CAD技術發展歷程、國內外流行設計軟件及研究方向

李元杰 方達

【摘要】本文嘗試從CAD技術的產生和發展入手，闡述了CAD的概念、構成、功能和優勢；流行的國內外CAD設計軟件的特色；與現有CAD主流技術相結合，對當前CAD技術主題進行探討。展望未來CAD研究發展方向。

【關鍵詞】CAD技術；機械制圖；國內外設計軟件；二維與三維

中圖分類號：TP39文獻標識碼A文章編號1006-0278（2015）07-147-02

一、CAD概念

CAD是Computer Aided Design的簡稱，中文名是計算機輔助設計。是指運用電腦軟件模擬實物設計并進行計算分析、圖形繪制、二維或三維建模、模擬試驗、最終生成設計成品等功能。1973年，國際信息處理聯合會給CAD下了一個更為準確的定義：“CAD是將機器與人混編在解題專業中并使人和機器最好的特征相結合的一種技術。”

隨著電腦計算機的快速發展，裝備更新日新月異，作為軟件的CAD技術得到長足并且訓猛的發展。CAD技術從一種替代傳統手工制圖的工具成為了突破傳統設計的一種變革或者創新。

1950年左右，CAD技術誕生。第一個版本所處的階段被定義為被動式圖形處理階段，該階段為之后的發展打下基礎。1960年初，科學家們提出了計算機圖形學、交互技術等新思想，理論基礎則在此階段發展和應用。60年中期則已開始有商品化的CAD軟件與設備。1970年美國Applicon公司首先推出整套CAD系統，該成果意味著CAD技術已經到了廣泛使用階段。80年代，CAD技術進入全面拓展階段， CAD圖形系統的銷量逐日遞增， CAD技術開始從發達國家向發展中國家延伸，從大中企業向小企業延伸，從用于傳統的工件設計發展到用于工藝以及流程設計。時代發展到90年代，CAD技術開始向著集成化、標準化、開放化、和智能化方向進一步發展。

二、國內外流行的CAD設計軟件的特點

（一）國外軟件

1.AutoCAD。AUTOCAD是美國Autodesk公司推出的一款通用計算機輔助設計的軟件。由于它具有的強大功能，操作簡單，兼容性好，在二維繪圖，文件管理和三維設計等諸多方面備受設計者的青睞。AUTOCAD是傳統的手工繪圖無法相比的高效繪圖工具。它能根據用戶鍵入的指令準確而快速地繪制出用戶所需求的圖形，具有無需二次繪制，能夠批量修改圖形并且易于修正錯誤等特點，并能最終批量輸出準確清晰的圖紙。

2.ProE/Engineer。ProE是軟件Pro/Engineer的簡稱。是美國參數技術公司（Parametric Technology Corporation，簡稱PTC）的核心產品。這是一款集CAE/CAM /CAD功能于一體的綜合性三維軟件，在當今的三維造型軟件領域中占有其一席之地。PTC公司所提出的新型概念例如參數化、運用單一數據庫來解決特征的相關性問題，模塊化等。顛覆了機械行業的傳統觀念。這種全新的概念已成為相關領域的行業新標準了。

3. Unigraphics （UG）。UG是軟件Unigraphics NX的縮寫，來自SiemensPLM公司的交互式CAD/CAM系統是軟件UG的“頭銜”，它首先工作在工作站上，但隨著計算機技術的發展以及用戶數目的快速增長，于是移植到PC，并且銷量取得了爆炸性的增長。UG的功能可謂十分強大，它能夠輕松實現各種復雜造型及實體的架構。數控加工編程、曲面造型、二維繪圖等功能完全不在話下。軟件UG擁有能夠將設計合理的的變量化技術以及參數化技術和傳統的曲面功能、實體線框結合在一起的特色。

4.SolidWorks。SolidWorks為達索系統（Dassault SystemesS.A）下的子公司。而軟件SolidWorks是一款CAE/CAM/ CAD桌面集成系統。它是世界上第一個在匯總并繼承了各種主流機械CAD系統的基礎上，基于Windows所開發的三維CAD系統。軟件SolidWorks是面向各大工業的產品級機械設計工具。它采用非全約束的特征建模技術。其在設計過程中的全相關性，能夠在設計任何階段進行改動設計，并且能夠自動改變相關部分的數據。

（二）國內軟件

1.CAXA電子圖板。CAXA電子圖板是北京數碼大方科技股份有限公司推出的二維CAD產品。具有完全獨立自主知識產權，超過30萬的正版用戶，穩定高效，兼容卓越。它對于裝配圖、零件圖、工藝圖表等各種圖紙流程均有輔助設計功能。幾乎滿足所有需要二維繪圖的地方，可以為生產方便地準備數據；并能夠迅速地與各種管理軟件交叉。方便設計人員，使他們可以把精力集中在設計構想上。

2.開目CAD。開目CAD是武漢開目信息技術有限責任公司開發的CAD的一種純二維平面CAD和圖紙管理軟件。是比較容易上手的CAD軟件。它的繪圖方式主要來自于手工繪圖的習慣，吸收部分Autodesk公司的AutoCAD的特點，繪圖思路。它的操作相對簡潔，制圖效率比AutoCAD要高得多。它同時支持多種幾何約束以及多視圖的同時驅動，能夠實現局部參數化，來處理設計中的過約束或者欠約束等情況。

3.凱思PICAD。PICAD是北京凱思軟件公司的自主CAD產品。作為國內商品化最早的具有自主版權的二維CAD支撐平臺，為國產CAD開創了新紀元。PICAD作為首批通過中國信息產業部審核并獲準登記的CAD產品，同時也是唯一獲得中國軟件行業協會“中國優秀軟件產品”稱號的機械CAD類軟件，在汽車、機床、通用機械等各行各業被廣泛采用。它具有繪圖智能化、局部圖形參數化以及適用性強的特點。

三、當前CAD技術的研究方向

現今采用的主流CAD技術，像特征造型、圖形交互、參數化設計等，都是技術研究的成果，在這些相對成熟的技術上確立研究方向，為明天的CAD系統奠定基礎。

（一）研究方向一：二維與三維之間的相互轉換

在設計界仍有相當比例的工程師在整個設計流程中并沒有使用各路的CAD軟件，紙、筆、尺子依然是他們的標準配置。而在使用CAD的工程師中，相當比例的人卻在使用二維CAD。為何三維CAD不太受待見呢？以一下三點原因可見一斑：

1.三維CAD遠比二維CAD復雜；

2.已經習慣二維設計的CAD用戶對于三維的設計不能很好的把握；

3.用戶已有的二維設計數據在三維系統中得到支持困難；

所以，CAD公司應該著眼于二維CAD用戶，幫助他們自然簡潔地轉移到三維CAD設計環境中去。為此CAD公司需要為三維系統設計一個類似二維設計環境的用戶界面；此外，三維CAD軟件需要設計一種更加用戶友好的工作界面，并在此基礎上為那些早已習慣二維設計的用戶提供更好的三維設計技術與知識的支持，從而幫助用戶更好的從二維設計（如二維繪圖和草圖）轉向三維設計。

（二）研究方向二：CAD幾何造型技術的擴展應用領域

美國Purdue大學的Hoffmann教授在ACM/Solid Modeling 2001所做的大會演講中，對未來10年CAD技術的發展做出了他自己的預測。他認為CAD技術將會延伸到各行各業，像建筑、醫學、游戲、地理……CAD幾何造型技術在各個領域中都有所涉及，但這并不是發展的最終目標，應該對其對應的行業相對應的拓展廣度，發掘深度。誠然，不同的領域所要面對問題側重點不盡相同。全盤照搬的話以現有的技術較難成功。但是CAD幾何造型的核心技術必定能夠與這些領域結合，這些領域內的特定問題都能——被攻破。

（三）研究方向三：CAD、CPC與互聯網

在現在這種信息大爆炸時代，人們能夠運用互聯網方便快捷的獲取所需的知識技術地或者與別的行業人士進行交流。互聯網的出現給設計，制造業等各行各業帶來了新的沖擊：設計師、工程師、制造商、供應商、技術人員以及消費者和管理人員之間，通過互聯網隨時隨地能夠進行溝通與交流。

為滿足日益增長的用戶需求，各大CAD公司都已開始針對此種聯網協同開發出了協同設計（CPC）技術，該技術的出現能夠使CAD軟件不再僅僅只是一個軟件。同時也使得CAD在整個產品的設計制造過程中所扮演的角色發生了翻天覆地的變化——從功能單一的輔助設計工具已升格為整個產品在生產各個階段的協同部分。

為實現CPC在各個不同的設計工具之間的協同，則需要有一個很強兼容能力的軟件來匯總處理各個部門的數據，并把它們整合一起，并且完成相關計算，這樣才能完成協同設計。

另外一個值得注意的是資料管理需要與CAD軟件結合在一起，這樣才能更好的使協調設計與互聯網相互聯通，更好的設計新產品。

而為了充分利用互聯網，CAD公司還需要做到：

1.研究有效的三維數據共享技術：如安全性、傳輸速度、沖突解決等技術；

2.研究為需要三維數據的用戶提供完整并靈活的解決方案；

3.研究幾何壓縮方法以及高效的編碼技術，為能夠提供高質量、高速度的傳輸大量的圖形數據設計結構做出努力；

4.研究在互聯網上進行高效、高質量的數據顯示。

四、結語

CAD技術在工程設計中的應用是非常廣泛的，給工程設計人員的工作帶來了巨大的便利。CAD技術正朝著開放化、集成化、智能化、協同化和標準化方向發展。技術是不斷發展的，每一個工程設計者都應該運用先進的技術，在各自的崗位發揮自己最佳的水平，為客戶提供優質的服務和優良的設計。

參考文獻：

[1]王利華，張振軍.CAD在機械設計中的應用現狀與發展[J].機械設計與制造，2006（2）.

[2]葉修梓，彭維，何利力.從工業界的角度看CAD技術的研究主題與發展方向[Z].2003.

[3]鄧學雄，梁柯.現代CAD技術的發展特征[J].機械設計與制造， 2001（3）.