CAD产业的发展回顾与思考(唐荣锡)

CAD产业的发展回顾与思考


唐荣锡,1928年11月生于上海,祖籍安徽歙县。1949年6月毕业于上海交通大学机械工程系制造专业。经华东人民革命大学短期培训后,进入大连俄文专修学校学习俄语一年。1950年12月进空军109师任俄语口译和北京空军训练部任俄语笔译。

1952年8月,转业到北京航空学院,历任飞机制造工艺专业苏联专家翻译、讲师、副教授、教授和第一批博导。2000年1月离休。

1956年9月至1958年8月,在莫斯科航空工艺学院飞机制造教研室进修,1975年夏开始学习CAD技术,参与了航空工业部有关引进CAD软件和合作开发飞机设计制造管理系统的考察活动。与课题组教师和研究生共同研制了多面体实体造型原型系统 PANDA以及基于线框和NURBS曲面的几何造型数控加工原型系统 PANDA4。共培养了26名硕士和24名博士。


后来居上的达索系统/ CATIA


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。

当时,达索设计生产幻影F1战斗机和空中客车民用机,使用IBM3090、4381一类主机和IBM3250、5080一类的图形终端,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涡轮盘和叶片等关键零件。全公司共有200多台图形终端。


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?


最后达索决定齐头并进,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,达索引进 CADAM,花100万美元买下了 CADAM源程序,学习 CADAM的技术诀窍。1977年启动开发交互CAD软件CATIA,1978年投入使用。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 CATIA V1.0,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1982-1984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,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,形成了完整的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上,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是汽车行业,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。


兼并迅速增强实力 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公司。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 Invention Machine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ACIS 3D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,公司网页公布的数字, 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 CATIA V5 Windows NT和UNIX版,99%的用户界面图标采用 MS Office形式。 CATIA V4的曲面系统使用 Bezier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。 CATIA V4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CATIA V5平台上开发。1999年5月, CATIA V5R1上市,在我国作为教育版的全套优惠价是1.6万人民币一套,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。


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 Francis Bernard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。目前公司成员仍是80%工程师,平均年龄32岁。


再有,资金稳定,有IBM作后台,软件销售价格制定合理,划一不变,也是成功因素之一。


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。


CAD产业发展的回顾与思考之二


美国飞机公司创造CAD辉煌 善始未得善终


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,1979年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Douglas DAC和 Lockheed LAC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陪同参观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。






【红涛按:1980年,62岁的刘华清将军登上美国“小鹰号”航空母舰】



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。


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年中国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


UNIGRAPHICS硕果仅存


当时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 McDonne11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 United Computing,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( Steven Coons)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,可以用圆弧或椭圆界线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。


资本运作的负面影响


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值。


1978年 CADAM签约由IBM经销后,IBM公司只允许 CABAM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 CADAN,加速了 CADAN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 CAD Report期刊在2001年展时展望今后十年的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!


【红涛按:那个时代的航空业是CAD技术发展的绝对龙头,没有之一。CADAM由洛克希德(Lochheed)公司支持,CALMA由通用电气(GE)公司开发,CV由波音(Boeing)公司支持,I-DEAS由美国国家航空及宇航局(NASA)支持,UG由美国麦道(MD)公司开发,CATIA也是由法国达索(Dassault)公司开发的。】


CAD产业发展的回顾与思考之三


从 Romulus parasolid到AcIs-精益求精锲而不舍的CAD软件典范


英国剑桥一瞥


1982年3月份,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、 Tektronix 4114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的培训,同时考察 ShapeData/ Romulus和CIS/ Med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 Tektronⅸx4014存储管,并配置E8S PS300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,主要研制人员工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。


Romulus的变异发展之路


剑桥大学CAD实验室是英国发展CAD的源头,1973年 Ian braid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Buld-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:Brad以及他的导师 Charles Lang和同窗Alan Grayer。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 Peter Veenman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G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 Spatial Technology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 Alan Grayer, Charles Lang,Ian Braid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 Dominic Gallello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 Shape Manager.。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。


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。日本北海道大学油野教郎( Norin Okino)采用类似于APT加工编程的语言用代数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,用消隐后的网络线表示形体。美国 Rochester大学的 H B Voelcker和 A A G Requicha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。还有八叉树细分模型、欧拉操作模型,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。


CAD产业发展回顾与思考之四


PTc/ProE引导CAD进入参数化特征设计新天地


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, MIT David Gossard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Samuel Geisbberg脱颖而出,提出了参数化特征造型的发展途径,并且组建了Parametric Technology公司,推出了Pro/Engineering产品,为CAD三维设计树立了新的常规。


Samuel Geisberg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, I E Sutherland的 SKETCHPAD交互绘图系统博士论文促成了 CADAM系统的开发,1962-1968年,SA Coons和 P E Bezier的曲面理论对CAD曲面造型起了奠基作用,1970-1979年, I C Braid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


Samuel Geisberg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年组建了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。 Samuel Geisberg的最大功绩在于发挥数学专长,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。


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大约从1977年起用 Bezier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 John Owen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碰撞和间隙检测等功能,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,创始人是奧地利数学家 Herbert Edelsbrunner,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。


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。(以上摘自CA公司黄铃副研究员2002年春节从 UC Berkeley来信,供参考)


CAD产业发展回顾与思考之五


以普及三维实体建模为己任的 Solidworks迅速崛起


CAD产业发展模式的演变


最初,各大飞机和汽车公司都是为了自身的产品设计需要而抽调少数专业人员去研制CAD软件,以后逐渐发展为独立核算的信息系统公司。


美国通用汽车公司,从1965年起开发 CADANCE系统,并未产生实效,当事人 Pat Hanratty从中提取二维绘图、曲面造型和数控加工编程等功能,形成 Fortran小型软件包AD2000,将源程序转让给CV、CDC、UG、 Calma、 Auto-Trol等,加快了这些公司的成长。


法国雷诺汽车厂在 Pierre Bezier领导下独立开发了 Unisurf曲面造型、 SurfAPT曲面加工和RA3D实体造型系统,以后并入 Euclid, Euclid又并入达索/ CATIA。


以上各类软件从技术基础、应用功能、产业发展模式看,不妨称之为第一代CAD产品。PTC/ProE着手将曲面、实体与参数化特征造型融为一体,并且引入风险投资,标志了第二代CAD产品的开端。 Solidworks则沿着PTc/ProE的发展道路前进,开创了风险投资模式下CAD快速创业的新典范。


Solidworks精心策划起家


Solidworks创建于1993年12月,总部设在美国麻省 Concord,离 Boston市的MIT不远。创始人兼 CEO Jon Hirschtick最初任MIT机械系CAD实验室主任,1987年与MIT毕业的研究生创立了 Premise公司,开发 Windows环境下微机版变量化设计软件 Design View,1989年秋产品上市,1991年公司并入CV,出任CV的产品工程部经理。


Jon为 SolidWorks制定的业务方针是促进三维实体建模技术的普及,使它成为机械设计的主流工具,让当前使用二维绘图或混用二三维系统的80万设计人员尽早转入以三维设计为中心,用实体主模型统一支持装配、出图和满足后续生产的其他需求,将三维设计软件推广到所有中小企业,使每个设计人员人手一套微机系统。这就要求软件采用标准化界面、容易上手,产品模型可以自动进行装配和出图,产品价格合宜。


在具体实施上, Solidworks 采用精品策略:公司主要领导人在PTC、C、 Aries等主管过产品开发、销售,阅历丰富;全球范围精选代理商形成销售网,要求销售人员精通业务,代理健全、稳定,服务支持到位;广罗人才,副总裁 Robert zuffante是MIT机械系Gossard教授名下硕士,负责系统结构设计,叶修梓是浙江大学数学系梁友栋教授名下硕土、柏林工业大学CAD实验室 Nowachi教授名下博士、MIT海洋工程系设计实验室 Patrikalakis教授名下博士后,长期从事曲线、曲面理论和应用研究,1995年12月进 Solidworks任首席科学家,负责复杂曲面功能的研究开发;在软件开发中,采用最好的几何平台ACIS、 Parasolid和约束求解DCM组件。


正是由于 SolidWorks的发展策略得当,领导班子得力,员工素质高,1994年获得三笔风险投资,1995年11月产品上市,在 AutoFACT展示会上重演了当年Pro/E赢得观众一片叫好的火爆场面。1996年销售额US$700万,并获得第二批风险投资,1997年销售额达到US$2700万,1998年一季度末已有6千家客户,使用1万5千套软件,在43个国家建立了160个代销点。这样的快捷发展速度超过了 AutoCAD,也超过了Pro/E。1997年6月达索用US$3.1亿收购了Solidworks,不改变原来的管理班子和业务运转。(以上材料主要参考中国工学学会 CADDN期刊1998(1)p70-80叶修梓写 Brief Introduction to solidWorks)


Solidworks近况


2002年12月底和北航同事聊天时听到有关 Solidworks的一些情况,并不准确,仅供参考。


公司共400多人,其中软件开发80多人,分成三个组:造型技术30多人,其余为装配和绘图。40多人作质量保证,80多人作服务,近200人做市场。销售完全请人代理,80%的用户是小公司,只买2~3套,美国市场占50%,日本20%,欧洲30%。


造型技术组有三位俄罗斯人,1988年毕业的乌克兰大学女博士过去在PTC任部门经理,60岁老太太在CV主管实体造型组,另一位60多岁老先生也是数学家出身。英国剑桥来两人,一人作DCM。每三个月出一次更新版,解决客户提出的种种操作能问题。每个新版都用二千多个较复杂的测试题自动考核,运行性能不能低于老版本。每个用户每年缴$1500元服务费。 SolidWorks软件作得非常细致周到。


Solidworks成功之路


审时度势,把握机遇,精心策划,一步到位,的确难能可贵。Pro/E开创了新的交互设计模式,被工程界很快接受,但是菜单层次仍嫌多,操作不够简便,工作站配置仍嫌贵。 SolidWorks采用微机 Windows环境,充分发扬 Windows的界面风格,屏幕上显示特征树,用电子表格管理零件清单,允许欠约束草图输入,尽量简化交互操作,合理制订产品价格,既要远低于工作站版系统,又要利可图,保持发展后劲。总之,要全力以赴,推陈出新。



CAD产业回顾与思考之六


网络时代CAD要想跟上形势发展不容易



2000年10月,美国 CADdesk和 upFront. ezine杂志的两位编辑登门拜访Spatial Technology设在 Boulder市的总部,想了解为什么她要卖掉自己的财源ACIS而将宝押在Web上,改作 PlanetCAD网站服务。 Spatial坦率承认竞争不过 Parasolid,ACIS的合同收入不足以支撑软件快速更新的需求,她签不到任何新合同,而 Parasolid有好爸爸,即使 Parasolid免费提供使用,UGS也能养住她。


当初达索与SDRC竞标收购ACIS, Spatial愿意卖给达索,可以获得全球最大CAD系统 CATIA的第一手文件格式。当然,她的心情非常沉痛,像是出卖了自己爷爷奶奶。当出售生效后, Spatial只能一分为二, PlanetcAD搬到马路对面的大楼里面。


Spatial的曲折道路


Spatial花了好几千美元大肆宣传 PlanetCAD网站,想通过服务器向客户提供CAD软件远程服务。可是经过几个月的调研后,她才发现用户不愿将自己的核心技术寄托在防火墙之外的网络软件上。2002年春,微软在筹划·Net构想时样醒悟到了这一点。于是,她从出售ACIS得到的2千多万美元中用200万发展专供自动处理CAD数据交换的ASP基础结构软件,可以处理60MB CATIA文件。2000年5月,她收购了 Prescient QA软件,用于检查机械CAD图样一致性和实体造型建模质量,如分层( layer)、最小圆角半径、曲面自相交等,并可作一定程度的自动修补。 PlanetCAD用了整整一年时间,每月花掉一百多万美元完善Prescient功能,但是销售所得收入甚微。还开发 Connect软件,又称 CADCast,可从网上研究与跟踪各家供应商的业务背景,自动将产品数据送向供应链,并自动完成日志记录。3D Share用来翻译和修补3D实体模型,有网站版和局域网服务器版,可以直接翻译IGES曲面,SAT,STEP,ProE, CATIA文件,最大容量为60MB。不支持装配件、 IGES Brep实体、Pro/E2000i(因已加密)和3D线框。发现最多的用户是将 CATIA数据送入用 Autodesk系统设计的机械产品中。有12~15%文件不能修补,至少有一张面失败。翻译3-4MB模型大约收费US$75-100元,一般用4小时,比手工修补便宜。Bits2Parts.com为EDM加工服务商提供报价综合服务,美国有350家EDM加工服务商,以后可以扩大到国际范围。


至于ACIS, Autodesk是最大用户,按理由她收购ACIS最合乎逻辑,但是 Spatia宁愿选择达索,因为达索拥有3种实体系统,业务上更有经验。 Spatia的目标是用ACIS取代 SolidWorks中的 Parasolid,免得向UGS付版税。遗憾的是2002年5月 PlanetCAD卖给了美国最大的 Autodesk销售商 Avatech Solutions。现在送入网址PlanetcAD.com出现的却是avat.com。


Avatech Solutions简介


Avatech创建于1997年,由四家领先的 Autodesk增值代理商CAD-PRO Systems, CADworks, NECAD,和 Premier Design Systems联合组成,为制造业、建筑设计、土木工程和地理信息市场提供设计自动化和质量保证产品及服务,全球有2万家客户,美国占1.8万家。主要经销产品除了 Autodesk外,还有 Proof Positive用于检查、修补 Inventor6 3D模型:;Prescient QA用于自动监控和完善工程部门的设计数据质量和贯彻设计标准;SCS Envoy将产品数据安全、快捷、自动传送到供应链中指定对象;以及 ANSYS的 Design Space,MSC visual Nastran等。2003年5月15日达索与 Avtech签署合作备忘录,共同扩大 SmarTeam PLM产品在北美市场的销售和服务。 Avtech将不代理 EDS PLM产品。截至2003年3月31日,第一季度 Avtech的销售额为US$670万,前9个月的销售额为US$1900万。


ImpactXoft向网络CAD进军


现代飞机、汽车生产要求在全球范围内组织精益、敏捷的协作网,保障元器件供应和经管转包设计制造。面向网上协同设计的新一代CAD系统,可以设想为采用集中与分散相结合的体系结构,由中央服务器统一管理大型复杂产品的单一数据源,而分布各地的设计、制造人员在各自的子系统上开展工作,可以浏览相关业务的部分产品结构和安装系统。中央服务器不断检测各地工作站的设计进度,应答相关设计查询,调度设计更改的相关发送和审批,生成单一产品数据源的部件更新版。


ImpactXoft(读作 Impactsoft)创建于1999年6月,倡导了用并行方式开发产品的新一代SPD( Simultaneous Product Development)特征设计软件,2001年2月向媒体发布Ⅸ SPeeD构思和Ⅸ Design软件。


Ⅸ将PDM嵌入CAD内,可使身处异地的协同设计人员共享同一个CAD模型,服务器跟踪每个设计员正在从事的项目,接受所有更改通知,并立即传送给设计组其他人员。同一局域网上的设计组不必单设服务器,只需将共享模型放在网上某台计算机的公用文件夹内。不同专业人员可在各自系统内保存产品模型的不同子集,如美工修饰汽车外观,只使用曲面模型:强度校验调用汽车外壳和内板结构:系统配置关注汽车内部结构和安装设备规格等。汽车外壳的更改可以自动反映到工装设计中。另一重大突破是采用功能建模,Ⅸ的功能特征要比Pro/E, SolidworksSolidEdge,UG, Inventor和 CATIA V5更能直接表示产品行为,例如Ⅸ的lip特征可以在塑料盒的上下两半对口上自动产生配合面,手机面板上的开孔可以根据按键自动确定形状和尺寸。为了方便特征的修改,Ⅸ采用工作坐标系来定位特征,因此零件形状不再受特征树的生成顺序影响。过去子特征都是建立在父特征的某个面上,一旦删除父特征,子特征就难以生存。现在用局部坐标系定位特征,每个特征都能并行独立删除和替换,同时又能建立特征间的关联,使得一组特征协同实施更改。Ⅸ还混合使用线框、曲面和实体,如同 Inventor和 CATIA V5。1988年1月,Pro/E上市时每个站位要US$1.25万元,而2001年12月每套ⅨDesign单用户软件的年租金是US$1500元。作为协同设计的服务器版,三年合同收费起价US$3万元,可供10个CAD站点同时设计一至两种产品。如果15个CAD站点同时开发三种产品,三年收费5万元。这种单用户软件适合于小型工业设计或工装制造企业使用,而较大规模的企业可以购置服务器版与上述小厂合作。


Ⅸ Design是继Pro/E之后首次问世的全新机械CAD系统,原计划在2001年9月举行产品发布会,后因9.11事件而取消。公司的经济状况较好,2001年2月前得到第一笔US$300万风险投资,5月得到第二笔US$1000万元,同时在争取另一笔US$450万资金。丰田 Caelum公司愿意代理销售日文版。 IX Design支持6种文字,兼有ASIC版和 Parasolid版,将要添补PTC的 Granite one版。可以读写的文件格式包括STEP AP2003、IGES、Jama IGES、VDA-FS、ACIS和Parasolid,可以读写Autodesk DXF和DWG中的几何数据,但不能处理文字和图注。


IX创始人 Attilio Rimoldi


Attilio Rimold1999年6月创建 ImpactXoft,标志了CAD产品开始进入第三代体系结构。


Rimoldi毕业于意大利米兰工业大学核工程专业,1969年进入Alfa Romeo,开发赛车的放样软件。1976年进入VC,在欧洲市场销售 CADDS3和CADDS4。1981年到美国 Alabama州 Intergraph,以后主持开发EMS基于实体的机械电器设计系统。1991年 Intergraph将 Remold派回欧洲,在意大利建立欧洲机械技术中心,为销售EMS作舆论准备。EMS计划于1995年在 Solidedge前上市,她的市场前景并不乐观, Rimoldi1992年9月重返CV做技术咨询。这时,CV已并入 Prime计算机公司, Prime自身难保,于是去 Boston市几家公司任高层执行官顾问。1994年回到CV主管软件开发,感到积重难返,他中断了几个项目,将 CADDS5的大部分开发移到印度,1997年到 San Diego监管命运多蹇的 Pelorus,这是CV想用以取代 CADDS5的又一次失败尝试。同年4月,即在PTC收购CV前6个月, Rimoldi来到硅谷,进意大利公司 CADLab(现 Think3),任业务发展副总载,因人事不和三个星期后去 Adaptive Media(现iEngineer.com)任顾问,开发协同浏览CAD模型的Vuent软件,又去Visionary Design Systems(前 Alventive)短期任职两个月,了解了 IronCAD2.0。他在CV,Adaptive Media, Think3,VDs等公司的经历以及这些公司的产品特色都对他创建 ImpactXoft起了积极作用。


《 CAD Report》认为, Rimoldi和PTC创始人 Geisberg有很多共同点,两人都是很晚才成为美国移民,都是资深的CAD老手,见过很多编写拙劣的软件,同时又坚持了要发展更完美的CAD技术的信念,都能从个人经历中汲取教训,锐意创新,不重蹈覆辙。


Ⅸ还有艰巨的路程要走


IX Design根本改变了工程界十多年来刚适应了的特征造型操作模式,又让多人共同参与设计一个产品,树立和谐合作的新风尚,这在具体实施中都要加强组织、培训工作。新的软件要想得到工业界的认可,还须满足4个基本条件:

(1)要有足以与 CATIA,Pro/E,UG, Solidworks, Solidedge和 Inventor相媲美的三维造型和出图能力;

(2)有相同的产品建模速度;

(3)不比现有系统更难学习和使用;

(4)可以与其他CAD系统交换数据,数据格式的转换速度不能低于现有系统。


公司在2001年时有52个程序员,其中25人在印度Madras和Bangalore作子承包,由 San Jose的公司总部遥控,只有4人编写使用手册,人力显得并不充裕。IX必须经营有方,不断扩大市场份额,才有可能最终超过以上几种主流名牌产品。(以上主要参考 CAD Report2001 February和2001December)






CAD产业发展回顾与思考之七


问苍茫大地谁主沉浮


回溯历史 凭事实探索规律


四十年来各种CAD系统不断产生,又不断融合、消亡,至今形成全球范围的三大高端主流系统达索/ CATIA、EDS/UG和 PTC/ProE,这种产业格局是怎样形成的,发展前景又将如何?


飞机、汽车和造船工业是制造业的巨头,是国民经济和国防的支柱产业。这些工业又都是使用全尺寸放样、样板和标准样件作为外形配合的协调工具,对数字化设计制造的要求最为迫切。因此,CAD的应用开发自然先从这些骨干企业开始。


最初,大型企业的计算机主导配置是IBM主机和2250光笔图形终端。其中最早获得成功应用的系统有美国麦道公司的CADD和洛克希德公司的CADAM。CADD用于F15战斗机的研制,对外不开放,只提供协作单位 Northrop公司使用,同时在小型机上开发数控加工编程系统,用于F15等的零件制造,以后发展为UG系统。法国达索飞机公司开展CAD活动稍晚,但是晚有晚的好处,对CAD系统的功能开发从一开始就考虑得更加周到,避开二维,直攻三维,将产品命名为计算机辅助三维交互应用,简称 CATIA,一举覆盖了曲面、线框实体、加工、机构分析和机器人操作规划。达索善于学习,近学雷诺,远学洛克希德,又与蓝色巨人IBM结盟。雷诺汽车厂就在巴黎(周恩来总理曾在这里勤工俭学,意大利广场附近的 Godefroy旅馆门边钉有铜牌,纪念他1922-1924在此寄宿)。1968年末贝齐埃(P. Bezier)在雷诺厂配置了一台数控绘图机和一台数控铣床,1972年起用CAD/CAM技术设计汽车车身外形和加工模具。他领导研制了 Unisurf曲面造型、 SurfACT曲面加工和RA3D实体造型系统,还开发了多种工业机器人。雷诺的这些前沿实践为达索提供了另一渠道的直接借鉴。


以 CADAM和CATIA为代表的IBM主机版CAD系统的开发进度较慢,市场速度也慢,从下表的统计数字可以看出,基于16位小型机的CV、 Intergraph等小型CAD系统一度在CAD市场上领先,直到1985年后IBM(即CADAM和CATIA)的年销售额才达到US$7.5亿,稳居市场份额首位。在这7.5亿中 CADAM占大头, CATIA只占几千万元。



能否这样认识,CV、 Intergraph等小型机系统虽然在1981-1986年前后红极一时,年销售额从不到5千万美元迅速跃升到5-7亿多,但是这些快速成长企业的人员素质和技术基础终究赶不上大器晚成的达索/ CATIA和麦道/UG。在IBM主机版 CATIA,超小型机VAX版UG、工作站版ProE和微机版 AutoCAD等稳步形成的品牌壁垒下都难以生存,只有逐个被兼并到这些优胜企业中去。


企业要求CAD集成和面向PLM


CAD是普遍适用的高新技术,引发了制造业的数字化革命,锋向披靡,使得所有企业禁不住先用为快,于是价格较低的各种小系统首选目标。这时大多数CAD用户正处于幼年的自发阶段,连波音这样的大公司也不例外。波音飞机公司应用和开发CAD/CAM技术的历程很值得研究,它大体经历了三个阶段:


第一阶段1975-1980年,其突出标志是使用成套小型机系统,累计共有247个CV站位和160个 Gerber站位,用于机械和电器设计。这些系统的典型配置是一台小型机(如PDP-11,Nova,HP, Prime)连接4到8个图形终端,价格在10万美元上下。这种配置在应用中逐渐暴露出一个尖锐的矛盾,即系统间互不连通,不能与IBM主机上建立的飞机外形主模型直接通信。于是波音着手建立信息交换网,将不同的计算机系统联网,进行数据格式转换,使不同系统融为一体。这项工程称作CIN-计算机集成信息网络,1978年投入使用,据说耗费了4000万美元。1979年波音向美国国家标准局NBS提出倡议,制定IGES图形交换标准,并积极参与标准的草拟。1980年1月NBS颁布了IGES1.0版,经过不断修订,IGES至今仍广泛应用于异构CAD系统之间的曲面数据交换。

第二阶段1980-1985年,波音着手自主开发CAD/CAM集成系统,称作TIGER计划。系统采用模块化层次结构,可以运行于IBM主机、 IBM/PC、VAX和 Apollo四种机型操作系统。前后共投入250人年,耗资3千万美元,最后因达不到预期效果而中途下马。其中 NURBS曲面系统后来被应用于ACIS平台。

第三阶段1985年末,波音访问达索,决定清一色采用 CATIA,逐渐取代现有的多样化系统。1989年9月我们去西雅图访问,波音当时使用IBM3090/600S等4台主机,每台主机连接350至450个5080图形终端,交互响应速度较慢,而且主机一旦出现故障,将有2000人窝工并且大量丢失数据。运行费高,每个图形终端的使用费包括主机、通信、软件等在内,大约每年10万美元,1600个终端就是1.6亿。


1990年10月,波音启动新一代客机B777的全新设计,采用复合材料部件、电传操纵等新技术,全面展开三维实体建模。1994年4月9日,首架飞机推出装配厂房,全厂工人汇集厂房前,热烈庆祝了一整天。再隔一年,1995年5月飞机以成批生产的节奏交付使用,飞机出厂直接投入航线飞行。一架全新大型客机,以50亿美元投资4年半时间从设计到批生产无故障一步成功,同一架飞机可以互换安装 Rolls Royce、GE和P&W三种型号发动机,这不能不说是飞机设计史上的一个奇迹。当时777的订货周期是18个月,计划缩短到12个月,以后再缩短到6个月。为此波音正在改造原有的800多套管理系统,将这些系统电脑化,并向卓越工厂( Brilliant Factory)的目标迈进,设想用计算机自动记录工人的生产活动,从中发现窝工、低效环节,进行优化,迭代提高生产效率。由此对CAD系统提出了更高要求,不但产品设计数据要一体化集成,而且CAD要面向PLM产品全生命期管理,实现CAD/CAE/CAM/ PDM/ERP全程一体化。这时经过多年的应用实践和成功企业的先进经验传布,广大CAD用户已经从自发上升到自为阶段,学会了从更广阔的视角来选择CAD系统。独立的小系统如果不能与主流系统挂钩,融入PLM体系,被用户选购的机会将越来越少。



CAD厂商的发展和生存越来越艰难


压力来自多方面。计算机硬件不断降价,摩尔定律断定微处理器的速度会每18个月翻一倍,而贝尔定律则认为如果保持计算能力不变,微处理器的价格和体积每18个月减小一半。在网络时代计算将无所不在,而且收费将越来越低。乔治.吉尔德曾预测,未来25年里主干网的带宽将每6个月增长一倍,比CPU的增长速度快得多。CAD软件同样在降价,但是开发和维护成本却在不断上升。源码越攒越多,编程语言越来越杂,计算误差的控制越来越难,而广大用户总会不断提出新问题、新要求,要想满足这些要求的难度越来越大。


回到表1,在1984-1986年,CAD厂商年销售额达到5-10亿美元好像并不很难,而15年后,2001年5月23日美国EDS宣布将用95亿美元现金收购SDRC,目的在使合并后的UGS和SDRC在数字化、网络协同、全生命期产品开发的全球软件市场上占据首位,年销售额超过10亿美元。2000年度UGS和SDRC的销售额分别为US$5.26亿和4.52亿,EDS为192亿。


《航空知识》1996(12)汪亚卫写世界航空工业发展大趋势一文指出:由于冷战结束以及世界性普遍的经济萧条,美、欧及前苏联大幅度裁减军费,使得军用飞机的市场萎缩,企业合并出现高潮。美国航空工业企业原来规模很大,近年来通用动力公司、格鲁门公司、马丁·玛丽埃塔公司、罗克韦尔公司、威斯汀豪斯公司等昔日大企业已被并入其他公司。美国大公司的数量减少,而实力却在大大加强,政府的扶持与保护仍然十分重要。1996年12月波音与麦道宣布合并交易金额133亿美元,翌年销售额可望达到480亿美元,成为世界最大航空航天公司。美国的大型客机在1979年时有3种:B747、L1011和DC10,现在只剩波音一家,与欧洲空中客车相对抗。

Chrysler汽车公司原在美国名列第三,1993年销售额为US$436亿,纯利润24亿,1994年销售额522亿,纯利润37亿。1998年并入德国 Daimler Benz集团,成为 Daimler Chrysler,生产的客车品牌有Maybach, Mercedes-Benz, Chrysler,Jeep, Dodge等,2002年度收入US$1588亿,共售出客车405万辆,商用车48.54万辆。这些举足轻重的超大型飞机、汽车公司的兼并必然连锁反应到CAD厂商之间的市场再分配。波音和 Chrysler 原来就是CATA的忠实用户,欧洲经济的增强只会有利于 CATIA。


认真探索寻求超越


国外的各种产业都在激烈的竞争和兼并中快速发展,市场竞争并未破坏生产力,相反在快速推动生产力前进,至少CAD产业是如此。互联网的创建一开始完全依靠美国国防部的策划和投资,授权专家负责突破关键技术,短短几年内使全球五花八门的计算机都顺利进入了Web,可见计划和市场经济具有互补性。波音的TIGER计划,20年后由 CATIA V5自然实现。


国外CAD产业发展的40年实践为我们提供了最生动的教材,我们要认真研究,寻求对策,抓住机遇,实现跨越式发展。数风流人物还看今朝!


CAD产业发展回顾与思考之八


航空工业数字化技术建设


山沟里的飞机工厂


“天下之山萃于云贵,连亘万里,际天无极。”


1964年我国启动三线建设,在贵州安顺一带山沟里分散部署了飞机工厂。1975年夏我们北航703教研室教师来厂学习CAD技术,工厂已经小批生产歼6战斗机。飞机的机头罩和进气道曲面外形是1974年国防工办请中国科技大学常庚哲老师来厂用孔斯曲面构造的,数控加工了机头罩的成形模。一台TQ-16计算机和武藤大台面绘图机放在山洞里,为七八台牧野数控铣床单建了厂房。模线车间在几里之外,紧接山洞盖的厂房、宿舍都是干打垒土坯房。2002年10月北航50周年校庆,厂里校友送了一座“贵州青”名石,铭文以本文第一句开头,后面写道,“我们这些北航的学子以山的骨、山的格、山的魂为鉴,为祖国的大三线建设做出了毕生的奉献。


第一个高级技术代表团


1979年4月6日,中美双方互派大使后一个月,航空工业部代表团出发考察美国飞机工厂的数字化技术应用状况。团员是各厂、所、校的总设计师、总工艺师和气动、结构、制造、试飞专家。代表团受到Douglas和 Lockheed飞机公司的热情接待,由各方专家全面介绍和陪同参观了公司全貌、在研型号、机翼的气动设计过程、风洞、模线绘制、静动力试验室、试飞过程组织与数据采集、装配车间、拥有上百台数控机床的加工车间,以及CADD,CADAM等等多种多样软件,并提出了双方合作研制、生产飞机的种种建议。 Lockheed公司还派了两架公务机将代表团从加州送到乔治亚州,再送到华盛顿。代表团5月20日回国,团员们对于CAD技术在飞机生产中的应用内涵获得了比较完整、深刻的认识。


中德开发 CADEMAS


1982年,德国MBB公司军用机分部向我航空部来函,建议合作开发VAX版数控加工编程系统。1983年2月航空部先遣小组去慕尼黑面谈时,德方将合作项目扩大为共同研制飞机三维几何设计、数控加工和产品数据管理集成系统,于是我方急忙办理签证延期,充分交流磋商了三个星期,达成共识。


此后双方又互访两次,进一步落实计划,从1984年起工作正式启动。中方由北京航空工艺研究所(625所)牵头,厂、所、校派人参加,双方各约20人,在MBB连续苦干了4年。用IBM主机、5080图形终端、Foran77和C语言研制了 LOGICA复杂曲面设计系统,带 CATIA和CADAM接口;APTX-GI自由曲面零件几何定义与数控加工编程交互系统;RMI小型通用网状几何数据库管理系统等,出色完成了原定计划,为我国培养出一批CAD业务骨干,有力推动了国内CAD软件的自主开发。 LOGICA等系统在国内陆续移植到 Apollo工作站和486微机上,应用于歼8改型和直升机等型号研制。


成绩回顾


625所是航空部内最早从事CAD/CAM技术应用开发的主导单位,在新机研制的全机数模建立、大型复杂整体结构件的三至五坐标数控加工,以及先进柔性制造系统和CIMS系统的示范创建中,都起了最得力的技术中坚作用。

大约从1963年起625所课题组着手研制数控加工自动编程系统,历经TQ-16机的SKC和CAM251批处理系统、IBM主机版APTX-GI系统,发展到1991年1月通过部级鉴定的CAMS系统。CAMS应用于新型号的研制,用140万元人民币的研制费取代了从国外引进类似源程序所需的140万美元。数模课题组大约从1965年起从事飞机数模软件的研制,历经使用悬臂梁弯曲变形的力学模型、小挠度三次样条曲线、B样条曲线曲面,发展到1994年1月通过鉴定的微机版CADS系统。CADS采用 NURBS曲面,应用于新型号的全机数模重建。原来该机建立理论外形时采用波音在1970年代的曲面建模方法,在数据库中存储离散点集,用相对密集的点构造小片棱面来逼近飞机外形。这样构造飞机外形,调用数据方便,计算简单,但在进气道内外唇部等曲率变化突然的部位,用以构造结构件外形时,发现等距面的计算误差太大,难以投产。于是625所协同工厂突击开发 NURBS精确曲面系统,用CADS系统重新逼近业已生产定型的飞机理论外形,作到整体逼近误差小于0.1毫米。整个项目投资80万元人民币,耗时一年半,而从国外引进类似源程序则要200万美元。


从1980年起,625所引进法国 Forest-Line公司技术,与该公司合作生产大型三、五坐标数控龙门铣床,共两个系列、十个品种规格。1985年航空部所属航空精密机械研究所(303所)向意大利DEA公司引进桥式测量机技术专利,合作生产IOTA系列的标准型和精密型测量机共24种型号。


1995年625所建成FMS北京实验中心,投资4千万元人民币,配有两台五轴、一台四轴铣切加工中心,装卸站、立体仓库、刀具库、六轴刃磨机、在线测量机、液压校正机、清洗机、巷道堆垛起重机等,可以生产1m以内中小型飞机结构件。


成都飞机公司和西安航空发动机公司都是我国CIMS应用工程的示范企业。此外,各飞机工厂还自行研制了数模和数控加工编程系统,如西飞的AD80和NC87,上飞的飞龙-79绘图系统和飞龙81四坐标数控自动编程系统,汉中陕西飞机公司的MAPT微机自动编程系统等。


西飞研制的飞豹全天候超音速歼击轰炸机获1999年度国家科技进步特等奖,就是用AD80的孔斯曲面建立全机数模,并用N87绘制全部理论模线和结构模线并加工飞机零件,以后又通过自编的接口程序将AD80数模等价转换成CATA的 Bezier曲面。


南昌飞机公司用自行开发的NCP33曲面加工系统为强5改型机、K8教练机加工了多种吹风模型。


成飞用C-SURF曲面造型加工系统建立歼7改型部位的外形数模,绘制结构模线,并加工了工艺装备和飞机零件共1600件。1996年1月成飞还部级鉴定了FA- CAD/CAPP/CAM集成系统,这是厂、所、校合作开发的飞机整体结构件工艺过程设计和加工编程软件,应用效果极好。飞机的整体受力框一般用厚铝板或钛板铣去98%材料,形成曲面外缘、连接孔、加强筋、横梁、内槽、腹板等结构要素,板坯厚度可以达到200mm,而腹板厚度只有1.5mm。手工编制一份加工工艺规程往往需要三四个月,而且容易出错。现在根据生产经验总结出每种加工特征的工艺规则,直接从零件的几何定义和特征分类自动生成工艺文件和加工程序,明显提高了工作效率和质量。正是我国航空工业广大职工的奋力拼搏、自强不息精神赢得了国外同行的尊敬,争取到了 CADEMAS和MD82等国际合作项目。以后波音又与沈飞、西飞、上飞签订了专包生产1500架737-700机身48段、垂尾、平尾等合同。


中美联合生产MD82飞机


这是中美建交以来规模最大、有效时间最长、技术交流最广的一个技术合作项目,由上海飞机制造厂与麦道公司联合生产25架MD82双发喷气中程大型客机。1983年3月18日正式签订合同,1985年4月15日,我国计委批准生效。


麦道公司负责提供原材料、发动机、机载设备和技术支援,中方负责机体结构组装、部分制造和总装试飞。1986年4月1日上飞正式开铆首架飞机,1987年3月5日美国国务卿舒尔茨从机场直奔上飞检查生产状况,同年7月5日首架MD-82完成试飞,交付我国民航使用。以后又增加MD-83型,总生产量达到35架,其中5架返销美国。1992年7月14日上飞组装的首架MD83出厂,该机安装了国产水平尾翼等10个部件。上飞引进并实施了麦道公司成套管理标准、技术标准和质量标准。从1985年起,麦道有150名专家在上飞工作,共移交了25吨技术资料,向上飞职工累计进行了4.2万小时课堂培训和64万小时在岗训练,这对加速我国民航工业现代化起了重大推动作用。1995年8月中美签约继续合作生产20架MD90型150座干线机,要求机体国产化制造率达到70%。


除上飞外,还有成飞、西飞、沈飞参加。MD82/90采用相同的机身驾驶舱,1994和1800项标准件,使用4000多项工艺装备。1996年6月26日成飞交付首架MD90-30机头,7月15日由上海港运往美国。1996年12月9日西飞交付承制的MD90-30左、右机翼盒,长34m,最大宽度3m多。1999年11月21日我国生产的MD90-30大型客机取得美国联邦航空局适航证。


此外,沈飞为德国宇航空中客车公司加工100架份A320应急舱门,以及翼肋、A300机翼舱盖等。西飞为法、意联合设计的先进支线客机ATR-42生产150架份外翼盒,长7m多;为波音生产737-300垂直尾翼500架、水平尾翼150架等。以后波音又与沈飞、西飞、上飞签订了转包生产1500架737-700机身48段、垂尾、平尾等合同。西安航空发动机公司为美国GE公司转包生产涡轮盘1993年获GE颁发的产品免检证书,1995年4月3日庆祝向GE交付第2000个涡轮盘。(以上材料引自《航空制造工程》和《航空知识》)


航空工业任重道远


2003年4月18日,温家宝总理一行来北航看望师生,在谈到我们一定能打胜这场防治非典的战役时指出:困难才能见真情,困难才能见团结,困难才能见意志。又说:最近我收到王大珩先生的一封信,…他信里最惦记的是中国大型飞机的制造。解放50多年了,我们能造汽车了,能造战斗机了,但是我们还不能造大型客机。…我总想什么时候中国的大型飞机能够制造成功并且上天。我相信,这个愿望是能实现的,可是实现这个愿望是非常艰巨的。我看这付重担就在在座的同学们身上。时隔不久,5月25日总理来到王大珩先生家,就王老最近写的一份关于加快我国航空工业发展的建议说:我国幅员广阔,一定要发展自己的航空事业。这方面,我国拥有一大批训练有素的人才和较好的基础,航空工业今后的发展要着重解决好规划、体制和人才问题。


万众一心,众志成城,中国必将成为世界制造强国。


CAD产业发展的回顾与思考(九)


不结束的结束语


从《吴文俊之路》中寻求力量


说来惭愧,每天都在想CAD,当我回顾国外成功企业的发展道路时思路非常清晰,三言两语就能勾画清楚。现在要总结我国自己的发展经历,往事历所在目,千头万绪,就是说不出症结所在。拜读《呈文俟之路》,豁然开朗,为我们指明了前进方向。


吴先生写道:“20世纪30年代,法国数学已濒临丧失过去二百多年来国际领先地位的境地,而且与周围各国的差距颇有扩大之势。在这样的形势下,法国一些年轻而有才华的有心人创立了 Bourbaki学派,经过数十年的惨淡经营,终于使法国数学重新占据世界舞台的中心。在构造概念下对全部数学的统一处理,《数学原理》全书的编写, Bourbaki讨论班的创立,对青年一代的培养,凡此种种,都无非是在以复兴法国数学为历史使命这一指导思想下产生的数学思想与具体措施。…真正值得我们学习的乃是他们这种可贵的精神。”


吴先生说:“笔者在国外曾遇到一位第三世界数学家,他说了这样一句话:‘ Bourbaki是法国民族精神的产物。’此语可谓一针见血,这位数学家口中的 Bourbaki,才是真正的 Bourbaki!”吴先生认为正是这种民族数学复兴运动“为我们提供了一个良好的榜样”。振兴中华,对数学工作者来说,“不仅是振兴的问题,而且还有一个复兴的问题。”而吴先生本人正是这次复兴运动的旗手,对吴先生的介绍中,陈省身先生指出了“独出蹊径,不袭前人”。吴先生坚持认为“从事数学研究,必须保持主动,课题要自主确定,要有自己的方法,


走自己的路。这样才能做出国际一流水平的工作。否则,让别人牵着鼻子跑,不仅被动,而且将是非常难受的。”


振兴中华,重铸中华民族的自尊自强精神,坚定不移走自己的路,这同样是振兴CAD产业的唯一正确道路。


发展新一代功能特征平台


CAD的核心是建立新产品的几何构形数字化描述,因此强有力的通用几何平台是发展CAD产业的必备工具。但是,当前如果将开发平台的目标直接定位在自主研制类似于ACIS、 Parasolid的几何平台产品,笔者认为不妥。必须超前,将目标确定为创新新一代的功能特征平台,理由如下:


1、2003年10月14~15日,北京航空航天大学席平老师去三亚参加 CATIA 的知识创新论坛。大会指出, CATIA的系统架构很快将发生大的变动,以便更好地面向产品的功能设计服务。一家香港客商在大会上演示了基于知识的手机功能设计过程案例。同年11月2~5日EDS在亚龙湾举办的大中华区PLM论坛和11月18日PTC在桂林举办的中国区用户精英大会,也都突出了知识驱动的产品开发过程和完整的一体化产品开发管理。产品功能设计的操作对象是功能特征,因此新一代平台必须兼顾几何和功能两大方面。


2、2003年10月28日,Autodesk在京举办的CAD与企业信息化和数字城市——技术高峰对话会上,我们已就自主发展几何平台问题与 Carl Bass先生作了一次交锋。Bass认为,当前国际上已推出了5个主流平台,这就是 Spatial/ACISUGS/ ParasolidPTC/Granite one、 Catia/CAA和Autodesk/ Shape manager,中国新开发的平台必须与这些已有平台几何兼容、特征兼容。笔者认为,为慎重起见,还应加Bentley/ Microstation和日本千代弘明( Hiroaki Chiyokura)创建的DesignBase/XVL平台。DesignBase是曲面系统,XVL是超轻量级网上传输3D图形语言,两者的共同理论基础是 Gregory曲面片,ACIS也早已使用了 Gregory曲面片技术。


当前在不同CAD系统间交换产品数据时,一般只能传输几何信息,特征信息都被丢失,需要从几何信息中重新识别和提取特征。因此,我国要想真正建立实用的CAD平台,必须首先占领功能特征建模这一制高点,规划好功能特征的表达形式,牢牢掌握与国外CAD系统全面交换特征信息的主动权


3、特征设计( Feature based design)思想的提出,其初衷就是想通过各个行业内流行的术语语义引起联想,用以指导知识驱动的产品设计、生产过程。特征的天然属性就是形状和功能及其在产品全生命期内的各种形式演变。早期的CAD/CAE/CAM软件产业各自独立发展,形成了设计特征、分析特征、加工特征等的人为割裂,而在PLM和多学科设计优化MDO的新形势下,功能特征理应作为产品设计、制造全过程管理中的完整信息载体,而在PLM中全程发挥知识驱动和智能推理的中介作用


4、CAD技术在不断发展,软件技术在创新,需要通过软硬件平台作为载体来实现。最近从Think3的网页www.think3.com上读到有关该公司新开发的曲面体产品整体形状建模( Global shape modeling)白皮书,可以在已经设计好的产品三维装配模型上局部修改外形,使所有波及到的零件自动适应新的形状整体光滑、美观的要求这一技术的核心,其实就是建立产品的全局关联功能特征模型,让相互配合的零部件自动满足产品的一系列功能约束条件。


“神舟”飞船总设计师戚发轫曾在宇航员放飞前,自豪地告诉他们:“小伙子们,放心飞吧,你们定能平安归来。”跟“神舟5号”以至“神舟6号”……的辉煌胜利相比,全局关联、整体约束满足等这些国外软件早已实现了的功能岂能称作困难。我们理应设置更高的开发目标


上下同欲者胜


我们国家的领导人历来全力支持高新技术产业的发展。


2003年11月4日北京晚报报道,“柯达与乐凯的合资谈判从1997年就已经开始了,……时至今日,这场马拉松式的“恋爱”终因柯达的“专情”而最终缔结“良缘”。柯达甚至放弃自己在全世界各地合资的底线,全盘接受了乐凯的合资三原则乐凯控股,乐凯获得经营决策权,乐凯品牌保留。”,“促使柯达不断让步的是乐凯背后庞大的中国市场,而乐凯则将借柯达之船驶入全球市场的大海。”


(红涛按:唐荣锡老人发表本文的时间是2005年9月,2005年3月,乐凯胶片/600135轰然暴跌,从而引发了业界对柯达入资乐凯事件的全面、深入讨论,柯达转型数码照相产业的趋势已经初步明确,关于“乐凯事件“的阴谋论观点逐步占领了上风。联系前后文,我不是特别确认唐老谈及这一事件的明确立场和态度,为尊重原文保留,并提请读者注意。


扪心自问,我国快速发展CAD产业的阻力究竟何在?不在国家领导层的决策,不在经费投入不足,不在缺乏高素质人才,问题恰恰出在我们自己身上,这就是过多夸大了个别技术因素的难度,裹足不前,缺乏一往无前的必胜信心。


2000年1月召开的中国科协五届五次全委会议。在分组会上我谈了CAD软件产业当前存在的问题。王大珩先生在场,作了很长的发言。他说:“见到某单位在发展高技术计划上写了‘循序渐进’,要踏踏实实,有条不紊地开展研究。社会在发展,必须考虑新环境下的四面八方因素,找出一个最快的方法。‘渐’字有问题,不能四平八稳,“序’也有问题,这是老经验的序。复杂系统工程很难说清什么是序。应当‘循优勇进’。不能固守老黄历,大家要鼓起勇气,有紧迫感。”

我经过这几年的观察、思考,尤其在写这篇结束语时,思想有了根本性变化,我们必须走跨越式发展道路。


几点倡议


1、信息公开,调动一切积极因素,好中择优。通过网站广泛讨论通用平台的发展目标,求解方案,关键算法,逐步建立开放的测试题库,公平竞争。

2、我国飞机工业捷报频传,西飞推出飞豹歼击轰炸机,成飞推出歼十和枭龙(超七)歼击机,贵州双阳推出山鹰高级教练机,哈飞推出ERJ145喷气支线客机等。现代飞机设计制造有很多特殊要求,如雷达散射面积隐身性能计算、电传操纵中机动飞行轨迹与发动机动态特性相匹配,钛合金整体结构件高速切削和焊接等。能否考虑直接由各飞机工业公司牵手汇总手头的所有CAD软件,产、学、研相结合共同探讨以功能设计为主线的飞机PLM软件架构。

3、组织出版更多优秀CAD教材,积极参与国际CAD教育论坛活动,努力提高CAD教学质量。加强中国制造业信息化CAD产业技术联盟成员之间的技术合作和交流,鼓励公开发表软件开发中的技术诀窍,通过国家资助方式逐步开放CAD平台中的组件源代码。

4、比尔.盖茨说过:“三流企业做产品,二流企业做品牌,一流企业做标准。”我们必须大力倡导精品战略,精益求精开发出更多堪称CAD标准的软件精品。

微信扫码分享