CAD/CAM应用：历史与发展

1．2CAD/CAM技术的应用与发展历史

CAD/CAM技术的兴起、发展及其应用范围的不断扩大与计算机和外部设备的发展密切相关。20世纪40年代中期第一台计算机的问世及其发展，不断推动着许多学科的发展和新学科的建立。CAD/CAM技术就是在这个环境下逐渐兴起和发展起来的。到20世纪50年代中，计算机主要用来处理科学计算。尽管当时已在计算机中配置了显示器，但由于计算机图形显示技术的理论还没有形成，只是作为字符的显示，不具备人—机交互功能。1952年美国麻省理工学院研制成功了第一台三坐标数控铣床，并开始着手研制数控自动编程系统APT(Automatically Programmed Tools)。当时在美国学习的奥地利人H．Josph Gerber根据数控加工的原理和方法为波音飞机制造公司研制出世界上第一台平板绘图机。1959年，美国的Calcomp公司根据打印机的原理研制出世界上第一台滚筒式绘图机，这就开始了由计算机辅助绘图仪替代人工绘图的历史。这不仅仅使古老的绘图科学有了突破性的发展，而且更重要的是解决了一些用手工绘图不能完成的任务，如绘制大规模集成电路中的掩膜图。

20世纪50年代末，美国麻省理工学院林肯实验室研制出的空中防御系统(SAGE System)，能将雷达的信号转换为显示器上的图形，操作者可以用光笔(Light Pen)指向显示器屏幕上的目标图形，从而拾取所需要的信息。这种功能的出现标志着交互式图形技术的诞生。绘图机和交互式图形显示技术的诞生是继计算机问世后的又一科研成果，它们都为CAD/CAM技术的兴起做出了贡献。

1963年，美国麻省理工学院IE．萨瑟兰德(IE．Sutherland)在他发表的博士论文中提出了SKETCHPAD系统。在这个系统中，可以用光笔在图形显示器上实现选择和定位等交互功能，而且计算机可以根据光笔指定的点在屏幕上画出直线，或者当用光笔在屏幕上指定圆心和半径后可画出圆。另外，该系统对符号和图形的存储采用了分层的数据结构，即一幅完整的较复杂的图形可以通过分层调用各有关子图来产生。尽管该系统还比较原始，但这些基本理论和技术至今仍是CAD/CAM技术的基础，IE．萨瑟兰德的博士论文至今仍被公认为是交互式图形生成和显示技术的发展基础。

由于计算机、自动绘图机、光笔、图形显示器等图/数和数/图转换设备的问世和发展，及图形数据处理方法的深入研究，促使了CAD/CAM技术形成。在经历了理论探讨，设备研制和简单CAD系统的实现及某些方面的实际应用研究等阶段后，一门新兴的学科——计算机辅助设计技术开始形成。20世纪60年代中期后，美国的一些大公司都十分重视这一高新技术，并投入相当的资金对CAD/CAM技术进行研究和开发，研制了一些CAD/CAM系统。如IBM公司的SMS SLT/MST设计自动化系统和主要用于二维绘图的CADAM系统，美国通用汽车公司为设计汽车车身和外形而开发的CAD－1系统，该系统在大型计算机上运行，成为该公司设计小轿车和卡车的必不可少的工具，与此同时，英国剑桥大学等也开展了CAD方面的研究工作。在此期间，美国的CDC公司开发了作为商品销售的Digigraphic CAD系统。这一时期的CAD/CAM系统的共同缺点是:规模庞大、价格昂贵。所以只有经济实力雄厚和技术力量较强的大型企业和研究单位才能研究和应用CAD/CAM技术。

从20世纪60年代末期到70年代中期，这一时期可称为CAD/CAM技术的成熟阶段。这一时期，计算机硬件的性能价格比不断提高;图形输入板、大容量的存储器和显示器等相继出现;数据库管理系统等软件陆续开发;以小型和超级小型计算机为主机的CAD/CAM系统进入市场并形成主流;接着出现了一批专门经营CAD/ CAM系统硬件和软件的公司，如Computer Vision，Intergraph，Calma，Applicon等。这些CAD/CAM系统的特点是硬件和软件配套齐全，因此人们称它为“交钥匙”系统(Turn Key System)，或称“一揽子”系统。与大型计算机CAD/CAM系统相比，其价格相对便宜，使用和维护也相对简单一些，这也是CAD/CAM技术得到进一步发展和扩大应用范围的原因之一。在这一时期内，CAD/CAM技术的应用领域主要集中于航空、电子和机械工业等领域;人们对三维几何造型技术也开始进行研究。其主要技术特点是二维、三维线框造型，它们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，需配备大型计算机系统，价格昂贵。

20世纪70年代末以后，32位工程工作站和微型计算机的出现给CAD/CAM技术的发展带来极大的推动作用。工作站是以个人计算环境和分布式网络环境为前提的高性能计算机，特别适用于计算机辅助设计系统。此时正值飞机和汽车工业蓬勃发展时期，飞机和汽车制造中遇到了大量的自由曲面问题，法国达索飞机制造公司率先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，采用多截面视图、特征纬线的方式来近似表达自由曲面。该阶段的主要技术特点是自由曲面造型。曲面造型系统为人类带来了第一次CAD技术革命。(www.xing528.com)

20世纪80年代初，由于计算机技术的大步前进，CAE，CAM技术也开始有了较大的发展，由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确地表达零件的其他属性，如质量、质心、惯性矩等，对工程分析十分不利，分析的前处理特别困难。基于对CAD/CAE/CAM一体化技术发展的探索，SDRC公司第一个开发了基于实体造型技术的CAD/CAE软件I－DEAS。由于实体造型技术能够精确地表达零件的全部属性，被称之为CAD发展史上的第二次技术革命。

20世纪80年代中期，CV公司的一些人提出了参数化实体造型方法，其特点是基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改等。策划参数化技术的这些人成立了一个参数技术公司(Parametric Technology Corp，PTC)，开始研制Pro/ENGI-NEER的参数化软件。进入20世纪90年代，PTC公司在CAD市场所占份额中名列前茅。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。

20世纪90年代初期，SDRC公司在摸索了几年参数化技术后，开发人员发现参数化技术尚存在许多不足之处。“全尺寸约束”这一硬性规定干扰和制约着设计者创造力及想像力的发挥。为此，SDRC公司的开发者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，投资一亿多美元，并历经3年时间，推出了全新体系的I－DEAS Master Serise软件。变量化技术成就了SDRC公司，也推动了CAD技术发展的第四次技术革命。

CAM技术从APT(Automatically Programmed Tools)语言开始。20世纪50年代，美国麻省理工学院先后推出APTⅠ，APTⅡ，用立体定义曲线，自动求解线段的终点坐标;20世纪60年代推出APTⅢ，可求解3～5轴立体曲面;到20世纪70年代，推出APTⅣ，能求解空间自由曲面。CAM技术发展大致分为三个阶段:20世纪60年代，CAM以大型计算机为基础，价格昂贵;20世纪70年代，CAM系统以小型机为主，CAM技术已趋成熟;20世纪80年代，CAM系统以小型工作站为基础，系统功能越来越强;20世纪90年代至今，由于PC机性能价格比大幅度提高，以PC机为主的CAM系统已成为主流趋势。

目前，CAD/CAM技术日益完善，许多发达国家相继推出成熟的CAD/CAE/ CAM集成化的商业软件，可以完成产品设计、分析计算、NC加工等工作，是促进科研成果的开发和转化、促进传统产业和学科的更新与改造、实现设计自动化、增强企业及其产品在市场上的竞争力、加强国民经济发展的一项关键性高新技术。