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工业软件大咖说|梅敬成:自主可控、技术创新——国产三维CAD必走的突围之路


作者:梅敬成

华天软件CTO/华云三维总经理


引:工业软件,就是“工业大脑”。三维CAD系统,是工业核心数据的来源,属于核心工业软件。非常遗憾地是,目前中国三维CAD领域,基本都被国外三维CAD软件所垄断。


当下,在航空、航天、核电、船舶,还是高铁、汽车等中国高端制造领域,产品研发的计算机辅助工具无一例外在使用国外三维CAD软件。这种情形严重影响我国的技术自主创新以及信息和知识产权安全。而且目前还面临着严峻的“卡脖子”问题。在这种形势下,国产三维CAD软件如何“突围”?

通过国外三维CAD的发展历程,能够给我们一定的启发。首先,纵观三维CAD的演变史,我们经历了60年代的“二维图纸”,到70年代的“三维线框”建模,到80年代的“三维表面模型”,到90年代的“基于历史纪录的实体建模”,以及后来的“直接建模技术”。近十几二十年,三维CAD领域,在造型方面,没有革命性的变化。


一、为什么“主流的三维CAD软件都产生于欧美呢?”


因为三维CAD软件起源于制造业的需求。国外的制造业发展远远比我们早,因此支撑制造业发展的三维CAD软件在欧美那儿产生了,并与先进的制造一同成长并壮大。UG、I-DEAS、CADDS,这三个软件都是美国软件,基本都是美国航空、航天支持发展起来的。市面上常见的NX/UG,目前属于德国的西门子公司。CATIA、Euclid、STRIM100这三个软件, 基本都是法国航空、航天支持发展和成长起来的。我在法国时都参与过它们的研发。现在合并成 CATIA一个软件了,属于法国达索系统。跟随高端制造发展。

为什么“三维CAD软件起源于制造业的需求?”下面以我个人工作过的法国公司,来解答这个问题。三维CAD系统目前对自由曲线和自由曲面的一个标准表达方法就是NURBS,它是Bezier表达的一个推广。而Bezier的表达方法,就是源于当年的法国雷诺汽车外形造型部门的负责人Pierre Bézier。我们看到的汽车,外形都很漂亮,但是该如果用数学方法描述这些覆盖件呢? 不能精确地用数学方法描述,就没法使用数控编程,也就造不出高质量的冲压模具来。就是为了汽车覆盖件的设计和制造需求,Bezier先生发明了用他的名字命名的曲线曲面表达方法,后面拓展成更为通用的NURBS表达,大大推动了计算机图形学和三维CAD的发展。

航天飞行器,如人造地球卫星、空间探测器等,结构复杂,但是形状比较简单。因此在80年代,为了航天飞行器的设计,法国国家科学研究中心研究员Jean-Marc Brun和 Michel Théron研发实体造型软件Euclid,基于CSG和多面体表达。

孙家广院士的《计算机图形学》第一个版本1986年出版,里面的实体造型部分,就专门对Euclid进行了介绍。当年中国航天也用Euclid进行航天器的设计。苏联航天当年也大量采用Euclid进行设计,造就了一大批俄罗斯早期的CAD研发人员,也加深了法国和俄罗斯在CAD研发领域的合作。

另外一个大名鼎鼎的、世界最顶级的CAD公司就是法国达索系统,也是在飞机设计和制造需求、技术进步以及市场推广多种因素的催生下,CATIA V4得以研发并成果在航空、航天、汽车等高端领域得到广泛应用。

我博士毕业后进入CAD领域工作的那几年,三维CAD发展迅速:实体造型有法国马特拉公司的Euclid,曲面造型有 CATIA、CADDS、UG等。可见,每个大型软件都有自己的主要大型制造业客户支持,如航空、航天、汽车。这些软件运行IBM系统以及高端工作站 SUN、SGI、DEC之上。


二、拥抱新技术,带来新的竞争力


此时,表面上形成了一个相对稳定的格局,但是技术在进步、变化在孕育中:出现了相对独立的三维几何建模引擎、几何约束求解器,大家在探索更加高效的造型方法,还有就是Windows开始兴起。

PTC公司的Pro/E出现,打破了市场相对稳定的局面,带来了三维CAD中革命性的“基于特征的参数化”设计。这位先生是Samuel P. Geisberg先生,他是从俄罗斯移民到美国的一位数学家。他当年就在研发三维CAD产品CADDS的公司ComputerVision 工作,他以一个新的眼光,认为以当时的技术进步,应该能够研发出一个更加高效的三维CAD系统。由于公司不支持这种颠覆式的创新,因此他离职成立了一家公司:自研三维内核 Granite(精确的实体造型),自研约束求解器,推出革命性的参数化设计,基于工作站、UNIX系统运行,最后大获成功。后面还把跟不上这股浪潮的原来的东家ComputerVision公司给收购了。

PTC的出现,不仅使他的老东家受到了冲击,所有的大型软件厂商都感到了巨大的压力,需要转型升级原有的产品。比如我工作过的法国马特拉资讯,当年拥有两个产品:实体造型 Euclid, 曲面造型 UNISURF,客户有雷诺汽车等大型客户。但是 Euclid 是基于多面体的实体造型,UNISURF 是基于精确几何的曲面造型,两者无法融合,没法与市场上出现的新产品Pro/E进行竞争,因此迫切需要开发新一代CAD产品。

新的CAD产品需要构建在一个新的基于 BRep的几何建模引擎之上,因此就开发了新内核 CasCade。这个内核的几何部分完全基于国际标准STEP定义,我当年也参与了这个内核的研发,比如里面的“曲面缝合”功能就是我开发的。后面我作为负责人,主导了基于这个内核的新一代CAD产品Euclid Designer的开发,当年中国航天非常重视Euclid Designer的研发,并给予厚望。

后面欧洲宇航防务集团(EADS,也是空客母公司)的成立,导致达索系统与马特拉资讯的重组,这样新一代CAD产品Euclid Designer就下马了,内核CasCade就变成了现在大家熟知的 Open CasCade, 世界上唯一的一个开源几何造型内核。

在这个大的技术变革中,做得非常成功的有两家公司。第一家就是达索系统。旗下的CATIA产品,成功地从CATIA V4 进化为 CATIA V5。CATIA V5 从 FORTRAN语言变成 C++语言,基于自己的建模引擎,整合了合并的 CISIGRAPH 、马特拉资讯 的几何造型算法。利用了俄罗斯LEDAS外包,研发了自己的几何约束求解器。并从IBM计算机系统转向当年流行的基于UNIX的工作站、以及后面的Windows系统。牢牢占据了航空、航天、汽车等高端制造市场。

另外一个转型成功的就是UG。UG产品最早由麦道飞机公司研发,用来设计自己的飞机。后面独立成立UGS公司,产品名称叫Unigraphics(UG)。利用收购的几何建模内核 Parasolid 替换原来的内核。收购几何约束求解器 DCM。从大型机版本转向 工作站、Windows NT、Windows。后被西门子收购了,并推出NX。在发动机、汽车、模具等领域应用广泛。

需要指出的是,目前该公司拥有世界上可以商用的、技术领先的三维CAD两大核心技术:三维几何建模引擎Parasolid, 几何约束求解器 DCM。

在这个技术进步带来的CAD市场变革的浪潮中,不得不提SolidWorks这家公司。它由CAD领域两位传奇的人物Jon Hirschtick 和 John McEleney 创立。其核心目标就是将 Pro/E 从工作站搬到 PC 机上。鉴于几何建模引擎研发周期长、风险大,他们决定采用比较成熟的、可商用的内核。为此他们还到过我当时工作的马特拉资讯,考察CasCade内核。最终他们选中了UGS的Parasolid,后面证明这是一个明智的、成功的选择。

对标Pro/E,必须有先进的草图和装配。为此需要一个有竞争力的几何约束求解器。最终SolidWorks选中了英国剑桥D-Cubed公司的几何约束求解器DCM,事实证明,这也是一个非常正确的选择,因为这个约束求解器DCM在草图方面,相对于Pro/E,给用户带来了更大的灵活度,比如说,不像Pro/E的早期版本,非要用户完成非常困难的全约束。

还有最重要的一点,就是全方位拥抱刚刚出现的带图形界面的Windows系统。1995年,SolidWorks的第一个版本一经发布,就在市场上取得了巨大的反响和成功,两年后以3亿美元,被达索系统收购。SolidWorks是一个非常成功的工业软件产品研发案例,它很好地捕捉了市场需求和发展趋势、充分利用了新技术带来的便利和优势,目前无论是国内还是国外,都是一款最普及的三维CAD产品。


三、三维CAD发展涉及的四个关键技术


上面重点回顾了三维CAD的发展历程,从中我们可以总结一下所涉及的关键技术,主要有四项。

关键技术一: 三维几何建模引擎

三维几何建模引擎是CAD的底层基础支持, 是三维建模最关键的技术,公认的是最核心、同时也是最困难的一项技术。主要体现在:要处理的几何要素多、功能多,同时要求:鲁棒、精确、高效。还要支持参数化建模,还要有好的兼容性和可扩展性。

关键技术二:几何约束求解器

它是三维CAD参数化设计的关键技术。草图需要 2D 几何约束求解器支撑,装配需要 3D 几何约束求解器支撑。研发几何约束求解器的困难体现在,几何欠约束系统的优化匹配,几何约束冗余性判定,以及大规模约束方程组求解。

关键技术三:参数化建模机制

基于实体造型、参数化设计的CAD系统的推出,导致CAD系统的研发更加复杂,只研发几何造型内核和约束求解器还远远不够。三维CAD既要具备草图、零件、装配、工程图、三维标注等基础功能,又要实现这些功能之间的联动。还要与非参数的“直接建模”融合。

关键技术四:显示和渲染

显示和渲染对用户体验十分重要,它影响产品的操作性,还有拾取的方便性。显示技术从当年的 OpenGL到现在的Shader。主要就是这部分与用户交互的功能,导致了CAD软件对操作系统的依赖。


四、国产三维CAD的“突围”之路


上面我们重点介绍了国外三维CAD的发展以及形成的关键技术。下面探讨一下国产三维CAD的“突围”之路。

目前中国的三维CAD市场,主要由CATIA、NX、CREO、SW所主导。值得注意的是,与CATIA、NX源于高端制造支持不同,CREO、SW更多来自技术创新。即使CREO、SW技术先进、用户数大,还是缺乏高端制造工业的“灵魂”,给我们的启示就是,我们的国产CAD软件,不仅要通用性强,还要与国内高端制造业紧密合作,在这些软件中,注入“工业和制造之魂”。对标国外软件,首先要在核心技术方面实现“自主可控”,也就是说,我们要有自主的三维几何建模引擎和几何约束求解器,这是由中国目前所面临的国际形势所决定的。

攻克核心技术后,那么产品研发是否只能跟着国外软件跑、完全照搬国外软件模式去追赶呢?

其实国外软件,也不能满足中国制造业不断变化的发展需求。而且随着互联网、云计算发展,CAD逐渐由传统的单机模式向基于Web和云计算模式转变,设计方式也由单人离线设计向多人在线协同设计转变。因此我们新的产品要拥抱新的技术趋势:互联网、 云计算、大数据。另外要借鉴其它领域的先进的技术和经验:比如流程行业CAD基于数据库的存储,这样就很容易突破模型的规模,游戏领域基于服务器的渲染,这样就能够解决超大规模模型的显示和操作问题。总之,自主可控的核心技术,加上创新先进的云架构,是我们实现国产三维CAD软件“换道超车”的绝佳时间和路径。

云架构CAD就是在线建模CAD软件,即打开浏览器就可以进行建模的软件。云CAD可以部署在公有云,也可以部署在私有云。支持云端、多终端和协同设计。尤其是可以在国产操作系统上部署和使用。

国外的软件早已开始了朝云架构的发展。比如达索的 3D EXPERIENCE,也就是CATIA V6,实现了基于云端的数据管理,以满足大型制造业的协同设计需求。Autodesk 的 Fusion 360也是比较早的朝云架构方向发展的CAD系统。Onshape是世界上第一款基于原生态云的CAD系统。它由SolidWorks的元老们创建,这里大家又看到前面提到过的SolidWorks创始人Jon Hirschtick 和John McEleney。这一次,他们又看到了一个商机和技术窗口,就是将SolidWorks搬到云上来。2019年以4.7亿美元被PTC收购。总之,CAD 软件的SaaS化,是未来发展的趋势。

“未来,80%的SOLIDWORKS用户可能会选择云端应用,另外20%用户则会选择本地应用。” 接受e-works记者采访时,达索系统SOLIDWORKS首席执行官Gian Paolo Bassi做出如此预测。

PTC 的 CEO Jim Heppelmann说,“PTC十分笃定SaaS发展策略。近年来,PTC不断加倍投入 SaaS,在整个产品组合中部署SaaS模式,我们的目标是在SaaS发展趋势下占据领导的地位。”


五、基于云架构的国产三维CAD平台CrownCAD研发历程


作为国内制造业信息化的排头兵、先进的3D技术提供商,我担任首席技术官的山东山大华天软件有限公司,于2019年,支持我牵头创建山东华云三维科技有限公司, 致力于完全自主、新一代基于云架构的三维CAD平台CrownCAD的研发和应用推广。

上图是CrownCAD研发历程。在经历了十年核心技术攻关,五大版本迭代,两轮全国公测后,CrownCAD于2021年9月8日正式发布,引起了市场的广泛关注和反响。CrownCAD的一个重要特色就是核心技术完全自主可控:它包含了完全自主的三维几何建模引擎 DGM,完全自主的二维、三维约束求解引擎 DCS,高效的参数化应用层机制,基于云存储、云计算、云渲染,支持超大规模装配的设计。另外它构建在一个开发和先进的云架构之上,提供便捷的二次开发语言和环境。

基于完全自主研发的三维几何建模引擎DGM和几何约束求解器DCS,CrownCAD提供丰富的草图、高效精确的零件设计等建模功能,以及流畅易用的装配设计、高效标准的工程图等诸多功能,满足设计师呈现其设计灵感。同时,CrownCAD拥有强大的数据兼容性,支持多种格式数据的精确导入与导出,帮助设计者与供应商之间无障碍的沟通。

CrownCAD 首先是一个CAD平台,因此它包含通常CAD系统所具备的数据交换、零件设计、装配设计、工程图四项核心模块。在此基础上,它具备云计算、云存储、云协同带来的优势。

云架构带来的一个优势就是协同设计能力。首先,CrownCAD无需安装,通过浏览器直接登录www.crowncad.com,即可开启云端设计、协同分享。通过团队管理功能,CrownCAD满足团队分工协作甚至异地协同,严格的权限及版本控制、实时通信以及独特的增量传输等技术,使设计师之间或与客户在多种终端上(PC端、移动端)随时随地开展讨论或评审,降低设计中的评审成本。

云架构带来的另外一个优势就是数据管理功能。它能够保证数据安全,具有完备的操作历史,实现了版本控制,相当于内置了一个PDM系统, 这将降低中小企业信息化成本。基于内置的PDM,CrownCAD引入项目的概念,设计师在设计不同模型文档的同时也实现了完整的项目管理。

此外,CrownCAD提供模拟真实运动的运动仿真,满足设计师及时验证设计的准确性。还提供灵活简洁的二次开发工具和环境,通过使用丰富的API接口,采用在线开发模式,用户可以满足各种自定义的需求。

新一代CAD带来了全新体验,我们可以感受到CrownCAD能够给国产三维CAD市场带来的活力,那将是一个完全不一样的景象:无需安装,在公司、在家里、在出差途中,打开电脑、手机、PAD、智慧屏就可以设计、浏览、协同、分享。我们期待CrownCAD真正能够实现:“无处不在、人人能用”。



作者简介

梅敬成,博士,高级工程师,著名的CAD专家,华天软件CTO/华云三维总经理,入选“国家人才工程”、山东省“泰山产业领军人才”、济南市“5150”引进海外人才。主持和参与国家重大研发项目14项。荣获中国航天科技集团公司授予的“2015年度航天创新奖”、中国图学学会“优秀科技工作者奖”。带领团队获得了2020年山东省工业软件开发技术大赛一等奖。代表华天软件,获得2020年底“北京市技术发明奖 一等奖”。




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2022年1月5日 13:41
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