浅谈CAD对制造业信息化的影响
无论是欧美还是中国，很多企业的信息化都是从CAD开始的。很多企业的高层管理者是从CAD中看到了信息化在企业中的巨大价值后，才下决心投入大量的人力物力进行企业信息化。CAD可以说是制造业信息化发展的一个缩影。50年来，随着CAD的不断进步，企业也在不断发展。CAD的发展历史是怎样的？未来有哪些发展方向，企业如何选择这么多CAD？我将带你走进CAD的世界，逐一探讨这些问题。
1.1从计算机图形学到2D CAD
说起CAD(计算机辅助设计)的发展史，就不得不说说计算机的发展。1946: ENIAC(电子数字积分器和计算机)诞生了，这是第一台真正意义上的数字电子计算机。ENIAC的开发始于1943，完成于1946。领导者是约翰·W·莫奇里和J·普雷斯珀·埃克特。这个大家伙重30吨，使用18000个电子管，功率25千瓦，主要用于弹道计算和氢弹的研制。
CAD:制造业信息化的缩影
自从计算机出现以来，工程技术人员就希望计算机不仅能进行“加、减、乘、除或与非”的运算，还能表达和处理图形。由于当时的技术限制，直到20世纪60年代初，计算机只能进行被动的图形处理。
20世纪60年代初，计算机图形学成为一门专门学科，并日趋成熟。与此同时，交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想不断被提出，为CAD的应用和发展提供了理论基础。这时，美国开始出现专门的CAD设备。此时的CAD更多的是作为画板的替代品出现，CAD的概念还处于计算机辅助绘图(或制图)阶段，远没有达到“辅助设计”的阶段。
CAD:制造业信息化的缩影
20世纪70年代，美国公司applicon率先推出了完整的CAD系统。一个面向中小企业的商用cad/cam系统应运而生。20世纪70年代末，美国安装的cad工作站超过65，438+02，000台，用户超过25，000人。
CAD:制造业信息化的缩影
20世纪80年代，随着个人电脑的迅速普及，CAD技术也迅速发展起来。划时代的Autocad诞生于1982年，到1985年，已经卖出了65438+万套。CAD已经进入普及阶段。80年代中后期，国内少数企业开始逐步应用CAD。但由于此时电脑价格较高，企业中少数电脑一般只作为特殊计算使用，所以CAD在国内并未普及，更多的是民间爱好者。
90年代，随着windows系列操作系统的成熟和电脑价格的下降，CAD开始走下神坛。1991年，国务委员宋健提出了“摆脱海图”的口号，正式拉开了CAD在我国普及应用的序幕。由于windows 95/98/NT操作系统和工作站加Unix操作系统构成了CAD系统的主流工作平台，当前的CAD技术和系统具有良好的开放性，图形界面和图形功能日益标准化。
在20世纪90年代，当马奔腾挤满了竞争对手时，Autocad凭借其良好的稳定性、出色的开放性和符合windows规范的图形界面开始迅速占领市场。1996 Autocad卖出了15万套，成为世界2D CAD领域当之无愧的“无冕之王”。所以现在很多人提到CAD，都是指Autocad。1998年，欧特克发布了划时代版本的Autocad R14，这是第一款完全符合Windows 98的cad软件。它的诞生，实际上确立了各种windows平台的CAD软件的接口标准和格式标准。我们今天能看到的2D CAD软件的界面和按钮风格，大部分都是来自Autocad R14。这个版本仍然被许多Autocad用户使用。
但当时中国的知识产权保护制度并不完善，大部分企业的Autocad都是盗版的。虽然Autocad的盗版问题客观上使其成为中国企业安装量最高的cad产品，并帮助众多中国企业第一次认识到电脑绘图的巨大魅力，但也为中国制造企业今天频繁面临盗版侵权诉讼埋下祸根。
此时，在政策的推动下，国内CAD软件厂商开始大量涌现。国内cad厂商从一开始就分为两大阵营:以高华CAD、华正电子图板、大恒CAD、穆凯CAD为代表的具有完全自主知识产权的CAD，以天河CAD、XTCAD、InteCAD为代表的基于Autocad的增值开发CAD。
这里需要特别提到的是华政电子海图和穆凯CAD。CAXA电子海图的前身华正电子海图已经成为国内机械行业装机量最大的国产CAD。穆凯CAD是从画法几何的角度，基于我国工程师的使用习惯，对CAD内涵的全新诠释。这两个CAD模型可以看作是那个时代中国争取自主产权CAD的缩影。
由于Autocad垄断了国内90%以上的机械cad市场，具有自主知识产权的CAD产品面临着一个不可逾越的“鸿沟”，那就是对DWG格式的兼容。由于不能保存为DWG图纸，读取AutoCAD文件存在数据丢失，与AutoCAD用户图纸沟通存在障碍，使得国内CAD流失了大量客户。到目前为止，虽然拥有自主知识产权的CAD做了很多努力，但是由于Autodesk的知识产权保护政策，拥有自主知识产权的CAD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，这使得拥有完全自主版权的CAD饱受诟病。
21世纪，随着中国加入WTO，中国制造企业的对外交往日益频繁。同时，为了履行在全球范围内保护知识产权的承诺，中国已经开始从政府层面加强对软件正版化的管理。越来越多的企业开始将盗版AutoCAD软件合法化。
此时，以忠旺、陈豪为代表的“新一代”自主知识产权CAD开始跃上舞台。这种以IntelliCAD为核心的二维CAD，帮助企业解决版权问题，号称完全兼容DWG格式。在他们之后，包括穆凯耀创和伟恒在内的许多国内CAD公司都选择在IntelliCAD平台上开发自己的专有CAD软件。目前，基于IntelliCAD内核的自主产权CAD已经成为可以与Autocad抗衡的一大力量。
其实IntelliCAD并不是什么“新产品”，而是一直生活在Autocad的阴影下，命运多舛。早在1994年，美国Softdesk公司就开始开发一套CAD软件:Phoenix，号称99%兼容AutoCAD。1996年，Autodesk与Softdesk合并，但由于美国反垄断法的限制，凤凰不得不在合并前出售。不得已，Softdesk以670万美元的价格将Phoenix卖给了VISIO。1998年，VISIO发布了Intellicad98——现在意义上的intelli CAD 98诞生了。
此时的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身后。IntelliCAD决定在离开Visio后寻求新的商业模式。因此，IntelliCAD技术联盟(ITC)的组织诞生了。ITC采用了半公开的程序代码，任何对Intellicad感兴趣的公司都可以花钱获得修改后的程序代码并公开出售。但是，所有的修改都必须向ITC公开，并且在发布时必须标记IntelliCAD。目前最新版本的IntelliCAD声称支持DWG 2008。
IntelliCAD因其许多缺陷而受到批评。忠旺和陈豪都对IntelliCAD做了大量修改，据说修改了4000多个bug。所以基于IntelliCAD平台的产品的稳定性取决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，使得我国二维CAD市场呈现出Autocad、完全自主知识产权CAD、以IntelliCAD为核心的自主版权CAD三足鼎立的局面。
1.2 3D CAD的“核”战
其实从CAD的发展历史来看，CAD一开始并没有分为“二维”和“三维”。从20世纪50年代到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建模取得了巨大的成就，并形成了公认的标准，于是科学家们将视角转向了实体建模技术。
1968年，日本的Norio Okino教授率先将实体的概念引入三维几何建模，并主持开发了TIPS系统。二维CAD和三维CAD从此“分道扬镳”。
时间进入20世纪70年代，世界工业强国的飞机和汽车工业蓬勃发展。在此期间，在飞机和汽车制造中遇到了大量的自由曲面。当时设计的自由曲面只能用多截面视图和特征纬度近似表示。由于三视图法的不完全性，经常会出现设计完成后，做出的样品与设计师想象的相差很大，甚至完全不同的情况。设计人员无法保证自己设计的表面形状是否能满足要求，所以往往会按比例制作污泥模型，作为设计审核或方案比较的依据。缓慢而复杂的生产流程大大拖延了产品的研发时间，更新设计手段的呼声越来越高。
从65438年到0972年，美国罗彻斯特大学的H.B.Voelcker教授开始开发PADL系统。从1979开始，Volcker进一步联合美国工业力量，在国家自然科学基金的支持下，开发了PADL-2.0系统，并在1982推出了试用版。当时的Unigraphics(简称UGS，现为西门子PLM软件的前身)、CALMA、Auto-Trol、AutoCAD 12都使用PADL2作为自己CAD/CAM商品系统的实体建模模块。
当时正处于冷战时期，3D CAD技术作为有效提高一个国家工业能力的技术受到严密保护，尤其是航空航天等国防工业。只有少数军工企业有条件开发和使用这项技术。例如，CADAM系统是在Lochheed的支持下开发的。通用电气公司(GE)开发了CALMA系统。波音公司支持CV系统的开发。美国国家航空航天局(美国国家航空航天局)支持开发I-DEAS系统；美国麦道(MD)公司开发UG系统；法国达索公司开发了CATIA系统...
与此同时，一些有实力的汽车企业也开始利用商业化的3D CAD技术开发自己的曲面建模软件。比如大众开发SURF系统；福特汽车公司开发了PDGS系统。法国雷诺汽车公司开发了欧几里德系统...
严格来说，此时的3D CAD只是为了满足解决复杂曲面建模的需要而设计的，并没有达到真正的“实体”。
与此同时，CAM和CAE技术也在蓬勃发展。在当时星球大战计划的背景下，在美国国家航空航天局的支持与合作下，美国SDRC公司开发了许多特殊的分析模块，以降低庞大的空间试验成本。但是在CAE分析中，最大的困难是表面模型技术只能表达车身的表面信息，很难准确表达零件的其他特性，如质量、重心、惯性矩等。于是在1979年，SDRC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也因为引导了3D CAD的实体革命而声名鹊起。但由于当时计算机硬件条件和实体算法的限制，三维实体模型的发展并没有继续，SDRC也没有“大开天地”。20多年后，被EDS忍痛收购。
除了硬件条件的限制，很多企业不愿意使用三维实体建模的另一个重要原因是不同算法下实体建模的体素组合的可靠性并不完全一致。以至于当时销售3D CAD软件时，合同上要注明:“因使用该软件造成的任何质量事故损失，我公司不承担法律责任”。
1973，3D CAD领域的传奇人物伊恩·布雷德(Ian Braid)毕业于剑桥大学。他与导师查尔斯·朗和同学艾伦·格雷尔合作，聘请荷兰人彼得·维恩曼担任营销策划，于1974年创办了Shape Data公司，用Fortran语言开发了第一代实体造型商品系统Romulus，并从1978投放市场。从此，影响至今的Parasolid内核诞生了。
1981年埃文斯&；萨瑟兰获得了形状数据。1986年，在Ian Braid的支持下，开始开发美国版权的第二代实体造型Parasolid系统。1988左右，UG买了Parasolid，用来替代PADL2。经过20多年的应用，Parasolid已经成为当前CAD系统中最稳定的通用几何开发平台之一。到目前为止，美国CAD领域的许多专家学者都认为Parasolid是美国对世界CAD发展做出的最重要的贡献。
1986年，美国空间技术公司开始研发新一代CAD通用支撑平台，他们很快与Ian Braid达成合作意向。基于波音公司1980~1985开发的CAD系统TIGER，ACIS1.0于2月推出，19xx 65438。ACIS是伊恩·布雷德的同学艾伦·格雷尔，他的导师查尔斯·朗，伊恩·布雷德以Solid为前缀。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。此后，它成为货物信息预报系统的最大用户。
2000年7月5日，法国达索系统公司(dassault systemes)签署合同，以265，438美元+50万美元现金收购ACIS kernel。这意味着——全球装机量最大的3D CAD软件之一CATIA也将采用ACIS内核。
目前Parasolid内核主要被NX，西门子PLM软件的Solidedge，达索的Solidworks采用。ACIS主要被Autodesk旗下的MDT、Inventer、达索旗下的CATIA采用。以这两个核心为核心的三维CAD软件占据了三维CAD软件世界市场份额的90%以上。3D CAD的核心算法(也称内核)已经从各自为政的混沌状态变成了Parasolid和ACIS的竞争。
细心的读者可能会发现，上述3D CAD产品缺少一个大家熟知的3D CAD产品名称——Pro/Engineer。先介绍一下Pro/Engineer的诞生历史和它的“母亲”——参数化技术公司(PTC)。
1974年，37岁的苏联人塞缪尔·盖斯伯格来到美国，在CV公司工作，该公司为波音公司提供三维技术。当时CV公司是三维曲面线框建模的龙头厂商，如日中天。它的强大和傲慢，不仅阻止了当时第一个全三维实体造型CAD软件I-DEAS的普及，也让塞缪尔·盖斯伯格这样的一批数学天才的智慧和才华无处施展。
Samuel Geisberg提出了一种沿用至今的新的实体建模方法:基于特征、全尺寸约束、全数据关联和尺寸驱动的设计修改。但他的想法没有被CV公司采纳。1985年，在风险投资人的支持下，他带领自己的研究团队离开CV公司，成立了参数化技术公司——PTC诞生了。两年后，PTC推出了他们的全参数化3D建模软件Pro/Engineer。
全参数化三维建模的思想和Pro/Engineer改变了以往实体建模软件不是由尺寸参数驱动的历史，更加符合设计师的构思习惯。一推出就引起了全世界的关注。在过去的20年里，今天的三维CAD软件都采用了基于特征、全尺寸约束、全数据关联和尺寸驱动设计的建模思想。今天，它已经发展成为PLM领域的领导者，年收入超过6543.8美元+0亿美元。
1997 165438+10月，PTC以2.62亿美元收购了其“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公司终于为自己的傲慢付出了代价。
如果说DEAS开创了三维CAD的实体革命，那么Pro/Engineer则开创了三维CAD的特征参数革命。
2篇发展文章
1999年，达索Systemes推出了全新的CATIA V5，改变了CATIA V4只能在UNIX平台上运行，完全在Windows平台上开发的历史。至此，所有的高端3D CAD(CATIA、Pro/E、NX)都进入了Windows时代，这也引发了3D CAD更加激烈的竞争。
时间一进入21世纪，3D CAD领域就投下了一颗重磅炸弹，EDS收购SDRC，与UGS合并。新的UGS(现更名为西门子PLM软件)已经制定了清晰的路线图，那就是整合SDRC I-DEAS和UG的优势，打造全新的3D CAD软件——NX！
可能很多人不知道UG直到上一个大版本UG18才具备素描时的导航功能，但是在NX时代，从NX1开始就具备了强大的导航功能，这是整合了I-DEAS的结果。当然NX系列相比UG18提升的不止这些。其实NX到现在也没有完全消化I-DEAS的优秀设计思想。
PTC还在2002年发布了Pro/Engineer的最新版本——wild fire。相比之前的版本，Wildfire系列的Pro/E最显著的改进在界面。对Pro/E发展历史比较了解的人可能都知道，在wildfire诞生之前，Pro/E的所有操作都是通过渐进式菜单实现的，wildfire为其忠实支持者提供了图标按钮。但也有发烧友认为渐进式操作菜单对于熟悉Pro/E的用户来说效率更高，所以直到现在，Pro/Engineer wildfire还是保留了一些渐进式操作菜单。
随着技术的不断成熟和用户的增加，各种三维CAD软件的价格也在不断下降，客观上促进了三维CAD的快速普及，并由此引发了2D CAD是否会被淘汰的争论。
其实2D CAD更方便沟通，生产加工现场自动化程度不是很高，对平面图纸有现实需求，所以2D CAD退出历史舞台可能不是一时之事。
在这种情况下，各个CAD厂商都有一定的对策。
以Autodesk为代表的二维CAD厂商一改过去只关注软件平台开发的风格，开始关注行业应用。Autodesk开始自行开发各种行业版本，陆续推出机械版和电气版。忠旺陈豪也开始转战机械行业，与过去曾与AutoDesk合作的Autocad增值开发者联手，在IntelliCAD平台上开始行业增值开发。
3潜在客户
3.1的发展方向之一:无历史约束的建模。
PTC将三维CAD软件带入了基于特征、全尺寸约束、全数据关联和尺寸驱动设计的时代。但凡事有利有弊。习惯了2D CAD的人在开始学习3D CAD的时候会遇到一个很大的障碍:建模。
建模实际上包括两个方面:
首先，用户必须熟悉3D CAD的特性，以及这些特性可以实现哪些造型功能。熟悉了这些，再利用各种功能来构建用户想要的模型。通常，一个零件建模将使用从几万到几万个特征。为了管理这些特征，方便回溯，大多数3D CAD都有这样的“特征树”。
光有特征是不够的，还要计算建模需要的参数，比如拉伸多少，开洞多深。以前做二维设计的时候，很多工程师习惯画图，尤其是复杂曲面，非常写意。在三维CAD时代，因为实现了全参数化，意味着所有的图形都必须用数学公式和模型来表示，工程师再也不能徒手设计了。
在很多企业中，3D CAD已经成为制约工程师奇思妙想的“最酷”的东西，有些工程师甚至要花1/3的时间去思考应该用什么特征和参数来建模，才能达到想要的效果。所以很多工程师都希望3D CAD就像一块泥巴，可以自由揉搓成想要的形状，不受特征和参数的限制。
这个看似矛盾的需求，其实很多3D CAD厂商一直在为之努力。他们倡导的概念叫做无历史建模，翻译过来就是没有历史约束的建模。大多数致力于不受历史约束建模的3d CAD公司都很小，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，IronCAD的总裁是CAXA美国的总裁。
CoCreate在2007年被PTC以2.5亿美元收购；
2008年，Think3与埃克塞特合资成立北京埃克塞特信息技术有限公司；
同样在2008年，PLM领域的“大腕”西门子PLM软件发布了基于同步建模技术的NX6和SolidEdge2008，而这两款产品最大的卖点正是“无历史约束建模”所倡导的:无论什么时间、什么数据源，都可以正确编辑模型。
虽然西门子PLM软件并不是世界上第一个发明“无历史约束建模”或将“无历史约束建模”技术商业化的厂商，但无可争议的是，西门子PLM软件是第一个将“无历史约束建模”技术完全融入自己产品并在全球推广的软件厂商。
与西门子PLM软件相比，达索Systemes和PTC并没有宣传他们的CATIA和Pro/Engineer应用了无历史约束的建模技术，但实际上在他们的最新版本中或多或少都能看到这种技术。例如，CATIA V6和Pro/Engineer Windfire 5.0都支持编辑和粘贴任何来源的模型以及对原始模型执行布尔运算的功能。
可以说，“没有历史约束的建模技术”从“暗流涌动”成为了历史的必然。
3.2第二个发展方向:软件越来越“绿色”
如今，人们越来越关注产品对环境的影响，世界各国也纷纷出台各种环保法规，提高市场准入门槛。从企业股东到消费者，每个人都在不断提高产品的环保意识。面对各种苛刻的环保法规，制造企业必须从设计环节做出应对，于是几大3D CAD厂商开始为客户提供关于“绿色”设计的解决方案。
典型的例子就是达索系统公司旗下的Solidworks公司。
2008年，Solidworks与LCA(生命周期评估)的制造商Gabi Software展开了代号为“Sage”的研究合作，旨在实现Gabi与Solidworks的完美融合。
Gabi Software的前身是德国斯图加特大学IKP研究所，该研究所为Gabi组织了一个全球环境评估组织——PE International。通过分布在世界各地的专家，Gabi可以量化材料、流程、产品和基础设施的环境性能，包括超过65，438+000，000种影响模式。它可以从温室气体、能源、最显著的环境影响、生命周期成本和社会影响等不同角度评价可持续性。
2009年9月10日，Solidworks发布了Sage项目的研究成果——SolidWorks2010。在该版本中，SolidWorks增加了环境评估模块Sustainability，可以根据碳排放、空气酸化、水体富营养化、总能耗四个因素来衡量产品在整个生命周期中的环境影响。对于上述每个因素，当前值、与原始设计的基线比较和贡献百分比以仪表板的形式显示。
由于Solidworks 2010使用了与其兄弟CATIA V6相同的内核，因此我们有理由相信，可持续性模块在未来很可能会成为达索Systemes旗下两款3D CAD软件的“标配”。
与达索系统公司相比，3D CAD领域的另外两家巨头在处理“绿色”挑战方面非常具有戏剧性。
Synapsis Technology是一家提供EMARS的公司，EMARS是一种针对材料、组件和产品的合规管理解决方案。PTC公司在5438年6月+2008年2月将其收入囊中，2009年6月发布集成EMARS的Windchill 9。
而西门子PLM软件则没有回避Synapsis技术与PTC的关系，与之合作。2009年，集成了一些EMARS功能的Teamcenter 8推出。
面对“绿色”，PTC和西门子PLM软件这两个竞争对手达成了协议，这和大洋彼岸的达索Systemes颇为相似。
3.3第三个发展方向:“机”与“电”越来越亲密。
随着时代的进步，我们会发现我们身边的产品越来越少，纯“机械”或者纯“电子”的产品。即使像手机这样被归类为电子产品的产品也有机械零件。过去机械设计的3D CAD软件和电子电路设计的ECAD软件是两个不同的类别，两者之间的信息沟通非常不方便，极大地影响了机电混合产品的设计效率和质量，于是几大CAD厂商开始探索机电一体化设计之路。
2005年，PTC收购了ECAD领域的OHIO Design Automation，并将InterComm，一个* * *享受PCB设计数据的工具，作为其PLM解决方案的一部分。在Pro/ENGINEER Wildfire 4.0的后期版本中，增加了ECAD协作模块，使Pro/E具备了一定的电路设计能力。
2008年4月，SolidWorks将曾经的金牌合作伙伴Priware Limited收入囊中，将其ECAD转换工具CircuitWorks作为插件嵌入到SolidWorks2008SP4之后的版本中。利用该插件，SolidWorks用户可以将其他ECAD设计的电路板图形信息导入到SolidWorks模型中，以验证电路板与机械零件的适应性。
因为EDA的专业性和特殊性很强，客观来说，在一个CAD软件中完美实现机械电子设计是非常困难的。但PTC和SolidWorks在这方面做了有益的尝试，解决了工程设计中的一些实际问题。随着时代的进步，我们有理由相信机电一体化设计将是未来CAD的一个重要发展方向。
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