CAD产业发展回顾与思考(一)

唐荣锡教授 中国工程图学会理事长、荣誉理事长;唐老的研究工作始终与国际CAD/CAM的发展趋势同步。从70年代中期去工厂普及推广Coons曲面及数控加工技术，到70年代末邀请国际计算几何专家Forrest博士来中国讲学;从80年代初主持我国第一代三维实体造型软件的开发，到80年代后期开展特征造型技术的研究，始终置身于CAD领域国际学术最前沿。

通过拜读唐老的文章，对CAD的历史和发展会有更深的认识，因此想在此与大家分享。

一、后来居上的达索系统/CATIA

1、初访达索

1985年11月航空工业部组团成都飞机公司等去巴黎访问达索飞机公司,用三个星期详细考察CATIA软件的应用状况,准备引进这一系统。达索当时设计生产幻影F1战斗机和空中客车民用机,使用IBM3090、4381一类主机和IBM3250、5080一类图形终端，用CATIA设计了幻影的全机外形，完成结构打样、布置通风管道和液压系统、设计和加工机翼整体壁板、蒙皮成形模，以及航空发动机的涡轮盘和叶片等关键零件。全公司共有200多台图形终端。

2、CATIA在引进与开发并举中发展壮大

达索飞机公司从1960-1965年开始引进IBM计算机和使用数控加工机床，1967年着手用Bezier曲面建立飞机外形的数学模型，1970年用批处理方式全面展开幻影的数字化设计。1974年领导层面临重大决策，为了扩大CAD应用规模，从美国引进软件有利，还是自已动手开发好?最后决定齐头并进，一面引进洛克希德飞机公司的CADAM系统，一面重点开发飞机吹风模型的三维造型和加工软件，以便大量缩短飞机模型的吹风试验周期。于是1975年引进CADAM，花100万美元买下了CADAM源程序，学习CADAM的技术诀窍。1977年启动开发三维交互CAD软件，1978年投入使用CATIA。同时建立主数据库，统一管理CADAM二维结构图和CATIA三维模型文件。1979年用数控加工制造出第一个吹风模型。1981年IBM公司开始负责经销CATIA系统，于是单独组建达索系统公司。当时公司共有30人，软件开发占25人，当年售出10套CATIAV1.0,内容包括曲面造型、三维线框设计、多面体实体建模、运动机构分析和机器人操作编程。从1982到1984年底累计销售量达到200套，人员增加到190名工程师，其中150人从事软件开发和维护，软件人员平均年龄小于30岁。达索自觉翅膀已硬，独立开发了二维绘图模块，撇开CADAM，形成完整的CAD系统V2.0。到1985年底，累计销售近400套，运行于16个国家的二千多台图形终端，其中不包括IBM公司自已使用的终端数。1/3用户是飞机行业，1/3汽车行业，其余是机械、电气、造船、模具、建筑、工程、医学等专业。1991年9月安托公司麦贤慧女士介绍，CATIA已增加到670人，其中2/3从事研究开发。1990年销售额为1.1亿美元。

3、兼并迅速增强达索/CATIA实力为产品的全生命期提供一体化服务

1989年洛克希德飞机公司缺少资金开发新型战斗机，决定出售CADAM子公司。1990年1月IBM用2.7亿美元收购CADAM，并于1992年起托付达索管理。1997年6月达索用3.1亿美元收购了美国SolidWorks。1997年12月用1.05亿美元现金收购Deneb的精益制造布局仿真软件Delmia。1998年2月达索独资在美国成立ENOVIA公司，与IBM合作从事第二代产品数据管理系统PDMII的开发和经营。1998年12月达索接管法国马特拉(MATRA)下属的CAD/CAM业务，包括Euclid/styler,Machinist,Cisigraph/Strim100和StrimFlow等。1999年4月收购SmartSolutions的SmarTeam业务。1999年2月向美国InventionMachine公司投资600万美元从事知识创新软件的合作开发经营。2000年7月用2150万现金并购Spatial的ACIS3D软件业务。至此，达索/CATIA大体完成了PLM业务范围的战略布局，形成产品全生命期的CAD/CAM/CAE/PDMII一体化管理，为数字化企业提供电子商务的完整工具，足以完成产品从初步设计到售后服务的全过程仿真。其中，CATIA和SolidWorks支持产品的数字化设计和仿真，Delmia完成精益制造过程的数字定义和仿真，Enovia提供数字化产品、过程和资源的集成化、分布式协同管理成套工具。以上三方面汇总，构成数字化产品的全生命期流程，并且支持合作企业的知识重用。据2002年夏网页公布的数字，CATIA/CADAM有1.3万家用户，SolidWorks有9500家用户。

过去，CATIA只在IBM主机和工作站上运行，当剖析了PC版的SolidWorks后，1998年5月达索宣布将推出全新的CATIAV5WindowsNT和UNIX版，99%的用户界面图标采用MSOffice形式。CATIAV4的曲面系统使用Bézier形式，现在改成NURBS形式，而且采用DCM约束管理软件，使得新的尺寸驱动模型与其他流行系统很相像。CATIAV4是1993年推出的，有113种独立的功能模块，现在都要转成V5版，而且数据接口都要与V4兼容，V4和V5的零件、装配件可以共存于一个产品模型中。V5还提供CAA二次开发工具，鼓励第三方软件在CATIAV5平台上开发。因此V5是一个非常庞大的应用系统，要想在功能上达到稳定、实用、先进，超过V4和其他品牌，非得有七八年的艰苦磨练不可。1999年5月CATIAV5R1上市，在我国作为教育版的全套优惠价是1.6万元人民币一套，含一百多个模块。2003年2月1日起，达索停止了教育版优惠价，含十几个模块的MD2商业版要2万美元一套。

4、CATIA获得成功的首要因素归功于达索的优异稳定环境

CATIA从一开始就是面向幻影的研制需要发展起来的，达索飞机公司既是它的开发者，又是它最稳定的使用者。随后IBM和波音飞机公司又成为它的铁杆用户。惟独世界一流的应用才能孕育出世界一流的CAD软件。CATIA开发队伍的稳定也是举世无双，有充足的人力资源。人称CATIA之父的FrancisBernard毕业于土鲁兹大学航空系，学习空气动力学和结构力学。1985年时公司有25人来自这一大学。Bernard当时任执行副总裁，以后任总裁，至今未变。当前的公司成员仍是80%工程师，平均年龄32岁。再有是资金稳定，有IBM作后台，软件销售价格制定合理，划一不变。最后一点，我们在访问达索过程中深深感到法国的民族自尊心很强，自尊才能自信，才能勇于开拓创新，创建优异的民族文化和杰出的高科技产品。

二、美国飞机公司创造CAD辉煌CAD产业善始未得善终

1、初探飞机设计制造管理一体化

1979年1月29日小平同志访美，3月1日和7日中美双方互派大使，4月6日航空工业部科技局长郦少安率领11人高级代表团用一个多月时间访问DouglasDAC和LockheedLAC飞机公司。DAC组织了两周的系统讲座，每天上午报告，下午参观;LAC陪同浏览加州和乔治亚州公司的飞机设计、制造、试验基地，充分展示了CAD/CAM/CAE/CAT/PDM技术在飞机研制生产中蓬勃发展的应用规模和领先水平。

DAC早在1967年就与McDonnell飞机公司合并，简称麦道公司，当时生产F4、F15、F18等8种军用机和DC9、DC10两种民用机，统一由专门组建的McAuto公司提供计算机服务。McAuto有3295人，加州长滩的DAC有6台IBM3033主机和几百台小型机。

2、CADAM二维绘图软件的兴衰

1964年IBM首次推出2250光笔交互图形终端，LAC随即用来研制飞机结构的设计绘图软件，1972年投入生产使用，称作CADAM系统。1975年起向外提供服务，1978年IBM代理经销，于是1983年1月组建CADAM公司，共200人。1983年底共安装了576台IBM主机，驱动近7000台图形终端。1984年7月公司增加到340人，其中软件开发252人。1985年1月使用CADAM的图形终端数达到18000个。1989年公司进一步扩展到600人。

1978年夏CADAM派专人来京向航空部介绍产品功能及应用，1979年我代表团访美时计划用20万美元引进这一软件，象征性建立中美合作关系。对方要求先买三架L1011宽机身旅客机，共三亿美元，才能得到CADAM。直到1984年10月沈阳飞机公司等组团再次去美洽淡，才草签了订购协议。1989年LAC为了获得资金支持军品开发，抛售了当时红极一时的CADAM公司，IBM、TRW、DEC、HP、富士通、台湾都有收购意向，最后IBM获胜并将CADAM交达索/CATIA管理，从此CADAM一蹶不振，自然消亡。微机版的MicroCADAM被日本公司接手，在日本工业界继续得到一定应用和发展。

3、UNIGRAPHICS硕果仅存

美国的飞机公司很多，除了波音、洛克希德、麦道外，还有Northrop、Grumann等，都在大力推广CAD/CAM应用，而且都在研制CAD软件，但是其中最有成效并且最终成为支柱产品的，当推Unigraphics。这要归功于McDonnell飞机公司，它在20世纪70年代结合F15战斗机的研制，开发了功能强大的曲面造型和三维线框设计绘图系统，称作CADD。开发工作由McAuto负责，在IBM主机上运行。与此同时，为了加工生产的需要，1975年收购了研制UniAPT软件的小公司UnitedComputing，在DEC小型机上开发出曲面加工编程系统，并且往上移植CADD功能，逐渐形成UG产品。CADD的开发应用要早于CATIA很多年，其中曲面系统采用孔斯(StevenCoons)方法，发展了双三次参数曲面的应用技术，如光滑拼接、局部开口、曲面舱门的直铰接边设计等，用二次代数方程表示的局部球面或圆柱面可与自由曲面光滑拼接，可以用圆弧或椭圆弧作为边界线准确构造参数曲面片。加工编程的能力也很强，凡是能设计的曲面一定能加工。还有机构设计、网格剖分、与NASTRAN、ANSYS的接口和MoldFlow的接口等，成为VAX超小型机上功能最强的机械CAD/CAM系统,尤其适合于模具行业。随着业务范围的扩展，McAuto改组为MDISG(麦道信息系统组)。1985年6月MDISG高层领导来北京开拓市场。1987年底南昌飞机公司组团去香港测试UG并洽谈引进，随后用UG设计和生产了P5农用机、K8教练机等。

4、资本运作对高技术产业的负面影响

CAD产业非常娇嫩，需要精心培育，而在资本主义市场经济下资本运作的主旨是资本增殖。1978年CADAM签约由IBM经销后，IBM公司只允许CADAM在IBM机型上发展。1984年时CADAM虽然有了Apollo、SUN和HP工作站版，但是不能上市。1990年1月IBM收购CADAM公司后，并无积极的发展措施，公司业务停滞不前。1992年起改由CATIA管理CADAM，加速了CADAM的覆灭。至于CADAM公司自身应负的责任是，没有及早抓紧发展三维CAD，未能及时跟上时代前进的步伐。

UG的处境比起CADAM来要好得多，但是麦道飞机公司与洛克希德飞机公司一样，由于急需投入资金加强军品研制，1991年5月将UG出让给通用汽车公司下属的EDS。1996年12月波音飞机公司兼并了麦道，交易金额133亿美元。波音一贯要求自己的供应商和承包商统一使用CATIA软件，因此UG在飞机行业内的应用有可能受到牵连而削减。美国的CADReport期刊在2001年展望今后十年的CAD发展时谈到一种担忧，会不会有朝一日EDS为使自身资产极大增值而抛售UG?归根结底，在市场竞争中弱者是无人怜悯的，除了全力拼搏争当强者之外，别无出路!

三、从RomulusParasolid到ACIS-精益求精锲而不舍的CAD软件典范

1、英国剑桥一瞥

1982年北航703飞机制造工艺教研室为了开展CAD研究，引进了DECLSI-11/23小型机、Tektronix4114图形终端和GINO-F通用图形软件，3月去剑桥CAD中心接受GINO-F培训，同时考察ShapeData/Romulus和CIS/Medusa实体造型系统，看到了英国CAD产业发展的一个缩影。

CAD中心由剑桥大学与英国政府共同创建于1967年，专门从事CAD软件的开发和营销，产品有POLYSURF曲面造型、GNC数控加工编程和PDMS流程工厂设计等，1983年实现私有化。ShapeData公司占用一栋三层住宅楼，共20人，其中15人作研究开发。硬件环境是一台VAX-11/780超小型机，用Prime机作为联网节点，图形终端是Tektronix4014存储管和E&SPS300高档显示器。当时Romulus已卖出25套，目标码3万英磅，Fortran源码再加3万英磅。Ferranti机床公司将Romulus纳入CAM-X中用作加工编程，转卖出15套。Medusa输入二维多视图建立多面体模型，主要研制人员共4人，都来自CAD中心。1980年4月开始销售PRIME小型机版，售价2.5万英磅，已售出70套。Medusa以后并入CV系统，在我国有一定数量的用户。

2、Romulus的变异发展道路

剑桥大学CAD实验室是英国发展CAD的源头，1973年IanBraid在此完成了体素设计博士论文，毕业后留校继续完善论文内容，研制了Build-1和Build-2两个新的实验系统，Build-2用最新的Algol68语言编写。1974年创建ShapeData公司，技术骨干共3人：Braid以及他的导师CharlesLang和同窗AlanGrayer。Lang原来在美国MIT访问，召回参与筹建CAD实验室。Grayer研究平面零件的数控加工自动编程。还聘请了擅长开发机械设计专用系统的荷兰人PeterVeenman作市场策划。Romulus使用Fortran语言，1978年推向市场。

1981年美国Evans&Sutherland公司收购了ShapeData，并在Braid等支持下从1986年起着手用C语言开发美国版权的第二代实体造型系统Parasolid，其中增强了二次曲面造型、交互查询几何数据和局部修改形状等功能。1988年UG接管Parasolid，并用它取代了原来的PADL-2。在UG的精心维护下Parasolid运行越来越稳定，成为国际通用的一种几何平台。

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。