搞设计的都应该了解的历史——工业CAD软件工具的前世今生

二十世纪六十年代,交互式图形处理技术的出现和计算机图形学的发展,为CAD技术的诞生与发展奠定了基础。七十年代,开始出现工程绘图系统,CADAM系统成为鼻祖。二十世纪70年代,小型计算机费用下降,美国工业界才开始广泛使用交互式绘图系统。

二十世纪80年代,由于PC机的应用,CAD(计算机辅助设计)得以迅速发展,出现了专门从事CAD系统开发的公司。当时VersaCAD是专业的CAD制作公司,所开发的CAD软件功能强大,但由于其价格昂贵,故得不到普遍应用。在1982年,AutoCAD系统的推出,无疑是以工程绘图为主要功能的二维CAD技术发展的里程碑,它成为第一个能够在PC上运行的CAD软件。当时的Autodesk(美国电脑软件公司)公司是一个仅有员工数人的小公司,其开发的CAD系统虽然功能有限,但因其可免费拷贝,故在社会得以广泛应用。同时,由于该系统的开放性,该CAD软件升级迅速。拥有Autolisp以及后来的High C等开发工具,使AutoCAD成为很多企事业单位进行功能扩展和开发专用CAD的重要工具。当时,还有CADKEY、Microstation、Sigraph Design(发源于西门子)等二维CAD系统。

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CAD的实现技术从那个时候起经过了许多演变。这个领域刚开始的时候主要被用于产生和手绘的图纸相仿的图纸。计算机技术的发展使得计算机在设计活动中得到更有技巧的应用。如今,CAD已经不仅仅用于绘图和显示,它开始进入设计者的专业知识中更“智能”的部分CAD最早的应用是在汽车制造、航空航天以及电子工业的大公司中。随着计算机变得更便宜,应用范围也逐渐变广。

中国的CAD软件也在那时开始应势而起,九十年代,在当时国家的“甩图板”工程的推动下,机械CAD的发展如雨后春笋一般,涌现出很多品牌:产生了凯思(中科院软件所)、开目(华中理工大学)、CAXA(早期叫北航海尔、华正,发源于北航)、凯图CAD(华中理工大学)、中国CAD(深圳乔纳森)、高华CAD(清华大学)等自主平台的二维CAD系统,以及基于AUTOCAD二次开发的InteCAD(天喻CAD的前身,华中理工大学)、艾克斯特(清华大学)、天河CAD(清华大学)、浪潮CAD(华天软件的前身,山东大学)、大天CAD(浙江大学)、中望CAD、天舟CAD、大恒CAD等系统,开创了一段国产二维机械CAD发展的黄金时代。

1997年,国家科技部举行了第一届,也是唯一一届CAD博览会。然而,当时企业还缺乏正版化的概念,自主版权的国产CAD基本上是与看似不要钱的盗版AUTOCAD软件竞争,制约了这些国产CAD软件的发展。而开放性,以及与AUTOCAD的兼容性,也是一个难题。当时Autodesk公司1998年并购了一个德国基于AUTOCAD二次开发的机械CAD软件Genius,对国内基于AUTOCAD平台二次开发的机械CAD软件带来很大挑战。

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三维CAD技术的发展,源于布尔运算和计算机辅助几何造型等技术,实现了从线框造型、曲面造型、实体造型到特征造型的发展:先后产生出UniGraphics(发源于麦道公司)、CATIA(1977年,源于达索航空)、Compter Vision(1997年被PTC并购)、APPLICON(1969年成立)、Euclid(1970年,法国MATRA公司,该产品1998年被达索并购)、I-DEAS(SDRC公司,1969年成立,2003年与UGS合并)、Integraph等三维CAD系统。早期的三维CAD系统只能在专用的图形工作站运行,软硬件都非常昂贵。那时候,主流的工作站包括SGI、SUN、HP等。

1985年,Samuel Geisberg博士创建了PTC公司,推出了参数化设计技术,在造型技术和效率上实现了巨大突破。

九十年代之后,SolidWorks成为Windows时代的新一代三维CAD系统,实现了三维CAD技术的普及,1997年被达索系统并购。同时代的软件还有Solid Edge(源自Integraph,后来被UGS并购)、Inventor(Autodesk公司,该公司早期曾开发过MDT软件)。其它产品还有Think3(意大利公司)、VX(产品后来被中望并购)、IronCAD、Cimatron(以色列公司,后来聚焦工模具CAD/CAM)等。

目前,主流的三维造型核心系统有Parasolid和ACIS两种。还有基于直接建模的三维CAD软件Spaceclaim(被ANSYS并购)、Cocreate(被PTC并购)等。2007年,曾经属于EDS公司,后来又独立运作的UGS,最终被西门子并购。现在,西门子拥有高端CAD软件NX和中端CAD软件Solid Edge。近年来西门子提出的同步建模技术,融合了特征造型和直接建模软件的特点,具有显著的创新。

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2013年,原SolidWorks创始人创建了Onshape公司,于2016年初正式发布完全基于SAAS的互联网时代的三维CAD系统。Autodesk公司也推出了基于云的三维CAD系统Autodesk Fusion 360软件。早期的三维CAD数据交换是通过IGES或STEP文件。轻量化三维模型近年来得到了普及应用,3D PDF和JT是比较主流的文件格式。而三维打印应用的文件格式则是STL。

从国内来看,北京航空航天大学在90年代曾组织开发过金银花三维CAD系统,新洲协同(后并入瑞风协同)自主开发了Solid3000三维CAD系统。2000年之后,CAXA推出了三维实体工程师(与IRON CAD共同推出);华天软件引进日本技术,推出Sinovation三维CAD系统,并在模具设计方面进行了深度开发;中望则通过并购VX CAD/CAM,推出了自主的三维CAD/CAM系统。

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二维CAD与三维CAD的融合,是智能制造领域的最基础的技术融合。现在的主流三维CAD系统中,都具备草图设计和工程绘图功能,实现了二维的表示、三维的内核。而机械CAD应用的主流趋势是逐渐通过全三维设计实现MBD(基于模型的产品定义。

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