工程设计史 | CAD发展简史【二】

导读：随着“超越仿真工程实验室”（BSEL）的成立，工业4.0研究院启动了“工程设计史”课题。本文由David E. Weisberg撰写系列文章翻译而成，分为多篇文章发布。这是“CAD发展简史”的第二篇，共分为三篇文章发布。

在1940年代中期，早期计算机的开发主要由军事机构提供资金，用于计算诸如弹道轨迹表等信息。实际上，“计算机”这个术语最初是用来描述手动进行这些运算的工作人员。十年以后，IBM、Sperry-Rand和其它一些公司开始向大型工程组织（特别是国防和汽车行业）提供计算机，并逐步开发了许多解决工程问题的程序。在某些学科（例如高速路设计）中，程序很容易在用户之间共享，而在其它领域则是高度专有的。

那时候，解决技术问题的过程一般就是工程师采用一些可用数据填好编码表，提供给打孔操作员制作打孔卡，在卡上面列出数据。然后，工程师会检查数字列表是否有误，及时让打孔操作员更正。而后，把卡片组提交到计算机操作调度程序员那里执行程序。

接下来，计算机以所谓的批处理操作逐项运行，运行结果会以数字列表的形式提供给工程师。这个过程通常必须有操作人员仔细地标出可在视觉上解释的结果，整个过程被称为“封闭车间”，解决一个小问题可能需要一天，而解决复杂问题则可能要花几周。

1950年代中期开始，出现了可以由工程部门直接操作的低成本计算机。诸如Librascope LGP-30（Librascope General Purpose）之类的是真空管计算机，虽然其速度还比不上现在的掌上电子计算器，但相比人工计算有仍有了实质性的进步。尽管绘图文件电脑产品在1960年左右已开始出现，但大多仍然采用数字列表的形式作输出。

IBM 1620全固态计算机

IBM在1960年推出了非常受欢迎的全固态计算机1620型号。该机型推出后，每月的租金约为3000美元（当时大多数的IBM计算机都是租赁的，而不是直接出售的），其性能却不到0.01MIPS（每秒百万指令）。按今天的标准来看这个机器性能是机器缓慢的，但对于解决许多工程问题来说已经足够了。当时，大型主机（例如IBM System 360 Model 60）每月租金4万美元，性能约为0.36MIPS。这些计算机支持双精度浮点运算，因此可用于更复杂的工程分析应用程序。

开发内部CAD系统

1960年代中期，除了控制数据数字图形系统（Control Data Digigraphic System）之外，市场上没有可供出售的商用图形系统。大型制造企业，尤其是汽车、国防和航空航天行业的制造厂商逐渐认识到，需要机遇计算机的图形系统来提高工程师和制图人员的生产率。

这项早期工作可以分为两个方面。一方面是复杂曲面的数学定义，例如雷诺（Renault）和福特（Ford），另一方面是提高制图效率，例如洛克希德加利福尼亚（Lockheed California）等其它公司。雷诺公司做的成果最终演变成达索系统公司（Dassault Systèmes）的CATIA，福特的PDGS软件至今可能仍在使用，而在洛克希德则产生了CADAM产品。

这些内部活动的共同点，是这些公司都使用了主要由IBM生产的大型主机，并且大多使用了矢量刷新图形终端。其中，1964年4月推出的IBM System 360产品线是一项关键的硬件开发。在随后的几年中，包括Adage和Spectragraphics在内的许多公司生产了与IBM设备“插接兼容”的终端，但通常价格较低。 除了CADAM和CATIA，这些内部工作几乎没有直接生产出在市场上成功的商业系统。

商业系统介绍

随着后来的发展，CAD行业在1969年开始形成应用性和计算机视觉。几年后，Auto-trol Technology\Calma和M&S Computing（Intergraph）加入了他们的行列。这些公司和其他早期行业先驱将在后面的章节中进行介绍。

尽管上述内部系统主要适用大型计算机和矢量刷新图形终端，但是早期的商业系统使用小型计算机，例如Digital Equipment PDP-11和Data General Nova-1200和Tektronix存储管显示器。典型的系统是由16位微信计算机和8MB或16KB主存储器，10MB或20MB磁盘驱动器组成1到4个终端。大多数系统包括大型数字化仪表，用于命令输入的键盘，用于坐标输入的平板电脑和数字绘图仪。当时，绘图仪的主要制造商是CalComp, Gerber和Xynetics。

典型的系统还包括大量专有硬件。在大多数情况下，这些公司都是设备制造商，他们开发软件以助力硬件销售。15年后，大多数人在在努力转型到使用行业标准计算机硬件的软件商业模式。早期的系统主要是二维绘图，特别着重于集成电路，以及印刷电路板的布局（通常是在Gerber Systems生产的光绘仪上生成的）。

一个典型的单站系统在1972年以15万美元的价格售出，加购的每个站价格约5万美元。考虑到货币贬值、物价上涨等因素，这个价位相当于25年后的约70万美元和23万美元，真的非常昂贵。在美国国内，这些企业都是通过直销组织出售其系统，销售人员绝大部分是男性。在国际市场的销售则招募了本地经销商。

这些系统可以卖这么贵，主要是因为它们的确可以降低企业当前的运营成本。如果一个企业的制图部门有20名制图员，只要购买一个系统，它就可以全天候运行，代替10到12个人的工作量。在某些情况下，这种生产力的提高确实是惊人的，特别是进行了大量重复工作的组织内部。这些早期系统中大多数采用以用户为中心的编程语言，促进了自动流程的发展，用最少的数据输入量来生成标准化的绘图。

性能通常是最关心的问题，早期生产厂家投入了大量精力来构建图形界面，以加快生成图像显示的过程。当图形元素从存储管显示器中移动或删除时，必须重新

生成整个图像。追求高性能需要富有想象力的软件和专门的硬件。

整个1970年代，CAD行业从零开始，发展到硬件和软件业务规模高达十亿美元。虽然不断有新公司加入竞争，但主导市场的是前面提到的那五家交钥匙工程供应商。

几何建模的演变

在曲面建模和实体建模方面，几何建模是大学的研究在CAD的行业发展中发挥了重要作用的一个领域。最早的CAD系统仅处理二维数据，只是模拟了传统的制图方法。最开始转换为三维的时候，使用了线框几何图形——依靠空间中的点以及连接这些点的线来表示的。

如果固体物体及其表面仅通过代表几何图形边缘的线来定义，而没有附加信息，就不可能生产线框对象的阴影图像，也不能在没有人工干预的情况下去除隐藏线。这显然需要更好的方法。

曲面建模技术的发展，离不开汽车和航空行业的推动，因为手动定义和制造用于车辆的钣金零件变得越来越耗时且成本更高。人们只需要比较1930年的福特A型车和1975年的雪佛兰Nova车型，就可以看出汽车行业的沧海桑田了。同样，新型的喷气式飞机设计已经改良成光滑的轮廓形状以减少空气阻力，这些建模的工作量已经超出了手动制图的能力范围了。

钣金零件是使用横截面图手动设计的，可依样制作模板。接下来，制图者将其用于生产木制模具，随后用铣床进行压模的机械加工。整个过程涉及许多不同工艺人员，每个步骤都必须小心翼翼，因为很容易出错。到1960年代初，数控机床工具变得越来越普遍，更是需要一种经济的由数字信息驱动设备的方法。

麻省理工学院Steven Coons

1960年代中期，麻省理工学院的斯蒂文·库恩斯（Steven Coons）开发了数字化描述曲面的最早技术之一，称为“Coons曲面”。另一个曲面定义研究比较活跃的主要中心在法国。早在1958年，雪铁龙公司的Paul de Casteljau就开发了一种定义曲面的数学方法。为保持这个明显的竞争优势，雪铁龙公司直到1974年才公开这项成果，一直等到这项技术都已经过时，许多学术和工业研究人员都已着手实施其它技艺了。

1960年左右，皮埃尔·贝塞尔（Pierre Bézier）向雷诺公司（Renault）的管理层提议开发一种定义汽车曲面的数学方法。到1965年，这项工作进展顺利；1972年，雷诺公司楷书创建数字模型并使用数据驱动的铣床。雷诺公司将该系统称为UNISURF，而后最终称为达索系统公司（Dassault Systèmes）的CATIA软件中重要的组成部分。这项工作的一个关键内容是开发众所周知的贝塞尔曲线和曲面（Bézier curves and surfaces），如今仍在许多图形应用中被使用。贝塞尔的部分工作是基于早期的研究成果——由俄国数学家塞尔吉·伯恩斯坦（Sergi Bernstein）在1911年提出的伯恩斯坦多项式（Bernstein polynomials）。

此外，Rich Riesenfeld, Elaine Cohen, Robin Forest, Charles Lang, Ken Versprille等人的工作中诞生了许多其它定义曲线和曲面的方法，其时间顺序大概如下。Coons和Ivan Sutherland合作，同时Sutherland召集了一批非常出色的数学家和程序员，包括Bob Sproul, Danny Cohen, Larry Roberts和Ted Lee。麻省理工学院以及哈佛大学做的工作有时会有些困惑，但是可以说这个小组在发展几何建模领域的一些早期理论方面发挥了作用。

很快，剑桥大学数学实验室的研究生Robin Forrest也加入进来。1967年夏天，Coons和Forrest开发了一种定义有理立方形式的技术。随后在1969年，Forrest在其博士学位论文中定义了使用有理立方形式方法描述不同图形实体的方法。

一年后，Lee博士在哈佛大学拓展了Forrest的研究，描述了双三次曲面碎片（bicubic surface patches）。Coons于1969年移居锡拉丘兹大学（Syracuse University），成为Rich Risenfeld的博士论文导师。Risenfeld在1973年9月发表的论文中描述了一种称为B-spline的新方法，这个术语是从Basic Spline衍生而来的，而Bernstein Basis则是其特例。整个1970年代期间，这些研究人员一直在锡拉丘兹（Syracuse）、纽约（New York）和马萨储塞州的剑桥（Cambridge, Massachusettes）之间频繁流动。最终，当哈佛大学和锡拉丘兹大学的一些研究者加入David Evans和Ivan Sutherland的团队之后，犹他大学（the University of Utah）也成为参与方，专注于图形学的应用研究。

另一位锡拉丘兹大学的博士，当时的候选人是Ken Versprille，正在研究有理B样条曲线（rational B-splines）的定义。1975年，他完成了该主题的博士学位论文，其后转为计算机视觉研究。Versprille博士被许多人誉为NURBS（非均匀有理B样条，Non-Uniform Rational B-Splines）的开发者。锡拉丘兹大学下一位得到相关学术进展的是1979年获博士学位的刘易斯·纳普（Lewis Knapp），他的博士论文成果也是NURBS演进的关键组成部分之一。

更进一步是所谓Oslo算法的开发。1979年初，利森费尔德（Riesenfeld）和他的妻子伊莱恩·科恩(Elaine Cohen)在犹他州大学的公休假期间，与奥斯陆大学（University of Oslo）中央研究院的CAD小组合作一项研究。他们与Tom Lyche一起，定义了一系列数学技巧，大大增强了B-splines的函数性。

许多飞机和汽车的制造公司也在曲面定义技术上进行了大量工作。波音公司在1970年代末和1980年代初特别活跃，并根据这些较早期的学术研究深化曲面几何技术的成果。其主要进展之一是詹姆斯·弗格森（James Ferguson）对立方次曲线和双立方曲面补丁所做的工作。波音还是基于当时进行的CAD系统互操作性而提出了IGES（初始图形交换规范，Initial Graphics Exchange Specification）的早期支持者之一。1981年，波音公司提议将NURBS加入到IGES中，随后在1983年执行。

随着其发展，NURBS技术已被证明是高级几何建模的关键构成模块之一。正如美国海军学院教授大卫·罗杰斯（David Rogers）雄辩地指出：

“… 借助NURBS，建模系统可以使用曲线和曲面的单一内部表示形式，从直线和平面到精确的圆形和球形，乃至分段复杂曲面。此外，NURBS还可以将这些元素轻松地埋进更一般的曲面雕刻中。在CAD领域，无论是用于汽车、飞机、轮船、鞋子、沐浴香波瓶等，还是好莱坞最新作品中的动画角色，NURBS的这个单一特征都是开发出强大建模系统的关键。”

此时需要进行关键观察。要开发出更好的曲面定义技术，许多工作都是在学术研究中心完成的，通常都会在发行量广的期刊上发表。因此，每个研究人员都可以在那些已解决问题的基础上继续进步。从雪铁龙公司公开专利的情况可以看出，如果这项研究由工业企业来做，就不可能做到这么开放和迅速地发展。

事实上，大多数汽车制造企业也在从事内曲面几何应用的研究。但他们的主要研究重点是从全尺寸粘土模型中获取数据点，并将该信息转换为可用于机械冲压模具加工的数字化曲面。

从线框和曲面几何转变为实体建模

这个主题比较大，以至于可以独立成书。实际上，几年来已经编写了许多关于实体建模的书。遗憾的是，大多数作者都是数学家，因此这些著述中写满了只有数学家才会欣赏的复杂方程式和图表。而我则意图尝试将实体建模的演变史纳入更具可读性的术语体系中。有趣的是，从事曲面定义技术的研究人员与实体建模技术的奠基者们之间，几乎没有重合。

当今实体建模技术的形成，实际上由许多不同的研究路线发展而来。其中最重要的一支是围绕着英国剑桥大学的CAD小组进行活动的。从1960年代后期开始，该组织促成了CAD行业中可能最具影响力的一系列创新和发展。基本上，CAD小组已为三维实体建模软件奠定了技术基础，该软件已被数百家CAD软件公司作为技术构建模块，如今仍被全球数百万用户使用。

事实证明，确定三维实体模型建模的真正起源几乎是不可能的。实体建模研究至少在八个彼此独立的地理位置同时开始，几乎都是在1960年代末和1970年代初同时进行。但是，即使在全球范围内开展活动及研究，这项技术直到1970年代末期都没能形成真正可用的产品，要到1980年代后期，实体建模才实现了商业应用。然而，许多人认为第一款商业化的产品是MAGI公司的SynthaVision，它使用了具有高分辨率渲染的元件实体。SynthaVision在1972年发行上市，因1982年在迪士尼电影TRON的制作中使用而一举成名，该影片也成为历史上第一部长篇动画电影。

1973年，在布拉格举行的PROLAMAT会议上，来自世界各地的研究团队首次聚在一起讨论这项技术。在这次会议上，来自剑桥大学CAD中心的Ian Braid介绍了BUILD，它如今被称为B-Rep或Boundary Representation技术。同时，北海道大学(Hokkaido University)的N.Okino教授介绍了基于CSG的实体建模程序TIPS-1。还有罗切斯特大学（University of Rochester）PADL研究活动的负责人Herbert Voelcker、在西柏林大学（University of West Berlin）主持实体建模研究的Spur教授、在格勒诺布尔大学（University of Grenoble）策划了Euclid项目的J.M Brun博士，以及其他学者在随后几年中也推动了实体建模的发展。

剑桥大学的CAD小组参与这项工作的时间比任何其它组织都要长。他们在1970年代开发了一些直到现在仍在使用的技术，即便出现了新的编程技术也没被淘汰。该团队随后开发的ACIS也被数百万CAD客户沿用至今。该小组还率先开发了后来演变成Parasolid产品，该产品可以在全球范围内支持约100万个CAD用户，这个记录让任何其它实体建模先行者都望尘莫及。

Charles Lang于1960年毕业于剑桥大学，获得工程学学位。在英格兰的Mullard Research工作几年之后，Lang于1963年考入麻省理工学院攻读硕士研究生，并在Doug Ross和Steven Coons的MAC项目中工作了18个月以上。然后，莫里斯·威尔克斯（Marice Wilkes）教授将他招募回剑桥大学的计算机实验室。

由Wilkes教授创建、Lang接力带领的剑桥大学CAD小组从1965年开始直到1975年，得到了英国政府安排资金和调配资源支持。1969年，该团队开始使用汇编语言程序设计在PDP-7系统上进行实体建模软件开发。Lang表示：“不幸的是当时没有人告诉我们这是不可能的，还好后来Braid出现了。”

1970年，Ian Braid加入了小组，专注于编写实体建模代码，特别关注于数据结构。他的第一篇论文的结果是BUILD 1——在PROLOMAT上展示的一个实体建模系统，使用了布尔逻辑（Boolean logic）和简单的立体几何、灰度图像和隐藏线图。根据Braid的说法，“BUID 1只具有不完整的平面和圆柱面。但是它显示了如何与计算机中保存的实体模型进行交互，以及如何更改或记录模型、生成图片、查找质量属性，或生成切割路径。”

另外，艾伦·格雷（Alan Grayer）于1970年代初期加入团队，到1975年开始未2轴铣床生成NC带。Lang评价道：“这是有史以来第一次做到从3D模型中生成NC。”剑桥团队定期与雷诺公司的Pierre Bézier合作，同时也与MIT、犹他大学和锡拉丘兹大学的研究人员保持着密切关系。

根据Lang的说法，剑桥CAD小组能获得的资金支持在1974年开始就变得不确定，于是团队成立了一家名为Shape Data的公司，创始人是Ian Braid、Alan Grayer、Peter Veenman和Charles Lang。Lang说：“公司一开始没有钱，事实上我们也不是为了赚钱才开公司，而是用它来使技术发挥作用。”Shape Data是剑桥CAD小组的第一个衍生公司。据Lang称，从那以后，计算机实验室孵化了90个衍生企业。彼得·文曼（Peter Veenman）从公司成立就开始全职在岗，而团队的其余几位成员仍留在CAD小组，直到1980年。

Lang表示：“我们最初对Shape Data的愿景是基于与Dave Evans的良好关系，他直到建模比制图更重要，而且对于Evan & Sutherland具有的看法是要提供构建3D系统组件的一站式的服务。”

1978年，Shape Data发布了业界第一个实体建模内核——Romulus。1980年，Lang、Braid和Grayer也全职加入了他们共同成立的Shape Data公司。其后，在1981年，该公司及其技术被Evans & Sutherland收购。1985年，Lang、Braid和Grayer离开Shape Data，成立了Three-Space Limited，但是一开始对新公司要做什么并没有明确的想法。接下来的几年内，该团队一直在努力开发新的实体建模工具ACIS。

与此同时，Shape Data公司开始着手研发Parasolid实体建模内核，其技术基础原子Rmulus，但采用的更新的工艺和技术。

西门子2019年发布的Parasolid设计图

美国空间技术公司（Spatial Technology）为ACIS的早期开发提供了资金，该技术方案于1988年发布。同年，Shape Data发布了Parasolid，而后该公司又被McDonnell Douglas收购。1989年，Parasolid首次用于McDonnell Douglas公司的Unigraphics软件版本中。

实体建模开发的另一个重要中心是罗切斯特大学（University of Rochester）的生产自动化项目（PAP）。PAP由当时的电气工程学教授Herbert Voelcker与1972年创立，其目的是为数控机床开发自动编程系统。1973年，Ari Requicha也加入了Voelcker的团队，该小组很快就将研究中心转向了实体建模。1976年，他们在CAM-I会议上演示了其第一个系统PADL-1（Part & Assembly Description Language），并在15个月后公开发布。随后在1982年又发布了PADL-2。PAP项目的人才供给方面，除了学校的研究生和本科生之外，还得益于借调工业企业中对此项新技术有兴趣的工程师。

最初，PADL-1软件结合使用了CSG和B-Rep技术。该软件使用FORTRAN的派生语言编写，因此很容易在计算机系统之间移植。罗切斯特大学对该软件源代码格式的授权许可，面向大学用户收费1200美元，商业用户则需支付2400美元。获得授权之后实际上就拥有了该软件的无限使用权。1978年至1985年之间，该大学总共颁发了80个许可证。而15年后，PADL-1 仍然在学术机构中用作教学工具。PADL-2项目启动于1979年，克里斯·布朗（Chris Brown）担任项目主管。十个工业企业赞助商和美国国家科学基金会（NSF）提供了大约80万美金的资助，技术目标是能够实现对90%至95%的未雕刻工业零件进行建模。出于可移植性的考虑，PADL-2也是用FORTRAN语言编写的，尽管这限制了开发团队充分利用新发展起来的面向对象的编程技术能力。

1981年年中，PADL-2向项目赞助者发布。虽然桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratory）和柯达公司（Kodak）等组织将该软件广泛应用于内部应用程序，但大多数行业赞助商对该软件的使用却很少。McDonnell Douglas Automation公司却是个例外，该公司于1981年开始开发基于DADL-2的UNISOLIDS，并于1982年底在AUTOFACT上演示了该软件。1982年中，PADL-2开始公开发行，授权许可被设定成“无权再分发”的权限，许可费用从教育机构的600美元到商业组织最高20000美元不等。想要围绕PADL-2构建商业解决方案的企业则需要支付50000美元，与其初始赞助商支付的金额相同。1982年至1987年间，罗切斯特大学共发出了143个许可协议。

最终，PAP项目在1987年解散，Voelcker带着PADL技术转移到康奈尔大学（Cornell University）, 于是康奈尔大学在之后的一段时间内继续发布该软件的授权。在其基础上进行了一项有趣的开发，Cadetron软件采用了C语言将PADL-2进行重新编程，以供PC机用户使用。随后，Cadetron被Autodesk收购，该软件被重新包装后以AutoSolid的名称投入市场。