工程设计史 | CAD发展简史【一】

来源：工业4.0研究院

笔者一直着迷于古代建筑和老式机械。古罗马竞技场之类的古代建筑多么令人惊叹！尤其是意识到两千多年前的建筑工人根本没有我们今天习以为常的建筑设备，也没有任何我们现在使用的创意设计工具。它更像一种艺术形式而不是传统工程技术，由建筑大师指导成千上万工人完成的杰作。

如今，古罗马竞技场已成为帝国辉煌的仅存硕果。幸好中世纪在欧洲建造的许多宏伟的大教堂和城堡依然屹立不倒，并且其使用情况自建成以来从未间断。这时候我们开始接触到许多早期机械建造的例子，那个时代仍然很少使用机械，大多数是为了攻击敌方城堡而建造的战争机器，并且可能在战场被摧毁。

数百年来，工程一直专注于应对战争，无论是建造防御工事还是攻城机械。实际上，第一个非军事工程学科被称为“土木工程”，以区别于军事学科。同样，今天仍然存留的文献中，也少有记载这些早期军事机械是如何制造的。仅存的资料都是绘在羊皮纸上或是在黏土片上雕刻。

这并不是说这些早期建筑和机械的建造者都没有使用草图和图纸。例如，希腊帕特农神庙这样精妙的建筑，除非有人仔细计量过进入建筑物内部每块石头的大小和形状，否则是无法建造起来的。由于有大量劳工参与建造，很可能当时采取了某种方法来记录和传达这些信息。直到15世纪初，图形投影的概念才被早期的意大利建筑师所很好地理解。大约在同一时间，纸张开始代替羊皮纸作为绘图介质。

现存的机械和建筑物工程绘图可以追溯到14到15世纪，大多数收藏在欧洲的博物馆和图书馆（特别是在南欧）的装订册中，并且仅限学术研究人员查看。今天，我们把这些珍贵的绘稿称为草图而不是技术图纸，因为它们没有描绘出尺寸与比例。这些文档中许多都配有大量文字说明，以解释附图的含义。

早期的工程绘图有两个目的。一方面，经验丰富的工匠把它们作为参考，用于建造和构筑所描绘的东西。这些图纸比我们今天熟知的更具象征意义，这些能工巧匠只要理解其标志性说明的意图，并不需要考虑参照尺寸，因为他们做出来的每台机器或每座建筑物都是独一无二的。另一方面，这些图纸（特别是收藏在档案中的那些）的另一个功能是向设计师的赞助人展示的，赞助人通常是王子或者富商等。

莱昂纳多·达·芬奇（Leonardo da Vinci）的切割机草图

“绘制的美感和精妙的机理，使得这幅切割机的草图非常有趣。这台机器的操作是完全自动的：通过使用齿轮和杠杆，重量下降时绳索就松开，激活了锤子的升降以及待切割工件的进度。完全的自动化不仅可以帮助人类，而且可以切割得更均匀，这预示了现代化的生产流程。”

早期的草图实践

多数早期的工程绘图者——例如达芬奇，都是艺术家。渐渐地，人们意识到图纸自身的存在价值体现需要更高的精度。这个理念的早期倡导者是莱昂·巴蒂斯塔·阿尔贝蒂（Leon Battista Alberti），他在1435年和1436年撰写了两部作品，探讨了在当代绘图中融入更多欧几里得几何原理的必要性。他还提出了绘制具有多种视角的图纸，而当时的图纸普遍是单一视角的。

现代工程设计和制图实践可以追溯到解析几何的发展，尤其是在René Descartes （1596–1650）和Gaspard Monge（1746–1818）的著作中。工程制图在18世纪后期开始迅速发展，并随着19世纪工业革命的发展而加快。

彼得·布克（Peter Booker）在《工程制图史》中极具见解地将欧洲大陆的技术实践与英格兰的手工业实践区分开来。他还深入描述了早期的图纸绘制人（许多实际上拥有工程学学位）是如何使用水彩颜料来突出图纸效果。这种做法一直持续到20世纪初期。令人惊讶的是，我们今天所熟知并使用的起草标准，是在第一次世界大战之后才开始得到重视。这一领域的第一个美国标准直到1935年才被批准，也就是笔者出生前的两年。

笔者的印象是，技术图纸发展的主要催化剂是专利流程的发展。为了获得新设备的专利，申请者必须以特定格式提交图纸。在设计蓝图出现之前，根本没有办法经济地复制图纸，如果需要多个版本或副本，就必须手工复制和描摹，这个事实令提交图纸的过程变得复杂。约翰·赫歇尔爵士（Sir John Herschel）与1840年发现了设计蓝图的制作过程，并于1876年把它的绘制方法引入美国。但这种图纸很晚才开始被广泛使用。

早期的工程图通常都是艺术品。就像当时的书法一样，这是一种少数人能够掌握的技艺。定稿图纸通常用墨水绘制。而初稿的完成则使用了铅笔、丁字尺、三角尺、比例尺、不规则（法国）曲线以及其它诸如指南针和分隔线等绘图工具。早期的绘图教科书还用了不少篇幅去描述如何削铅笔以及如何握铅笔才能划出直线等内容。

铅笔稿绘制完成后，要在原始图样上覆一张描图纸，然后用墨水笔描摹一遍，特别要注意图形上的文字。经过多年的发展，产生了各种模板和其他工具，使得绘图员能够制作出一致的高质量字体。也许最常用的工具是由Keuffel & Esser生产的Leroy Lettering Set。这个套件包括几个大小不同的模板和一支钢笔，可以用墨水沿着模板把字母的形状描摹出来。这家公司还出售各种不同字体的模板。

另一项重大进步，是一种称为通用制图仪的设备，如图2.2所示。该工具基本上将丁字尺、三角尺、刻度尺和量角器结合在一起。绘图员可以用它在任何方向上穿件垂直线。生产厂家包括Universal Drafting Machine Company、Frederick Post、 Bruning和Keuffel & Esser。最后这两家特别有趣，因为他们随后尝试去做软件业务，开发销售中等价位的CAD系统。如今刻字模板和通用绘图仪仍然有售，尽管可能已经很难找到当地经销商了。

通用绘图仪

最终，不同的工程学科发展出自己的工程设计和制图方法。建筑师有适用于其工作的风格，与航空工程师的风格大相径庭。航空工程师需要以1：1的比例为飞机的大型零部件制作精确的工程图纸，因为较小的工程图不可能转换为生产这些零部件时所需的模板。图2.3显示了几位工程师和技术人员正在创建飞机总体布局图。

第二次世界大战之后的数十年中，制图设备供应商引入了多种材料来提高制图过程的生产率。为避免每个细节都采取手工绘制，开始引入代表项目的贴纸和新一代的复制工具，大大减少了创建常规图纸的时间。

创建飞机总体布局图

除了工程绘图有些难点外，设计的过程本身也很复杂，特别是在没有计算机的情况下。笔者清楚地记得，1950年代后期进行的意向结构工程任务，要建造一个两层，或者是一座有四个突出结构的三层建筑，光是绘图就花了大半个周末的时间，只有一支笔一副尺子，用掉一大叠纸张。如今，建筑学学生用笔记本电脑就可以给十倍大的建筑物做图，还可以用不同尺寸的结构构件作不同的布置，并从中学到更多关于如何进行良好设计的知识。

设计人员通常使用计算尺、台式机、数学用表和工程数据手册进行计算。很多工艺计算都使用对数函数，以加减运算代替乘除运算。最受欢迎的计算手册由理查德·伯灵顿（Richard Burington）博士于1933年初版。不过这些手册常常会出现一些小错误，Burington的手册重印了多次，每个新版本都作了勘误修订。

工程设计过程，包括图纸的准备，都充满出错的机会。结果是每次计算和绘图都要多次检查，尤其是当出错有可能导致灾难性后果的时候。如今，尽管计算机已经让工程设计人员节省了很多精力，但我们知道这些工具并不完美，如果没有用严谨的态度去实操，依然有可能犯下可怕的错误。

了解技术食物链

在计算机行业中发生的现象是生物食物链的反转。一般来说体型大的动物会吃掉小型动物，而在技术食物链中，底层反而会吸收水平在较高层的技术能力。这种现象解释了在性能上取得巨大进步伴随着成本的稳步降低（尤其是硬件）。

那么，这一切与设计自动化技术有何关系？可以将计算机系统组件视为类似于食物链。用于CAD应用的系统可能以如下方式进行组织：

• 培训和系统使用
• 定制应用
• 资讯服务
• 标准应用
• 应用开发工具
• 数据库技术
• 建模和图纸制作
• 图形系统
• 操作系统
• 电脑系统
• 专用扩展板
• 专用功能的电路
• 电脑微处理器

而计算机行业正在发生的事情是，某个特定功能/能力正不断在技术食物链中下沉。以前必须作为应用程序包的一部分功能现在操作系统已经做好了，而曾经的操作系统功能现在却成了基本计算机处理器的的一部分。通常，随着这些功能越来越接近计算机的核心，软硬件的性能就越来越快，成本也越来越低。

举个简单的例子：浮点处理器的进化史。30到50年前，大多数小型计算机系统都使用操作系统嵌入式软件来处理浮点运算。为了追求更高的性能，计算机制造厂商生产了硬件浮点加速器，通常有小型冰箱那么大，价格在2万美元以上。而早期的工程工作站普遍带有电路板大小的浮点选件，售价为几千美元。到了80年代中期，许多半导体制造厂商开发了单独的芯片或小型芯片组，足以执行与扩展板同样的浮点运算。这些浮点运算单元也被称为“数学协处理器”。由于制造成本锐减，计算机系统供应商轻松地将这些芯片整合到他们的产品中，性能也得到了提高。

接下来，他们就开始将浮点计算功能添加到基本微处理器芯片了。由于数据不必在多个电路板甚至单个电路之间流通，因此性能和速度都得以提高。浮点操作对于当今的计算机系统以及操作系统来说几乎是透明的。实际上，大多数非技术用户甚至都不会意识到这种功能的存在，因为它已经无处不在。

技术食物链中还有许多其它方面，其功能已经从原来的级别下沉到更底层了。图形服务软件就是一个很好地例子。

图形服务是那些在图形系统中处理用户交互并在显示屏上显示请求的图像功能。过去，每个CAD系统供应商都将大量开发资源投入到生产可处理图形处理功能的软件中。这样做有两个原因：首先，硬件供应商不容易获得标准软件；其次，这是软件厂商试图将其产品与竞品差异化的方式。

随着时间推移，诸如X-Windows、MOTIF和Open GL之类的行业标准已被市场所接受，工作站和PC供应商们开始提供这些软件作为其标准操作系统的一部分。结果，应用软件的供应商修改了开发策略——他们开始使用标准操作系统功能代替专有软件代码来完成这些任务。标准技术操作系统已替代了80%以上的早期专有软件。

还有很多其它例子可以用来解释技术食物链的概念，包括绘图显示卡、网卡、文件管理软件和打印机支持系统。在早期的CAD行业，系统供应商不得不花费大量精力设计基本硬件组件，以及对基础级别的软件功能进行编程。如今的PC已经内置了所有这些功能，因此CAD软件供应商可以将其开发资源集中在提供功能更强大更可靠的应用程序上。

多年来，程序员在主存储器、小型数据存储设备有限的低性能方面花费了相当大的精力。自第一个商业系统问世以来，发生的变化令人震惊。1982年，诸如Calma之类的厂商还在为系统存储器从16KB增加到24KB产生的成本而苦恼，那时候磁盘驱动器通常为5MB到20MB，还得由四个用户共享。如今，用户可以用1000美元买到一台2GB内存、250GB磁盘驱动的PC。成功的公司就是那些深刻理解技术变革步伐的公司，并且始终把研发重点放在未来趋势而不是过去发生的情况。

我们将在以下各章中看到，许多公司从未真正理解这些概念，或根本无法适应基础技术不断变化的快速步伐。