CAD的研究现状与发展趋势

CAD 的研究现状及发展趋势

计算机辅助设计技术是电子信息技术的一个重要组成部分；是促进科研成果开发

和转化、实现设计自动化、加快国民经济发展和国防现代化

的一项关键新技术；是提高产品和工程设计水平、降低消耗、缩短科研和新产品开发

周期、大幅度提高劳动生产率的重要手段；是科研单位提高

自主研发能力和管理水平、参与国际竞争的重要条件；也是进一步向计算机辅助制造、

计算机集成制造系统发展的重要基础。

CAD技术的发展与应用水平已经成为一个国家科学技术现代化和工业现代化的

重要标志之一，它使产品设计工作的内容和方式发生了

根本性变革，彻底改变了传统手工设计绘图的方式，极大地提高了产品开发的速度，

提高了设计精度。这一新技术的应用将人类的聪明才智

和创造能力与计算机高速而精确的计算能力、大容量的存储和数据处理功能结合起来，

使两者相得益彰。

早期的 CAD也就是计算机绘图，以完成图形的设计与绘制工作为主。经过40 多年的研究与应用， CAD的概念已发生了本质飞跃，它不仅包括图形处理

，还包括概念设计、造型设计和原理样机设计等内容。它吸收和运用了更多的与设计

技术相关联的科学技术和理论，以及优化设计、可靠性设计、有限元分析

、价值分析和系统工程等知识。与传统设计方法比较， cad 彻底改变了设计的方式，提出了

新的设计理念，把设计人员从繁琐、机械的设计工作中解脱出来

，将精力和聪明才智转移到创造性的设计过程中，大大提高了产品设计的精度和可靠

新，缩短了产品设计周期，降低了产品的成本。

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

OPEN GL等也很受重视。

前还有一些其它的三维图形支持标准，如PEX

和

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。

STEP。STEP是一个系列的国际标

90 年代初，ISO公布了产品数据表达与交换标

准

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。

国内外差距

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