美国飞机公司创造CAD辉煌 CAD产业善始未得善终

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，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陪同浏览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。
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，于是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年我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

　　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McDonnell飞机公司，它在20世纪70年代结合F15战斗机的研制，开发了功能强大的曲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，可以用圆弧或椭圆弧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。

资本运作对高技术产业的负面影响

　　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殖。1978年CADAM签约由IBM经销后，IBM公司只允许 CADAM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 CADAM，加速了CADAM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为使自身资产极大增值而抛售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！

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年北航703飞机制造工艺教研室为了开展CAD研究，引进了DEC LSI-11/23小型机、Tektronix4114 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培训，同时考察ShapeData/Romulus和CIS/Medusa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Tektronix4014存储管和E&S 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，主要研制人员共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的变异发展道路

　　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Build-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：Braid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UG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ACIS 1.0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。日本北海道大学冲野教郎（Norio Okino）采用类似于APT加工编程的语言用代数方程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，用消隐后的网格线表示形体。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、欧拉操作模型等，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，英国类似的小而精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。

PTC/ProE引导CAD进入参数化特征设计新天地

工业界急切要求三维CAD实用化

　　Parasolid和Medusa等都属于体素拼合系统，将立方体、圆柱体、圆锥体等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推理，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 Geisberg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Pro/Engineer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 S A Coons和P E Bézier 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11月当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，重新运行零件设计过程的全部操作命令，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、裁剪运算和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了他的数学专长，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。