自1946年电子计算机问世至今不过70年,但它的发展是如此之迅猛,以至于改变了我们这个时代的生活方式,使人类文明进入信息时代。电子计算机最初是为满足军事上计算弹道的需要而被开发出来的,随后它被应用于机械、航空、汽车制造等行业。今天,它几乎已渗透到金融、文化、教育、社会管理等生产和生活活动的一切领域。电子计算机的发展过程也是新技术从中不断产生并得到发展的过程。
CAD(计算机辅助设计)是随着计算机硬件及软件技术的进步而发展起来的。自从第一台电子计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Calculator)在1946年问世以来,利用计算机进行工程和产品辅助设计技术的发展大体经历了如下几个阶段。
20世纪40年代末至50年代末是孕育、形成阶段。此期间使用的是电子管式计算机,用户要用代码(机器语言)编写求解数学问题的程序,较难掌握,只有专家能够应用。计算机在解题中仅起数值计算作用。少数大公司开始实际使用,美国通用电气公司曾用于进行变压器、电动机等的设计计算。
20世纪50年代末至60年代中、后期是成长阶段。晶体管成为电子计算机的基本元件,计算机的运算与存储功能有较大提高,陆续开发出一批高级程序设计语言,如FORⅡ(1958)、ALGOR唱60(1960)、COBOL(l960)、FORⅣ(1960)以及PL/I语言(1965),能通用于科学计算与事务管理,且较易为广大工程技术人员掌握和使用。1962年,美国麻省理工学院学者I.E.Sutherland提出并阐述了交互式图形生成技术的基本概念与原理,研制了第一个计算机图形处理系统SKETCHPAD,采用与计算机连接的阴极射线管CRT和光笔,在屏幕上显示、定位与修改图形,实现人机交互式工作。不久,又出现了自动绘图机,解决了图形输出问题。在数据处理方面,由于直接访问设备——磁鼓和磁盘的出现及性能改进,出现了文件系统,并在20 1世纪60年代中后期得到较大的完善,形成数据管理方法的雏形。在此阶段后期,由于计算机软、硬件的迅速进展,CAD技术飞跃发展,它从简单的零部构件的设计计算,推广应用于大型电站锅炉、核反应堆热交换器等成套设备的设计。其中,美国通用汽车公司开发的DAC唱I(Design Augmented by Computer)系统被用于汽车车身外形和结构设计,是这方面的先例。
20世纪70年代以后进入开发应用阶段。此时计算机已采用集成电路,计算速度与内存容量均有极大增长,发展了“分时系统”,使大型机可与几十个终端连接。图形输出输入设备亦获得了进一步发展,质量不断提高,从CRT显示器发展出光栅扫描图形显示器、彩色图形终端等,使图形更加形象逼真,全电子式坐标数字化仪及其他图形输入设备取代了光笔并得到广泛应用,机控精密绘图机能高速、高质量地绘制实用图纸。图形信息处理技术问题已基本解决。数据处理亦从文件系统发展成数据库系统,使数据管理更趋完善。与此同时,各种数值分析技术(偏微分方程的数值解法、数值模拟、数值积分、离散数学、有限元等)和现代设计方法(如优化算法、可靠性设计)、系统工程等在计算机应用的刺激下有了很大的发展;它们反过来又推动CAD的应用,逐步开发出一批工程和产品设计的完整的CAD系统,大大提高了设计效率,设计质量与深度亦达到一个崭新的水平。
进入20世纪80年代以来,电子器件的集成度迅速提高,随着芯片技术的发展,小型机与微型机的性能日益完善,专门的图形处理与数据库处理机的出现,软件方面虚拟存储操作系统、分布式数据库技术与网络技术的应用,这些都使CAD技术有了长足的进展。过去因设备价格过于昂贵,只有大型企业与公司才能使用的CAD现在移植到小型机与微机上,已能为中、小企业甚至个人广泛使用。应用部门亦从航空、汽车、机械制造行业扩展到电子电器、化工、土木、水利、交通、纺织服装、资源勘探、医疗保健等各行各业。CAD步入广泛实用阶段。
20世纪80年代中期以后是CAD向标准化、集成化、智能化方向发展的时期。CAD技术的集成化主要体现在系统构造由原来单一功能变成综合功能,出现由CAD/CAM(计算机辅助制造Computer Aided Manufacture)/CAE(计算机辅助工程Computer Aided Engineering)/MIS(管理信息系统Management Information System)构成的计算机集成制造系统(CIMS唱Computer Integrated Manufacturing System)。(www.daowen.com)
集成化还体现在下列几方面:
一是CAD中有关软件和算法不断地被固化,即用集成电路及其功能块来实现有关软件和算法的功能。
二是多处理机、并行处理技术用于CAD中,使工作速度成百倍增加。
三是网络技术在CAD中被采用,这样近程和远程资源都能即时共享。当前人工智能和专家系统技术已在CAD中逐步被应用,把工程数据库及其管理系统、知识库及专家系统、用户接口管理系统和应用程序系统集于一体,形成智能计算机辅助设计(AICAD),大大提高了设计自动化的程度。
CAD的生产和应用目前以美国最发达,其次是日本、西欧诸国。我国在建筑行业的设计领域中2000年就已基本实现了计算机绘图。CAD技术的进步与普及,大大促进了社会生产力的发展,正如美国科学基金中心指出的那样:对直接提高生产力而言,CAD技术比电气化以来的任何发展具有更大的潜力。它触发了新的产业革命。
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