计算机辅助设计

计算机辅助设计（CAD）是研究计算机辅助产品设计和仿真的理论、方法和应用系统的一门学科，是计算机应用领域的一个分支。其研究方向包括曲线和曲面建模、产品建模、协同设计、图形绘制、计算机动画、可视化和视觉分析、虚拟现实、图形硬件等。CAD诞生于20世纪50年代。起初，它主要用于二维绘图。随着科学技术的不断进步，CAD也在向越来越多样化的功能发展，可以为设计人员提供各种实用高效的工具，对设计进行规划、分析、模拟、修改、优化、评估和决策，最终形成完整的工程文档。

此外，CAD技术本身是一项综合而复杂的系统工程，涉及计算机科学与工程、计算数学、计算力学、几何建模、计算机图形学、数据结构与数据库、仿真技术、人工智能等多个学科。随着计算机软硬件的发展，计算机辅助技术已广泛应用于航空航天、汽车、飞机、船舶、机械、电子、建筑、轻工和军事等领域。

CAD技术不是传统设计和制造过程和方法的简单图像，也不限于在单个步骤或环节中使用计算机作为工具。相反，它将计算机科学、信息技术和工程领域的专业技术以及人们的智慧和经验有机地结合在一起。在整个设计和制造过程中，CAD技术充分利用计算机系统来完成那些重复性强、劳动强度大、计算复杂、单纯依靠人力难以完成的任务，辅助而不是取代工程技术人员完成产品设计和制造任务。

计算机辅助设计在不同的工程领域和专业部门有不同的要求，但总的来说，其主要功能可以概括如下:1。交互式图形处理和几何模型构建；2.工程计算与分析、模拟、验证和优化设计；3.计算机自动绘图和辅助文档编辑；4.工程信息的有效存储和工程数据库的管理与共享。；5.基于知识库的专家系统和人工智能辅助设计与决策；6.良好的人机交互界面。

与常规设计相比，CAD具有明显的优势，如提高设计效率、缩短设计周期；利用计算机提供的标准数据库、图形库和应用软件提供的优化技术、有限元分析和设计计算功能提高设计质量；利用CAD技术中的运动分析、有限元分析和动态仿真技术，可以在设计阶段预测产品的特性。因此，可以及早发现设计缺陷，从而提高设计质量，提高产品可靠性，缩短新产品的试制周期。但与此同时，CAD技术也不是万能的，其缺点主要有以下几点:1。由于CAD系统一般采用人机对话，必须由了解设计任务的专业人员操作，对操作人员要求较高，给CAD系统的广泛应用带来一定困难；2.因为一个任务占用一个CAD系统，计算机利用率低，不可能多个设计人员同时使用同一台机器；3.计算机运行后的设计非常随意，因此操作人员很难预测计算机运行时间并制定计算机运行计划。

计算机辅助设计是随着计算机软硬件技术的发展而发展起来的。自1945年第一台电子计算机问世以来，计算机辅助工程和产品设计技术的发展大致经历了以下几个阶段:

形成阶段

从20世纪40年代末到50年代末，使用真空管计算机，用户必须编写程序用代码解决数学问题。计算机在解决问题时只起到数值计算的作用。一些大公司开始在实践中使用它，如美国通用电气公司，它被用于设计和计算变压器和电动机。20世纪50年代，世界上第一个计算机绘图系统在美国诞生，具有简单绘图输出功能的被动式计算机辅助设计技术开始出现。

成长阶段

从20世纪50年代末到60年代中后期，晶体管成为电子计算机的基本部件，计算机的计算速度和存储功能大大提高，可以广泛用于科学计算和事务管理，工程技术人员更容易掌握和使用。1962年，麻省理工学院林肯实验室的研究生萨瑟兰（I。e。Sutherland）发表了题为“人机对话的图形通信系统”的博士论文，首次提出了计算机图形学、交互技术和分层存储符号的数据结构等新思想。这一研究成果为CAD技术的深入发展和普及奠定了坚实的理论基础。

20世纪60年代中后期，由于计算机软件和硬件的快速发展，CAD技术取得了很大的飞跃。它被应用于成套设备的设计，如大型发电厂的锅炉和核反应堆的热交换器，从简单部件的设计和计算。一些美国大公司相继开发了CAD系统。例如，美国的IBM公司已相继为市场推出了计算机绘图设备；美国通用汽车公司开发了用于设计汽车车身和外形的CAD-1系统。这一时期，图形输入板、大容量磁盘存储器、光栅扫描显示器和光笔等多种商用图形输入输出设备相继出现，使CAD技术进入了实际应用阶段。在此期间，这项技术主要应用于机械和电子领域，同时开始研究三维几何建模技术。

开发应用阶段

20世纪70年代，计算机采用了集成电路，计算速度和存储容量大大增加，并开发了“测量系统”，使主机可以与数十个终端连接。在图形输入输出设备方面，在质量上也得到了进一步的发展和提高。从CRT显示器开始，光栅扫描图形显示器和彩色图形终端得到了发展，使图形更加生动和逼真。与此同时，计算机图形学在理论上也取得了很大进展，这使得CAD系统技术及其应用取得了很大进展，特别是基于小型计算机的独立CAD系统。CAD技术不再为几家大公司所独有，一般制造商和工业领域也可以使用。1972年，美国无线电公司为集成电路的掩模设计开发了一个名为Gold的系统。此外，有限元理论和程序设计开始蓬勃发展，在消除隐藏线方面进行了大量研究，为CAD技术的发展奠定了良好的基础。

快速发展阶段

自20世纪80年代以来，电子设备的集成度迅速提高。随着芯片技术的发展，小型机和微型计算机的性能日益提高。专用图形处理和数据库处理器的出现，虚拟存储操作系统、分布式数据库技术和网络技术在软件中的应用，使CAD技术迅速发展。应用部门也从航空、汽车和机械制造业扩展到电子电器、化工、土木工程、水利、交通、纺织服装和资源。

技术成熟阶段

自20世纪90年代以来，CAD技术的发展趋于成熟，不再停留在单一模式、单一功能和单一领域的水平，而是朝着开放、标准化和集成的方向发展。主要体现在系统结构由过去的单一功能向综合功能转变，出现了集计算机辅助设计和辅助制造于一体的计算机集成制造系统。凝固技术、网络技术、多处理器和并行处理技术在CAD中的应用极大地提高了CAD系统的性能。将人工智能和专家系统技术引入CAD，出现了智能CAD技术，它大大增强了CAD系统的问题解决能力，使设计过程更加自动化。

21世纪初，CAD的建模技术更加完善，特征建模和基于约束的参数化、变量化建模方法被广泛采用，并朝着线框、曲面和实体建模统一表示的非流形本体建模方向发展。基于几何模型的各种计算机辅助设计功能，如CAX（CAD、CAM等技术的总称）相关的分析、制造、工程和优化等技术得到了全面深入的发展。例如，软结构和软总线技术在企业中得到广泛应用并与其他计算机辅助技术有机结合，形成计算机集成制造系统。

数字时代CAD技术

在数字化时代，CAD与CAE的集成有望成为主流。在传统意义上，设计和模拟之间有明确的界限。CAD软件往往兼具通用和垂直属性，而CAE软件则强调分工明确的行业和场景中工程问题的解决。然而，随着R&D设计公司将承担越来越多的责任，特别是并行工程的概念，R&D将逐渐关注产品的外部属性，从最初的产品生产率、材料可采购性、客户需求全面性、产品可维护性和产品盈利性等各种特征。

此外，CAD产品的分类逐步细化，研发重点逐步转向上层应用差异。由于工业设计各个过程的侧重点不同，对CAD功能的要求也不同。在形状设计过程中，更加注重产品的形状构造，这需要更好的曲面造型能力。在设备生产中，更加注重实体建模，以避免在后期装配、仿真和加工中出现不正确的结果。在工厂规划过程中，降低了对建模细节的要求，但强调了管线的布局规划。

根据不同的模型，CAD系统通常分为二维CAD系统和三维CAD系统，具体来说:

二维设计

20世纪80年代，随着计算机技术的发展和个人计算机的普及应用，2D CAD交互式绘图技术开始逐步推广。在2D CAD系统中，产品和工程设计图纸通常被视为几何元素的集合，如“点、线、圆、弧、文本等”，系统中表达的任何设计都变成了几何图形。所依赖的数学模型是几何模型，这些元素的几何特征被系统地记录下来。就机械产品而言，二维CAD系统的主要功能是绘制所要设计产品的工程图。由于绘图速度快、精度高、修改方便、图形可重用，大大提高了设计效率，便于交流和管理。

然而，二维CAD系统有明显的缺点。首先，设计师在脑海中形成要设计的产品的大致形状（毫无疑问，这是三维的），然后按照一定的规则用二维图纸表达这种三维形状。这种转换不仅增加了设计时间，而且使设计者的设计意图变得晦涩难懂，因为在大多数情况下，这些图纸必须由受过专业训练的人阅读，并且数据提取必须由图纸阅读者根据规则进行解释，以理解绘图员的意思。二是二维CAD系统无法分析机构的几何关系和运动关系，难以提前发现机构之间可能存在的运动干涉关系，往往直到实际机构装配后才能发现，难以实现新产品的一次成功试制。

三维CAD

在20世纪末，个人计算机足以支持3D CAD软件的硬件要求，而3D CAD软件在21世纪初开始实用并广泛使用。三维CAD软件几乎可以通过计算机在人脑中“再现”想象中的物体。虽然重现的三维模型不同于现实世界中可触摸的三维物体，但这种模型具有完整的三维几何信息，以及材料、颜色和纹理等其他非几何信息。人们可以通过旋转模型来模拟现实世界中观察物体的不同视角，通过放大或缩小模型来模拟现实中观察物体的距离，就好像物体就在自己眼前一样，甚至可以通过动画功能来模拟机器运动。

与二维CAD系统相比，三维CAD系统具有以下优点。例如，三维CAD系统可以直观地看到整个产品的实际过程，因此即使那些看不懂二维图纸的人也可以了解设计师正在设计什么样的产品，并对正在开发的产品提出建议。其直观的设计使设计师能够第一时间发现设计问题和设计缺陷，提高设计效率。此外，借助三维产品建模，可以通过有限元仿真软件对整个虚拟产品进行充分的分析和仿真，从而优化产品的结构，改善产品的力学性能，提高产品的质量。然而，3D CAD也存在一些缺点，如数据不包括尺寸公差、形状公差、表面粗糙度、热处理方法、材料等无法单独通过形状表达的信息。此外，基于关键零件的注释、放大图和剖面图的技术要求可以更灵活合理地传达设计意图，也存在不足之处。

传统CAD技术的主要内容包括:图形处理（如自动绘图、几何建模等。）、工程分析（如优化设计、参数化设计、有限元计算等。）、数据管理和交换（如数据库、产品数据交换规范等。），而计算机主要用于开展与工程设计相关的辅助工作。在应用中，传统的CAD技术仅局限于产品设计阶段的一小部分，设计人员无法在整个设计过程中获得创造性和智能化的支持，尤其是在产品设计最重要的初步设计的总体构思阶段，需要领域专家长期实践经验的有力支持。随着新技术的应用和发展，要求设计的产品种类多样化和复杂化，要求设计人员在整个设计过程中提高设计质量和效率。传统的CAD数据库系统、交互式图形系统和科学计算存在许多缺点，因此必须使CAD系统智能化才能更好地发展。

现代CAD技术是指以现代计算机技术、计算机网络、人工智能技术等为基础的CAD技术。采用现代设计理论和方法，基于强大的集成环境和工具进行产品设计，能够支持复杂的系统环境。现代CAD技术充分融入了飞速发展的计算机技术、计算机网络、人工智能等现代科技成果。其核心目的是追求产品设计的集成化、网络化、并行协同和智能化，从而提高产品设计质量、降低产品成本和缩短产品开发周期。

综合表现

集成的含义是多角度、多层次的，主要表现在以下几个方面:（1）一个CAD系统内部模块之间的集成。（2）集成各种CAD系统。（3）工程设计领域CAD/CAPP/CAM系统的集成。集成的本质是为企业提供集成解决方案和集成开发（发布）环境，通过并行工程、PDM等方法对整个企业的各种数据进行集成和管理。因此，CIMS制造系统中的计算机应运而生，它主要是指通过计算机对产品的计划、设计、制造、检验、包装、运输、销售等生产环节进行优化和控制，以实现产品生成的高度自动化，最大限度地实现企业信息共享，提高生产效率。

平行协同

新一代CAD或CAM系统的核心是“并行艺术到产品环境（CAPE）”。CAPE定义为在计算机网络环境下描述和建模产品开发的整个设计和管理过程，强调并行工程和面向制造，采用PDM技术，在软件结构、产品数据、面向对象开发技术、产品建模性能设计、质量控制等方面取得突破。，为实现并行处理提供了更完善的环境。在PDM实施过程中，我们要处理产品开发和制造环境中的所有数字信息，并集成工程设计、制造、生产、物流、计划等信息。生产中各部门产生的数据可以由PDM控制。这些数据可能是CAD或CAM文件、材料清单、工艺计划、分析模型及其结果、视听材料、原型数据、材料技术要求和采购数据。

智能化

传统的CAD系统只能处理机械设计中的数值工作，包括计算、分析和绘图，这不适用于产品设计的整个生命周期，尤其是在产品概念设计阶段，从抽象到具体的实现极其困难，需要基于专家丰富的经验和知识做出合理的判断和决策。所有这些任务都需要知识、经验和推理。将专家系统技术与CAD技术相结合，形成智能CAD系统是必然趋势。智能CAD的研究热点如下:（1）构建基于并行设计理论和方法的新一代智能CAD系统，解决并行设计、方案设计、创新设计和动态设计等问题。（2）面向设计的专家系统的基本理论和技术问题，如知识获取、推理机制、分布式系统结构、多推理机制、多知识表示结构和多专家系统结构。（3）基于神经网络的设计方法，包括神经网络在知识获取中的应用、常规智能CAD系统、专家系统集成模型、基于理论的设计方案综合评价方法和CAD实施策略。

建立工作关系网

随着互联网的发展，各种技术和系统都有网络化的趋势。联网后，所有系统都相互协作。例如，将智能CAD联网后，不同智能CAD系统之间的知识库和数据库可以共享，CAD的智能将提高到一个新的水平。不同的机械结构模型设计人员也可以进行协同设计。传统的机械结构模型总是由一个设计师设计，这种设计效果不可避免地会受到设计师自身素质的影响。智能CAD联网后，多个机械结构模型设计人员可以进行协同设计，使设计人员之间的不足可以在一定程度上互补。除了与智能CAD协同设计外，还可以通过联网建立企业联盟，并通过互联网上的需求关系更迅速地响应市场。

人机交互

CAD技术正在向智能化方向发展，而智能CAD系统是针对机械结构等模型的设计者的，因此人机交互也是CAD发展的一个趋势。简单的人机交互使用鼠标和键盘进行输入和显示，打印机进行输出。这种人机交互形式单一，效率低，如果要使用智能CAD系统，必须具备足够的设计知识才能使用。因此，如果人机交互变得更加友好和高效，例如在用户界面变得更加拟人化之后，一些没有CAD专业知识的用户也可以进行一些简单的设计，专业的模型设计人员使用起来也会变得更加简单和方便，CAD的智能也会相应地提高。

并行工程技术

并行工程是以集成和并行的方式设计产品和相关过程（包括制造过程和支持过程）的系统方法，是20世纪80年代末提出的一种新的制造理念。它在设计阶段重点关注产品的各个方面，相关人员同时对产品性能和相关工艺设计进行评估，及时改进设计以得到满意和优化的产品，同时为后续技术环节做好准备和操作，从而在满足产品质量的前提下缩短开发周期，提高企业竞争力。并行工程的基本要素是优化设计，它从产品性能设计、产品制造过程性能设计、产品可检测性性能设计、产品可维修性性能设计和产品符合性性能设计等方面进行优化，以促进更多具有合适市场的新产品的快速生产。随着网络通信的普及、信息处理的智能化和多媒体技术的实用化，并行工程在CAD技术中的应用前景更加广阔。

多媒体教学

多媒体是指文本（文字和数字）、图形、图像和声音等不同媒体可以随意操作和切换。从信息存储的角度来看，它意味着磁盘、光盘、磁带、存储器、终端和打印机上的信息可以随意切换和使用。其关键技术是模式识别、图像、声音和图像信息的压缩和恢复技术以及面向对象技术。

工程和产品设计 

工程设计:在建筑、水利、电力、能源、交通、地质勘探等部门，CAD技术已全面应用于工程项目的设计。例如，在公路桥梁的设计中，可以使用CAD技术对桥梁设计进行合理的规划，并直观地选择相应的设计方案。CAD技术可以通过建模来模拟和确定整个桥梁的应力和变形，从而检测整个工程的设计质量和整体质量。

计算机辅助设计

产品设计:CAD技术设计产品最早出现在机械、电子、造船、航空、包装的计算机辅助设计中，后来扩展到航空航天、通信等高科技领域，现在已扩展到轻工、纺织、包装、服装等行业。

例如，在包装设计中，设计师收集产品的详细信息并将其导入计算机设备后，计算机技术可以以此为基础将信息提交给设计师进行初步制定。

设计师和软件工程师应结合产品的功能要求、艺术外观要求和合适的包装材料等各种因素规划产品的意图，然后将其交给数字制作者来结合设计师表达的想法和信息，利用软件将创意图形转换为标准的数据文件格式，并将其导入3D软件中以精确制作基本的3D模型。

最后，找出产品外观与包装设计之间的空间分布关系，同时遵循艺术构成中的空间、比例、尺度和统一性原则以确保包装。

模拟和动画制作

高性能CAD的应用可以真实地模拟机械零件的加工过程、飞机的起飞和降落、船舶的进出和物体的损坏，并在影视制作中制作动画片和特技镜头。例如，3D动画是CAD应用领域中更广泛的技术，它可以产生现实中难以实现的视觉效果，还可以用作机械等领域的仿真分析。三维CAD建模可以按照现实世界的规律运动，具有弹性、重力、惯性、摩擦力和浮力的特性。这些运动可以由软件的动态系统生成，或者通过输入外部运动捕捉数据来模拟。

信息处理及其可视化

在事务和技术等办公自动化管理中，使用CAD技术处理统计数据并绘制各种形式的图表（如方形表和扇形表）清晰直观。利用CAD技术将原始数据制作成地理地形图、矿产分布图、气象图、人口密度图及相关的等值线图、等势图等，既方便又准确。在工程科技领域处理各种类型的图形和图像可以实现高质量和高效率，例如电子印刷。

电脑艺术设计

CAD技术已广泛应用于艺术品的制作，如各种图案、花纹、工艺造型设计以及传统油画、中国画和书法等。制作动画片、电影特写和影视广告，也用于室内外环境设计。例如，随着CAD技术和3D打印技术的发展，可以实现陶瓷的三维参数化模型可视化和数控加工，精确测量陶瓷产品的体积、容量、壁厚等数据，从而优化陶瓷的形状和结构，设计出更多符合现代审美需求的陶瓷文化创意产品。