技术革命——曲面造型系统
60年代出现的三维CAD系统只是简单的线框式系统，它只能表达基本的几何信息，不能有效地表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息，CAE及CAM均无法实现。
进入70年代，正值飞机和汽车工业蓬勃发展的时期。，此间飞机及汽车制造中遇到的大量的自由曲面问题，在当时只能用多截面视图和特征纬线的方式来进行表达。由于三视图方法表达的不完整性以及工业上的应用的需求的推动，此时法国人提出了贝赛尔算法使得用计算机处理曲线及曲面问题变的可行。同时，法国达索飞机制造公司也基于此算法，在二维绘图系统CADAM的基础上，开发出以表面模型为特点的三维造型系统CATIA。CATIA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技术的开发有了实现的基础。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表达曲面的工作方式。
在这个时期，CAD技术价格极其昂贵，软件商品化程度也很低。只有少数几家受到国
家财政支持的军火商，在70年代冷战时期才有条件独立开发或依托某厂商发展CAD技术。例如：
CADAM由美国洛克希德(Lochheed)公司支持
CALMA——由美国通用电气(GE)公司支持
CV——由美国波音(Boeing)公司支持
IDEAS——由美国国家航空及宇航局(NASA)支持
UG——由美国麦道(MD)公司开发
CATIA——由法国达索(Dassault)公司支持
这时的CAD技术主要应用于军用工业。同时一些民用主干工业，如汽车巨人也开始开发一些曲面系统为自己服务，如：
SURP——大众汽车公司
PDGS——福特汽车公司
EUCLID——雷诺汽车公司
另外丰田和通用等汽车公司也开发了自己的CAD系统但由于无军方支持，开发经费及经验不足，其开发出来的软件商品化程度较军方支持的系统要低，功能覆盖面和软件水平亦相差较大。
第二次CAD技术革命——曲面造型技术
80年代初，CAD系统的价格依然令一般企业望而却步。这使得CAD技术无法拥有更广阔的市场。为使自己的产品更有特色，以CV、SDRC、UG为代表的系统开始朝各自的发展方向前进。70年代末到80年代初，由于计算机技术的大跨步前进，CAD、CAM技术也开始有了较大发展。SDRC公司在当时星球大战的背景下，由美国宇航局支持及合作，开发出了许多分析模块，用以降低巨大的太空实验费用，同时在CAD技术方面也进行了许多开
拓；UG则着在曲面技术的基础上发展CAM技术，用以满足麦道飞机零部件的加工需求；CV 和CALMV则将主要精力都方在CAD 市场份额的争夺上。
尽管有了表面模型，CAM的问题可以基本解决。但由于表面模型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，一时间实体造型技术呼声满天下。可以说，实体造型技术的扑几应普及应用标志着CAD发展史上的第二次技术革命。
实体造型技术带来了算发改进和未来发展的希望的同时，也带来了数据计算量的极度膨胀。因此，在当时的硬件条件下，实体造形的计算及显示速度很慢，在实际应用中作设计显的很勉强。由于以实体模型为基础的CAE本身就属于高层次技术，普及面窄；另外，在算法和系统效率的矛盾面前,许多赞成实体造型技术的公司并没有下大力气去开发它，而是转去开发相对容易的表面造型技术，各公司的技术因此再度分道扬镳，实体造型技术因此没能在整个行业迅速推广。推动此次技术革命的SDRC公司也与幸运之神擦肩而过，失去了一次大发展的机会。在此后的十年里，随着硬件性能的提高，实体造型技术又逐渐为众多CAD 系统所采用。
在这段技术跌宕起伏的时期，CV公司最先在曲面算发上取得突破，计算速度提高很大。由于CV提出集成各种软件，为企业提供全方解决的思路，并采取了将软件的运行平台向价格较低的小型机转移等有利措施，一举成为CAD领域的领导者，市场份额上升到第一位，兼并了CALMA公司，实力迅速膨胀。
第三次CAD技术革命——参数化技术
正当CV公司业绩蒸蒸日上以及实体造型技术逐渐普及之时，CAD技术的研究又重大发展。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，CV公司内部以高级副总裁为首的一批人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，这种算法主要有以下特点：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。
当时的参数化技术还有很多技术难点有待攻克，CV公司内部也就是否投资参数化技术展开激烈争论。由于参数化技术核心算法与以往系统有本质差别，若采用参数化技术，势必要将全部软件重写，投资及工作量将非常惊人。另一点就是，当时技术主要用于航空和汽车工业，参数化技术还不能为这些工业中所需的大量自由曲面提供有效的工具，更何况当时CV软件在市场、上呈供不应求之势。因此，CV公司内部否决了参数化方案。
策划参数化技术的这些人在新是想无法实现的情况下集体离开了CV公司，令成立了一家参数化技术公司（Parametric Technology Corp. PTC）,开始研制名为Pro/ENGINEER 的参数化软件。早期的Pro/ENGINEER软件性能很低，只能完成简单的工作，但由于第一次实现了尺寸驱动零件设计修改，使人们看到了它给设计者带来的方便性。
80年代末，计算机技术迅猛发展，硬件成本大幅度下降，CAD技术硬件凭台成本从二十几万元降到几万美元，很多中小企业也开始有能力使用CAD技术。由于它们的设计工作量并不大，零件形状也不复杂，更重要的是他们无钱投资大型高档软件，因此他们把目光投向了中低档的Pro/ENGINEER软件。PTC也正是因为瞄准了这一中档市场，才迎合了众多中小企业在CAD上的需求，一举取得成功。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。踌躇满志的PTC也因此先行挤占了低端AutoCAD市场，以致于在几乎所有、CAD公司的营业额都在呈上升
趋势的情况下，Autodesk公司的营业额却增长缓慢，市场排名连续下挫。继而，PTC公司又试图进入高端CAD市场，与CATIA、SDRC、CV、UG等群雄在汽车及飞机制造业市场逐鹿。目前，PTC在CAD市场份额排名已名列前茅。可以说，参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次技术革命。
第四次CAD技术革命——变量化技术
参数化技术的成功应用，使它几乎成为CAD业界的标准，许多软件厂商纷纷起步赶。但是技术理论上的认可并非意味、着实践上的可行性。由于CATIA、CV、UG、EDCLID都在原来的非参数化模型的基础上开发集成了许多其它应用软件，包括CAM、PIPING和CAE 接口等，在CAD方面也做了许多应用模块开发；重新开发一套完全参数化的造型系统将花费很大的人力财力。因此他们采用的参数化系统基本上是在原有模型基础上进行局部、小块的修补。考虑到这种“参数化技术”的不完整性以及需要很长的过渡时期，CV、CATIA、UG在推出自己的参数技术以后，均宣称自己是采用复合建模技术，并强调复合建模技术的优越性。
这种复合建模技术，并非完全基于实体，难以全面应用参数化技术。由于参数化技术和非参数化技术内核有本质不同用参数化技术造型后进入非参数化系统后还要进行内部卷转换，才能被系统接受，而大量的转换极易导致数据丢失或其它不利条件。这养的系统由于在参数化和非参数化两方面都不占优势，系统整体竞争力不高，只能依靠某些实用性模块上的特殊能力来增强竞争力。
SDRC公司在1990前摸索了几年参数化技术后，也面临着同样的抉择：是同样采用逐步修补的方式，继续将其I-DEAS软件参数化下去，还是全部改写。SDRC的开发人员积数年的参数化研究经验，发现参数化技术有许多不足。首先，全尺寸约束的硬性规定干扰和制约着设计者创造力和想象力的发挥；其次，如在设计中关键的拓扑关系发生改变，失去了某
些约束特征也会造成系统数据混乱。
基于以上的原因，SDRC的开发人员大胆地提出了一种更为先进的实体造型技术——变量化技术，作为今后的开发方向。SDRC的决策者们同意了该方案，并决定从根本上解决这一问题。从1990年到1993年，SDRC公司投资一亿美元，于1993年推出了全新体系结构的I-DEAS Master Series软件。在早期的大型CAD软件中，这是唯一一家在90年代将软件彻底从写的厂家。
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CAD技术的发展提供了更大得空间和机遇。SDRC几年来业务的快速增长，证明了它走的这条充满风险的研发道路是正确的。截止到去年，SDRC的市场排名已由I-DEAS MS1发布时的第九名，上升至第三位。无疑，变量化技术成就了SDRC，也驱动了CAD发展史上的第四次技术革命。
CAD技术的构成
1．用户接口
用户是通过用户接口使用CAD系统的，早期的计算机使用字符式的用户接口（SUI），进入70年代，人们开始研究图形用户接口（GUI）。1984年，Apple公司开发的Macintosh 使GUI演变成窗口系统，并成为PC机上的主流。进入90年代，随着网络、多媒体技术的广泛应用，网络用户接口（NUI）和多媒体用户接口（MUI）已成为CAD系统的主导界面。工作站CAD系统基本采用Motif作为其用户接口。
2．图形标准
70年代初，为降低CAD软件的成本，研究人员提出了研发与设备无关的图形软件。1974年，在美国国家标准化局（ANSI）举行的ACM SIGGRAPH——一个“与机器无关的图形技术”的工作会议上就提出了制定图形标准的问题，并于1977年提出了“核心图形
系统”（CGS）标准文本。随后，ISO发布了计算机图形接口（CGI）、计算机图形元文件标准（CGM）、计算机图形核心系统（GKS）、程序员层次交互式图形系统PHIGS等国际标准文本。在产品数据交换方面，70年代末，美国CAM I提出了初始化图形标准IGES、产品数据定义接口PDDI、产品数据交换规范PDES。90年代，ISO批准了将产品模型数据交换标准STEP作为国际标准。STEP的应用对CAD相应单元技术及系统的集成起到了积极作用。
3．工程绘图
计算机辅助绘制工程图纸是CAD应用最早、最成功的领域。从70年代中期开始，这一技术就经历了以下几个阶段：
被动绘图用计算机解释执行绘图指令，在绘图仪上输出相应的图纸；
交互绘图用户用交互工具反复修改显示屏幕上的图形，直到满意为止，最后成功地输出相应的工程图纸；
参数化绘图用户不必输入图纸上的图形元素（如直线、圆弧、字符、标注等），而是输入设计零部件的参数，由CAD系统自动地输出相应零部件的工程图纸；
智能绘图在参数化绘图的基础上把工程绘图的相应规则和规定做成知识规则库，在相应专家系统的引导下，可以拟人化地自动输出某些专业工程图纸或产品、工程设计方案图。
针对企业内旧图纸输入计算机的问题，90年代时，国内外不少单位进行了工程图纸扫描输入和自动识别重建技术与系统的研究开发，但由于识别和重构理论还没有真正突破，相应的系统还在试用中。
4．数字建模
(1) 线框、曲面建模
数字建模是用计算机表示实际的或假想的形体和景物的技术，是CAD的基础和核心，
涉及到线框、曲面、实体和特征建模。由于用计算机处理几何信息存在表示误差和计算误差，使这个在CAD中相对古老又复杂的领域，至今仍有许多尚未解决的难题。从1963年佛格森（Ferguson）将曲线曲面表示成参数矢量函数形式开始，线框、曲面建模经历了如下发展阶段：
1963年佛格森（Ferguson）将曲线曲面表示成参数矢量函数形式；
1964年孔斯（Coons）用封闭曲线的四条边界定义一块曲面；
1971年贝塞尔（Bezier）发表了一种用控制多边形定义曲线和曲面的方法；
1972年德布尔（De Boor）给出了B样条的标准计算方法；
1974年戈登（Gordon）和里森费尔德（Riesenfeld）将B样条理论用于形状描述，提出了B样条曲线、曲面；
1975年佛斯普里尔（Versprill）在其博士论文中提出了有理B样条方法；
20世纪80年代后期皮格尔（Piegl）和蒂勒（Tiller）将有理B样条发展成非均匀有理B样条（NURBS）方法，并成为当前自由曲线和曲面描述的最广为流行的技术。用NURBS 可统一表示初等解析曲线和曲面以及有理与非有理Bezier、非有理B样条曲线和曲面。
(2) 实体建模
由于线框和曲面建模不能表示出形体内部的状况，不能支持形体的优化设计等应用，60年代末，美国和英国都分别进行了实体造型技术与系统的研发。美国罗切斯特大学1972年开始PADL实体造型系统的研究，并于1976年和1982年分别推出PADL1版及PADL2版；英国Shape Data公司也在70年代初推出了Romulus实体造型系统。80年代，国际上实体造型系统有十几种，但迄今仍有影响的是：Pro/Engineer、CATIA、IDEAS、Parasolid 和ACIS，其中Parasolid和ACIS作为实体造型的内核已支持许多最终用户在其上开发出适合不同应用目的的商业版实体造型系统，如SolidEdge、Solidwork、MDT等。实体造型
常用的表示形式有构造的实体几何（CSG）表示、边界表示（BRep）和扫描表示，其中最关键的运算有形体的求交运算、集合运算和欧拉操作。
(3) 特征建模
特征建模又称为特征造型。特征造型是建立形体的产品信息模型，以支持设计和制造全过程，实现CAD/CAM集成的一种新兴造型技术。形体的产品信息模型包括几何拓扑信息和非几何信息，如形状、公差、材料、制造过程的工艺规则以及相应的成本等。特征是对产品的一组特定属性的描写，它们反映了一个实际零件或部件的特定几何形状和特定加工要求，为设计人员和其他系统提供了更高层次的设计概念与手段。
特征造型技术是80年代末兴起的。两方面的因素导致了它的出现与应用。一方面，传统的实体造型技术是建立在几何表示和操作之上的，低层次的、无应用含义的几何操作与设计人员高层次的设计要领产生了矛盾；另一方面，近10年间，CIMS技术得到了长足发展，这就要求传统的造型系统除了满足自身信息的完备性之外，还必须为其他系统，包括CAPP、CAM等提供反映设计人员意图的非几何信息，如公差、材料等。
为了适应计算机动画制作，以及直接反映物体运动和变化规律，基于物理定律的建模技术与系统近10年来有了长足的发展。用于表示像山峦、树木、草丛、云雾等不规则形体的造型技术与系统，如分数维造型、基于文法的造型和粒子系统，从80年代开始研究，现在已达到实用水平。
5．参数化设计
在新产品的研制过程中，约70％～80％的成本耗费于设计阶段。因此，如何开发和研究先进的设计方法与工具，以提高产品设计的效率就显得至关重要。人工智能学研究认为，设计问题是约束满足问题（Constraint Satisfaction Problem，CSP），即给定功能、结构、材料及制造等方面的约束描述，求得设计对象的细节。
参数化设计的关键是几何约束关系的提取和表达、几何约束的求解以及参数化几何模型的构造。70年代末及80年代初，英国剑桥大学的R.C.Hillyard和美国MIT大学的D.C.Gossard等率先将参数化设计用于CAD中；1985年，美国PTC公司首先推出参数化CAD系统Pro/Engineer。目前，二维参数化设计技术已发展得较为成熟，在参数化绘图方面已得到了广泛应用。而三维参数化造型能处理的问题还比较简单，能处理的面类型主要是轴线、平面和轴对称面，能处理的约束类型还很有限。
在参数化设计中，几何约束关系的表示形式主要有：由算术运算符、逻辑比较运算符和标准数学函数组成的等式或不等式关系；曲线关系；关系文件；面向人工智能的知识表达方式。
6．图形显示
为了真实表示用CAD技术生成的产品和工程的数字模型，真实感图形显示技术也是CAD中的重要内容，其主要包括光照明模型、绘制算法、加速算法等内容。
图形显示早期采用的是简单局部光照明模型。Lambert余弦定律总结了一个理想漫反射物在点光照射下的漫反射光照明模型，并根据这一模型提出了用多边形各顶点光亮度作双线性插值的明暗处理模型（1971年）、镜面反射的经验模型和单一光源下的Phong光照明模型（1973年）、局部光照明模型和整体光照模型（1981年），提高了计算机生成图形的真实性。
真实感图形绘制方法最早是1974年由Catmull提出的Z缓存器隐藏面消除算法，随后，提出了基于扫描线的双参数多项式绘制算法、递归的光线跟踪算法和相应的整体光照模型。70年代中期，Catmull首先采用纹理映射技术生成景物表面的纹理细节，根据纹理定义域的不同，可分为二维纹理和三维纹理；基于纹理的表现形式，又可分为颜色纹理、几何纹理和过程纹理。1984年，美国Cornell大学的学者将热辐射工程中的辐射度方法引入CAD
中，产生了真实图形生成的辐射度算法。80年代中期，为了适应显示多维数据场的需要，科学计算可视化的研究和应用在医学、有限元分析等领域发展迅速。随着三维真实感图形实时显示和多媒体技术的发展，模拟用户身临其境的虚拟现实或临境环境也在90年代有了显著的进步和发展，并促进了虚拟设计、虚拟制造和虚拟企业工作的开展。
计算机图形学与交互技术
计算机图形学从早期学术研究与军事应用的小圈子现已发展成为在研究、教育、产业等方面均十分活跃的领域，并逐渐渗透到现实生活中，如从电影的高技术特技效果到WWW 网络、从计算机辅助设计制造到虚拟环境技术、从科学计算可视化到三维实时仿真等。关于图形学当前的热点和技术进展，值得介绍的有以下几点：(1) 计算机动画与仿真。目前引人注目的新进展有两点：一是衣服仿真及动画；二是基于照片的人脸仿真与动画。众所周知，衣服与人脸仿真及动画一直是计算机图形学中的难题，其难点在于真实感尚欠不足。(2) 基于图象的建模与绘制。传统的图形绘制技术均是面向景物几何而设计的，因而绘制过程涉及到复杂的建模、消隐和光亮度计算。尽管通过可见性预计算技术及场景几何简化技术可大大减少需处理景物的面片数目，但对亮度复杂的场景，现有的计算机硬件仍无法实时绘制简化后的场景几何。因而我们面临的一个重要问题是如何在具有普通计算能力的计算机上实现真实感图形的实时绘制。基于图象的绘制技术就是为实现这一目标而设计的一种全新的图形绘制方式。该技术基于一些预先生成的图象(或环境映照)来生成不同视点的场景画面，与传统绘制技术相比，它有着鲜明的特点：图形绘制独立于场景复杂性，仅与所要生成画面的分辨率有关；预先存储的图象或环境映照既可以是计算机合成的，亦可以是实际拍摄的画面，而且两者可以混合使用；该绘制技术对计算资源的要求不高；因而可以在普通工作站和PC机上实现复杂场景的实时显示。(3) 多分辨率曲面。曲面的多分辨率表示的研究重点一直是多边形曲面的简化问题，即减少曲面的多边形个数，同时又保持与原模型的几何保真度。(4) 3D
跟踪器与3D扫描器。
图形硬件技术
图形硬件的研究历史可以划分为两个阶段。80年代以前，主要是在军事领域研究发展，其应用目标是各类军用运输工具仿真模拟器的视景生成系统。80年代早期，斯坦福大学的Jim Clark教授产生了用专用集成电路技术实现3D图形绘制处理器的设想，然后创立了SGI 公司，并于1984年开发出了世界上第一个通用图形工作站IRIS 1400。
1995年以来，PC图形芯片及板卡在性能及功能上有了实质性的飞跃发展，但PC图形没有定义新的功能特征。当前PC图形正将第二代功能以低价推向市场，某些加速芯片和加速卡还提供一些第三代的功能特征。PC图形仍将继续继承由高端工作站所开创的新功能。由于绝大多数PC图形的解决方案是围绕一个ASIC芯片来设计的，因而，它与半导体技术的发展紧密相关。
图形硬件的研究一直受到SIGGRAPH、EuroGraphics及有关高水平图形学学术会议的重视。欧洲图形学会举办的计算机图形硬件讨论会是一个专门讨论图形硬件的论坛。从1997年起，欧洲图形学会与SIGGRAPH联合举行计算机图形硬件的国际会议。
人工智能与专家系统
机械CAD的一个发展方向是研制智能型机械CAD系统，即将专家系统等人工智能技术引入到CAD中。其目的是使CAD系统不仅能很好地处理数据信息，而且能很好地处理知识信息，即能够进行符号处理和符号推理，以取得运用计算机进行创造性的辅助设计的功效。20世纪50年代，运用计算机模仿人脑从事思维活动的两个成功事例是博弈和定理证明，这是人工智能研究的良好开端。专家系统技术的出现，使人工智能的研究有了迅速发展。专家系统是一种能够在专家水平上工作的计算机程序。由于具有领域专家的知识和能力，这种系统能够在特定的领域和范围内，为解决复杂问题进行“知识”服务，即运用领域专家的
专门知识和推理能力，解决在通常情况下难以处理的问题。
计算机辅助工艺规划（CAPP）
计算机辅助工艺过程设计（Computer Aided Process Planning），即CAPP，通常是指机械产品制造工艺过程的计算机辅助设计与文档编制。随着集成技术的发展，CAPP被认为是CAD/CAM真正集成的关键，是许多先进制造系统的技术基础之一。CAPP系统的主要任务是通过计算机辅助工艺过程设计完成产品设计信息向制造信息的传递、是连接CAD 与CAM的桥梁，也是CIMS系统中的重要组成部分。对产品质量和制造成本具有极为重要的影响。应用CAPP技术，可以使工艺人员从繁琐重复的事务中解放出来，迅速编制出完整而详尽的工艺文件，缩短生产准备周期，提高产品制造质量，进而缩短整个产品的生命周期。
由于工艺本身是门经验性、针对性很强的应用科学，除了在工艺理论上相同外，不同的制造环境，不同的工艺习惯等都对工艺编制有较大影响，我们研究CAPP时都是从零件的几何信息输入开始，建立工艺知识库，在此基础上应用变异式或创成式方法完成工艺编制工作，这里要强调的是有关零件的几何信息获得是通过调用CAD子系统零件数据库取得的，这从根本上解决了传统CAPP系统零件信息输入的问题，有效防止因不同工艺习惯带来的差异，大幅度缩减了工艺设计工作量。在此基础上，调用特征工艺库中有用信息，从中优选近似的特征工艺，并进行必要的修改，使之与所设计的零件相符。CAPP从根本上改变工艺设计过程中的劳动性质，提高工艺设计质量，并为制定合理的工时定额，为企业管理提供了充分的科学依据。
CAPP技术的发展
工艺规划是连接产品设计和产品制造的桥梁，对产品质量和制造成本有着重要的影响。
世界上最早研究CAPP的国家是挪威，始于1966年，并于1969年正式推出世界上第一个CAPP系统AutoPros，后于1973年正式推出商品化AutoPros系统。美国是60年代末开始研究CAPP的，并于1976年由CAM-I公司推出颇具影响力的CAP-I’s Automated Process Planning系统。
从60年代末至今的30年间，先后出现了在设计方式上不同的两类系统，即：
派生式（Variant）系统已从单纯的检索式发展成为今天具有不同程度的修改、编辑和自动筛选功能的系统，融合了部分创成式的原则和方法。
创成式（Generative）系统其研究与开发始于70年代中期，而且很快得到普遍重视，被认为是有前途的方法，但实践结果并不理想。
近年来，这两类系统都在发展中不断改进、提高和互相渗透，从80年代开始，人们探索将人工智能（AI）、专家系统技术等应用于CAPP系统的研究和开发，研制成功了基于知识的（Knowledge-based）创成式CAPP系统或CAPP专家系统。近几年来，有人将人工神经元网络技术、模糊推理以及基于实例的推理等用于CAPP之中，也有人提出了CAPP 系统构造工具的思路，并进行了卓有成效的实践。还有人将传统派生法、传统创成法与人工智能结合在一起，综合它们的优点，构造了混合式CAPP系统。现在国内外已有许多上述各类系统的实例，一般是针对某个企业、某类零件的专用CAPP系统，但迄今为止，已得到实际生产考验和令人满意的商品化系统还不多。我国对CAPP的研究始于80年代初，也有几个系统在企业中应用。
计算机辅助制造（CAM）
CAM中最核心的技术是数控技术。通常零件结构采用空间直角坐标系中的点、线、面的数字量表示，CAM就是用数控机床按数字量控制刀具运动，完成零件加工。数控加工主要分程序编制和加工过程两个步骤。程序编制是根据图纸或CAD信息，按照数控机床控制
系统的要求，确定加工指令，完成零件数控程序编制；加工过程是将得到的数控程序传输给数控机床，控制机床各坐标的伺服系统，驱动机床，使刀具和工件严格按执行程序的规定相对运动，加工出符合要求的零件。40年代末，美国开始研究数控加工技术，并于1952年生产出第一台数控机床，1957年，第一批数控机床投入使用。我国1958年研制成功第一台配有电子管数控系统的数控机床，1965年开始成批生产晶体管数控系统的三坐标数控铣床。90年代时，国内外已有数万种技术先进、基于PC的三坐标至六坐标数控机床，并在生产中得到广泛应用。
计算机辅助工程分析（CAE）
CAE主要是实现结构分析和结构优化。虽然CAE的方法有多种，但应用最广泛、最成熟的是有限元分析，又称有限单元法，其基本思想的提出可追溯到1943年，Courant第一次应用定义在三角区域上的分片连续函数和最小位能原理来求解St. Venant扭转问题。现代有限单元法的第一个成功的尝试是在1956年，Turner、Clough等人在分析飞机结构时，将钢架位移法推广应用于弹性力学平面问题，给出了用三角形单元求得平面应力问题的正确答案。1960年，Clough进一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了“有限单元法”，使人们认识到它的功效。60年代后，特别是随着计算机的发展和广泛应用，有限元分析在结构力学、弹性力学、流体力学、热力学、电磁学、航天航空、土建、水利、材料等工程设计和工程分析领域越来越成为一种不可缺少的有效的计算和分析方法。
有限单元法的基本思想是将物体（即连续的求解域）离散成有限个简单单元的组合，用这些单元的集合来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题。物体被离散后，通过对其中各个单元进行单元分析，最终得到对整个物体的分析结构。随着单元数目的增加，解的近似程度将不断增大。有限元分析过程主要包括三