我国CAD技术现状及发展趋势

CAD技术的发展至今已有30多年的历史。在CAD发展中，新的技术和新的算法不断涌现，它主要表现在建模、数据管理、标准化技术的研究和发展方面。我国CAD系统开发、应用已取得初步成果，但还存在一些问题……

CAD新发展

CAD技术产生于本世纪50年代后期。CAD技术的发展与工业实际应用和需求密切相关，随着实际应用的需要,一些计算机应用的新技术和一些新的算法在CAD中不断出现和发展，主要表现在：建模技术的研究和发展；数据管理技术的研究和发展；标准化技术的研究和发展三个方面。

1、CAD建模技术的研究和发展

建模技术是CAD的核心技术，建模技术的研究、发展和应用，就代表了CAD技术的研究、发展和应用。下图给出了建模技术的发展情况。图中明确显示了从50年代至今建模技术的发展经历了二维建模、三维几何建模（包括线框建模、曲面建模、实体建模）、特征建模（包括参数化和变量化建模）及产品集成建模的发展过程。

二维建模是最初的CAD技术用来解决二维绘图问题的，后来发展为三维的几何建模技术。三维几何建模又分为线框建模、曲面建模和实体建模。线框建模是以线来构造三维物体，其主要算法是空间自由曲线的拟合和表达相对简单。曲面建模是由曲面来构造三维物体，其主要算法是自由曲面或雕塑曲面的生成算法等，其算法较为复杂。实体建模是构成真实的实体，其算法比较复杂。在实体建模技术研究中提出了很多算法，常用的有边界表示法B-rep和几何构造法CSG。为了统一几何建模的表示，还研究开发了新的算法即非均匀有理B样条（NURBS）算法。这种算法在几何建模中起了重要的作用。随着几何建模技术的发展和实际应用的要求，到80年代后期又出现了参数化和变量化的建模技术。参数化建模技术一般是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺寸关系，参数的求解较简单，参数与设计对象的控制尺寸有显示对应关系，设计结果的修改受尺寸驱动。这种CAD系统最早推出的是PTC公司的Pro/Engineer。变量化建模技术是指设计对象的修改需要更大的自由度，通过求解一组约束方程来确定产品的尺寸和形状。约束方程可以是几何关系，也可以是工程计算条件，设计结果的修改受约束方程的驱动。变量化建模的代表是SDRC公司的VGX。这一技术应用到SDRC产品I-DEAS Master Series系统中。VGX为CAD软件带来了空前的易用性。特征建模是CAD建模方法的一个新发展。特征建模是着眼于更好地表达产品完整的功能和生产管理信息，为建立产品的集成信息模型服务。特征包含了产品的特定几何形状、拓扑关系、典型功能、绘图表示方法、制造技术和公差要求等。特征的引用直接体现了设计意图，使得建立的产品模型更容易为人理解和组织生产。

产品集成建模是面向产品生命周期的关系型产品模型的概念。这一概念的提出，较好地解决了信息在设计、制造、检验和装配等环节的共享问题，完整地描述了产品在概念设计——装配设计——零件设计全过程中的各种属性和相互关系，实现了产品生命周期中的内部描述信息（如产品设计、计划、加工、检验等信息）和外部过程信息（如内部描述信息所依赖的环境、知识和规则等）的集成。这种产品集成建模技术仍在研究中。

2、数据管理技术的研究和发展

CAD技术的研究和应用中，数据管理技术是其又一重要的技术，特别是在CAD集成系统中更为重要。数据管理的研究开发经历了文件管理、数据库管理和产品数据管理（PDM）三个阶段。在70年代之前，主要靠文件系统对数据进行管理；到1968年美国IBM公司研制了第一代数据库管理系统——层次型数据库管理系统IMS；1969年美国的数据库研究小组CODASYL发表了DBTG报告，建立了第二代数据库管理系统——网状数据库管理系统。到70年代，第三代数据库技术的研究和开发集中在关系型数据库技术上，70年代末80年代初，出现了商品化的关系型数据库管理系统，目前仍很流行。80年代后期，开始了第四代数据库技术的研究，即工程数据库和面向对象数据库的研究和开发。

尽管在数据管理方面作了大量的工作，但仍然满足不了企业对数据管理的实际要求。到80年代后期，在企业计算机制造环境中数据管理及设计过程自动化的需求的驱动下，人们开始寻求一种崭新的产品数据管理技术，它能够提供一个产品开发的协作环境，在该环境下，能够实现过程控制下的信息传递并实现数据的有序管理，即产品数据管理（PDM）系统。PDM系统一出现，就成为企业关注和应用的热点，近几年来，PDM技术在国外已取得了突飞猛进的发展。目前，PDM技术在网络上的应用、CAD系统集成、MRP/ERP的集成方面进行研究开发。

3、标准化技术的研究和发展

由于CAD技术的发展和广泛的应用，数据交换的格式和标准化技术也发展起来，并且越来越重要。在CAD领域出现了图形级的标准、图形交换级的标准、产品级的数据表达和交换标准等。

图形级最早的标准有PHIGS、GKS，它们是ISO/IEC推出的图形信息系统标准。目前还有一些其它的三维图形支持标准，如PEX和OPEN GL等也很受重视。

IGES是国际上最早、最成熟的数据交换标准，它主要是用于不同的CAD系统之间进行数据交换的标准。从1980年到1992年已先后发布了五个版本。IGES目前还在广泛应用，其目的只是传输几何图形及相应的尺寸标准、说明等，即只是传输工程图。无法描述工业环境所需要的产品定义数据的全部信息。

90年代初，ISO公布了产品数据表达与交换标准STEP。STEP是一个系列的国际标准，它提供了必要的机制和定义，使得产品的数据表达能够在不同的计算机系统及与产品定义和制造有关的环境中进行通信。它可用于产品数据的传输、共享和存档。STEP标准是目前CAD领域中最完整的标准，该系列标准还未全部完成，已公布了一部分。

差距仍然很大

近几年来，我国CAD系统的开发和应用取得了一些成绩，国内已初步形成了二维CAD商品化软件市场，在一些企业也引进了CAD系统，并取得一些效益。但与国外相比差距仍然很大。

1、目前我国CAD系统仅仅作为绘图工具，缺乏设计方法和设计理论的指导

我国CAD软件开发虽然已形成了几个系统，但基本上都是二维绘图软件，开发者在技术上没有什么创新，缺乏设计方法和设计理论上的研究，因此所开发出的软件稳定性和可靠性差，自然在市场上就无竞争力。另外，图形CAD系统只能将设计过程的最后阶段——绘图阶段搬到计算机上，而设计过程仍然在设计师头脑中完成，这样设计效率并没有太大的提高。

在应用方面，很多企业也只是把CAD作为一个绘图工具，企业应用中也缺乏对产品设计理论和设计方法的研究，因此企业产品和创新产品少，在市场上缺乏竞争力。