CAD技术的发展回顾

CAD技术的发展回顾计算机辅助设计（CAD：ComputerAidedDesign）技术是以计算机、外围设备及其系统软件为基础，包括二维绘图设计、三维几何造型设计、有限元分析（FEA）及优化设计、数控加工编程（NCP）、仿真模拟及产品数据管理等内容。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广泛应用。一、CAD技术的产生及发展过程准备和酝酿时期（50－60年代初）CAD技术处于被动式的图形处理阶段。1．蓬勃发展和进入应用时期（60年代）提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想，从而为CAD技术的发展和应用打下了理论基础。60年代中期出现了许多商品化的CAD设备，60年代末，美国安装的CAD工作站已达200多台，可供几百人使用。2．广泛使用的时期（70年代）1970年美国Applicon公司第一个推出完整的CAD系统。出现了面向中小企业的CAD／CAM商品化系统。70年代末，美国CAD工作站安装数量超过12000台，使用人数超过2．5万。3．突飞猛进的时期（80年代）在这个时期，图形系统和CAD／CAM工作站的销售量与日俱增，美国实际安装CAD系统至1988年发展到63000套。CAD／CAM技术从大中企业向小企业扩展；从发达国家向发展中国家扩展；从用于产吕设计发展到用于工程设计和工艺设计。4．开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期（90年代）由于微机加视窗95／98／NT操作系统与工作站加Unix操作系统在以太网的环境下构成了CAD系统的主流工作平台，因此现在的CAD技术和系统都具有良好的开放性。图形接口、图形功能日趋标准化。在CAD系统中，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CAD新学科。智能CAD把工程数据库及其管理系统、知识库及其专家系统、拟人化用户接口管理系统集于一体，形成如图1示所示的结构。图1智能CAD系统二、CAD系统的构成及分类CAD技术集中体现在CAD系统上，CAD系统是最终用户用来实现设计思想、加速产品和工程设计的信息化工具。1．CAD系统的构成CAD系统硬件构成如图2所示，从其体系结构讲可分为三个层次，如图3所示。基础由计算机、外围设备和系统软件组成。系统软件在工作站上流行Unix加Motif操作系统，在微机上流行Win95/98/NT操作系统。系统软件还包括支撑软件、系统开发和维护的工具软件。支撑层包含了图3中部所示内容，随着网络的广泛使用，异地协同虚拟CAD环境将是CAD支撑层的重要发展趋势。应用层针对不同应用领域的需求有各自的CAD专用软件来支持相应的CAD工作。图2CAD系统的硬件基本组成图3CAD系统的三层结构2．CAD系统的分类CAD系统作为计算机应用系统的一个重要分支，经历了三个发展阶段，即：多用户共享一台计算机；一个用户使用一台计算机；一个用户共享多台计算机。从系统结构上看，CAD系统大致可分为两类，即集中式系统和网络系统。集中式系统要求有功能较强的计算机，一次投资大，使用起来不灵活，在80年代中期以前应用比较广泛。从工作站和高性能微机问世以后，大多数用户采用工作站和微机网络系统来代替这类集中式CAD系统，形成网络化的系统。三、CAD支撑软件CAD支撑软件主要包括：1．设备驱动程序，如Windows操作系统支持的设备驱动程序集，ISO通过的标准程序库CGI(ComputerGraphicsInterface)，又如HP公司提供的绘图仪、打印机设备驱动程序等；2．窗口管理系统，工作站上流行Motif窗口系统；微机上Win95、Win98、WinNT窗口系统，微机上的窗口系统已代替了过去的DOS操作系统，成为最大众化的操作系统。窗口系统中包含了丰富的图形用户接口（GUI）程序，多媒体用户接口程序（MUI）和网络用户接口程序（NOI）；3．汉字输入输出程序，除了中文之星专用汉字处理程序外，中文Windows操作系统也已广泛应用；4．二维计算机辅助设计绘图系统；5．三维线框、曲面、实体和特征统一表示的数字化建模系统；6．三维真实图形实时显示系统；7．产品数据管理系统PDM（ProductDataManagementSystem）；8．异地协同虚拟设计系统；9．智能CAD系统；CAD外延系统技术的发展回顾一、计算机辅助工艺设计（CAPP）工艺设计是连接产品设计和产品制造的桥梁，是制造系统的重要环节，对产品质量和制造成本具有重要影响。60年代末，人们开始计算机辅助工艺设计（CAPP：ComputerAidedProcessPlanning）的研究开发，但由于工艺设计对千差万别的实际生产环境具有很强的依赖性和技术复杂性，CAPP仍然是计算机辅助技术中的薄弱环节。从60年代末到目前的三十年间，先后出现了在设计方式上不同的两类系统，即派生式系统和创成式系统。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序的修改、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）系统的研究与开发始于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，但实践的结果并不理想。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（Knowledge-based）的创成式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。CAPP系统功能包括：（1）零件信息的输入：零件信息是系统进行工艺设计的对象和依据，计算机目前还不能象人一样识别零件图上的所有信息，所以在计算机内部必须有一个专门的数据结构来对零件信息进行描述，如何输入和描述零件信息是CAPP能否实用化的关键问题之一。（2）工艺决策：工艺决策是系统的控制指挥中心，它的作用是；以零件信息为依据，按预先规定的顺序或逻辑，调用有关工艺数据或规则，进行必要的比较、计算和决策，生成零件的工艺规程。（3）工艺数据／知识库：工艺数据／知识库是系统的支撑工具，它包含了工艺设计所要求的所有工艺数据（如加工方法、余量、切削用量、机床、刀具、夹具、量具、辅具以及材料、工时、成本核算等多方面的信息）和规则（包括工艺决策逻辑、决策习惯、经验等众多内容，如加工方法选择、排序规则等）。（4）人机界面：人机界面是用户的工作平台，包括系统菜单、工艺设计的界面、工艺数据／知识的输入和管理界面，以及工艺文件的显示、编辑与管理界面等。（5）工艺文件管理与输出：一个系统可能有成百上千个工艺文件，如何管理和维护这些文件，既是CAPP系统的重要内容，也是整个CAD／CAPP／CAM集成系统的重要组成部分。输出部分包括工艺文件格式化显示、存储、打印等。二、计算机辅助制造（CAM）计算机辅助制造（CAM：ComputerAidedManufacturing）是利用CAD、CAPP的信息在数控加工设备上实现制造自动化。CAM的主要任务是选择加工工具、生成加工路径、消除加工干涉、配置加工驱动、仿真加工过程等，以满足小批量、高精度、短周期和加工一致性要求高的产品制造的需要，进而实现CAD／CAPP／CAM的集成。计算机辅助制造中最核心的技术是数控技术。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。我国在1958年试制成功第一台配有电子管数控系统的数控机床，1965年开始成批生产配有晶体管数控系统的三坐标数控铣床。90年代国内外已有数百种先进的数控机床，并得到广泛应用。数控加工主要分下述两个步骤：*程序编制－－根据图纸，按数控机床控制系统要求确定加工指令，完成零件数控程序编制；*加工过程－－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，使刀具和工件严格执行程序规定的相对运动，加工出符合图纸的零件。（1）数控自动编程技术编制零件加工程序是数控应用的重要环节，靠手工编程无法满足数控加工（特别是复杂零件）的需求，在50年代初期，美国开始了数控自动编程技术－－APT语言的研究，形成了早期的CAD系统。此后在数控技术的发展和生产应用需求拉动下，CAM技术不断发展，从语言编程发展为图形交互编程，进而实现了CAD／CAM一体化。现代的CAM技术已经成为CAX体系的重要组成部分，与CAD系统集成在一起，直接在CAD建立起来的参数化、全相关的三维几何模型（实体＋曲面）上进行加工编程，生成正确的加工轨迹。（2）数控加工过程的仿真模拟数控加工过程仿真模拟的意义在于利用计算机图形的手段，对实际加工过程进行快速有效的模拟。随着高速计算机和图形显示设备及算法的不断研究发展，仿真模拟的技术逐渐广泛地应用在生产中，虚拟加工的实际过程，通过控制加工过程的进行，不断改变观察方向和位置，并利用其它一些必要的图形手段，在虚拟的加工环境中及早地发现问题，以求替代或大幅度地减少试切加工，从而达到降低生产成本、提高产品质量的目的。三、计算机辅助工程分析（CAE）有限元法（或称有限单元法、有限元素法）是求解复杂工程和产品的结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维形体接触、弹塑性等力学性能的分析计算，以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。有限元法从60年代初开始在工程上应用到今天，已经历了三十多年的发展历史，其理论和算法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程，现已成为工程和产品结构分析中（如航空、航天、机械、土木结构等领域）必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续力学各类问题的一种重要手段。随着计算机技术的普及和不断提高，有限元分析系统的功能和计算精度都在很大提高，各种基于几何造型系统的有限元分析系统应运而生，计算机辅助有限元分析（CAEFA：ComputerAidedFiniteElementAnalysis）已成为计算机辅助工程（CAE）的重要组成部分，是结构分析和结构优化的重要工具，同时也是计算机辅助4C系统（CAD／CAE／CAPP／CAM）的重要环节。有限元法的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。根据经验，有限元分析各阶段所用的时间为：40％－－45％用于模型的建立和数据输入，50％－－55％用于分析结果的判读和评定，而分析计算只占5％左右。针对这种情况采用计算机辅助设计技术来建立有限元分析的几何模型和物理模型，完成分析数据的输入，通常称这一过程为有限元分析的前处理。同样，对有限元分析的结果也需要用CAD技术生成形象的图形输出，如生成位移图、应力、温度、压力分布的等值线图，表示应力、温度、压力分布的彩色明暗图，以及随机械载荷和温度载荷变化生成位移、应力、温度、应力等分布的动态显示图。我们称这一过程为有限元的后处理。在计算机辅助有限元分析的过程中，前、后处理是最主要的工作。四、CAD技术的集成传统意义上的CAD系统只能产生工程图纸及其有关的技术说明，只有通过工程数据库，STEP、IGES以及有关应用接口，实现CAD／CAPP／CAM的集成，把CAD和生产制造结合成一体，才能进一步提高生产力和加工精度，才能实现设计生产的自动化，进一步发展的趋势是现代集成制造系统（CIMS），用以真正实现企业信息化。1．信息集成从发展的过程来看，CAD／CAE／CAPP／CAM系统的数据交换和集成方式有以下三种：（1）松散集成方式各系统建立的产品模型各不相同，相互间的数据交换需要在每两个系统间进行数据格式转换，因此系统间模型存在无法转换部分，造成产