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深度解读CAD行业发展历史

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CAD 产业发展回顾与思考

编辑注:唐荣锡教授是中国工程图学会理事长、荣誉理事长。他的研究工作始终走在国际 CAD/CAM 的最前沿。唐老对 CAD 的历史和发展有很深的认识,节取他的文章与大家分 享。

一、后来居上的达索系统/CATIA

1、初访达索 1985 年 11 月航空工业部组团成都飞机公司等去巴黎访问达索飞机公司,用三个星期详细考 察 CATIA 软件的应用状况,准备引进这一系统。达索当时设计生产幻影 F1 战斗机和空中客 车民用机,使用 IBM3090、4381 一类主机和 IBM3250、5080 一类图形终端,用 CATIA 设 计了幻影的全机外形, 完成结构打样、 布置通风管道和液压系统、 设计和加工机翼整体壁板、 蒙皮成形模, 以及航空发动机的涡轮盘和叶片等关键零件。 全公司共有 200 多台图形终端。
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2、CATIA 在引进与开发并举中发展壮大 达索飞机公司从 1960-1965 年开始引进 IBM 计算机和使用数控加工机床,1967 年着手用 Bezier 曲面建立飞机外形的数学模型,1970 年用批处理方式全面展开幻影的数字化设计。 1974 年领导层面临重大决策,为了扩大 CAD 应用规模,从美国引进软件有利,还是自已 动手开发好?最后决定齐头并进,一面引进洛克希德飞机公司的 CADAM 系统,一面重点 开发飞机吹风模型的三维造型和加工软件,以便大量缩短飞机模型的吹风试验周期。于是 1975 年引进 CADAM, 100 万美元买下了 CADAM 源程序, 花 学* CADAM 的技术诀窍。 1977 年启动开发三维交互 CAD 软件,1978 年投入使用 CATIA。同时建立主数据库,统一 管理 CADAM 二维结构图和 CATIA 三维模型文件。1979 年用数控加工制造出第一个吹风 模型。1981 年 IBM 公司开始负责经销 CATIA 系统,于是单独组建达索系统公司。当时公 司共有 30 人,软件开发占 25 人,当年售出 10 套 CATIAV1.0,内容包括曲面造型、三维线 框设计、多面体实体建模、运动机构分析和机器人操作编程。从 1982 到 1984 年底累计销 售量达到 200 套,人员增加到 190 名工程师,其中 150 人从事软件开发和维护,软件人员 *均年龄小于 30 岁。达索自觉翅膀已硬,独立开发了二维绘图模块,撇开 CADAM,形成 完整的 CAD 系统 V2.0。到 1985 年底,累计销售* 400 套,运行于 16 个国家的二千多台 图形终端,其中不包括 IBM 公司自已使用的终端数。1/3 用户是飞机行业,1/3 汽车行业, 其余是机械、电气、造船、模具、建筑、工程、医学等专业。1991 年 9 月安托公司麦贤慧 女士介绍,CATIA 已增加到 670 人,其中 2/3 从事研究开发。1990 年销售额为 1.1 亿美 元。

3、兼并迅速增强达索/CATIA 实力为产品的全生命期提供一体化服务
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1989 年洛克希德飞机公司缺少资金开发新型战斗机,决定出售 CADAM 子公司。1990 年 1 月 IBM 用 2.7 亿美元收购 CADAM,并于 1992 年起托付达索管理。1997 年 6 月达索用 3.1 亿美元收购了美国 SolidWorks。 1997 年 12 月用 1.05 亿美元现金收购 Deneb 的精益 制造布局仿真软件 Delmia。 1998 年 2 月达索独资在美国成立 ENOVIA 公司, IBM 合作 与 从事第二代产品数据管理系统 PDMII 的开发和经营。1998 年 12 月达索接管法国马特拉 (MATRA)下属的 CAD/CAM 业务,包括 Euclid/styler,Machinist,Cisigraph/Strim100 和 StrimFlow 等。 1999 年 4 月收购 SmartSolutions 的 SmarTeam 业务。 1999 年 2 月向 美国 InventionMachine 公司投资 600 万美元从事知识创新软件的合作开发经营。 2000 年 7 月用 2150 万现金并购 Spatial 的 ACIS3D 软件业务。 至此, 达索/CATIA 大体完 成了 PLM 业务范围的战略布局, 形成产品全生命期的 CAD/CAM/CAE/PDMII 一体化管理, 为数字化企业提供电子商务的完整工具, 足以完成产品从初步设计到售后服务的全过程仿真。 其中,CATIA 和 SolidWorks 支持产品的数字化设计和仿真,Delmia 完成精益制造过程的 数字定义和仿真,Enovia 提供数字化产品、过程和资源的集成化、分布式协同管理成套工 具。以上三方面汇总,构成数字化产品的全生命期流程,并且支持合作企业的知识重用。据 2002 年夏网页公布的数字,CATIA/CADAM 有 1.3 万家用户,SolidWorks 有 9500 家用 户。

过去,CATIA 只在 IBM 主机和工作站上运行,当剖析了 PC 版的 SolidWorks 后,1998 年 5 月达索宣布将推出全新的 CATIAV5WindowsNT 和 UNIX 版,99%的用户界面图标采用 MSOffice 形式。CATIAV4 的曲面系统使用 Bézier 形式,现在改成 NURBS 形式,而且采 用 DCM 约束管理软件, 使得新的尺寸驱动模型与其他流行系统很相像。 CATIAV4 是 1993 年推出的, 113 种独立的功能模块, 有 现在都要转成 V5 版, 而且数据接口都要与 V4 兼容,
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V4 和 V5 的零件、装配件可以共存于一个产品模型中。V5 还提供 CAA 二次开发工具,鼓 励第三方软件在 CATIAV5 *台上开发。因此 V5 是一个非常庞大的应用系统,要想在功能 上达到稳定、实用、先进,超过 V4 和其他品牌,非得有七八年的艰苦磨练不可。1999 年 5 月 CATIAV5R1 上市,在我国作为教育版的全套优惠价是 1.6 万元人民币一套,含一百多 个模块。2003 年 2 月 1 日起,达索停止了教育版优惠价,含十几个模块的 MD2 商业版要 2 万美元一套。

4、CATIA 获得成功的首要因素归功于达索的优异稳定环境 CATIA 从一开始就是面向幻影的研制需要发展起来的,达索飞机公司既是它的开发者,又 是它最稳定的使用者。随后 IBM 和波音飞机公司又成为它的铁杆用户。惟独世界一流的应 用才能孕育出世界一流的 CAD 软件。CATIA 开发队伍的稳定也是举世无双,有充足的人力 资源。 人称 CATIA 之父的 FrancisBernard 毕业于土鲁兹大学航空系, 学*空气动力学和结 构力学。 1985 年时公司有 25 人来自这一大学。 Bernard 当时任执行副总裁, 以后任总裁, 至今未变。当前的公司成员仍是 80%工程师,*均年龄 32 岁。再有是资金稳定,有 IBM 作后台,软件销售价格制定合理,划一不变。最后一点,我们在访问达索过程中深深感到法 国的民族自尊心很强,自尊才能自信,才能勇于开拓创新,创建优异的民族文化和杰出的高 科技产品。

二、美国飞机公司创造 CAD 辉煌 CAD 产业善始未得善终 1、初探飞机设计制造管理一体化 1979 年 1 月 29 日小*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 DouglasDAC 和
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LockheedLAC 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*。 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。

2、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* 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。
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3、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 UnitedComputing,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(StevenCoons)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。

4、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。
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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 CADReport 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!

三、从 RomulusParasolid 到 ACIS-精益求精锲而不舍的 CAD 软件典范 1、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 DECLSI-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,
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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&SPS300 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。

2、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 IanBraid 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 CharlesLang 和同窗 AlanGrayer。Lang 原来在美国 MIT 访问,召回 参与筹建 CAD 实验室。 Grayer 研究*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 PeterVeenman 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
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几何*台。

1986 年美国成立 SpatialTechnology 公司,从事开发基于 NURBS 的新一代 CAD 通用几 何*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 ACIS1.0 版。ACIS 就是 AlanGrayer,CharlesLang,IanBraid 和 Solid 的字首。ACIS 的目标是提供世界上最好的三维几何*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 *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 DominicGallello 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 ShapeManager。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。

3、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 (NorioOkino) 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*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 HBVoelcker 和 AAGRequicha 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。 和 AutoCAD 曾采用 PADL-2 作为自己的实体系统, UG 效果都不好。 I-DEAS 在 GEOMOD 中采用小*面*亩嗝嫣*似模型和精确 NURBS 曲面模型并存的方法,
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多面体*似模型占用存储空间大,同样不够实用。还有树细分模型、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。

四、PTC/ProE 引导 CAD 进入参数化特征设计新天地 1、工业界急切要求三维 CAD 实用化 Parasolid 和 Medusa 等都属于体*春舷低常⒎教濉⒃仓濉⒃沧短宓扔美嗨朴诖罨 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*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*面上画图,由计算机自动将构造*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 MITDavidGossard 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
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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 SamuelGeisberg 脱 颖 而 出 , 提 出 了 参 数 化 特 征 造 型 的 发 展 途 径 , 并 且 组 建 了 ParametricTechnology 公司,推出 Pro/Engineer 产品, CAD 三维设计树立了新的常规。 为

2、SamuelGeisberg 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 IESutherland 的 SKETCHPAD 交互绘图系统博士论文促成了 CADAM 系统的开发, 1962-1968 年 SACoons 和 PEBézier 的曲面理论对 CAD 曲面造型起了奠基作用, 1970-1979 年 ICBraid 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。

SamuelGeisberg 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*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
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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。 SamuelGeisberg 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。

3、CAD 产业呼唤数学家的全身心投入 CAD 必须要有坚实的数学理论作为基础,但光靠数学理论还不够,还要将理论变成得心应 手的软件产品和针对工程应用中的各种特殊情况不断开拓新的处理技术。 这方面的例子很多。 英国剑桥大学工程系约从 1977 年起用 Bézier 曲面研制了 DUCT 设计加工系统,利用一条 脊椎线(Spine)和垂直于脊椎线的一组剖面线构造出形状复杂的涡轮泵壳体、带手把孔的塑 料瓶、汽车排气管等,构思非常巧妙。英国 JohnOwen 于 1989 年创建 D-Cubed 公司, 开发了几何约束求解软件 DCM,从二维发展到三维,以后又增加了几何形体的撞碰和间隙 检测等功能,从 1990 年起已有 130 家 CAD 公司签约将 DCM 组件纳入自己的产品中。美 国 Geomagic 公司创建于 1996 年,专作逆向工程几何建模和测量验证软件,创始人是奥 地利数学家 HerbertEdelsbrunner,产品性能在同行业中名列第一,有多项算法申请了专 利。除此之外,凡是成功的 CAD 公司都聘请了资深数学家从事深层次的软件开发、维护。 很多问题看似简单,但在 CAD 应用中却很难处理,必须另谋对策,研究工作越来越走向深 入。 但是在公司间激烈竞争机制下这些研究成果决不公开发表。 于是企业的优胜劣汰更加加 速, 惟独市场占有率高的优胜企业才能从丰厚收益中提取足够的研究开发资金稳住优秀人才, 保持产品的持续高速发展。

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4、风险投资是 PTC 成长的另一必要条件 美国的学术研究非常繁荣,它是建立在坚实的工业应用的基础上。在机械工程和计算机系, 高校的学术研究比工业界领先 5-10 年。只要你从事的是一项非常有生命力并代表社会发展 方向的研究,马上就有人来帮你商品化,并从华尔街找来钱,三到五年内把产品和公司做上 市。Cisco 是这样产生的,Google 也是这样产生的,还有数不清的公司都是这样产生的。

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