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CAD产业发展回顾与思考(三)

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发表时间:2015-06-03 10:13:36

  1986年美国成立SpatialTechnology公司,从事开发基于NURBS的新一代CAD通用几何平台。其中NURBS曲面功能用波音公司1980-1985年开发的CAD系统TIGER作为基础,实体功能从国际上流行的16种产品中优选,决定请Braid合作。新产品于1989年12月上市,命名为ACIS1.0版。ACIS就是AlanGrayer,CharlesLang,IanBraid和Solid的字首。ACIS的目标是提供世界上最好的三维几何平台,专供CAD厂商进行增值开发和大学、研究所进行CAD研究。1993年6月Autodesk与Spatial签约,用ACIS平台开发了MDT三维机械设计系统,成为ACIS的最大用户。嗣后又重新研制了操作性能更好的Inventor系统。Autodesk的技术副总裁DominicGallello依然感到不满足,还想改进Inventor,于是从Spatial买下ACIS版权,从体系结构上加强它对装配件建模的支持。改造中的ACIS称作ShapeManager。2000年7月达索收购ACIS后,Braid等宣布退出业界。从1970年算起,Braid等三人合作共事,专注于发展实体造型软件长达30年之久,使之达到国际领先。这在CAD发展史上可能是独一无二的范例。  


3、精品策略和与时俱进是成功之本 

 

  从1968年起各国学者提出了多种表示三维形体的建模方法。日本北海道大学冲野教郎(NorioOkino)采用类似于APT加工编程的语言用代数方程表示形体的各部分表面,再用密集的三组正交平面切割这些表面,用消隐后的网格线表示形体。美国Rochester大学的HBVoelcker和AAGRequicha提出了基本体素的集合运算理论,并依此研制了PADL-1和PADL-2系统。UG和AutoCAD曾采用PADL-2作为自己的实体系统,效果都不好。I-DEAS在GEOMOD中采用小平面逼近的多面体近似模型和精确NURBS曲面模型并存的方法,多面体近似模型占用存储空间大,同样不够实用。还有树细分模型、欧拉操作模型等,最终都未成为主导方法。惟独Braid采用精确表示的裁剪曲面建模,算法最难,曲面求交和边界环的集合运算至今仍是两大难题,但是长期实践表明这种边界表示模型最简洁有效。ACIS采用面向对象结构,有利于应用开发,但是算法稳定性一开始不如Parasolid。Parasolid用C语言,体系结构不如ACIS清晰,但由于UG的长期维护,稳定性在一段时间内曾占优势。由于Parasolid和ACIS都是面向零件建模,当应用于复杂产品的装配建模时,难免显出不足,于是Gallello又着手改造ACIS。总之,由于CAD中存在某些艰深的难点,而且产品设计的应用面极宽,浅尝辄止、一曝十寒、知难而退都将劳而无功。除了实体造型外,英国类似的小而精CAD软件还有GINO-F图形处理、DCM几何约束求解、DUCT(DELCAM)模具设计加工等。这些软件的技术骨干都出自于剑桥大学,都在长期的坚持中不断追求完美而得到稳定发展,这就很值得我们深思。


四、PTC/ProE引导CAD进入参数化特征设计新天地  

   

1、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MITDavidGossard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SamuelGeisberg脱颖而出,提出了参数化特征造型的发展途径,并且组建了ParametricTechnology公司,推出Pro/Engineer产品,为CAD三维设计树立了新的常规。 

 

2、SamuelGeisberg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IESutherland的SKETCHPAD交互绘图系统博士论文促成了CADAM系统的开发,1962-1968年SACoons和PEBézier的曲面理论对CAD曲面造型起了奠基作用,1970-1979年ICBraid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。

  

  SamuelGeisberg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。SamuelGeisberg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。 

 

3、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JohnOwen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HerbertEdelsbrunner,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。 

 

4、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。


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