CAD技術起步於50年代後期。進入60年代，隨著在計算機螢幕上繪圖變為可行而開始迅速發展。人們希望藉助此項技術來擺脫繁瑣、費時、繪製精度低的傳統手工繪圖。此時CAD技術的出發點是用傳統的三檢視方法來表達零件，以圖紙為媒介進行技術交流，這就是二維計算機繪圖技術。

    在CAD軟體發展初期，CAD的含義僅僅是圖板的替代品，即：意指Computer Aided Drawing(or Drafting)而非現在我們經常討論的CAD(Computer Aided Design)所包含的全部內容。CAD技術以二維繪圖為主要目標的演算法一直持續到70年代末期，以後作為CAD技術的一個分支而相對單獨、平穩地發 展。早期應用較為廣泛的是CADAM軟體，近十年來佔據繪圖市場主導地位的是 Autodesk公司的AutoCAD軟體。在今天中國的CAD使用者特別是初期CAD使用者中，二維繪圖仍然佔有相當大的比重。

1. 第一次CAD技術革命──貴族化的曲面造型系統 　　

    60年代出現的三維CAD系統只是極為簡單的線框式系統。這種初期的線框造型系統只能表達基本的幾何資訊，不能有效表達幾何資料間的拓撲關係。由於缺乏形體的表面資訊，CAM及CAE均無法實現。

    進入70年代，正值飛機和汽車工業的蓬勃發展時期。此間飛機及汽車製造中遇到了大量的自由曲面問題，當時只能採用多截面檢視、特徵緯線的方式來近似表達所設計的自由曲面。由於三檢視方法表達的不完整性，經常發生設計完成後，製作出來的樣品與設計者所想象的有很大差異甚至完全不同的情況。設計者對自己設計的曲面形狀能否滿足要求也無法保證，所以還經常按比例製作油泥模型，作為設計評審或方案比較的依據。既慢且繁的製作過程大大拖延產了產品的研發時間，要求更新設計手段的呼聲越來越高。

    此時法國人提出了貝賽爾演算法，使得人們在用計算機處理曲線及曲面問題時變得可以操作，同時也使得法國的達索飛機制造公司的開發者們，能在二維繪圖系統CADAM的基礎上，開發出以表面模型為特點的自由曲面建模方法，推出了三維曲面造型系統CATIA。它的出現，標誌著計算機輔助設計技術從單純模仿工程圖紙的三檢視模式中解放出來，首次實現以計算機完整描述產品零件的主要資訊，同時也使得CAM技術的開發有了現實的基礎。曲面造型系統CATIA為人類帶來了第一次CAD技術革命，改變了以往只能藉助油泥模型來近似準確表達曲面的落後的工作方式。 　　

    此時的CAD技術價格極其昂貴(也許還有人記得，曾幾何時，在國內租用一套CATIA的年租金即需15～20萬美元)，而且軟體商品化程度低，開發者本身就是CAD大使用者，彼此之間技術保密。只有少數幾家受到國家財政支援的軍火商，在70年代冷戰時期才有條件獨立開發或依託某廠商發展CAD技術。例如：

CADAM 由美國洛克希德(Lochheed)公司支援

CALMA 由美國通用電氣(GE)公司開發

CV 由美國波音(Boeing)公司支援

I-DEAS 由美國國家航空及宇航局(NASA)支援

UG 由美國麥道(MD)公司開發

CATIA 由法國達索(Dassault)公司開發

    這時的CAD技術主要應用在軍用工業。但受此項技術的吸引，一些民用主幹工業，如汽車業的巨人也開始摸索開發一些曲面系統為自己服務，如：

大眾汽車公司 SURF

福特汽車公司 PDGS

雷諾汽車公司 EUCLID

    另外還有豐田、通用汽車公司等都開發了自己的CAD系統。由於無軍方支援，開發經費及經驗不足，其開發出來的軟體商品化程度都較軍方支援的系統要低，功能覆蓋面和軟體水平亦相差較大。

    曲面造型系統帶來的技術革新，使汽車開發手段比舊的模式有了質的飛躍，新車型開發速度也大幅度提高，許多車型的開發週期由原來的6年縮短到只需約3年。CAD技術給使用者帶來了巨大的好處及頗豐的收益，汽車工業開始大量採用CAD技術。80年代初，幾乎全世界所有的汽車工業和航空工業都購買過相當數量的CATIA，其結果是CATIA躍居製造業CAD軟體榜首，並且保持了許多年。最近幾年，從造型理論上來說，CATIA並沒有突破性的進展，CAD技術本身已相對落後。達索公司公佈的96年營業額只有2.68億美元，這並不足以使其穩據世界排名第二的位置。但其龐大使用者群的巨大慣性以及由IBM提供的約3億美元的強有力系統整合支援，使得它依然排在CAD行業前列。

2. 第二次CAD技術革命──生不逢時的實體造型技術 　　

    80年代初，CAD系統價格依然令一般企業望而卻步，這使得CAD技術無法擁有更廣闊的市場。為使自己的產品更具特色，在有限的市場中獲得更大的市場份額，以CV、SDRC、UG為代表的系統開始朝各自的發展方向前進。70年代末到80年代初，由於計算機技術的大跨步前進，CAE、CAM技術也開始有了較大發展。SDRC公司在當時星球大戰計劃的背景下，由美國宇航局支援及合作，開發出了許多專用分析模組，用以降低巨大的太空實驗費用，同時在CAD技術方面也進行了許多開拓；UG則著重在曲面技術的基礎上發展CAM技術，用以滿足麥道飛機零部件的加工需求；CV和CALMA則將主要精力都放在CAD市場份額的爭奪上。

    有了表面模型，CAM的問題可以基本解決。但由於表面模型技術只能表達形體的表面資訊，難以準確表達零件的其它特性，如質量、重心、慣性矩等，對CAE十分不利，最大的問題在於分析的前處理特別困難。基於對於CAD/CAE一體化技術發展的探索，SDRC公司於1979年釋出了世界上第一個完全基於實體造型技術的大型CAD/CAE軟體──I-DEAS。由於實體造型技術能夠精確表達零件的全部屬性，在理論上有助於統一CAD、CAE、CAM的模型表達，給設計帶來了驚人的方便性。它代表著未來CAD技術的發展方向。基於這樣的共識，各軟體紛紛仿效。一時間，實體造型技術呼聲滿天下。可以說，實體造型技術的普及應用標誌CAD發展史上的第二次技術革命。 　　

    但是新技術的發展往往是曲折和不平衡的。實體造型技術既帶來了演算法的改進和未來發展的希望，也帶來了資料計算量的極度膨脹。在當時的硬體條件下，實體造型的計算及顯示速度很慢，在實際應用中做設計顯得比較勉強。由於以實體模型為前提的CAE本來就屬於較高層次技術，普及面較窄，反映還不強烈；另外，在演算法和系統效率的矛盾面前，許多贊成實體造型技術的公司並沒有下大力量去開發它，而是轉去攻克相對容易實現的表面模型技術。各公司的技術取向再度分道揚鑣。實體造型技術也就此沒能迅速在整個行業全面推廣開。推動了此次技術革命的SDRC公司與幸運之神擦肩而過，失去了一次大飛躍的機會。在以後的10年裡，隨著硬體效能的提高，實體造型技術又逐漸為眾多CAD系統所採用。

    在這段矛盾碰撞、技術起伏跌宕時期，CV公司最先在曲面演算法上取得突破，計算速度提高較大。 由於CV提出了整合各種軟體，為企業提供全方位解決方案的思路，並採取了將軟體的執行平臺向價格較低的小型機轉移等有利措施，一躍成為CAD領域的領導者，市場份額上升到第1位，兼併了CALMA公司，實力迅速膨脹。

3. 第三次CAD技術革命—— 一鳴驚人的引數化技術 　　

    正當CV公司業績蒸蒸日上以及實體造型技術逐漸普及之時，CAD技術的研究又有了重大進展。如果說在此之前的造型技術都屬於無約束自由造型的話，進入80年代中期，CV公司內部以高階副總裁為首的一批人提出了一種比無約束自由造型更新潁、更好的演算法──引數化實體造型方法。從演算法上來說，這是一種很好的設想。它主要的特點是：基於特徵、全尺寸約束、全資料相關、尺寸驅動設計修改。 當時的引數化技術方案還處於一種發展的初級階段，很多技術難點有待於攻克。是否馬上投資發展這項技術呢？CV內部展開了激烈的爭論。由於引數化技術核心演算法與以往的系統有本質差別，若採用引數化技術，必須將全部軟體重新改寫，投資及開發工作量必然很大。當時CAD技術主要應用在航空和汽車工業，這些工業中自由曲面的需求量非常大，引數化技術還不能提供解決自由曲面的有效工具(如實體曲面問題等)，更何況當時CV的軟體在市場上幾乎呈供不應求之勢，於是，CV公司內部否決了引數化技術方案。

    策劃引數化技術的這些人在新思想無法實現時，集體離開了CV公司，另成立了一個引數技術公司(Parametric Technology Corp.)，開始研製命名為Pro/E的引數化軟體。早期的Pro/E軟體效能很低，只能完成簡單的工作，但由於第一次實現了尺寸驅動零件設計修改，使人們看到了它今後將給設計者帶來的方便性。 　　

    80年代末，計算機技術迅猛發展，硬體成本大幅度下降，CAD技術的硬體平臺成本從二十幾萬美元一下子降到只需幾萬美元。一個更加廣闊的CAD市場完全展開，很多中小型企業也開始有能力使用CAD技術。由於他們設計的工作量並不大，零件形狀也不復雜，更重要的是他們無錢投資大型高檔軟體，因此他們很自然地把目光投向了中低檔的Pro/E軟體。瞭解CAD市場的人都知道，它的分佈幾乎呈金字塔型。在高階的三維繫統與低端的二維繪圖軟體之間事實上存在一個非常大的中檔市場。PTC在起家之初即以瞄準這個充滿潛力的市場，在舊時王榭堂前燕尚未來得及飛入尋常百姓家之時，迎合眾多的中小企業上CAD的需求，一舉進入了這塊市場，獲得了巨大的成功。進入90年代，引數化技術變得比較成熟起來，充分體現出其在許多通用件、零部件設計上存在的簡便易行的優勢。躊躇滿志的PTC先行擠佔低端的AutoCAD市場，致使在幾乎所有的CAD公司營業額都呈上升趨勢的情況下，Autodesk公司營業額卻增長緩慢，市場排名連續下挫；繼而PTC又試圖進入高階CAD市場，與CATIA、I-DEAS、CV、UG等群雄逐鹿，一直打算進入汽車及飛機制造業市場。目前，PTC在CAD市場份額排名上已名列前茅。 可以認為，引數化技術的應用主導了CAD發展史上的第三次技術革命。

4. 第四次CAD技術革命─更上層樓的變數化技術 　　

    引數化技術的成功應用，使得它在90年前後幾乎成為CAD業界的標準，許多軟體廠商紛紛起步追趕。但是技術理論上的認可並非意味著實踐上的可行性。由於CATIA、CV、UG、EUCLID都在原來的非引數化模型基礎上開發或集成了許多其它應用，包括CAM、PIPING和CAE介面等，在CAD方面也做了許多應用模組開發。重新開發一套完全引數化的造型系統困難很大，因為這樣做意味著必須將軟體全部重新改寫，何況他們在引數化技術上並沒有完全解決好所有問題。因此他們採用的引數化系統基本上都是在原有模型技術的基礎上進行區域性、小塊的修補。考慮到這種引數化化的不完整性以及需要很長時間的過渡時期，CV、CATIA、UG在推出自己的引數化技術以後，均宣傳自己是採用複合建模技術，並強調複合建模技術的優越性。 這種把線框模型、曲面模型及實體模型疊加在一起的複合建模技術，並非完全基於實體，只是主模型技術的雛形，難以全面應用引數化技術。由於引數化技術和非引數化技術核心本質不同，用引數化技術造型後進入非引數化系統還要進行內部轉換，才能被系統接受，而大量的轉換極易導致資料丟失或其它不利條件。這樣的系統由於其在引數化技術上和非引數化技術上均不具備優勢，系統整體競爭力自然不高，只能依靠某些實用性模組上的特殊能力來增強競爭力。可是30年的CAD軟體技術發展也給了我們這樣一點啟示：決定軟體先進性及生命力的主要因素是軟體基礎技術，而並非特定的應用技術。 90年以前的SDRC公司已經摸索了幾年引數化技術，當時也面臨同樣的抉擇：要麼它同樣採用逐步修補方式，繼續將其I-DEAS軟體引數化下去，這樣做風險小但必然導致產品的綜合競爭力不高； 但是否一定要走引數化這華山一條路呢？積數年對引數化技術的研究經驗以及對工程設計過程的深刻理解，SDRC的開發人員發現了引數化技術尚有許多不足之處。首先，全尺寸約束這一硬性規定就干擾和制約著設計者創造力及想象力的發揮。 　　

    全尺寸約束，即設計者在設計初期及全過程中，必須將形狀和尺寸聯合起來考慮，並且通過尺寸約束來控制形狀，通過尺寸的改變來驅動形狀的改變，一切以尺寸(即所謂的引數)為出發點。 一旦所設計的零件形狀過於複雜時，面對滿螢幕的尺寸，如何改變這些尺寸以達到所需要的形狀就很不直觀；再者，如在設計中關鍵形體的拓撲關係發生改變，失去了某些約束的幾何特徵也會造成系統資料混亂。實事上，全約束是對設計者的一種硬性規定。 一定要全約束嗎？一定要以尺寸為設計的先決條件嗎？欠約束能否將設計正確進行下去？沿著這個思路，在對現有各種造型技術進行了充分地分析和比較以後，一個更新穎大膽的設想產生了。SDRC的開發人員以引數化技術為藍本，提出了一種比引數化技術更為先進的實體造型技術──變數化技術，作為今後的開發方向。SDRC的決策者們權衡利弊，同意了這個方案，決定在公司效益 正好之時，抓住機遇，從根本上解決問題，否則日後落後無疑。於是，從1990至1993年，歷經3年時間，投資一億多美元，將軟體全部重新改寫，於1993年推出全新體系結構的I-DEAS Master Series軟體。在早期出現的大型CAD軟體中，這是唯一一家在90年代將軟體徹底重寫的廠家。 　　

    眾所周知，已知全引數的方程組去順序求解比較容易。但在欠約束的情況下，其方程聯立求解的數學處理和在軟體實現上的難度是可想而知的。SDRC攻克了這些難題，並就此形成了一整套獨特的變數化造型理論及軟體開發方法。在I-DEAS Master Series(以下簡稱I-DEAS MS)軟體系列中，變數化的理念是按如下步驟一步步實現的： 　　

I-DEAS MS 1 用主模型技術統一資料表達，變數化構畫草圖；

I-DEAS MS 2 變數化截面整形；

I-DEAS MS 3 變數化方程；

I-DEAS MS 4 變數化掃掠(曲面)；

I-DEAS MS 5 變數化三維特徵，VGX；

I-DEAS MS 6 變數化裝配，PMI等。 　　

    變數化技術既保持了引數化技術的原有的優點，同時又克服了它的許多不利之處。它的成功應用，為CAD技術的發展提供了更大的空間和機遇。而且SDRC這幾年業務的快速增長，也證明了它走的這條當時看起來是充滿風險的研發道路是絕對正確的。也許DaraTech的96CAD市場評論是對的：看起來SDRC要飛黃騰達了。事實上，I-DEAS MS1釋出時，SDRC市場排名僅位居第9，而在此以後，SDRC每年的排位都要超越一、兩位同行，截止到去年，SDRC的市場排名已上升至第3位。無疑，變數化技術成就了SDRC，也驅動了CAD發展的第四次技術革命。 　　

    以史為鑑，可知興衰。眾多CAD廠商的成敗無一不與其技術發展密切相關。溫故而知新。CAD技術基礎理論的每次重大進展，無一不帶動了CAD/ CAM/CAE整體技術的提高以及製造手段的更新。技術發展，永無止境。沒有一種技術是常青樹，CAD技術一直處於不斷的發展與探索之中。正是這種此消彼長的互動與交替，造就了今天CAD技術的興旺與繁榮，促進了工業的高速發展。今天，越來越多的人認識到CAD是一種巨大的生產力，不斷加入到使用者行列之中。願CAD技術的發展伴隨著人們對它認識及應用水平的提高，日新月異，更上層樓。

來源:計算機世界報