PTC/ProE引导CAD进入参数化特征设计新天地

深夜摔键盘

CAD产业发展回顾与思考之四

工业界急切要求三维CAD实用化   
Parasolid和Medusa等都属于体素拼合系统，将立方体、圆柱体、圆锥体等用类似于搭积木的方法组装成机械零件，这种操作方式并不符合设计师勾画产品草图时的构思习惯，而且无法表示自由曲面形体。当时CAD软件提供的三维设计工具是线框造型，让设计师在二维的构造平面上画图，由计算机自动将构造平面上的二维图变换成产品模型空间中的三维图，然后手工将线框蒙面，产生完整的三维表面模型。与此同时，早在1978年MIT David Gossard教授就提出了用功能形素设计产品的思想，例如机械中的传动轴是由轴体、螺纹段轴颈、退刀槽、法兰盘、键槽等构成，利用产品的功能结构知识，可以通过特征语义进行推理，指导产品的智能化设计和CAD/CAPP/CAE/CAM集成。于是特征设计的理论研究在1985年后迅猛展示，纷纷研制了多种试验系统，莫衷一时。在这种形势下Samuel Geisberg脱颖而出，提出了参数化特征造型的发展途径，并且组建了Parametric Technology公司, 推出Pro/Engineer产品，为CAD三维设计树立了新的常规。   

Samuel Geisberg的功绩   
CAD是高技术，它的每一个重大进步都有代表性人物的创新思维和研究成果作支持。1963年I E Sutherland 的SKETCHPAD交互绘图系统博士论文促成了CADAM系统的开发，1962-1968年 S A Coons和P E Bézier 的曲面理论对CAD曲面造型起了奠基作用，1970-1979年I C Braid的研究工作保证了边界表示法实体造型的成功。但是Braid在算法中只考虑二次规则曲面体素，并未过问自由曲面，因为后者的求交、裁剪的数学处理更要难得多。   
Samuel Geisberg出生于苏联，在列宁格勒大学任数学教授，1974年37岁时来到美国，先在CV工作，后来转到Applicon领导实体造型组。他的改革思想未被Applicon公司接受，在Adage公司的资助下于1985年组建PTC公司，并用PC/AT机研制了实验系统，进一步获得了300万美元的投资。1987年11月当Pro/E在AutoFACT上首次展示时引起观众的轰动。Pro/E发展了三维线框设计的思想，首先建立基准面，在基准面上勾画二维草图，用扫成方法将二维轮廓线引伸成三维形体。依次更换作图平面，尽量用显式操作生成形体，避免面面搜索求交、裁剪的集合运算。随时记录每个特征形素的生成操作过程，当修改某些标注尺寸值后，用尺寸驱动方法修改相应二维轮廓线，重新运行零件设计过程的全部操作命令，由此实现了参数化特征建模。Pro/E的总体目标是使曲面、实体、参数化特征设计融为一体，可以任意构造复杂零件和装配件，而且修改设计方便。它的发展过程并非一帆风顺，最大难点在于集合运算中的曲面求交、裁剪运算和参数化草图设计中的几何约束求解不能迅速达到可靠、高效，这就要求数学家深入钻研，努力突破某些技术关键。Samuel Geisberg的最大功绩在于发挥了他的数学专长，紧密结合CAD工程应用实践和软件开发技术，排除各种非议，使Pro/E得到普遍接受，为CAD技术发展树立了一个崭新的里程碑。   

CAD产业呼唤数学家的全身心投入   
CAD必须要有坚实的数学理论作为基础，但是光靠数学理论还不够，还要将理论变成得心应手的软件产品和针对工程应用中的各种特殊情况不断开拓新的处理技术。这方面的例子很多。英国剑桥大学工程系约从1977年起用Bézier曲面研制了DUCT设计加工系统，利用一条脊椎线(Spine)和垂直于脊椎线的一组剖面线构造出形状复杂的涡轮泵壳体、带手把孔的塑料瓶、汽车排气管等，构思非常巧妙。英国John Owen于1989年创建D-Cubed公司，开发了几何约束求解软件DCM，从二维发展到三维，以后又增加了几何形体的撞碰和间隙检测等功能，从1990年起已有130家CAD公司签约将DCM组件纳入自己的产品中。美国Geomagic公司创建于1996年，专作逆向工程几何建模和测量验证软件，创始人是奥地利数学家Herbert Edelsbrunner，产品性能在同行业中名列第一，有多项算法申请了专利。除此之外，凡是成功的CAD公司都聘请了资深数学家从事深层次的软件开发、维护。很多问题看似简单，但在CAD应用中却很难处理，必须另谋对策，研究工作越来越走向深入。但是在公司间激烈竞争机制下这些研究成果决不公开发表。于是企业的优胜劣汰更加加速，惟独市场占有率高的优胜企业才能从丰厚收益中提取足够的研究开发资金稳住优秀人才，保持产品的持续高速发展。   

风险投资是PTC成长的另一必要条件   
美国的学术研究非常繁荣，它是建立在坚实的工业应用的基础上。在机械工程和计算机系，高校的学术研究比工业界领先5-10年。只要你从事的是一项非常有生命力并代表社会发展方向的研究，马上就有人来帮你商品化，并从华尔街找来钱，三到五年内把产品和公司做上市。Cisco是这样产生的，Google也是这样产生的，还有数不清的公司都是这样产生的。以上摘自CAXA公司黄铃副研究员2002年春节从UC Berkeley来信，供参考。