1.2 计算机辅助设计的发展历程

CAD在早期是英文Computer Aided Drafting（计算机辅助制图）或Computer Aided Drawing（计算机辅助绘图）的缩写，随着计算机软、硬件技术的发展，人们逐步认识到单纯使用计算机绘图还不能称之为计算机辅助设计。真正的设计是整个产品的设计，它包括产品的构思、功能设计、结构分析、加工制造等，而二维工程图设计只是产品设计中的一小部分。于是CAD所表达的意思也由Computer Aided Drafting（Drawing）改为Computer Aided Design, CAD也不再仅仅是辅助绘图，而是整个产品的辅助设计。

CAD技术的发展和形成至今已有60多年的历史，自20世纪50年代交互式图形处理技术的出现，CAD技术经历了由单纯的二、三维绘图到覆盖几何造型、工程分析、模拟仿真、设计文档生成等大量产品设计活动的发展过程。目前，CAD技术正经历着由传统CAD技术到现代CAD技术的转变。了解CAD技术发展历程和趋势将有助于我们今后有效地应用和发展这项技术。在CAD技术的发展历程中主要经历了以下四次革命。

1．第一次CAD技术革命——贵族化的曲面造型系统

20世纪60年代出现的三维CAD系统只是极为简单的线框式系统，如图1-2所示。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。由于缺乏形体的信息，CAM及CAE（ComputerAidedEngineering，计算机辅助工程）均无法实现。

进入20世纪70年代，计算机辅助设计的理论研究、有限元方法及程序设计方法的蓬勃发展，给计算机辅助设计的软件发展提供了理论基础。随着超大规模集成电路和光栅图形显示器的出现，计算机成本大幅度下降，图形设备迅速向质优价廉的方向发展。这些新技术给计算机辅助设计带来了巨大的动力。此间是飞机和汽车工业的蓬勃发展时期，飞机及汽车制造中遇到了大量的自由曲面问题。法国人提出了贝赛尔算法，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，同时也使得法国的达索飞机制造公司的开发者们能在二维绘图系统CADAM的基础上，开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，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。

2．第二次CAD技术革命——生不逢时的实体造型技术

20世纪80年代初，CAD系统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。为使自己的产品更具特色，在有限的市场中获得更大的市场份额，以CV SDRC、UG为代表的系统开始朝各自的发展方向前进。20世纪70年代末到80年代初，由于计算机技术的大跨步前进，CAE、CAM技术也开始有了很大发展，SDRC在当时星球大战计划的背景下，由美国宇航局支持及合作，开发出了许多专用分析模块，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则着重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则将主要精力放在CAD市场份额的争夺上。

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他特性，如质量、重心、惯性矩等，对CAE十分不利，其最大的问题在于分析的前处理特别困难。基于对于CAD/CAE二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，如图1-3所示。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着CAD发展史上的第二次技术革命。

3．第三次CAD技术革命——一鸣惊人的参数化技术

进入20世纪80年代中期，美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporation, PTC）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，研制命名为Pro/E的参数化软件。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，如图1-4所示。目前，PTC公司在CAD市场份额排名上已名列前茅。可以认为，参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次技术革命。

4．第四次CAD技术革命——更上一层楼的变量化技术

参数化技术的成功应用，使得它在1990年前后几乎成为CAD业界的标准，但是，参数化技术尚有许多不足之处，“全尺寸约束”这一硬性规定就干扰和制约着设计者创造力及想象力的发挥。

全尺寸约束，即设计者在设计初期及全过程中，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，通过尺寸的改变来控制形状的改变，一切以尺寸（即所谓的“参数”）为出发点。一旦所设计的零件形状过于复杂，面对满屏的尺寸，如何改变这些尺寸以达到所需要的形状就很不直观；再者，如在设计中关键形体的拓扑关系发生改变，失去了某些约束的几何特征也会造成系统数据混乱。

SDRC的开发人员以参数化技术为蓝本，提出了一种比参数化技术更为先进的实体造型技术——变量化技术，于1993年推出全新体系结构的I-DEAS MasterSeries软件。

变量化技术既保持了参数化技术原有的优点，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的空间和机遇，也推动了CAD发展的第四次技术革命。由此可见，CAD技术基础的每次重大进展，无一不带动了CAD/CAM/CAE整体技术的提高以及制造手段的更新。

进入21世纪后CAD技术迎来了高速发展的时期。CAD技术和系统都具有良好的开放性，集成化、智能化、参数化、标准化是CAD技术发展的主要方向。以信息为中心的新工业正在兴起，主要是以电子计算机的应用为现代社会发展的标志。在CAD系统中，综合应用图形、图像、语音等多媒体技术，以及人工智能、专家系统等技术大大提高了自动化设计的程度，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。