浅谈CAD技术的发展

工 业 技 术
浅 谈 Ｃ Ｄ技术 的发展 Ａ
周 淑 娟
（ 黑龙江农垦农业职业技 术学院 机 电工程 系， 黑龙江 哈 尔滨 １０ ３ ） ５ ４ １
摘 要 ： Ａ 进行数 字和 图形信 息处理 ， ＣＤ 以实现 产品设 计、 造型和数控加工的 自 动编程软件 ， 具有知识密集 、 综合 陆强、 始投入 大的特点。 初 它的普及应 用 使产品设计制造乖生产的传统模 式发 生深刻的 变化 ， 将 从而带动制造 业技 术的快速 发展 ， 当前 国际科 技领域的前沿课题 。 是
参考文献
计， 大大提高了设计质量 ， 取得 了一定的经济效 益 。各高校也对 Ｃ Ｄ技术进行 了大量研究 ， Ａ 并 取得 了一定 成果 ，同国外的 Ｃ Ｄ技术 发展相 Ａ 比 ，我国 的 Ｃ Ｄ技术 有一定差距 ， 了促进 Ａ 为 Ｃ Ｄ技术的发展 ， Ａ 国家已经把发展 Ｃ Ｄ技术纳 Ａ 入 国家重点发展的‘戈 之中。 计 Ⅱ 同时 Ｃ Ｄ行业的 Ａ 技术 人员应密切 注意 国外 的技术 发展动态 ， 以 开发 出具有 自主版权、 先进 的专业的 Ｃ Ｄ应用 Ａ 软件 ， 步推动国内 Ｃ Ｄ的发展。 逐 Ａ 从九十年代至今 ，国内高等院校和科研 单 位在 Ｃ Ｄ技术 的基础理论 、 Ａ 软件环境及应用软 件等方面的研究 已取得了较好的成果。 例如 ， 在 优化 设计 方 面 ，华 中理工 大学 的优化程 序库 Ｏ Ｂ及机械零部件的优化设计在工矿企业 中得 Ｐ 到了推 广；在二维 交互绘 图系统方 面出现 了不 少 自主版权 的软件 ，如清化大学 和华 中理工大 学共 同开发 的高华 Ｃ Ｄ 清华大学 的天河 Ｐ — Ａ、 Ｃ Ｃ Ｄ系 统 、 中科 院软 件工 程研 制 中心 的 Ｐ— Ａ Ｉ Ｃ Ｄ 在国内行业中得 到了推广使用。 Ａ ， 随着实体 造型技术 的发展 ， 在三维造型和几何 设计方 面， 北京航 空航 天大学的 Ｐ Ｎ Ａ Ａ Ｄ 、金银花 系统 、 清 华 大学 和 华 中理 工大 学共 同研制 的 Ｃ Ｄ Ｉ Ａ ＭＳ 等 ， 现 了参数 化特征 造型 、 实 曲面造 型 、 控加 数 工和有 限分析的集成 ， 商品化程度还较低 ； 但 在 有 限元方 面 ，有 限元 分析 前后处 理 系统 Ｃ — Ｈ Ｆ Ｍ实现 了集成 ： 控编程方面 ， Ｅ 在数 南方航空航 天 大 学 的超 人 Ｃ ＤＣ Ｍ 和华 中理工 大学 的 Ａ ／Ａ Ｇ Ｎ 均可 实现复杂曲面的造型 、数控代码 的 Ｈ Ｃ 自 动生 成和加工仿真 ； 在工程数据库方面 ， 浙江 大学 的 Ｏ Ｃ Ｒ Ｓ Ａ 、华 中理工大学 的 Ｇ Ｅ Ｂ Ｓ ＨＤ Ｍ— ＤＮ Ｅ Ｇ在 国内处理 领先水平。另外 ， 在应用领 域 ， 用机械零件设计 、 如通 冲压和注射具设计及 制造 、 车外形设计 、 汽 汽轮机叶片设计分析 等方 面我国均研 究出了实用 的 Ｃ Ｄ软件。 Ａ 由于微 机加 视 窗 的操 作 系统与工 作站加 Ｕ ｉ操作 系统 在 以太 网的环 境下构成 了 Ｃ Ｄ ｎｘ Ａ 系统 的主流工作平 台， 因此现在的 Ｃ Ｄ 术和 Ａ 技 系统都具有 良好 的开放性 。在 Ｃ Ｄ系统 中， Ａ 综 合应用正 文 、 图形 、 图像 、 语音 等多媒体技 术和 人 工智能 、专家系统等技术大大提高了 自动化 设计 的程 度 ，出现 了智能 Ｃ Ｄ新学科 。智能 Ａ Ｃ Ｄ把工程数据库及其管理系统 、 识库及其 Ａ 知 专家系统 、 拟人化用户接 口管理系统集于—体。 Ｃ Ｄ技术一直处 于不断 的发展与探索之中 ， Ａ 正 是这 种此 消彼 长 的互 动与交 替 ， 就 了今 天 造
Ｃ Ｄ技 术作 为成 熟的普及技 术 已在企 业 中广泛应 用 ， 文 主要 介 绍 了 Ｃ Ｄ技术 的发展 过程 。 Ａ 本 Ａ
关键词 ： Ｄ技 术 ； 展 ＣＡ 发
Ｃ Ｄ技术起始于 ２ 世 纪 ５ 年代后 期 ， Ａ Ｏ Ｏ 自 世界上第一 台自动绘图机诞生以来 ， 计算 机图 形学和计算机辅助设计（ Ａ 已经成 为一门新 Ｃ Ｄ） 兴的边缘科学。 早期的 Ｃ Ｄ Ａ 技术主要体现为二 维计算屯辅 助绘 图。进入 ８ 年代 以来 ， 位微 Ｈ ０ ３ ２ 机 工作站和微型计算机的发展普及 ， 加上功 再 能强大 的外 围设备 ， 特别是近十 几年 ， 由于计算 机软 、 硬件 的迅速发展 ， 交互式 图形 软件包 已由 过去 的大中型计 算 机转 向微机 工作 站 ，使 得 Ｃ Ｄ和计算机绘图已经开始进入实用化与普及 Ａ 化阶 段 ， 极大地推动了 Ｃ Ｄ技 术的发展。与此 Ａ 同时 Ｃ Ｄ技术理论也经历了几次重 大的创新 ， Ａ 形成 了曲面造型 、 实体造型、 参数化设 计及变量 化设 计等系统。Ｃ Ｄ软件已做到设计与制造过 Ａ 程的集成 ， 不仅可进行产品的设 计计算和绘 图， 而且能 实现 自由曲面设计 、 工程造型 、 有限元分 析、 机构 仿真 、 模具设计 制造等各 种工程 应用 。 现在 Ｃ Ｄ技术 已全面进人实用化阶段 ， Ａ 广泛应 用在 航天航空 、 械 、 机 土木建筑 、 电子 、 车 、 汽 造 船、 冶金 、 、 地质 轻工等领域 。 从 Ｃ Ｄ技术诞生到现在 Ｃ Ｄ技 术经历 了 Ａ Ａ 如下发展阶段 ： 第一阶段 ： 曲面造型系统阶段 ２ 世 纪 ６ 年代 出现 的三维 Ｃ Ｄ系统 只 ０ ０ Ａ 是极为简单 的线框式系统。这种初期 的线框式 造 型系统 只能表达基本的几何信息 ，不能有效
模块或 系统 ， 做成 专用芯 片 ， 以提 高 Ｃ Ｄ系统 Ａ 的效率 ； 其三是 Ｃ Ｄ基于网络计算环境 实现异 Ａ 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 。 所有 的设计都要 画图，这是因为工程师无 法完全记住 自己所作设计中的全部细节 ，用文 字记载也不完整 ，因此图形表达设计 者的意图 就是唯一 的方法 。这些 图首先是给设计者 自己 看， 为了记住 和研究设计构思。 其次 是给别 的工 程师看 ， 为了互相讨论交流。 最后是 为了给制造 者看 ， 为了将设计意图变成实物。 在设计的全过 程 中 ， 构思是 三维（ １ ， 原始 ３ 实体 这也是 毫无疑 Ｄ 问的。但是 ， 在传统的设计中 ， 这两者 之间的信 息传递 竟然完全 依靠 二维ｆ １ ２ 的图形 表达 。以 Ｄ Ａｔ Ａ ｕ Ｃ Ｄ为 代 表 的 ２ ｏ Ｄ图形 数 字 化软 件对 于 Ｃ Ｄ技 术在我 国 的普 及应 用起 到了重 要的作 Ｃ Ｄ技术的兴旺与繁荣 ， Ａ Ａ 促进了工业的高速发 用， 也为今天 Ｃ Ｄ技术的发展奠定了十分必要 展 Ａ
术的研究又有了重大进 展 ，即就是参数化实体 造 型方法。该方法具有 以下特点 ： 于特征 、 基 全 尺寸约束 、 数据相关联 、 全 尺寸驱动设 计修 改。 最早 的参 数化软件是 Ｐ Ｃ 司的 Ｐ啦 。进入 Ｔ公 ｒ ９ 年代 ， ０ 参数化技术 日 益成熟 ， 充分体 现出其在 许多通用件 、 零件设计上的简单易行的优势 。 第 四阶段 ： 变量化技术阶段 参数化技术 的成 功应用 ，使 它在 ２ 世 纪 Ｏ
相关、 尺寸驱动设计修改的优 点， 集成化是 Ｃ Ｄ Ａ
未来发展 的主要趋势 。Ｃ Ｄ技术的集成化体现 Ａ 在三个层上 ：其一是广 义 Ｃ Ｄ功能 Ｃ ＤＣ Ｆ Ａ Ａ ／Ａ／ Ｃ Ｐ ／Ａ ／Ａ ／Ｄ ／Ｒ Ａ Ｐ ＭＣ ＱＰ ＭＥ Ｐ经过 多种 集成 形 式 Ｃ
为企业一体化解决方案 ， 推动企业信 息化进程 。 表达， ｌ 侗数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的 目前创新设计能力（ Ａ ） Ｃ Ｄ 与现代企业管理 能力 表面信息，Ａ Ｃ Ｅ及 Ｃ Ｍ均无法实现。 Ａ （ Ｒ 、Ｄ 的集成 ， Ｅ ＰＰ Ｍ） 已成为企业信息化 的重点 ； 进人 ７ 年代 ， ０ 正值飞机和汽车工业的蓬勃 其二 ， 是将 Ｃ Ｄ技术 能采用 的算 法 ， Ａ 甚至功 能
９ 年代前后成为 Ｃ Ｄ ０ Ａ 业界 的标准 。 但参数化技 术亦尚有一些不足之处 。首先 ， 尺寸约束 ， 全 即 设 计者在设计初期和全过程 ， 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 ， 过尺寸的改变来驱动形状 的改 变改 变 ， 通 一 切 以尺寸为 出发点。一旦所设计的零件形状 过 于复杂 ， 满屏幕 的尺度 ， 面对 如何改变这 尺寸达 至所需要的形状很不直观 ； Ｕ 再者 ， 如在设 计中关 键形体的拓扑关系变化 ，失去 了某些约束特 征 也会造成系统数据的混乱。于是一种 以参数化 技术为蓝本 ，比参数化技术更先进 的实 体造 型 技术一变量化技术应运而生。变量化造 型的技 术特点是保 留了参数化技术基 于特征 、全数 据
型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲 面造型 系统 Ｃ ＴＡ 它的出现 ， Ａ Ｉ。 标志着计 算机辅 助技术从单纯模仿工程图纸的三视模式 中解放
出来 。 第二阶段 ： 实体造型技术 阶段 有 了表 面模 型 ，Ａ 的 问题可 以基 本解 ＣＭ
决。 但由于模型技术只能表达形体的表面信息，
助 设 计 与 制 造 １８ ．． ９１ １难 以准确表达零件 的其他特 征 ， 质量 、 心 、 如 重 惯性矩 等。对 Ｃ Ｅ十分 不利 ， Ａ 最大问题在 于分 析的前处理特别困难 。 基于对 Ｃ ＤＣ Ｅ Ａ ／Ａ —体化 技术 的探索 ，Ｄ Ｃ 司 １７ 年发 布了世界上 ＳＲ 公 ９９ 第 一 个 完整 基 于 实体 造 型技 术 的 大 型 Ｃ Ｄ 的技 术 基 础 。 Ａ／ Ｃ Ｍ软件－ＤＥ Ｓ Ａ Ｉ Ａ 。由于实体造型技术能够精 首先 我们 看一下 国内 Ｃ Ｄ系统 的发展状 Ａ 确表 达零件 的全部属性 ，在理论上有助于统一 况 。 国内 Ｃ Ｄ技 术的研究和开发工作起步相对 Ａ Ｃ Ｄ Ｃ Ｅ Ｃ Ｍ的模型表达 ， Ａ 、Ａ 、Ａ 给设计带来惊人 较晚 ， 始于七十年代 中期 ， 航空和造船业是应用 的方僵 陛。 Ｃ Ｄ技术较早的部 门 ； Ａ 八十年代初 ， 一些大型企 第三阶段 ： 参数化技术阶段 业开始 引进 国外成套 的 Ｃ Ｄ系统 ； Ａ 九十年代 以 正 当实体造型技 术逐渐 普及之时 ，Ａ Ｃ Ｄ技 后 ， 业领域 开始采用 Ｃ Ｄ技 术进行 辅助设 工 Ａ