浅谈CAD对制造业信息化的影响

CAD

浅谈CAD对制造业信息化的影响 　　无论是欧美还是中国，不少企业的信息化，就是从CAD开始起步的;很多企业的高层管理者，就是从CAD上看到了信息化在企业当中的巨大价值，才决心在企业信息化上投入大量的人力物力。CAD可以说是制造业信息化发展的一个缩影。50多年过去，CAD的不断进步，企业也在不停的发展。CAD的发展历史是什么?未来都有哪些发展方向，这么多的CAD，企业将如何选择?我将带您走进CAD的世界，对这些问题逐一进行探究。 　　 1.1 从计算机图形学到二维CAD 　　谈到CAD(Computer AIded Design计算机辅助设计)的发展历史，就不得不谈谈计算机的发展。1946 年:ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)诞生，这是第一台真正意义上的数字电子计算机。ENIAC的研制工作开始于1943 年，完成于1946 年，负责人是John W.Mauchly 和J.Presper Eckert，这个大家伙重30 吨，用了18000 个电子管，功率25 千瓦，主要用于计算弹道和氢弹的研制。 　　CAD：制造业信息化的缩影 　　自从有了计算机，工程技术人员就希望计算机除了进行“加减乘除或与非”的运算外，还能够进行图形的表达和处理。由于当时的技术限制，一直到60年代初，计算机都只能进行被动图形处理。 　　上世纪60年代初，计算机图形学成为了一门专门的学科并日渐成熟，同时交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想不断提出，为CAD的应用和发展提供了理论基础。此时，美国开始出现专门的CAD设备。这个时候的CAD，更多的是作为绘图板的替代品出现，CAD的概念还处于计算机辅助“绘图”Computer AIded Drawing(or Drafting)的阶段，还远远没有达到“辅助设计”的阶段。 　　CAD：制造业信息化的缩影 　　上世纪70年代，美国applicon公司第一个推出完整的CAD系统。出现了面向中小企业的CAD/cam商品化系统。70年代末，美国CAD工作站安装数量超过12000台，使用人数超过2.5万。 　　CAD：制造业信息化的缩影 　　到了上世纪80年代，随着个人计算机的迅速普及的同时，CAD技术也得到了快速发展，1982年划时代的AutoCAD诞生，到1985年已经售出10万套。CAD开始进入到了普及阶段，在80年代中后期，我国少数企业也开始逐步应用CAD。但是由于此时计算机价格昂贵，企业少数几台计算机一般都只作为特殊计算使用，因此CAD在我国尚未普及，更多的是一些民间爱好者。 　　上世纪90年代，随着windows系列操作系统的日渐成熟以及计算机的价格下降，CAD开始走下神坛。1991年国务委员宋健提出“甩掉图版”的口号正式拉开了我国CAD普及应用的序幕。由于windows 95/98/NT操作系统与工作站加Unix操作系统环境下构成了CAD系统的主流工作平台，因此现在的CAD技术和系统都具有良好的开放性，图形接口、图形功能日趋标准化。 　　在群雄逐鹿、万马奔腾的90年代，AutoCAD以其良好的稳定性，优异的开放性和符合windows规范的图形接口开始迅速占领市场。1996年AutoCAD售出第150万套，成为世界二维CAD领域的当之无愧的“无冕之王”。以至于如今很多人提到CAD，指的就是AutoCAD。1998年，Autodesk推出了划时代的AutoCAD R14版本，该版本是第一个完全符合Windows 98的CAD软件。它的诞生，事实上确立了各个windows平台的CAD软件的界面标准以及格式标准。今天我们能够见到的大部分二维CAD软件的界面、按钮样式等大部分都源自于AutoCAD R14。这个版本至今依然有非常多的AutoCAD用户在使用。 　　但是当时我国的知识产权保护制度尚不完善，大多数企业的AutoCAD都是盗版。AutoCAD的盗版问题虽然客观上使得该产品成为中国企业装机量最高的CAD产品，并且帮助很多中国企业第一次认识到计算机绘图的巨大魅力，但是也为今天中国制造企业频繁面对盗版侵权诉讼埋下祸根。 　　此时，随着政策的推动，一大批国产CAD软件厂商开始崭露头角。国产CAD厂商从一开始就分成了2大阵营：以高华CAD、华正电子图板、大恒CAD、开目CAD为代表的完全自主知识产权的CAD和以天河CAD、XTCAD、InteCAD为代表的以AutoCAD为平台的增值开发CAD。 　　这里需要特别提到的是华正电子图版和开目CAD。华正电子图版即CAXA电子图版的前身，目前已经成为国内机械行业装机量最大的国产CAD;开目CAD则是完全以中国工程师的使用习惯出发，从画法几何的角度全新诠释了CAD的内涵。这两个CAD可以看成是那个时代中国自主产权CAD奋斗的缩影。 　　由于AutoCAD垄断了中国机械CAD市场90%以上的市场份额，因此自主知识产权的CAD产品都面临一个难以逾越的“鸿沟”，就是与DWG格式的兼容问题。因为无法保存成DWG图纸，读取AutoCAD文件有数据丢失，与AutoCAD用户图纸交流存在障碍，使得国产CAD失去了大量客户。至今，虽然自主知识产权的CAD为此做了大量的努力，但是碍于Autodesk的知识产权保护政策，自主知识产权的CAD依然只能兼容较低版本的DWG文件格式，而不能兼容最新版本的DWG格式，这使得完全自主版权CAD饱受诟病。 　　进入到21世纪，随着中国加入世贸组织，中国制造企业对外联系日益频繁，同时中国为了履行对全世界有关知识产权保护的承诺，从政府这个层面开始加大软件正版化的管理力度。越来越多的企业开始逐步将盗版的AutoCAD软件正版化。 　　此时，以中望、浩辰为代表的“新一代”自主知识产权的CAD开始跃上舞台。这种以IntelliCAD为内核的二维CAD，在帮助企业解决版权困扰的同时，宣称能够完全兼容DWG格式。在他们之后，又有包括开目尧创、炜衡在内的众多国产CAD选择在IntelliCAD平台上开发自主产权的CAD软件。目前，基于IntelliCAD内核的自主产权CAD已经成为一股可以跟AutoCAD一较高下的巨大力量。 　　其实IntelliCAD并不是什么“新产品”，只是一直生活在AutoCAD的阴影下，命运多舛。早在1994年，美国的Softdesk 公司开始开发出一套CAD软件：Phoenix，它号称和AutoCAD有99%兼容。到了1996年，Autodesk 公司并购了Softdesk公司，但是由于美国反垄断法的限制，必须出售Phoenix 后才能合并。不得已，Softdesk将Phoenix以670万美元的价格卖给VISIO公司。1998年，VISIO公司发布IntelliCAD98——现在意义上的IntelliCAD诞生了。 　　此时AutoCAD凭借R14版本的巨大成功将包括IntelliCAD在内的所有竞争对手远远甩在脑后。离开Visio后的IntelliCAD决定寻求一种新的商业模式。于是IntelliCAD Technology Consortium (ITC)组织诞生了，ITC采用半公开程序代码方式，任何对IntelliCAD有兴趣的公司，都可以花钱取得程序代码经修改后，公开发售。但是所有修改都必须对ITC公开，而且发售时必须带上IntelliCAD的标记。目前最新的IntelliCAD版本，宣称支持DWG 2008。 　　IntelliCAD为人诟病最多的是本身的BUG很多，中望和浩辰都对IntelliCAD进行过非常大量的修改，据称累计修改BUG超过4000个。因此基于IntelliCAD平台的产品稳定性依赖于开发者的技术水平和投入。 　　以IntelliCAD为核心的自主版权CAD的异军突起，使得目前中国二维CAD市场呈现AutoCAD、完全自主知识产权CAD和IntelliCAD为核心的自主版权CAD三足鼎立的局面。 　　 1.2 三维CAD的“核”战争 　　事实上，从CAD的发展历史来看，CAD起初并不分为“二维”、“三维”。在上世纪50~60年代，计算机图形学的发展突飞猛进，二维绘图和曲面线条造型已经取得巨大的成就并形成了公认的标准，于是科学家将视角转向实体造型技术。 　　1968年，日本冲野教郎(Norio Okino)教授第一个将实体概念引入三维几何造型并主持研发了TIPS系统。二维CAD和三维CAD从此开始“分道扬镳”。 　　时间进入到上世纪70年代，世界各个工业强国的飞机和汽车工业的蓬勃发展。此间飞机及汽车制造中遇到了大量的自由曲面问题，当时只能采用多截面视图、特征纬线的方式来近似表达所设计的自由曲面。由于三视图方法表达的不完整性，经常发生设计完成后，制作出来的样品与设计者所想象的有很大差异甚至完全不同的情况。设计者对自己设计的曲面形状能否满足要求也无法保证，所以还经常按比例制作油泥模型，作为设计评审或方案比较的依据。既慢且繁的制作过程大大拖延产了产品的研发时间，要求更新设计手段的呼声越来越高。 　　1972年美国罗切斯特(Rochester)大学沃尔克(H.B.Voelcker)教授开始研制PADL系统。1979年起沃尔克进一步联合美国工业界力量，在国家科学基金委的支持下开发了PADL-2.0系统，于1982年推出试用版。当时美国的Unigraphics(简称UGS，现在SIEMENS PLM Software的前身)，Calma, Auto-trol, AutoCAD12版都使用PADL2作为自己CAD/CAM商品系统的实体造型模块。 　　当时正处于冷战时期，三维CAD技术作为一种有效提升一个国家工业能力尤其是航空航天等国防工业能力的技术被严密保护起来。只有少数军工企业才有条件研制和使用该项技术。例如：由美国洛克希德(Lochheed)公司支持研发了CADAM系统;美国通用电气(GE)公司开发了CALMA系统;美国波音(Boeing)公司支持开发了CV系统;美国国家航空及宇航局(NASA)支持开发了I-DEAS系统;美国麦道(MD)公司开发了UG系统;法国达索(Dassault)公司开发了CATIA系统…… 　　于此同时，一些较强的汽车企业也开始利用商品化的三维CAD技术，摸索开发自己的曲面造型软件。例如德国大众汽车公司开发了SURF系统;美国福特汽车公司开发了PDGS系统;法国雷诺汽车公司开发了 EUCLID系统…… 　　严格来说，这个时候的三维CAD只是为了满足解决复杂曲面造型的需求而设计，并没有达到真正意义上的“实体”。 　　于此同时，CAM和CAE技术也在蓬勃发展。美国的SDRC公司在当时星球大战计划的背景下，由美国国家航空及宇航局支持及合作，开发出了许多专用分析模块，用以减轻庞大的太空试验费用。但是在进行CAE分析时，遇到的最大困难就是曲面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、惯性矩等。于是在1979年，SDRC公司发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件──I-DEAS，SDRC也因引导了三维CAD的实体革命而声名鹊起。但是由于当时的计算机硬件条件以及实体算法的限制，三维实体模型的发展并没有延续，SDRC也没有就此“大定天下”，在20多年后，无奈的被EDS收购。 　　除了硬件条件的限制，很多企业不愿意使用三维实体造型的另外一个重要原因就是，在不同的算法下实体造型的体素拼合的可靠性并不完全一致。以至于当时三维CAD软件在出售时，合同都要注明：“凡是因使用此软件而引起质量事故损失，本公司概不承担法律责任”。 　　1973年，三维CAD领域的传奇人物Ian BrAId从剑桥大学毕业，他同他的导师Charles Lang、同窗Alan Grayer合作，聘请荷兰人Peter Veenman作市场策划，于1974年创办了Shape Data公司，用Fortran语言开发出第一代实体造型商品系统Romulus，并从1978年起推向市场。从此，影响至今的Parasolid内核诞生。 　　1981年Evans & Sutherland公司收购了Shape Data。1986年在Ian BrAId的支持下着手开发美国版权的第二代实体造型Parasolid系统，1988年前后，UG买下了Parasolid，并用它取代之前PADL2。经过二十多年的应用磨合，Parasolid已成为当前CAD系统中性能最稳定的通用几何开发平台之一。一直到现在，很多美国的CAD领域的专家学者都认为，Parasolid是美国为全世界CAD领域发展做出的最重要的贡献。 　　1986年美国的Spatial Technology公司开始从事新一代CAD通用支撑平台的开发，他们很快与Ian BrAId达成合作意向，以波音公司于1980~1985年开发的CAD系统TIGER为基础，与19xx年12月推出了ACIS1.0版，这就是现在为我们所熟知的ACIS内核。ACIS就是Ian BrAId的同窗Alan Grayer，导师Charles Lang，以及Ian BrAId本人加上Solid的字首。1993年6月Autodesk与Spatial公司签约，采用ACIS作为三维机械设计系统MDT的开发平台，从此成为ACIS的最大用户。 　　2000年7月5日法国达索系统公司签约以2,150万美元现金收购了ACIS内核。这意味着世界范围内装机量最大的三维CAD软件之一——CATIA也将采用ACIS内核。 　　目前，采用Parasolid内核的，主要是SIEMENS PLM Software旗下的NX、Solidedge和达索旗下的Solidworks。采用ACIS主要是Autodesk旗下的MDT、Inventer和达索旗下的CATIA。采用这两种内核的三维CAD软件占到世界三维CAD软件市场份额90%以上。三维CAD的核心算法(又称内核)从群雄割据的混乱状态，变成了Parasolid和ACIS两强相争。 　　细心的读者可能会发现，上述这些三维CAD产品中缺少了一个如雷贯耳的三维CAD产品的名字——Pro/Engineer。下面让我们来介绍一下Pro/Engineer以及它的“母亲”——美国参数技术公司(Parametric Technology Corp，简称PTC)公司的诞生历史。 　　1974年，时年37岁的苏联人Samuel Geisberg来到美国，并进入到为波音提供三维技术的CV公司工作。当时的CV公司，是三维曲面线框造型的领导厂商，如日中天。它的强大和傲慢不仅使得当时第一个全三维实体造型CAD软件I-DEAS无法得到普及推广，还使得一群类似Samuel Geisberg的数学天才的智慧和才能无处施展。 　　Samuel Geisberg提出了一直沿用至今的新的实体造型方法：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。但是他的设想并没有被CV公司采纳。1985年，在风险投资商的支持下，他率领自己的研究小组离开CV公司，成立了参数技术公司——PTC就此诞生。2年后，PTC推出了他们的全参数化的三维造型软件Pro/Engineer。 　　全参数化三维建模思想以及Pro/Engineer改变了过去实体造型软件没有尺寸参数驱动的历史，更加符合设计人员的构思习惯。一推出即引起了全世界的广泛关注。20多年过去，如今的三维CAD软件无不采用了基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计的建模思想。如今，它已经发展成为年收入10几亿美元的PLM领域领导厂商。 　　1997年11月，PTC用2.62亿美元并购了它的“母亲”——CV公司，合并了CV的产品数据管理系统Optegra和CAD/CAM系统CADDS5的广大用户市场。CV公司最终为自己的傲慢付出了代价。 　　如果说，I-DEAS发起了三维CAD的实体革命，那么Pro/Engineer则发起了三维CAD的特征参数革命。 　　 2 发展篇 　　1999年，Dassault Systemes推出了全新的CATIA V5，V5一改CATIA V4只能在UNIX平台上运行的历史，完全基于Windows平台开发。至此，高端三维CAD(CATIA、Pro/E、NX)全部进入了Windows时代，同时也引发了三维CAD更为激烈的竞争。 　　时间一进入21世纪，三维CAD领域就扔下了一颗重磅炸弹，EDS收购了SDRC并将其与UGS合并重组。而新的UGS(现更名为SIEMENS PLM Software)设定了明确的路线图，就是要将SDRC的I-DEAS和UG的优点集成起来，打造一个新的三维CAD软件——NX! 　　可能很多人都不知道，UG一直到最后一个大版本UG18在绘制草图的时候都还没有导航功能，而到了NX时代，从NX1开始就有了强大的导航功能，这就是融合I-DEAS的结果。当然，NX系列与UG18相比，改进不止这一点点，事实上，一直到现在，NX都没有完全消化I-DEAS的优秀设计思想。 　　而PTC也在2002年发布了Pro/Engineer的最新版本——wildfire(野火)。野火系列的Pro/E与之前的版本相比，最显著的改进是在界面上。对Pro/E的发展历史比较了解的人可能都清楚，在wildfire诞生之前的Pro/E，所有的操作都是通过级进式的菜单实现的，而wildfire为它的忠实拥护者提供了图标按钮。不过有爱好者使用后认为，级进式的操作菜单对熟悉Pro/E的用户而言，效率更高，因此，直到现在，Pro/Engineer wildfire都还保留了一部分级进式的操作菜单。 　　而随着技术的不断成熟，用户数量的增多，各种三维CAD软件的价格也在不断下降，客观上也推动了三维CAD的迅速普及，并由此引发了“二维CAD是否将被淘汰”的争论。 　　而事实上，二维CAD因为沟通更为方便，生产加工现场自动化程度并不是很高，对平面图纸也有现实需要，因此二维CAD退出历史舞台可能不是一时半会的事情。 　　在这种情况下，各个CAD厂商都有一定的应对举措。 　　以Autodesk为代表的二维CAD厂商，一改过去只关注软件平台发展的作风，开始关注行业应用。Autodesk自己开始开发各种行业版本，先后推出了机械版、电气版等。而中望浩辰也开始转战机械行业，联合过去与Autodesk合作的Autocad增值开发商，开始在IntelliCAD平台上进行行业增值开发。 　　 3 展望篇 　　 3.1 发展方向之一：无历史约束建模 　　PTC将三维CAD软件带入了基于基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计的时代。但是凡事有利必有弊，用惯了二维CAD的人，在开始学习三维CAD的时候都会遇到一个很大的阻碍：建模。 　　建模事实上包含两个方面的内容： 　　首先，用户必须熟悉所使用的三维CAD都有哪些特征功能，这些特征功能又可以实现什么样的建模功能。熟悉了这些以后，再用各种各样的特征去搭建用户想要的模型。一般一个零件建模，会用到少则几十，多则上万的特征，为了管理这些特征，方便进行回溯，大多数三维CAD都有这样的一颗“特征树”。 　　光有特征还不够，还必须计算建模所需要的参数，比如拉伸拉多少，开孔开多深等。过去在进行二维设计时，很多工程师在绘图尤其是绘制复杂的曲面时，往往是非常“写意”的随手一勾。而到了三维CAD时代，因为实现了全参数化，那也就意味着所有的图形，都必须是可以用数学公式和模型表达的，工程师们再也无法“写意”的设计了。 　　在不少企业，三维CAD成为束缚工程师们奇思妙想的“至酷”，有的工程师甚至要花1/3的时间思考应该用什么样的特征和参数来建模才能实现想要达到的效果。于是不少工程师就希望三维CAD就像一团泥巴，可以自由自在的随意的捏成想要的样子，完全不受到特征和参数的制约。 　　这个看似矛盾的需求，事实上已经有很多三维CAD厂商在为此努力，他们倡导的理念叫做history-free modeling，翻译过来就是无历史约束建模。致力于无历史约束建模的三维CAD公司大多规模不大，这其中包括CoCreate，Kubotek USA，SpaceClAIm，IronCAD，Think3….. 　　细心的读者可能已经发现： 　　2004年IronCAD和CAXA宣布合并重组，同时IronCAD的总裁任CAXA美国的总裁; 　　2007年CoCreate被PTC以2.5亿美金收购; 　　2008年Think3与艾克斯特合资成立北京艾克斯特信息技术有限公司; 　　同样在2008年，PLM领域的“大佬”SIEMENS PLM Software发布了基于同步建模技术的NX6和SolidEdge2008，而这两个产品最大的卖点就是“无历史约束建模”所倡导的：无论什么时间，什么数据来源，都能正确地编辑模型。 　　SIEMENS PLM Software虽然不是世界上第一个发明“无历史约束建模”的厂商，也不是第一个将“无历史约束建模”技术商品化的软件厂商，但是无可争议的是，SIEMENS PLM Software是第一个将“无历史约束建模”技术完全融入自己的产品并在全世界推广的软件厂商。 　　与SIEMENS PLM Software相比，Dassault Systemes和PTC虽然没有大张旗鼓的宣传他们的CATIA和Pro/Engineer应用了无历史约束建模技术，但是事实上在其最新的版本中，或多或少都能见到该技术的身影，比如CATIA V6和Pro/Engineer Windfire 5.0都支持对任意来源的模型进行编辑、粘贴以及与原模型进行布尔运算等功能。 　　可以说，“无历史约束建模技术”已经从“暗流涌动”成为了历史必然。 　　 3.2 发展方向之二：软件越来越“绿色” 　　如今人们越来越重视产品对环境的影响，世界各国也出台了各种环保法规提高市场的准入门槛，从企业股东到消费者，每个人都在不断提高对产品的环保意识。面对各种苛刻的环保法规，制造企业必须从设计环节就进行应对，于是几大三维CAD厂商开始着手在“绿色”设计上为客户提供解决方案。 　　比较典型的是Dassault Systemes旗下的Solidworks公司。 　　2008年Solidworks和LCA((Life Cycle Assessment 生命周期评价)厂商Gabi Software展开代号为“Sage”的研究合作，旨在将生命周期评价软件Gabi和Solidworks进行完美的融合。 　　Gabi Software的前身是德国斯图加特大学 IKP 研究所，该研究所为Gabi组织了一个全球性的环境评估组织——PE International。通过分布在世界各国的专家，Gabi可以量化材料、工艺、产品和基础结构的环境性能，包含 100,000多种影响模式。它能从温室气体、能源、最显著的环境影响、生命周期成本和社会影响等多个不同角度评估可持续性。 　　2009年9月10日，SolidWorks发布了Sage项目的研究成果——SolidWorks2010，在这个版本中，Solidworks添加了一个环境评估模块SustAInability，SustAInability可以根据碳排放、空气酸化、水体富营养化和总能耗四个因素度量产品在整个生命周期中对环境造成的影响。针对上述每个因素，通过仪表板的形式显示出当前值、与原始设计的基线比较和贡献百分比。 　　由于Solidworks 2010与其同门师兄CATIA V6采用的是相同的内核，我们有理由相信，未来SustAInability模块很可能会成为Dassault Systemes旗下两大三维CAD软件的“标配”。 　　与Dassault Systemes相比，三维CAD领域的另外两大豪门在应对“绿色”挑战上，就非常具有戏剧性。 　　Synapsis Technology是一家为制造业提供物质、材料、零部件和产品级环保法规合规性管理解决方案EMARS的公司。PTC公司在2008年12月将其收入囊中，并于2009年6发布了集成EMARS 的Windchill 9 　　而SIEMENS PLM Software则丝毫没有避讳Synapsis Technology与PTC的关系，与之展开合作，并于2009年推出了融合部分EMARS功能的Teamcenter 8。 　　在“绿色”面前，PTC和SIEMENS PLM Software这对竞争对手达成一致，颇有联手与大洋彼岸的Dassault Systemes分庭抗礼的味道。 　　 3.3 发展方向之三：“机”“电”越来越亲密 　　随着时代的进步，我们会发现身边的产品，纯“机械”或者纯“电子”的产品越来越少，即便是如手机这样归类为电子产品的产品，也有机械的部分。而过去，分别用于机械设计的三维CAD软件和用于电子电路设计的ECAD软件分别是两个不同的门类，之间的信息沟通非常不便，这也大大影响了机电混合产品的设计效率和质量，于是几大CAD厂商又纷纷开始探求机电一体化设计之路。 　　2005年，PTC收购了ECAD领域的OHIO Design Automation并将其用于共享PCB设计数据的工具InterComm变成了其PLM解决方案的一部分。在随后推出的Pro/ENGINEER Wildfire 4.0的版本中，增加了ECAD Collaboration模块，从而使Pro/E具备了一定的电路设计能力。 　　2008年4月SolidWorks将自己过去的金牌合作伙伴Priware Limited收入囊中并将其ECAD转换工具CircuitWorks作为插件植入SolidWorks2008SP4之后的版本当中，有了这个插件，SolidWorks的用户就可以讲其他ECAD设计的电路板图形信息导入到SolidWorks模型当中，验证电路板与机械部分的适应性。 　　由于EDA领域的专业性和特殊性都非常强，因此客观来说，在一款CAD软件中想要同时完美的实现机械和电子设计，是非常困难的。但是PTC和SolidWorks在这方面进行了有益的尝试，解决了一些工程设计当中的实际问题，随着时代的进步，我们有理由相信，机电一体化设计会是未来CAD的一个重要发展方向。 ;