从Romulus Parasolid 到ACIS-精益求精 锲而不舍的CAD软件典范

huangyhg

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。