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标题: 【资料】CAX发展历史 [打印本页]

作者: 开开 时间: 2002-7-27 11:50
标题: 【资料】CAX发展历史
CAX发展历史的回顾
首先让我们来回顾一下CAX发展的历史。随着计算机硬件、软件技术的发展，CAD技术逐步由二维线框进到了三维线框，成为第一代CAD的基石，也是说，第一代CAD是以线框为基础的软件。后来在70年代至80年代初，计算机计算能力的增加，新的图形技术（Motif、OpenGL）的产生，CAD软件由线框进化到了曲面描述阶段，并随之促进了CAM和CAE的发展，这就是第二代的CAD软件。在80年代中期以后CAD技术有了革命性的突破，建模方式由曲面转向实体（精确的实体而非简单实体），对象描述由传统的几何特征发展到基于工程特征的，全过程相关的参数化系统，这就是第三代CAD/CAM/CAE一体化系统。在此期间，产生了两大阵营。一派及PTC（参数技术公司）为代表的纯参数化系统，另一派以UG为代表的以传统建模和参数化建模有机融为一体的复合建模系统，包括CV、SDRC、IBM/CATIA等系统。两大阵营的激烈竞争加速了CAD技术的发展，同时也加剧CAD市场的动荡，一些著名的CAD厂商在竞争中纷纷落马出局；如Calma、Applicon已基本消亡，CV被PTC收购，Strim100被Euclid收购，而后Euclid又被CAITA收购，而且IBM/CAITA宣布Euclid将不再发展， Euclid也就此退出CAD市场。现在EDS重新收回UGS,由于EDS的策略是要做最好最大的，所以收购了SDRC公司的I-deas。经过这多年来激烈市场竞争，现在主流的高端的CAD/CAM/CAE一体化软件仅剩三巨头：PTC公司的Pro/Engineer；UGS公司的UG和I-deas(以后的NX)；IBM/Dassault公司的CATIA；

作者: 开开 时间: 2002-7-27 12:15
[转贴]CAD 技术发展历程概览

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　　CAD技术起步于50年代后期。进入60年代，随着在计算机屏幕上绘图变为可行而开始迅速发展。人们希望借助此项技术来摆脱繁琐、费时、绘制精度低的传统手工绘图。此时CAD技术的出发点是用传统的三视图方法来表达零件，以图纸为媒介进行技术交流，这就是二维计算机绘图技术。

　　在CAD软件发展初期，CAD的含义仅仅是图板的替代品，即：意指Computer Aided Drawing(or Drafting)而非现在我们经常讨论的CAD(Computer Aided Design)所包含的全部内容。CAD技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到70年代末期，以后作为CAD技术的一个分支而相对单独、平稳地发展。早期应用较为广泛的是CADAM软件，近十年来占据绘图市场主导地位的是 Autodesk公司的AutoCAD软件。在今天中国的CAD用户特别是初期CAD用户中，二维绘图仍然占有相当大的比重。

1. 第一次CAD技术革命──“贵族化”的曲面造型系统

　　60年代出现的三维CAD系统只是极为简单的线框式系统。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。由于缺乏形体的表面信息，CAM及CAE均无法实现。

　　进入70年代，正值飞机和汽车工业的蓬勃发展时期。此间飞机及汽车制造中遇到了大量的自由曲面问题，当时只能采用多截面视图、特征纬线的方式来近似表达所设计的自由曲面。由于三视图方法表达的不完整性，经常发生设计完成后，制作出来的样品与设计者所想象的有很大差异甚至完全不同的情况。设计者对自己设计的曲面形状能否满足要求也无法保证，所以还经常按比例制作油泥模型，作为设计评审或方案比较的依据。既慢且繁的制作过程大大拖延产了产品的研发时间，要求更新设计手段的呼声越来越高。

　　此时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，改变了以往只能借助油泥模型来近似准确表达曲面的落后的工作方式。

　　此时的CAD技术价格极其昂贵(也许还有人记得，曾几何时，在国内租用一套CATIA的年租金即需15～20万美元)，而且软件商品化程度低，开发者本身就是CAD大用户，彼此之间技术保密。只有少数几家受到国家财政支持的军火商，在70年代冷战时期才有条件独立开发或依托某厂商发展CAD技术。例如：

CADAM 由美国洛克希德(Lochheed)公司支持
CALMA 由美国通用电气(GE)公司开发
CV 由美国波音(Boeing)公司支持
I-DEAS 由美国国家航空及宇航局(NASA)支持
UG 由美国麦道(MD)公司开发
CATIA 由法国达索(Dassault)公司开发

　　这时的CAD技术主要应用在军用工业。但受此项技术的吸引，一些民用主干工业，如汽车业的巨人也开始摸索开发一些曲面系统为自己服务，如：

大众汽车公司 SURF
福特汽车公司 PDGS
雷诺汽车公司 EUCLID

　　另外还有丰田、通用汽车公司等都开发了自己的CAD系统。由于无军方支持，开发经费及经验不足，其开发出来的软件商品化程度都较军方支持的系统要低，功能覆盖面和软件水平亦相差较大。

　　曲面造型系统带来的技术革新，使汽车开发手段比旧的模式有了质的飞跃，新车型开发速度也大幅度提高，许多车型的开发周期由原来的6年缩短到只需约3年。CAD技术给使用者带来了巨大的好处及颇丰的收益，汽车工业开始大量采用CAD技术。80年代初，几乎全世界所有的汽车工业和航空工业都购买过相当数量的CATIA，其结果是CATIA跃居制造业CAD软件榜首，并且保持了许多年。最近几年，从造型理论上来说，CATIA并没有突破性的进展，CAD技术本身已相对落后。达索公司公布的96年营业额只有2.68亿美元，这并不足以使其稳据世界排名第二的位置。但其庞大用户群的巨大惯性以及由IBM提供的约3亿美元的强有力系统集成支持，使得它依然排在CAD行业前列。

2. 第二次CAD技术革命──生不逢时的实体造型技术

　　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。70年代末到80年代初，由于计算机技术的大跨步前进，CAE、CAM技术也开始有了较大发展。SDRC公司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和CALMA则将主要精力都放在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它特性，如质量、重心、惯性矩等，对CAE十分不利，最大的问题在于分析的前处理特别困难。基于对于CAD/CAE一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。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。基于这样的共识，各软件纷纷仿效。一时间，实体造型技术呼声满天下。可以说，实体造型技术的普及应用标志CAD发展史上的第二次技术革命。

　　但是新技术的发展往往是曲折和不平衡的。实体造型技术既带来了算法的改进和未来发展的希望，也带来了数据计算量的极度膨胀。在当时的硬件条件下，实体造型的计算及显示速度很慢，在实际应用中做设计显得比较勉强。由于以实体模型为前提的CAE本来就属于较高层次技术，普及面较窄，反映还不强烈；另外，在算法和系统效率的矛盾面前，许多赞成实体造型技术的公司并没有下大力量去开发它，而是转去攻克相对容易实现的表面模型技术。各公司的技术取向再度分道扬镳。实体造型技术也就此没能迅速在整个行业全面推广开。推动了此次技术革命的SDRC公司与幸运之神擦肩而过，失去了一次大飞跃的机会。在以后的10年里，随着硬件性能的提高，实体造型技术又逐渐为众多CAD系统所采用。

　　在这段矛盾碰撞、技术起伏跌宕时期，CV公司最先在曲面算法上取得突破，计算速度提高较大。由于CV提出了集成各种软件，为企业提供全方位解决方案的思路，并采取了将软件的运行平台向价格较低的小型机转移等有利措施，一跃成为CAD领域的领导者，市场份额上升到第1位，兼并了CALMA公司，实力迅速膨胀。

3. 第三次CAD技术革命── 一鸣惊人的参数化技术

　　正当CV公司业绩蒸蒸日上以及实体造型技术逐渐普及之时，CAD技术的研究又有了重大进展。如果说在此之前的造型技术都属于无约束自由造型的话，进入80年代中期，CV公司内部以高级副总裁为首的一批人提出了一种比无约束自由造型更新颍、更好的算法──参数化实体造型方法。从算法上来说，这是一种很好的设想。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。

　　当时的参数化技术方案还处于一种发展的初级阶段，很多技术难点有待于攻克。是否马上投资发展这项技术呢？CV内部展开了激烈的争论。由于参数化技术核心算法与以往的系统有本质差别，若采用参数化技术，必须将全部软件重新改写，投资及开发工作量必然很大。当时CAD技术主要应用在航空和汽车工业，这些工业中自由曲面的需求量非常大，参数化技术还不能提供解决自由曲面的有效工具(如实体曲面问题等)，更何况当时CV的软件在市场上几乎呈供不应求之势，于是，CV公司内部否决了参数化技术方案。

　　策划参数化技术的这些人在新思想无法实现时，集体离开了CV公司，另成立了一个参数技术公司(Parametric Technology Corp.)，开始研制命名为Pro/E的参数化软件。早期的Pro/E软件性能很低，只能完成简单的工作，但由于第一次实现了尺寸驱动零件设计修改，使人们看到了它今后将给设计者带来的方便性。

　　80年代末，计算机技术迅猛发展，硬件成本大幅度下降，CAD技术的硬件平台成本从二十几万美元一下子降到只需几万美元。一个更加广阔的CAD市场完全展开，很多中小型企业也开始有能力使用CAD技术。由于他们设计的工作量并不大，零件形状也不复杂，更重要的是他们无钱投资大型高档软件，因此他们很自然地把目光投向了中低档的Pro/E软件。了解CAD市场的人都知道，它的分布几乎呈金字塔型。在高端的三维系统与低端的二维绘图软件之间事实上存在一个非常大的中档市场。PTC在起家之初即以瞄准这个充满潜力的市场，在“旧时王榭堂前燕”尚未来得及“飞入寻常百姓家”之时，迎合众多的中小企业上CAD的需求，一举进入了这块市场，获得了巨大的成功。进入90年代，参数化技术变得比较成熟起来，充分体现出其在许多通用件、零部件设计上存在的简便易行的优势。踌躇满志的PTC先行挤占低端的AutoCAD市场，致使在几乎所有的CAD公司营业额都呈上升趋势的情况下，Autodesk公司营业额却增长缓慢，市场排名连续下挫；继而PTC又试图进入高端CAD市场，与CATIA、I-DEAS、CV、UG等群雄逐鹿，一直打算进入汽车及飞机制造业市场。目前，PTC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── 更上层楼的变量化技术

　　参数化技术的成功应用，使得它在90年前后几乎成为CAD业界的标准，许多软件厂商纷纷起步追赶。但是技术理论上的认可并非意味着实践上的可行性。由于CATIA、CV、UG、EUCLID都在原来的非参数化模型基础上开发或集成了许多其它应用，包括CAM、PIPING和CAE接口等，在CAD方面也做了许多应用模块开发。重新开发一套完全参数化的造型系统困难很大，因为这样做意味着必须将软件全部重新改写，何况他们在参数化技术上并没有完全解决好所有问题。因此他们采用的参数化系统基本上都是在原有模型技术的基础上进行局部、小块的修补。考虑到这种“参数化”化的不完整性以及需要很长时间的过渡时期，CV、CATIA、UG在推出自己的参数化技术以后，均宣传自己是采用复合建模技术，并强调复合建模技术的优越性。

　　这种把线框模型、曲面模型及实体模型叠加在一起的复合建模技术，并非完全基于实体，只是主模型技术的“雏形”，难以全面应用参数化技术。由于参数化技术和非参数化技术内核本质不同，用参数化技术造型后进入非参数化系统还要进行内部转换，才能被系统接受，而大量的转换极易导致数据丢失或其它不利条件。这样的系统由于其在参数化技术上和非参数化技术上均不具备优势，系统整体竞争力自然不高，只能依靠某些实用性模块上的特殊能力来增强竞争力。可是30年的CAD软件技术发展也给了我们这样一点启示：决定软件先进性及生命力的主要因素是软件基础技术，而并非特定的应用技术。

　　90年以前的SDRC公司已经摸索了几年参数化技术，当时也面临同样的抉择：要么它同样采用逐步修补方式，继续将其I-DEAS软件“参数化”下去，这样做风险小但必然导致产品的综合竞争力不高；但是否一定要走参数化这“华山一条路”呢？积数年对参数化技术的研究经验以及对工程设计过程的深刻理解，SDRC的开发人员发现了参数化技术尚有许多不足之处。首先，“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，通过尺寸的改变来驱动形状的改变，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时，面对满屏幕的尺寸，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。实事上，全约束是对设计者的一种硬性规定。

　　“一定要全约束吗？”“一定要以尺寸为设计的先决条件吗？”“欠约束能否将设计正确进行下去？”沿着这个思路，在对现有各种造型技术进行了充分地分析和比较以后，一个更新颖大胆的设想产生了。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，作为今后的开发方向。SDRC的决策者们权衡利弊，同意了这个方案，决定在公司效益正好之时，抓住机遇，从根本上解决问题，否则日后落后无疑。于是，从1990至1993年，历经3年时间，投资一亿多美元，将软件全部重新改写，于1993年推出全新体系结构的I-DEAS Master Series软件。在早期出现的大型CAD软件中，这是唯一一家在90年代将软件彻底重写的厂家。

　　众所周知，已知全参数的方程组去顺序求解比较容易。但在欠约束的情况下，其方程联立求解的数学处理和在软件实现上的难度是可想而知的。SDRC攻克了这些难题，并就此形成了一整套独特的变量化造型理论及软件开发方法。在I-DEAS Master Series(以下简称I-DEAS MS)软件系列中，变量化的理念是按如下步骤一步步实现的：

　　 I-DEAS MS 1 用主模型技术统一数据表达，变量化构画草图；
  I-DEAS MS 2 变量化截面整形；
  I-DEAS MS 3 变量化方程；
  I-DEAS MS 4 变量化扫掠(曲面)；
  I-DEAS MS 5 变量化三维特征，VGX；
  I-DEAS MS 6 变量化装配，PMI等。

　　变量化技术既保持了参数化技术的原有的优点，同时又克服了它的许多不利之处。它的成功应用，为CAD技术的发展提供了更大的空间和机遇。而且SDRC这几年业务的快速增长，也证明了它走的这条当时看起来是充满风险的研发道路是绝对正确的。也许DaraTech的96CAD市场评论是对的：“看起来SDRC要飞黄腾达了”。事实上，I-DEAS MS1发布时，SDRC市场排名仅位居第9，而在此以后，SDRC每年的排位都要超越一、两位同行，截止到去年，SDRC的市场排名已上升至第3位。无疑，变量化技术成就了SDRC，也驱动了CAD发展的第四次技术革命。

　　以史为鉴，可知兴衰。众多CAD厂商的成败无一不与其技术发展密切相关。温故而知新。CAD技术基础理论的每次重大进展，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。技术发展，永无止境。没有一种技术是常青树，CAD技术一直处于不断的发展与探索之中。正是这种此消彼长的互动与交替，造就了今天CAD技术的兴旺与繁荣，促进了工业的高速发展。今天，越来越多的人认识到CAD是一种巨大的生产力，不断加入到用户行列之中。愿CAD技术的发展伴随着人们对它认识及应用水平的提高，日新月异，更上层楼。

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作者: 开开 时间: 2002-7-27 12:24
[转贴：海信cad]理解变量化设计(上)

参数化造型、变量化设计、适应性造型、特征造型、动态建模以及尺寸驱动设计等名词确实使人迷惑不解。所有这些设计方法都可以归类为变量化设计。这些造型方法之间有一些相互重叠的地方，与过去使用的精确造型系统(Explicit modeling systems)相比，它们提供了不同类型的变量化造型方法。商业CAD/CAM系统创造了这些方法，为的是使自己别具一格，同时又将用户约束在自己的技术范围之内。
本文区分并定义了一些基本的术语，同时描述了一些商业CAD/CAM系统所采用的造型技术。第一部分讨论造型方法并给出定义。第二部分描述CAD/CAM系统所使用的最新技术。

动态与静态

参数化技术公司(PTC)的Pro/ENGINEER是第一个成功的变量化设计系统。从此，其它公司纷纷效仿，相继推出动态，而不是静态精确几何的，能实现尺寸驱动的CAD/CAM系统，使CAD/CAM市场面目一新。参数化造型加上特征技术为机械CAD/CAM技术带来了革命性的变化。设计师可以利用从参数驱动的2D图形发展来的简单几何形状构造三维实体原型。通过改变2D图形的尺寸，就可以修改实体模型。

这儿，与传统设计系统的主要不同是这类系统利用3D实体原型的方式。首先，这些原型不是用特定的坐标系和空间位置定位，而是通过参数和配合约束进行定位。其次，新的实体原型，即具有智能的特征，可以直接安置在模型上。筋条、倒角、圆角、孔、槽、凸台等作为一些被定义的元素，当模型改变时，它们仍然以预定的方式保持与模型的连接。例如，筋条必须保持与边的连接，不管边如何移动，它都不能与其断开。

造型方式

造型方式的核心内容是：

如何捕捉参数和约束(变量)，如几何结构，方程式，位置和非几何关系等。
如何将关键词与变量操作联系起来以捕捉设计意图，并使之作用于其它应用。设计意图是个很简单的概念，但捕捉用户的思想的过程却很复杂。目前，先进的造型工具很重要的一点是其根据约束和规则来定义几何模型的能力。约束指尺寸，几何关系和和代数关系；规则定义了设计实体的行为(如一个孔是通孔还是盲孔)。
如何保存这些变量的后期更改。
精确造型。精确模型只包含单纯的几何信息，不包含实体间的相互关系。这类系统要求使用者设计精确的几何形状来构造模型。通常，这类系统在一套系统中综合了线框、曲面和实体造型方法。

构造精确模型必须非常细心，哪怕微小的改动都需要重新构造模型--找出发生变动的部分，用系统提供的工具建立新的几何模型。如一个塑料瓶的精确表面模型，如果要改变其形状和容量，用户可能要删除大多数表面，重新构造曲线、分析曲面的交贯情况，并重构模型。而将精确模型与变量驱动技术相结合的系统则为用户提供了大得多的灵活性。

变量驱动设计。新一代设计系统可以在产品设计过程中通过捕捉模型中存在的关系及其定义过程来捕捉设计意图。这就允许对零件进行反复地编辑，允许用户试探不同的设计方案或生成不同的零件版本。对零件的编辑可以简单地通过改变其中的关系来完成。上述塑料瓶的例子中，通过改变瓶子的轮廓曲线上的几个点，然后进行重新计算，就可以完成新的设计，非常简便。

这种设计系统采用的基本技术是：

参数化造型
参数化造型记录建模过程和其中的变量(也就是捕捉设计意图)以及用户执行的CAD/CAM/CAE功能操作。因此，参数化建模通过捕捉模型中的参数化关系记录了设计过程。这种记录过程与次序有关(是顺序化的)。同时，它利用一系列定义好的参数对模型进行顺序计算。

参数化建模的优势在于其速度快。其缺点是用户必须提供几何元素的全部尺寸、位置信息，然后才能定义下一个元素。

变量化造型
变量化造型通过求解联立方程组来得到结果。它与参数化设计最大的不同是，参数化造型只是通过几何参数，或用来定义这些参数的简单方程来得到结果，而在变量化造型中，模型的驱动尺寸用复杂的方程组来表达。这些方程组可计算诸如基于材料属性的结构尺寸等。在建模时，用户不必按固定的顺序设置关系，只需赋予一些必要的参数即可。可见，参数化设计是变量化设计的子集。

变量设计允许用户不必关心约束设置的顺序，这符合用户的设计习惯。变量设计的优点是它允许欠约束的几何设计—不必将模型进行完全约束。

真正的变量设计软件需要明确的求解范围，因为方程式表达的就是这些问题。例如在结构设计中，增加或减少一个圆柱都会改变求解范围，从而改变这些方程组的结果。

同时对方程式进行求解是变量设计系统的标志。“偏向属性”而不是“面向构造”，从根本上说，变量化系统是对逐渐用属性进行约束的自由轮廓进行求解，而不是对造型步骤进行记录。

变量化设计对二维和三维设计都是非常理想的。但是，由于在三维设计中用方程式进行表达极其复杂，目前的设计系统只在二维轮廓中使用了变量化设计(只有极少数除外)。

其它造型方法。还有其它一些表达变量驱动设计的术语(尽管很少使用)。

适应性造型
Matra Datavision在其Euclid III中使用的这种方法，采用了一点稍微不同的技术。Euclid用CSG树来表达实体模型，这些实体模型由一些塑造成一定形状的实体原型经布尔运算构成。通过重新排列CSG历史树，可以重新构造Euclid实体。在实体构造中使用的每个原型的参数和位置都可以改变，因此，重新排列就可生成新的实体。如圆柱的直径和高都可以进行修改。

动态建模
由惠普公司在其PE/SolidDesigner中使用，也使用了一种不同的方法。利用动态的“特征”识别技术，它可以在设计过程中对类似凸台和凹槽之类的复杂细节作为特征进行识别和操作，而不必事先将它们制作为特征。强大的修改功能可以对这些特征进行修改和重定位。可以在任何时候将尺寸直接添加到模型上。但是，SolidDesigner不允许在两个特征之间设置内部关系。

特征造型

所谓特征，是一种实体概念，它不仅包括定义约束和几何拓扑信息，还包括包含规则和属性的几何行为信息。特征概念使工程师可以使用熟悉的术语与CAD系统进行交流。

特征造型完成的功能如果用几何原型布尔运算来实现可能要负责得多。例如，通孔可以用一个足够长的圆柱进行布尔差运算得到。如果将零件加厚，而这个圆柱又不够长的话，这个通孔就变成盲孔了。相反，通孔“特征”却能理解它必须彻底穿透零件这一规则，不管零件发生什么变化，它都能作到这一点。此外，特征还可以携带供其它有用的属性信息(如密度、硬度、热传导系数等)。

特征具有如下特性：

特征封装了其定义信息。特征一旦定义，其几何拓扑结构就始终被认为是一个特征(如孔、槽等)，并允许对其参数进行修改(直径、深度、斜度等)。
特征具有一定的行为规则，并在实现过程中遵守这些规则。如一个通孔始终是一个通孔，不管零件如何被改变。
分析(CAE)和加工(CAM)过程会自动获取零件中定义的特征信息，而不必要求用户重新输入，提高了生产率。

作者: 开开 时间: 2002-7-27 12:25
[转贴：海信cad]
理解变量化设计(下)

造型技术
高档三维设计系统一般采用以下技术：

用二维设计轮廓。大多数CAD系统都有一个轮廓编辑器，允许用户在平面栅格上生成二维图形（也叫轮廓）。在对图形进行约束过程中采用了不同的技术，如参数（或变量尺寸），或图元之间的几何关系（如平行、垂直、相切）等。

上述参数约束通常允许包含方程式，以便将它们与其它参数或常数联系起来。一些系统，特别是Computer Vision公司的CADDS5，允许从一系列复杂的方程式中求解参数，这些方程式有时甚至独立于轮廓。

全参数轮廓编辑器要求用户对轮廓进行全约束，即所有的图元都用一组数学关系完全定义。约束后，通过修改这些参数，该轮廓可以被完全确定。几乎所有的系统都提供帮助使用户设计出全约束的模型。变量化的轮廓编辑器通常可以图形化地显示轮廓在具有未被约束的自由度时会如何变化，以便使用户对欠约束轮廓进行检查。

围绕着是否必须将轮廓进行全约束，各厂家展开激烈的讨论。而我们认为这不是关键，因为在进行三维建模的时候，轮廓中未被约束的部分都被赋予了假定的值。真正的关键是通过改变原始轮廓来修改实体的难易程度。

经约束的轮廓通过向三维空间延伸而生成实体元素。通常可以在一组平面上绘制一组二维轮廓。

用二维轮廓生成三维实体元素。多数设计系统都提供从二维轮廓构造三维模型的工具。这些工具包括沿着线拉伸、围绕轴旋转、沿轨迹扫掠等。三维模型与二维轮廓紧密相关，可以通过修改二维轮廓修改三维模型。

用精确三维几何生成三维实体元素。一些系统，特别是CATIA，力图通过自动将一些3D几何结构参数化（也叫自动3D参数化）来绕开二维轮廓设计。最容易实现的形状是那些通过旋转或拉伸得到的简单几何原型。用它们定义3D实体时需要用到尺寸、几何约束和历史树。而要将一些复杂的精确三维几何结构（比如包含自由曲面的结构）进行完全参数化，需要自动生成大量的变量，目前的CAD系统还无法完成。

具有智能的几何特征。前面提过，几何特征包含规则和属性信息，可用来修改和重构模型以实现这些特征。例如，倒角和圆角可以看作是用一个复杂一些的面来替换原来的边。请注意，在此我们叫它几何特征，而不是其它特征。

特征设计符合设计人员的思路，使对问题的描述更人性化，并能捕捉工程设计的意图。比如，要描述一个沉头孔，精确造型系统会将它描述成两个相连的圆柱实体，而特征设计系统则把它看作一个沉头孔特征（用尺寸来表达的沉头孔）。

特征造型，由于具有智能的特点，将是未来所有设计系统都要采用的核心技术。目前，软件商们和标准制定者（特别是PDES/STEP标准）正忙于扩展特征的定义。可以设想在以后的设计中包含进表面粗糙度、检测方法、公差和加工方法等信息。如果特征改变了，下游的应用可以理解这一变化并相应作出改变。这将给用户带来多大的利益！真正的特征造型系统还支持用户自定义特征，因为没有任何软件能包含所有特征。

如何构造实体。通过向实体的基本体上增加特征，可以设计复杂的实体。传统的造型系统利用原点和笛卡儿坐标轴来定位特征。而SolidWorks等新式的造型系统则使用“工程师的语言”，利用实体上的边或点，如中心对齐，或其它技术来定位新的特征。Pro/ENGINNER还引入了参考元素和物理边界的概念，这类元素包括面、点或轴。

另外，一些系统采用经扩展的布尔运算并、交、差操作构造复杂的实体。通常，每个实体都可以用二维轮廓来驱动。在I-DEAS Master Series中，这些轮廓还可以用模型中其它几何元素来驱动。用户可以通过观察在模型改变时特征特性是否会显示出来，来分辨这两种技术。

零件装配。用户需要的不是零件，而是产品—由一组零件装配起来的部件或成品。由变量化零件运用位置变量装配起来的模型具有相当的智能性，可以通过改变几个基本变量来改变整个模型。这种变量不仅包括几何形状，还包括应力、容积或其它设计规则。

变量驱动设计还可用以解决另一项难题，即公差分析。已有一些系统，如Intergraph的EMS，能提供装配评价功能，在给定的公差范围内自动地对尺寸变量进行分析。将来，这类系统有望能分析几何误差。

变量驱动图纸设计。多少年来，人们一直在讨论如何从三维模型自动生成完全尺寸标注的二维图纸。多数CAD系统都将二维图纸设计与三维模型关联在一起。有些变量化设计系统，如SolidWorks，甚至能通过修改图纸上的尺寸改变三维模型。但多数系统还是需要在模型转化为二维图形后进行大量的手工图纸完善工作。虽然现在变量化设计系统能大大简化图纸生成和维护工作，它们离全自动地生成图纸还差得很远。

总结

变量化设计技术仍在不断发展。目前，很多系统具有了本文所述的功能，而用户也不愿购买非变量化设计的系统。只有精确设计功能的系统（Explicit-only Modeling Systems）在生产率和对技术影响力方面已经无法与变量化系统竞争。与电脑程序员可以通过代码重用提高设计效率相似，机械设计师也有同样的前景。基于变量驱动和特征造型的可重用的设计方法将是CAD技术的前途所在。　

技术说明

虽然大多数CAD/CAM系统都综合应用了参数化设计和变量化设计，两者之间还是存在技术差异。

参数化设计方法定义的几何元素之间的关系可以用一种定向图来表示。该方法用一种过程性的方式来表达几何元素的尺寸和位置。

变量化设计则通过逐步求解一组非线性方程组来得到几何元素的尺寸和位置。该方程组明确表达了模型中的约束关系。这些约束可分成三类：尺寸约束、几何约束和代数约束。

举一个平行线的简单例子。A线经参数化地定义成与B线平行。结果是，B线可以移动，并导致A线跟着移动。但是A线却不能直接移动。而变量化设计系统只是简单地将两条线描述为平行，允许两条线随意移动，只要保持平行即可。

作者: 开开 时间: 2002-7-28 16:36
广义CAD 技术
发展历程
· 孙家广 ·

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---- 孙家广中国工程院院士，博士生导师。现任国家CAD 支撑软件工程技术研究中心主任、国家863/CIMS 主题专家组专家。长期从事计算机图形学、计算机辅助设计及管理技术与系统的教学和研究开发。曾负责研制了有我国知识产权的计算机辅助设计绘图系统、三维产品与工程造型及数字建模系统、集成化CAD/CAM 支撑软件系统、工程图档电子化管理系统、企业资源调度及管理系统和产品数据管理系统等六种大型软件，并实现了成果转化，得到国内外同行的高度评价。获国家、部委科技进步奖15 项，发表论文122 篇，著书四部。

---- 计算机辅助设计（Computer Aided Design， CAD）是用计算机系统协助产生、修改、分析和优化设计的技术。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了广泛应用。

----CAD 作为信息技术的一个重要组成部分，将计算机高速、海量数据存储及处理和挖掘能力与人的综合分析及创造性思维能力结合起来，对加速工程和产品的开发、缩短设计制造周期、提高质量、降低成本、增强企业市场竞争能力与创新能力发挥着重要作用。无论是军事工业还是民用工业，无论是建筑行业还是制造加工业，无论是机械、电子、轻纺产品，还是文体、影视广告制作都离不开CAD 技术。CAD 技术是企业信息化的重要技术基础，也是企业进入国际市场的入场券。

----CAD，如果从美国麻省理工学院（MIT）旋风I 号所配的图形系统算起，迄今已有50 年；若以MIT 林肯实验室的I.E. Sutherland 发表的人机通信的图形系统博士论文为开始，也有36 年的历史了。CAD 技术经过近半个世纪的发展，在理论、技术、系统和应用等方面都有了长足的进步，下面就计算机辅助设计（CAD）、工艺规划（CAPP）、制造（CAM）、工程分析（CAE）以及产品数据管理（PDM）等方面的内容作一个简单回顾。

计算机辅助设计（CAD）
----1 ．用户接口
---- 用户是通过用户接口使用CAD 系统的，早期的计算机使用字符式的用户接口（SUI），进入70 年代，人们开始研究图形用户接口（GUI）。1984 年，Apple 公司开发的 Macintosh 使GUI 演变成窗口系统，并成为PC 机上的主流。进入90 年代，随着网络、多媒体技术的广泛应用，网络用户接口（NUI）和多媒体用户接口（MUI）已成为CAD 系统的主导界面。工作站CAD 系统基本采用Motif 作为其用户接口。

----2 ．图形标准

----70 年代初，为降低CAD 软件的成本，研究人员提出了研发与设备无关的图形软件。1974 年，在美国国家标准化局（ANSI）举行的ACM SIGGRAPH — — 一个“ 与机器无关的图形技术” 的工作会议上就提出了制定图形标准的问题，并于 1977 年提出了“ 核心图形系统”（CGS）标准文本。随后，ISO 发布了计算机图形接口（CGI）、计算机图形元文件标准（CGM）、计算机图形核心系统（GKS）、程序员层次交互式图形系统PHIGS 等国际标准文本。在产品数据交换方面，70 年代末，美国CAM-I 提出了初始化图形标准IGES、产品数据定义接口PDDI、产品数据交换规范PDES。90 年代，ISO 批准了将产品模型数据交换标准 STEP 作为国际标准。STEP 的应用对CAD 相应单元技术及系统的集成起到了积极作用。

----3 ．工程绘图

---- 计算机辅助绘制工程图纸是CAD 应用最早、最成功的领域。从70 年代中期开始，这一技术就经历了以下几个阶段：

---- 被动绘图用计算机解释执行绘图指令，在绘图仪上输出相应的图纸；

---- 交互绘图用户用交互工具反复修改显示屏幕上的图形，直到满意为止，最后成功地输出相应的工程图纸；

---- 参数化绘图用户不必输入图纸上的图形元素（如直线、圆弧、字符、标注等），而是输入设计零部件的参数，由CAD 系统自动地输出相应零部件的工程图纸；

---- 智能绘图在参数化绘图的基础上把工程绘图的相应规则和规定做成知识规则库，在相应专家系统的引导下，可以拟人化地自动输出某些专业工程图纸或产品、工程设计方案图。

---- 针对企业内旧图纸输入计算机的问题，90 年代时，国内外不少单位进行了工程图纸扫描输入和自动识别重建技术与系统的研究开发，但由于识别和重构理论还没有真正突破，相应的系统还在试用中。

----4 ．数字建模

----(1) 线框、曲面建模

---- 数字建模是用计算机表示实际的或假想的形体和景物的技术，是CAD 的基础和核心，涉及到线框、曲面、实体和特征建模。由于用计算机处理几何信息存在表示误差和计算误差，使这个在CAD 中相对古老又复杂的领域，至今仍有许多尚未解决的难题。从1963 年佛格森（Ferguson）将曲线曲面表示成参数矢量函数形式开始，线框、曲面建模经历了如下发展阶段：

----1963 年佛格森（Ferguson）将曲线曲面表示成参数矢量函数形式；

----1964 年孔斯（Coons）用封闭曲线的四条边界定义一块曲面；

----1971 年贝塞尔（Bezier）发表了一种用控制多边形定义曲线和曲面的方法；

----1972 年德布尔（De Boor）给出了B 样条的标准计算方法；

----1974 年戈登（Gordon）和里森费尔德（Riesenfeld）将B 样条理论用于形状描述，提出了B 样条曲线、曲面；

----1975 年佛斯普里尔（Versprill）在其博士论文中提出了有理B 样条方法；

----20 世纪80 年代后期皮格尔（Piegl）和蒂勒（Tiller）将有理B 样条发展成非均匀有理B 样条（NURBS）方法，并成为当前自由曲线和曲面描述的最广为流行的技术。用 NURBS 可统一表示初等解析曲线和曲面以及有理与非有理 Bezier、非有理B 样条曲线和曲面。

----(2) 实体建模

---- 由于线框和曲面建模不能表示出形体内部的状况，不能支持形体的优化设计等应用，60 年代末，美国和英国都分别进行了实体造型技术与系统的研发。美国罗切斯特大学1972 年开始PADL 实体造型系统的研究，并于1976 年和1982 年分别推出PADL1 版及PADL2 版；英国Shape Data 公司也在70 年代初推出了Romulus 实体造型系统。80 年代，国际上实体造型系统有十几种，但迄今仍有影响的是：Pro/Engineer、CATIA、IDEAS、 Parasolid 和ACIS，其中Parasolid 和ACIS 作为实体造型的内核已支持许多最终用户在其上开发出适合不同应用目的的商业版实体造型系统，如SolidEdge、Solidwork、MDT 等。实体造型常用的表示形式有构造的实体几何（CSG）表示、边界表示（BRep）和扫描表示，其中最关键的运算有形体的求交运算、集合运算和欧拉操作。

----(3) 特征建模

---- 特征建模又称为特征造型。特征造型是建立形体的产品信息模型，以支持设计和制造全过程，实现CAD/CAM 集成的一种新兴造型技术。形体的产品信息模型包括几何拓扑信息和非几何信息，如形状、公差、材料、制造过程的工艺规则以及相应的成本等。特征是对产品的一组特定属性的描写，它们反映了一个实际零件或部件的特定几何形状和特定加工要求，为设计人员和其他系统提供了更高层次的设计概念与手段。

---- 特征造型技术是80 年代末兴起的。两方面的因素导致了它的出现与应用。一方面，传统的实体造型技术是建立在几何表示和操作之上的，低层次的、无应用含义的几何操作与设计人员高层次的设计要领产生了矛盾；另一方面，近10 年间，CIMS 技术得到了长足发展，这就要求传统的造型系统除了满足自身信息的完备性之外，还必须为其他系统，包括CAPP、CAM 等提供反映设计人员意图的非几何信息，如公差、材料等。

---- 为了适应计算机动画制作，以及直接反映物体运动和变化规律，基于物理定律的建模技术与系统近10 年来有了长足的发展。用于表示像山峦、树木、草丛、云雾等不规则形体的造型技术与系统，如分数维造型、基于文法的造型和粒子系统，从80 年代开始研究，现在已达到实用水平。

----5 ．参数化设计

---- 在新产品的研制过程中，约70 ％～80 ％的成本耗费于设计阶段。因此，如何开发和研究先进的设计方法与工具，以提高产品设计的效率就显得至关重要。人工智能学研究认为，设计问题是约束满足问题（Constraint Satisfaction Problem，CSP），即给定功能、结构、材料及制造等方面的约束描述，求得设计对象的细节。

---- 参数化设计的关键是几何约束关系的提取和表达、几何约束的求解以及参数化几何模型的构造。 70 年代末及80 年代初，英国剑桥大学的R.C.Hillyard 和美国MIT 大学的D.C.Gossard 等率先将参数化设计用于CAD 中；1985 年，美国PTC 公司首先推出参数化CAD 系统Pro/Engineer。目前，二维参数化设计技术已发展得较为成熟，在参数化绘图方面已得到了广泛应用。而三维参数化造型能处理的问题还比较简单，能处理的面类型主要是轴线、平面和轴对称面，能处理的约束类型还很有限。

---- 在参数化设计中，几何约束关系的表示形式主要有：由算术运算符、逻辑比较运算符和标准数学函数组成的等式或不等式关系；曲线关系；关系文件；面向人工智能的知识表达方式。

----6 ．图形显示

---- 为了真实表示用CAD 技术生成的产品和工程的数字模型，真实感图形显示技术也是CAD 中的重要内容，其主要包括光照明模型、绘制算法、加速算法等内容。

---- 图形显示早期采用的是简单局部光照明模型。Lambert 余弦定律总结了一个理想漫反射物在点光照射下的漫反射光照明模型，并根据这一模型提出了用多边形各顶点光亮度作双线性插值的明暗处理模型（1971 年）、镜面反射的经验模型和单一光源下的Phong 光照明模型（1973 年）、局部光照明模型和整体光照模型（1981 年），提高了计算机生成图形的真实性。

---- 真实感图形绘制方法最早是1974 年由Catmull 提出的Z 缓存器隐藏面消除算法，随后，提出了基于扫描线的双参数多项式绘制算法、递归的光线跟踪算法和相应的整体光照模型。70 年代中期，Catmull 首先采用纹理映射技术生成景物表面的纹理细节，根据纹理定义域的不同，可分为二维纹理和三维纹理；基于纹理的表现形式，又可分为颜色纹理、几何纹理和过程纹理。1984 年，美国Cornell 大学的学者将热辐射工程中的辐射度方法引入CAD 中，产生了真实图形生成的辐射度算法。80 年代中期，为了适应显示多维数据场的需要，科学计算可视化的研究和应用在医学、有限元分析等领域发展迅速。随着三维真实感图形实时显示和多媒体技术的发展，模拟用户身临其境的虚拟现实或临境环境也在90 年代有了显著的进步和发展，并促进了虚拟设计、虚拟制造和虚拟企业工作的开展。

计算机辅助工艺规划（CAPP）
---- 工艺规划是连接产品设计和产品制造的桥梁，对产品质量和制造成本有着重要的影响。
---- 世界上最早研究CAPP 的国家是挪威，始于1966 年，并于1969 年正式推出世界上第一个CAPP 系统AutoPros，后于1973 年正式推出商品化AutoPros 系统。美国是60 年代末开始研究CAPP 的，并于1976 年由CAM-I 公司推出颇具影响力的CAP-I’s Automated Process Planning 系统。

---- 从60 年代末至今的30 年间，先后出现了在设计方式上不同的两类系统，即：

---- 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度的修改、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）系统其研究与开发始于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，人们探索将人工智能（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的（Knowledge-based）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。现在国内外已有许多上述各类系统的实例，一般是针对某个企业、某类零件的专用CAPP 系统，但迄今为止，已得到实际生产考验和令人满意的商品化系统还不多。我国对CAPP 的研究始于80 年代初，也有几个系统在企业中应用。

计算机辅助制造（CAM）
----CAM 中最核心的技术是数控技术。通常零件结构采用空间直角坐标系中的点、线、面的数字量表示，CAM 就是用数控机床按数字量控制刀具运动，完成零件加工。数控加工主要分程序编制和加工过程两个步骤。程序编制是根据图纸或CAD 信息，按照数控机床控制系统的要求，确定加工指令，完成零件数控程序编制；加工过程是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，使刀具和工件严格按执行程序的规定相对运动，加工出符合要求的零件。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1958 年研制成功第一台配有电子管数控系统的数控机床，1965 年开始成批生产晶体管数控系统的三坐标数控铣床。 90 年代时，国内外已有数万种技术先进、基于PC 的三坐标至六坐标数控机床，并在生产中得到广泛应用。
计算机辅助工程分析（CAE）
----CAE 主要是实现结构分析和结构优化。虽然CAE 的方法有多种，但应用最广泛、最成熟的是有限元分析，又称有限单元法，其基本思想的提出可追溯到1943 年， Courant 第一次应用定义在三角区域上的分片连续函数和最小位能原理来求解St. Venant 扭转问题。现代有限单元法的第一个成功的尝试是在1956 年，Turner、Clough 等人在分析飞机结构时，将钢架位移法推广应用于弹性力学平面问题，给出了用三角形单元求得平面应力问题的正确答案。1960 年，Clough 进一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了“ 有限单元法”，使人们认识到它的功效。60 年代后，特别是随着计算机的发展和广泛应用，有限元分析在结构力学、弹性力学、流体力学、热力学、电磁学、航天航空、土建、水利、材料等工程设计和工程分析领域越来越成为一种不可缺少的有效的计算和分析方法。
---- 有限单元法的基本思想是将物体（即连续的求解域）离散成有限个简单单元的组合，用这些单元的集合来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题。物体被离散后，通过对其中各个单元进行单元分析，最终得到对整个物体的分析结构。随着单元数目的增加，解的近似程度将不断增大。有限元分析过程主要包括三个阶段：

---- 前处理阶段首先建立有限元模型，完成数据的输入，对模型进行离散顶点节点数据工作。网格剖分是该阶段的关键步骤。

---- 有限元分析过程通过对各单元进行单元分析，最终得到对所有单元的整体分析。该阶段主要是通过求解线性方程组得到计算结果。

---- 后处理阶段用各种方式将分析结果显示出来并进行评估。该过程通过直观的、图形的、矢量的和动态的显示让人们对数据量极大的分析结构有直观的认识。

产品数据管理（PDM）
----CAD 技术的普及，使企业中存在的产品设计制造数据信息共享程度低、传递速度慢、业务管理落后、设计方式陈旧、支撑技术不配套和应用集成系统效率不高的矛盾越来越突出。80 年代初，制造企业为解决上述矛盾开发了不少自用的PDM 系统，到80 年代后期，许多专业公司择优将其演变成PDM 产品。90 年代时，美国部分制造企业开始采用PDM 进行管理。
---- 我国90 年代中期开始研发PDM 系统，由于吸收了国外PDM 发展的经验教训，因此，起点较高。目前， “863” 计划支持的基于CORBA/Web 的PDM 系统与国际上先进的 PDM 系统的差距不到5 年。PDM 是集成并管理与产品有关的信息、过程及其人与组织的技术，其应用分为企业图档电子化管理、部门级数据管理、企业级数据管理和企业间数据管理四个层次。PDM 通过权限管理、工作流管理、项目管理和配置与变更管理等，实现在正确的时间、把正确的信息、以正确的形式、传送给正确的人、完成正确的任务，最终达到数据共享、人员协同、过程优化和增效减员的目的。PDM 作为一个管理系统，需要针对企业的特殊需求来定制和实施，为此，企业模型的建立、实施规范的制定是加速PDM 推广应用的关键因素。

---- 近30 年来，软件发展经过了四次浪潮。70 年代，批处理计算风迷全球，80 年代，联机处理计算独占风骚，90 年代，基于客户/ 服务器的处理计算模式盛行一时，90 年代后期以Internet、Java 和分布式构件技术驱动的网络计算正以不可阻挡之势迅速普及到各个领域，形成了软件发展的第四次浪潮。在第四次浪潮下，主机终端形式、台式计算形式、客户/ 服务器形式和网络计算形式将共存、共融、共同发展。在第四浪潮的冲击下，异地、异构、协同、虚拟CAD 技术的发展和应用将会更加普及、更加高效。

作者: 开开 时间: 2002-7-28 16:41
创新设计及现代管理　
孙家广

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作者简介
---- 孙家广清华大学计算机科学与技术系博士生导师，国家CAD 支撑软件工程技术研究中心主任。长期从事计算机图形学、计算机辅助设计及管理技术与系统的教学和研究开发。曾负责研制了拥有我国知识产权的CAD 绘图系统、三维产品与工程造型及数字建模系统、集成化CAD/CAM 支撑软件系统、工程图档电子化管理系统、企业资源调度及管理系统和产品数据管理系统等大型软件，是国家级有突出贡献的中青年专家。曾获国家、部委科技进步奖15 项，发表论文122 篇。
----随着全球经济的发展和我国市场经济体系的建立，各国之间的经济竞争、企业之间的产品竞争，实质上就是科技实力的竞争，是企业信息化水平的较量。企业信息化已成为企业发展生产力、提高经济实力和夺取竞争优势的重要保证，并成为国民经济发展和国防建设的基础。

----据国外资料分析，从19 世纪70 年代到20 世纪90 年代的100 多年里，加工过程的效率提高了2000 ％，生产管理的效率提高了80 ％～120 ％，而产品设计的效率仅提高了20 ％左右。目前，后两个效率已成为制约我国企业生产进一步发展的重要因素。

----1 ．信息共享程度低

----企业的计算机辅助工具都是一些离散孤立的系统，由这些互不兼容的软件产生的数据不能统一由一个企业级的计算机软件系统来管理，常常以不同的格式和介质存储，如不同的硬盘、软盘、光盘等。特别是数据存储于不同的计算机系统中，包括大型机、小型机、工作站和PC 机等，甚至可能还未联网，从而无法在设计、工艺和制造部门之间有效地实现信息共享与传递。

----2 ．信息传递速度慢

----大部分企业的信息传递主要是通过书面文件、报表及电话联络等方式，无法及时收集工艺和制造过程中的反馈信息，不能实时反映设计过程中的变化，甚至随时跟踪整个产品的设计和制造的进展情况。

----3 ．业务管理落后

----虽然企业采用计算机辅助工具在一定程度上实现了绘图和设计的计算机化，但是有关产品的其他技术资料依然采用手工管理的方式。另外，由于CAD/CAM 技术的推广应用，各种格式的图形、数据、文本等文件还是沿用过去对纸质文件的管理方法，对文件缺乏有效的版本管理，造成不必要的重复设计。由于缺少迅速有效地检索产品数据文件的手段，也造成设计的复用性差。

----4 ．设计方式陈旧

----长期以来，产品开发沿用传统的顺序工程方法，遵循" 概念设计 → 详细设计 → 过程设计 → 加工制造 → 实验验证 → 设计修改" 的流程。由于该方法在设计的早期不能全面地考虑设计下游的可制造性、可装配性、质量保证等多种因素，使所制造的产品存在许多缺陷，这就必然要求对设计进行更改，构成了从概念设计到设计修改的循环，而且可能在不同的环节上多次重复这一过程，造成设计改动量大、产品开发周期长、成本高，难以满足激烈的市场竞争的需求。

----5 ．支撑技术不配套

----在数据管理方面，企业仍然停留在使用大型商用关系数据库的层次上，由于这些数据库不能有效地管理图形、图像等非结构数据，更无法实现过程管理、配置管理以及对应用工具的集成，从而不能满足在异构与分布式计算机环境中使企业内各类应用实现信息集成、功能集成和过程集成。

----6 ．应用集成系统效率不高

----几乎任何两个不同的应用软件都不可直接分享或交换。CIMdata 公司指出，目前，在企业中每天大约有1/3 到1/4 的设计、管理工程技术人员不是专心于自己的本职工作，而是在开会、讨论、等待或处理各种信息。

----解决上述问题的关键就是提高企业的创新设计能力和现代管理水平。而CAD 技术是其中的主要手段。如何引入CAD 系统并使其发挥作用，将直接影响到企业提高创新能力、缩短开发周期、降低成本、提高质量等目标的实现。

----1 ．创新设计的主要内容--CAD 应用的方法和策略 CAD 的应用将给企业带来可观的经济效益，这一点已得到各界的共识。但企业引入CAD 系统，仅仅作为绘图工具而没有合理的应用策略，是不经济的，甚至会给企业带来负效应。企业应在系统工程思想的指导下，用整体优化的观点，科学合理地对业务过程、产品结构和信息技术进行重组；通过标准化和规范化尽可能地减少零部件的数量，建立集成的智能产品模型和跨功能的并行工作环境；进行合理的规划，在正确方法论的指导下实施和应用。这些是企业成功开展CAD 的根本保证。

----(1) 产品设计和开发方法策略

----随着科学技术的发展和生活水平的提高，顾客对产品的复杂程度和交货期的要求越来越高，只有借助于现代化的设计手段和先进的设计方法才能满足这些要求。而企业往往是有了现代化的手段，却忽视了科学的方法论的指导，以致最终达不到预期的效果。因此，在设计方法上需要采取以下策略：

企业需要改变传统的作业方式。在并行工程方法指导下，采用以Intranet 为基础、面向项目组的分布式协同工作方式，加速产品开发过程中复杂信息的传递，缩短产品开发周期。
在新的工作方式下，设计人员不仅要掌握新的软件工具，还要适应新的设计环境。这要求设计人员知识面要宽，考虑问题的范围要广，协同工作能力要强。
单纯的CAD 技术已不能满足市场竞争的需求，因此，运用价值工程、拟实技术、仿真技术等手段，研究面向X 的设计方法。
利用成组技术和相似性原理，采用标准化技术、模块化技术，改变传统的产品结构，建立标准化、模块化和系列化设计体系，充分利用现有的成熟技术和已有的零部件，快速响应市场需求，降低成本，提高质量。
快速开发新产品已成为企业赢得竞争的主要手段，开发新产品的创新能力是企业的灵魂。需要强调的是，产品设计过程中的创新，不是源源不断地创造出新的零部件，而是如何利用现有的资源，创造出新的原理和新的方法，实现新的功能。
----(2) 标准化、规范化策略

----标准化工作是组织现代化生产和工程建设的重要手段，也是科学管理的重要组成部分。可以说，标准已成为未来工业战争的中心，谁控制了标准，谁就将掌握了未来。

----标准化、规范化策略包括以下两方面内容：

产品标准化、规范化策略实践表明，尽管面向顾客的产品变化较快，但构成产品的零部件相对稳定。而很多企业由于标准化工作做得不好，零部件数量无限制增长。据我国有关部门统计，每增加一个新零件，年平均费用将增加2000 ～4000 元人民币。因此，对零部件数量的控制，其意义不只是少出几张工程图，而是节省了一笔费用，又方便了管理。据统计，机械企业中按其零部件特性分类，其中约50 ％的零部件属于标准件和外购件，成本只占10 ％；通用件和相似件占40 ％，成本占20 ％；根据顾客要求而设计的特殊零部件只占10 ％，成本却占了70 ％。因此，应采用标准化和规范化手段，尽量采用标准件和外购件。
信息标准化、规范化策略 CAD 技术的推广应用是信息技术发展的重要组成部分，而信息标准化工作又是发挥其最大效能的重要保证。ISO/IEC 技术动向咨询委员会（ABTT）和长远规划特别工作组（LRPG）在《展望未来》中指出：" 国际计算机通信使设计、生产与控制的工程活动严密地组织起来，地理界限随之消失了。智能工具大大促进了产品多样化，而无损于经济规模。"
----企业在CAD 应用中，应遵循统一的信息描述标准，以减少企业间、企业内部和设计人员间的数据交换带来的困难，实现异地、异构数据共享，避免大量重复性工作。

----(3) 产品模型策略

----随着CAD 技术的发展，基于特征的、参数化、变量化建模技术已得到应用。随着制造技术的发展，产品模型突破了CAD/CAM 领域，已成为产品生产过程中的关键技术。传统的几何模型、特征模型已不能满足现代制造技术的要求，从而提出了面向产品生命周期的关系型产品模型的概念，而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要设计－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和外部过程信息的集成。

----2 ．创新设计技术对CAD 系统的新要求

----企业成功应用CAD 系统，除了应用以上策略外，最重要的一点是选择什么样的CAD 系统，这要根据企业的具体情况而论。国内外商品化的CAD 系统五花八门，功能上各有千秋。但作为新一代CAD 系统，应具备如下一些特点：

----（1）关系型CAD 系统

----建立关系型产品模型，要求CAD 系统不仅能描述产品的几何信息、拓扑信息、材料信息等显示信息，还要能描述蕴含在设计师头脑中的设计知识和设计约束等隐式信息。关系型CAD 系统可以记录和再现设计师的设计意图，包括各种隐含在模型中的设计关系和设计约束。

----（2）参数变量化设计系统

----大多数参数化系统是在几何模型生成后再将尺寸或参数加入模型中，因此不能达到全关联，且在后续的使用中会出现问题，不能实现并行化。变量化设计技术可以解决同步约束的问题，使设计修改具有更大的自由度，其约束条件可以是几何关系，也可以是工程计算条件。参数变量化设计系统能提供参数化和变量化技术相结合的复合建模技术，且参数变量化手段具有多样性。

----（3）关系约束模型的建模技术

----吸取了全部约束和部分约束两种约束的优点，在建模过程中，交互式建立各种约束关系。同时，可以作出某些约束值的假设，最终约束与尺寸标注无关。

----（4）隐式设计技术

----这是相对显式设计技术而言的。显式设计技术无法描述隐含在显式信息后面的设计关系和约束，无法捕捉模型中不同零件间的关系，不支持模型尤其是装配模型的修改和优化。而隐式设计技术较好地解决了这些问题。

----（5）面向对象的建模技术

----新一代CAD 系统应能支持面向对象的建模技术，产品模型一旦形成，大量信息和关系封装在模型内部，直接面向设计师的只是一些设计参数和设计结果。

----（6）支持基于事物特性表的变型设计

----该设计过程是相对于全新产品设计、针对通用产品设计的一种设计方法。变型设计是在原有零部件的基础上，通过改变事物特性表中的特性值，从而得到相似零部件的设计方法。它要求CAD 系统不仅是关系型系统，而且具有表格驱动的功能。

----（7）支持设计师的全过程设计

----CAD 系统应完全支持方案设计－装配设计－详细设计的全过程，并可以建立全过程完整的关系链，保证整个过程设计的一致性，使设计师的设计在概念设计阶段就可以使用CAD 系统，并准确记录和再现全部设计过程。

----目前，大部分CAD 系统只能支持面向零件的设计，即先设计零件，然后搭积木式地进行装配设计，也即自下而上的设计方法。新的设计需求要求CAD 系统还要支持自顶向下的设计方法，也可以混合采用这两种设计方法。

----（8）一体化解决方案

----CAD 系统应是多成员家庭中的一员，和家庭的其他模块一起，构成从设计、制造到管理的一体化解决方案，实现设计、制造到管理这一产品生命周期全过程的无缝集成。此外，应具有灵活的外部接口、良好的开放性、功能强大的开发语言，使其可以实现与非家庭成员的其他系统无缝集成。

----企业信息化是一个复杂的系统工程，从企业管理信息而言，PDM 和ERP 是企业信息化能否成功的关键技术。

----由于PDM/ERP 系统是和企业业务过程紧密相关的，所以，任何PDM/ERP 系统都不可能买来即用，而一定要经过实施才能在企业中成功应用。因此，企业在选择PDM/ERP 系统时，不仅要关心系统本身的技术先进性，同时应将软件供应商的实施能力放在与软件系统同等重要的位置上加以考虑。

----1 ．PDM/ERP 实施特点

----涉及面广企业实施PDM/ERP 绝不是一蹴而就的简单过程，它与企业经营理念相关，涉及到各个部门、人员和数据。因此，它的实施与CAD/CAM 有本质的区别，它不仅与设计、工艺部门有关，还与经营管理部门有关，有人将其称之为" 厂长工程"。实施PDM/ERP 必须站在整个企业管理的高度，制定具体的方法和策略。

----信息量大 PDM/ERP 系统管理整个产品生命周期内的全部数据、生产数据、销售和管理信息，要将原来孤立分散的数据转变成相互关联的有机整体，需要做大量的分析整理工作。

----调整管理模式在实施PDM/ERP 的过程中，既要兼顾原来的管理习惯，又要考虑信息集成的要求。如果没有企业级的统一规划和指挥，就不可能实现管理模式的调整，不可能真正实施PDM/ERP 系统。

----周期长、投入大根据上述三个特点，显而易见，PDM/ERP 系统的实施绝非是少数几个人经过几天或几周的培训就可以投入使用的，它是对整个企业的信息管理做一次大的手术，无论是设备的投资，还是人员培训，都远远超过一般应用程序的推广应用。而以为买了PDM/ERP 系统就能用的思想是对 PDM/ERP 系统的误解。

----2 ．PDM/ERP 实施步骤

确定实施的范围和目标；
考察并选择PDM/ERP 系统及合作伙伴；
组建企业的实施队伍；
现有系统模拟运行；
根据试用情况提出目标系统方案；
双方确认后进行目标系统开发；
目标系统试运行；
系统逐步完善并全面推行。
----企业人员和软件人员的充分合作是 PDM/ERP 实施成功的关键。软件人员需要了解企业的现实，而企业人员需要了解PDM/ERP 系统实施对企业的影响，只有双方充分交流才能保证系统的最终成功。

----搞好企业信息化建设是企业长期发展的需要，企业应逐步做到：

企业领导和员工理念的信息化；
企业决策信息化；
企业经营手段信息化；
数据加工应用信息化；
组织管理信息化。
----只有这样，才能最终使企业真正实现市场创新、技术创新、产品创新、管理创新、效益创新。

作者: marling 时间: 2002-7-29 14:23
谢谢！
我不久才在论坛上问过

作者: singoe 时间: 2002-7-29 22:13
我一直在找这方面的资料看
很全面

作者: yifun 时间: 2002-7-31 00:10
很不错的

作者: sixer 时间: 2002-9-11 17:51
well done~~

作者: blackbird111 时间: 2003-7-16 01:48
不知ug和I-deas能否真正合二为一。

作者: hz8888 时间: 2003-7-16 06:39
好

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