CAD技术的历史现状与未来王智勇.docx

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CAD技术的历史现状与未来王智勇

CAD技术的历史-现状与未来-王智勇

郑州大学现代远程教育《土木工程CAD》课程论文

CAD技术的历史、现状与未来

学号：

14103527012

姓名：

王智勇

完成时间：

2014年9月10日

（6）装配件（一堆零件或者其它装配件）的自动设计；（7）工程文档的输出，例如制造图纸，材料明细表；（8）设计到生产设备的直接输出；（9）到快速原型或快速制造工业原型的机器的直接输出；B.基本功能：

（1）编辑图形;

（2）标注尺寸;（3）书写文字;（4）图层管理功能;（5）三维绘图;（6）网络功能;（7）数据交换;

二、CAD技术的发展历程

1、准备和诞生时期（20世纪50年代-60年代）1950年，美国麻省理工学院研制出WHIRLWIND1（旋风1）计算机的一个配件--图形显示器。

1958年，美国Calcomp公司研制出由数字记录仪发展成的滚筒式绘图机，美国GerBer公司把数控机床发展成平板式绘图机。

20世纪50年代，计算机由电子管组成，用机器语言编程，主要用于科学计算，图形设备仅仅具有输出功能，CAD技术处于酝酿和准备阶段。

20世纪50年代末，美国麻省理工学院在WHIRLWIND计算机上开发了SAGE战术防空系统，第一次使用了具有指挥功能和控制功能的阴极射线管CRT（CathodeRayTube），操作者可以用光笔在屏幕上确定目标。

它预示着交互式图形生成技术的诞生，为CAD技术的发展作了必要的准备。

2、蓬勃发展和进入应用时期（20世纪60年代）20世纪60年代初，美国麻省理工学院的博士生IvanSutherland研制出世界上第一台利用光笔的交互式图形系统SKETCHPAD。

但在20世纪60年代，由于计算机及图形设备价格昂贵，技术复杂，只有一些实力雄厚的大公司才能使用这一技术。

作为CAD技术的基础，计算机图形学在这一时期得到了很快的发展。

20世纪60年代中期出现了商品化的CAD设备，CAD技术开始进入了发展和应用阶段。

3、广泛应用时期（20世纪70年代）20世纪70年代推出了以小型机为平台的CAD系统。

同时，图形软件和CAD应用支撑软件也不断充实提高。

图形设备，如光栅扫描显示器、图形输入板、绘图仪等相继推出和完善。

于是，20世纪70年代出现了面向中小企业的CAD商品化系统。

4、突飞猛进时期（20世纪80年代）20世纪80年代，大规模和超大规模集成电路、工作站和RISC（精简指令集计算机）等的出现使CAD系统的性能大大提高了一步。

与此同时，图形软件更趋成熟，二维、三维图形处理技术，真实感图形技术以及有限元分析，优化，模拟仿真，动态景观，科学计算可视化等方面都已进入实用阶段。

包括CAD/CAE/CAM一体化的综合软件包使CAD技术又上了一个层次。

5、日趋成熟的时期（20世纪90年代）这一时期的发展主要体现在以下几个方面：

CAD标准化体系进一步完善；系统智能化成为又一个技术热点；集成化成为CAD技术发展的一大趋势；科学计算可视化、虚拟设计、虚拟制造技术是20世纪90年代CAD技术发展的新趋向。

三、CAD技术的应用

1、CAD技术在制造业中的应用

CAD技术已经广泛应用于制造业的各个领域。

其中，以机床、汽车、飞机、船舶、航天器等应用最为广泛。

一个产品的设计过程要经过概念设计、详细设计、结构分析和优化、仿真模拟等几个阶段。

概念设计主要解决产品的造型外观，在满足功能的前提条件下，使产品外观精致美观。

在现代化设计过程中还需要考虑的因素很多，如要考虑机械产品对环境影响，考虑产品的整体结构、材料及实现主要功能的机构；详细设计是要确定产品的结构，各个零部件的结构设计，所以又称为部件设计，包括各零件的尺寸、形状和结构；结构分析主要包括有限元分析，将对各部件及产品整体的结构进行力学性能、热学性能的分析：

仿真模拟则主要是产品进行装配模拟，运动机构模拟，进行干涉、碰撞分析等等。

CAD技术可以说贯穿于整个设计过程。

从产品方案的选择到整机的可生产性、可维持性、可循环利用性和环境的融化等进行全面设计。

当前先进的CAD应用系统已经将设计、绘图、分析、仿真、加工等一系列功能集成于一个系统内。

2、CAD技术在工程设计中的应用

早在二十世纪五十年代，CAD技术就应用于工程结构分析计算。

但真正用在建筑、结构等领域则是在二十世纪七十年代。

到了二十世纪八十年代和九十年代已经形成了建筑、结构、水、电、暖设备等一系列工程设计软件。

比较流行的有ABD、HOUSE等。

CAD在工程领域中的应用有以下几个方面。

建筑：

方案设计、三维造型、建筑渲染图即概念设计、平面布景、建筑构造设计、小区规划、日照分析、室内装潢、包括室内分隔、家具、环境装修等：

结构：

有限元分析、结构平面设计、框和排架结构计算和分析、高层结构分析、地基的基础设计，钢结构设计与加工；设备：

水、电、暖各种设备及管道设计；市政管线：

自来水、污水排放、煤气、电力、暖气、通信等：

市政建筑：

城市规划、城市交通、道路高架轻轨、地铁；交通工程：

公路、桥梁、铁路、航空、机场、港口、码头；水利工程：

大坝、水渠、河海工程。

房地产开发及物业管理、工程概预算、施工过控制与管理、风景、旅游景点设计与布置、智能大厦设计等。

目前在工程CAD软件中集建筑、结构、水、电、暖设备于一体的集成化CAD软件正在开发之中。

此外，科学计算可视化以及虚拟现实技术正应用于建筑抗震、抗风、抗灾的分析以及虚拟建筑、室内漫游等现代化设计方法中。

3、CAD技术在其他领域的应用

CAD技术除了在制造业和工程设计领域中的应用外，在轻工、纺织、家电、服装、制鞋、医疗和医药乃至文化娱乐和体育方面都会用到CAD技术。

轻工中，轻工机械的设计、化妆、洗涤用品、盛器、三维造型、模具设计及包装平面设计。

各种小商品的造型设计；纺织行业中印花提花设计、服装CAD及排料、裁剪：

制鞋业中造型以及配合人体足部骨骼肌腱的人体工学设计：

医药中的分子键结构分析、医疗器械以及辅助医疗手术、家电产品的造型和模具技术，在文化娱乐上已大量利用计算机造型仿真的原始动物和外星人，并将动物画和实际背景以及演员的表演天衣无缝地合在一起，在电影制作技术上大放异彩，拍制出一部部激动人心的巨片。

4、CAD技术在计算机绘图技术中的应用

计算机图形处理技术足CAD的最要组成部分。

机械、建筑等工程设计的任务最终要绘出零件图或施工图。

绘图任务必须由图形软件来完成。

近期不少究机构在AUTOCAD基础上进行了二次开发。

结合国内机械和工程设计领域的应用，以我国国家标准为依据，增加了国标零部件库、设计规范、工程制图标准。

相继共推出了INTECAD和XTMCAD等机械CAD软件以及ABP、HOUSE等建筑和结构CAD软件，并已形成了相当的规模。

一个图形软件应包括基本图素的生成，如点、线、曲线、多边形、圆、圆柱体、球、曲面等；图形编辑功能，如图块的生成、图形平移、旋转、放大、缩小、修改、增删等；符号及标注功能，如各种常用符号、文字巾心线、剖面线；尺寸如半径、直径、直线距离、倒角等标注：

文件管理功能，包括文件的产生、存储、删除、建库等。

对于三维图形还必须消隐、着色、阴影以及更高级的反走样、真实感图形、表面纹理生成等功能。

四、CAD技术应用存在问题

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，在建筑设计、管道设计、装修工程设计、地理信息系统、机械制造等行业应用广泛，并取得一些效益。

但与国外相比差距仍然很大，主要表现在。

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。

2、我国三维CAD系统还不成熟，必须加快开发

真正解决产品设计问题的是三维CAD系统，而目前我国自主开发的三维CAD系统还未真正形成商品软件。

在今年8月份国家863/CIMS项目“基于线框、曲面、实体和特征表示的产品造型和设计系统”的招标中，有五家参加了投标，都开发了原型系统，但其功能、成熟性都不理想。

而这类CAD系统国外软件早已占领中国市场，除了三维工作站CAD系统外，近几年来PC机和Windows/95/98/NT环境下的三维CAD系统也进入了中国市场。

一些原来工作站系统的三维CAD软件系统也推出了PC机Windows平台的版本。

3、我国CAD技术开发创新少、仿制多

没有创新就没有竞争力，只仿制就不能开发出有竞争力的产品。

从我国二维CAD到目前研制的三维CAD都存在这一问题。

回顾一下历史，早在“七五”攻关时用户就提出了“参数设计问题”、“数据管理问题”及数控编程中的有关要求即现在的“特征造型问题”这些技术，我国CAD研究开发者也都知道，但都没有引起注意。

而国外的CAD后起之秀PTC公司抓住了用户需求的时机，快速推出了参数化特征造型CAD系统——Pro/Engineer，一举占领了国际市场，至今仍在国际年销售额方面名列第一。

4、我国CAD软件的开发缺乏理论研究和算法的研究

CAD技术是一项综合性的高新技术，涉及面广而复杂，技术变化快，竞争激烈。

就建模技术而言会涉及很多模型建立的理论和算法，这些都是为解决用户需求而研究开发的，每种理论和算法用于CAD系统中，会产生新的CAD软件。

如有名的CSG、B-rep、NURBS等等。

而我国CAD软件开发者缺乏这方面的研究，多年来也未见过有名的理论和算法用于CAD中。

只能引用别人的，当然也只能跟在人家的后面走。

5、信息集成技术落后

信息技术的广泛集成是以产品数据管理（PDM）和过程管理（PM）为基础，实现CAD/CAPP/CAM和ERP的有机集成，在并行工程中PDM也是重要的基础。

而我国在这方面的研究仅仅开始，至今也没有一个在国内市场上成熟的数据库管理系统（DBMS）。

因此，这类基础性软件也被国外的系统占领了市场，我们的CAD/CAPP/CAM集成技术又建立在国外基础系统上。

6、CAD中的数据交换格式和标准化落后

在CAD技术的标准化方面，我国由于技术落后，资金投入不足，对此重视不够，至今未提出一个有关CAD方面的标准，完全是采用国际标准，有的已用作国家标准，如IGES、STEP等，另外由于种种因素也跟不上国际标准的更新和发展，因此造成国内CAD软件系统在数据交换、标准化等方面存在不少问题。

五、CAD技术未来发展方向和趋势

1、标准化

CAD软件一般应集成在一个异构的工作平台之上，只有依靠标准化技术才能解决CAD系统支持异构跨平台的环境问题。

目前，除了CAD支撑软件逐步实现ISO标准和工业标准外，面向应用的标准零部件库、标准化设计方法已成为CAD系统中的必备内容，且向合理化工程设计的应用方向发展。

2、智能化

设计是一个含有高度智能的人类创造性活动领域，智能CAD是CAD发展的必然方向。

从人类认识和思维的模型来看，现有的人工智能技术模拟人类的思维活动明显不足。

因此，智能CAD不仅是简单地将现有的智能技术与CAD技术相结合，更重要的是深入研究人类设计的思维模型，最终用信息技术来表达和模拟它，才会产生高效的CAD系统，为人工智能领域提供新的理论和方法。

CAD的这个发展趋势，将对信息科学的发展产生深刻的影响。

3、网络技术的应用

网络技术包括硬件与软件的集成实现,各种通讯协议及制造自动化协议,信息通讯接口,系统操作控制策略等,是实现各种制造系统自动化的基础。

目前早已出现了通过Internet实现跨国界模具设计的成功例子。

4、多学科多功能综合产品设计技术

未来产品的开发设计不仅用到机械科学的理论与知识,而且还用到电磁学、光学、控制理论等知识。

产品的开发要进行多目标全性能的优化设计,以追求模具产品动静态特性、效率、精度、使用寿命、可靠性、制造成本与制造周期的最佳组合。

5、逆向工程技术的应用

在许多情况下,一些产品并非来自设计概念,而是起源于另外一些产品或实物,要在只有产品原型或实物模型,而没有产品图样的条件下进行模具的设计和制造以便制造出产品。

此时需要通过实物的测量,然后利用测量数据进行实物的CAD几何模型的重新构造,这种过程就是逆向工程RE。

逆向工程能够缩短从设计到制造的周期,是帮助设计者实现并行工程等现代设计概念的一种强有力的工具,目前在工程上正得到越来越广泛的应用。

6、快速成形技术

快速成形制造技术RPM是基于制造原理,迅速制造出产品原型,而与零件的几何复杂程度丝毫无关,尤其在具有复杂曲面形状的产品制造中更能显示其优越性。

它不仅能够迅速制造出原型供设计评估、装配校验、功能试验,而且还可以通过形状复制快速经济地制造出产品模具,从而避免了传统模具制造的费时、高成本的NC加工,因而RPM技术在模具制造中日益发挥着重要的作用。

六、结语

技术的发展永无止境，没有哪一种技术是常青树，CAD技术也一直处于不断地发展与探索之中，并不断地扩展它的应用范围。

正是这种此消彼长的互动与交替，造就了今天CAD产业的兴旺与繁荣，也使得越来越多的人认识到CAD是一种巨大的生产力，促进了工业的高速发展。

参考文献：

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