计算机辅助设计

计算机辅助设计（Computer Aided Design，简称CAD）是研究计算机辅助产品设计、模拟的理论、方法和应用系统的一门学科，是计算机应用领域中的一个分支，其研究方向包括曲线曲面造型、产品建模、协同设计、图形绘制、计算机动画、可视化与可视分析、虚拟现实、图形硬件等。^[1]

CAD诞生于20世纪50年代，起初主要用于二维绘图。随着科学技术的不断进步，CAD也在不断发展，功能越来越多样化，可以为设计者提供多种实用高效的工具，对设计进行规划、分析、模拟、修改、优化、评价、决策，并最终形成完整的工程文档。^[3]

此外，CAD技术本身是一项综合性的、技术复杂的系统工程，涉及许多学科领域，如计算机科学与工程、计算数学、计算力学、几何造型、计算机图形学、数据结构和数据库、仿真技术，人工智能等。^[4]随着计算机软、硬件的发展，计算机辅助技术已广泛运用到宇航、汽车、飞机、船舶、机械、电子、建筑、轻工及军事等各个领域中。^[2]

CAD技术不是传统设计、制造流程和方法的简单映像，也不局限于在个别步骤或环节中部分地使用计算机作为工具，而是将计算机科学、信息技术与工程领域的专业技术以及人的智慧和经验知识有机结合起来，在设计、制造的全过程中各尽所长，尽可能地利用计算机系统来完成那些重复性高、劳动量大、计算复杂以及单纯靠人工难以完成的工作，辅助而非代替工程技术人员完成产品设计制造任务，以期获得最佳效果。^[5]

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，但是从整体来说，其主要功能可以概括为：1、交互式的图形处理与几何模型构造；2、工程计算分析和对设计的模拟、验证、优化；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及工程数据库的管理与共享。；5、知识库基础上的专家系统和人工智能型辅助设计与决策；6、良好的人机交互界面。^[6]

CAD与常规设计相比，具有明显的优越性，例如提高设计效率、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、动态仿真等技术，可以在设计阶段预估产品的特性。因此，可及早发现设计缺陷，从而能够提高设计质量、提高产品的可靠性、缩短新产品的试制周期等。^[6] 但同时，CAD技术并不是万能的，其的缺点主要表现在， 1、因为CAD系统一般都采用人机对话方式，所以必须由了解设计任务的专业人员来操作，对操作人员要求高，这给CAD系统的广泛应用带来一定困难；2、由于一个任务占据了一个CAD系统，计算机利用率低，不能同时有多个设计者使用同一台机器； 3、上机后设计随意性很大，操作人员很难预计上机时间和制定用机计划。^[7]

计算机辅助设计是随着计算机硬件、软件技术进展而发展起来的。自从第一台电子计算机在1945年问世以来，利用计算机进行工程、产品辅助设计技术的发展大体经历了如下几个阶段：

20世纪40年代末至50年代末，此期间使用的是真空管式计算机，用户要用代码编写求解数学问题的程序，计算机仅起解题中的数值计算作用。少数大公司开始实际使用，如美国通用电气公司曾用于进行变压器、电动机等的设计计算。20世纪50年代世界上第一台计算机绘图系统在美国诞生，开始出现具有简单绘图输出功能的被动式的计算机辅助设计技术。^[8]

20世纪50年代末至60年代中、后期，晶体管成为电子计算机的基本元件，计算机的运算速度与存贮功能有较大提高，能通用于科学计算与事务管理，且较易为广大工程技术人员掌握和使用。^[8]1962年美国麻省理工学院林肯实验室的研究生I.E.Sutherland发表了题为“人机对话图形通信系统”的博士论文，首次提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想，这一研究成果为CAD技术的深入发展和推广应用打下了坚实的理论基础。^[9]

20世纪60年代中后期，由于计算机软、硬件的迅速进展，CAD技术有很大飞跃，它从简单的零部构件的设计计算，推广应用于大型电站锅炉、核反应堆热交换器等成套设备的设计，美国一些大公司先后研发了CAD系统。^[8]例如，美国IBM公司面向市场先后推出了计算机绘图设备；美国通用汽车公司为设计汽车车身和外形而开发了CAD一1系统。这一时期，图形输入板、大容量的磁盘存储器、光栅扫描显示器、光笔等许多商业化的图形输入输出设备相继出现，使CAD技术开始进入实际应用阶段。在这一时期，该技术主要应用于机械、电子领域，同时开始研究三维几何造型技术。^[9]

20世纪70年代，计算机已采用集成电路，计算速度与内存容量均有极大增长，发展了“分寸系统”，使大型机可与几十个终端连接。在图形输出入设备方面亦获得了进一步发展与质量的提高，从CRT显示器发展出光栅扫描图形显示器、彩色图形终端等，使图形更加形象逼真。^[8]同时，计算机图形学在理论上也有了较大进展，这些使CAD系统技术及其应用有了较大发展，特别是产生了以小型计算机为基础的独立CAD系统。CAD技术不再是为几家大公司所独有，而且也能为一般厂商和工业领域使用。1972年美国无线电公司开发了一个称为Gold的系统，用于集成电路的掩膜设计。此外，有限元理论和程序设计开始得到蓬勃发展，在消除隐藏线等方面开展了大量研究，为CAD技术发展打下了良好的基础。^[10]

进入80年代以来，电子器件的集成度迅速提高，随着芯片技术的发展，使小型机与微型机的性能日益完善，专门的图形处理与数据库处理机的出现，软件方面虚拟存贮操作系统、分布式数据库技术与网络技术的应用，使CAD技术有了快速的发展，应用部门也从航空、汽车、机械制造行业扩展到电子电器、化工、土木、水利、交通、纺织服装、资源勘探、医疗保健等各行各业。^[8]

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、单一领域的水平，而是向开放性、标准化、集成化的方向发展。^[11]主要体现在系统构造由过去的单一功能变成综合功能，出现了计算机辅助设计与辅助制造联成一体的计算机集成制造系统；固化技术、网络技术、多处理机和并行处理技术在CAD中的应用，极大地提高了CAD系统的性能；人工智能和专家系统技术引入CAD，出现了智能CAD技术，使CAD系统的问题求解能力大为增强，设计过程更趋自动化。^[8]

21世纪初，CAD的造型技术更加完善，广泛采用了特征造型和基于约束的参数化和变量化造型方法，并向集线框、表面、实体造型统一表示的非流形形体造型发展。基于几何模型的各种计算机辅助设计功能，如分析、制造、工程、优化等CAX（CAD、CAM等技术的总称）相关技术得到了全面、深入的发展。例如，软结构和软总线技术得到普遍应用，并与企业其他计算机辅助技术有机结合，构成了计算机集成制造系统。^[12]

数字化时代，CAD与CAE融合有望成为主流。传统意义上设计与仿真界限分明，CAD软件往往通用性质与垂直性质兼具，而CAE软件则更强调行业与场景下的工程问题的解决，分工明确。但随着研发设计断将承担越来越多的职责，尤其是并行工程等概念从提出到落地，研发逐渐从最初的注重产品的外在性质到同时关注产品可生产性、物料可采购性、客户需求全面性、产品可维护性以及产品可盈利性等多样特性。^[13]

此外，CAD产品分类也逐渐细化，研发的重点逐渐转移到上层应用差异上来。由于工业设计各个流程着重点不同，对于CAD功能的需求也各不相同，外形设计流程中，更加注重产品的外形构建，这就要求更好的曲面建模能力。而在设备生产则更注重实体建模，从而避免后期装配、仿真与加工得到不正确的结果。在工厂规划过程中，对建模细节要求降低，但重视管道的布局规划。^[13]

根据模型的不同，CAD系统一般分为二维CAD系统和三维CAD系统，具体而言：^[14]

20世纪80年代，随着计算机技术的发展与个人计算机的普及应用，二维CAD交互绘图技术开始逐步推广，^[15]二维CAD系统一般将产品和工程设计图纸看成是“点、线、圆、弧、文本……”等几何元素的集合，系统内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，系统记录了这些图素的几何特征。就机械产品而言，二维CAD系统的主要作用是用来绘制出待设计产品的工程图纸，^[14]由于计算机绘图速度快、精度高、修改方便、可重用图形，使设计效率大幅度提升，易于交流与管理。^[15]

但是，二维CAD系统具有明显的不足，一、二维工程图的绘制首先是由设计者在头脑中形成对待设计产品的大致形状(毫无疑问，这是三维的)，然后再按照一定的规则将这个立体形状用二维图纸表达出来。这种转化不仅增加了设计时间，还使得设计者的设计意图变得隐晦，因为在大多数情况下，这些图纸必须由经过专业训练的人才能读懂，数据的提取必须由读图的人按照规则进行解释，才能了解绘图人的意思。二、二维CAD系统不能对机构的几何关系和运动关系进行分析，对于机构之间可能存在的运动干涉关系很难事先发现，往往要到实际机构在装配时才能发觉，这使得新产品的试制难以实现一次成功。^[14]

20世纪末，个人计算机足以支撑三维CAD软件的硬件需求，三维CAD软件开始实用化，并在21世纪初开始得到广泛应用。三维CAD软件几乎能将人脑中想象的物体通过计算机来“复现”，复现出的三维模型虽然与真实世界中可以触摸的三维物体有所不同，但是这个模型具有完整的三维几何信息，还可以有材料、颜色、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远近，仿佛物体就位于自己眼前一样，甚至可以通过动画功能模拟机器动作。^[15]

与二维CAD系统相比，三维CAD系统具有以下优点，例如三维CAD系统在整个产品实际过程中可以很直观地看到，因此即便是那些看不懂二维图纸的人也能理解设计人员正在设计什么样的产品，并能对正在开发的产品提出建议，其设计的直观性，使得设计者可以在第一时间发现设计问题和设计缺陷，提高设计效率。此外，拥有三维产品造型，就可以通过有限元仿真软件对整个虚拟产品进行真实的运动、力学和载荷的全面分析和运动仿真，可以优化产品的结构、改善产品的力学性能、提高产品的质量。但是，三维CAD也存在一些缺点，如数据中没有包括尺寸公差、形位公差、表面粗糙度、热处理方法、材质等仅靠形状而无法表达的信息。另外，基于注释的技术要求、关键部位的放大图和剖面图等能够更为灵活而合理地传达设计意图也存在不足。^[14]

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）、数据管理与交换（如数据库、产品数据交换规范等），主要利用计算机进行与工程设计相关的辅助工作。^[16]在应用方面，传统的CAD技术仅局限于产品设计阶段的一小部分，设计者还不能在整个设计过程中获得创造性和智能性的支持，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。随着新技术的应用与发展，要求所设计的产品品种多样化和复杂化，要求设计者在整个设计过程中提高设计质量和效率，以及传统CAD的数据库系统、交互图形系统以及科学计算都存在诸多缺点，必须使CAD系统智能化，才能更好地发展。^[17]

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，运用现代设计理论和方法，基于强有力的面向产品设计的集成环境和工具，能够支持复杂系统环境的CAD技术。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。它的核心目的是追求产品设计工作的集成化、网络化、并行协同化、智能化等，从而达到提高产品设计质量、降低产品成本、缩短产品研发周期的目的。^[18]

集成化的含义是多角度、多层次的，它主要表现在以下方面：(1)CAD系统内部各模块之间的集成。(2)各种CAD系统之间的集成。(3)工程设计领域CAD／CAPP／CAM系统之间的集成。^[19]集成化实质是为企业提供一体化的解决方案和集成开发(放)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，计算机集成制造系统(Computer In·tegrated Manufacturing System，CIMS)应运而生，主要是指通过计算机优化和控制产品的规划、设计、制造、检验、包装、运输、销售等各个生产环节，以期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。^[18]

新一代CAD或CAM系统的核心是“并行产品设计新技术环境(Concurrent Art—toProduct Environment，CAPE)”。CAPE的定义是在计算机网络环境内对产品开发的整个设计和管理过程进行描述建模，强调并行工程和面向制造，采用PDM技术，从软件结构、产品数据、面向目标的开发技术、产品建模的性能设计、质量控制等方面有所突破．为实现并行处理提供更完善的环境。在PDM实施过程中，应致力于处理产品开发和制造环境中的所有数字信息，将工程设计、制造、生产、后勤、计划等信息连成一体。生产中各部门产生的数据，都能用PDM进行控制。这些数据可能是CAD或CAM文件、材料清单、过程计划、分析模型及其结果、声像资料、原型数据、材料技术要求和采购数据等。^[18]

传统的CAD系统在机械设计中只能处理数值型的工作，包括计算、分析与绘图，不适合产品设计的整个生命周期，特别在产品概念设计阶段，从抽象到具体的实现极为困难，它需要根据专家丰富的经验与知识做出合理的判断与决策。这些工作都需要知识、经验和推理，将专家系统技术与CAD技术结合起来，形成智能化CAD系统是其发展的必然趋势。CAD智能化研究的热点表现在：(1)基于并行设计理论方法建立新一代智能CAD系统，解决并行设计、方案设计、创新设计、动态设计等问题。(2)设计型专家系统基本理论及技术问题，如知识获取、推理机制、分布式系统结构、多推理机制、多知识表示结构以及多专家系统结构等。(3)基于神经网络的设计方法，包括神经网络在知识获取、规则化智能CAD系统、专家系统的集成模型、基于理论的设计方案综合评判方法以及CAD实现策略等。^[20]

随着互联网的发展，各种技术和系统都有网络化的发展趋势，在网络化之后，各个系统之间进行协同作业，例如把智能CAD进行网络化之后，不同智能CAD系统之间的知识库和数据库等都可以进行共享，CAD的智能化将会提高到一个新的层次，不同的机械结构模型设计人员在进行设计时，也可以进行协同设计，传统的机械结构模型往往都是由一个设计人员进行全程的设计，这种设计效果必然会受到这个设计人员自身素质的影响，把智能CAD进行网络化连接之后，那么多个机械结构模型设计人员就可以进行协同设计，这样设计人员之间的缺点就可以进行一定程度上的互补，除了可以利用智能CAD进行协同设计之外，还可以利用网络化建立一个企业联盟，通过互联网上的需求关系，对市场的反应也能够更加得迅速。^[20]

CAD技术向智能化方向发展，而智能CAD系统面向的是机械结构等模型的设计者，所以人机交互化也是CAD发展的一个趋势。简单的人机交互是利用鼠标和键盘进行输入，显示器和打印机进行输出，这样的人机交互形式单一，效率也比较低，而且要想使用智能CAD系统，必须具有足够的设计知识才能进行使用。因此，如果把人机交互化变得更加友好、高效，例如，在用户接口更加拟人化之后，一些没有CAD专业知识的用户，也可以进行一些简单的设计，而专业的模型设计者使用起来，将会变得更加简单和方便，CAD的智能化也会相应地提高。^[20]

并行工程(Concurrent Engineering，简称CE)就是集成地、并行地设计产品及相关过程(包括制造过程和支持过程)的系统方法，是80年代末提出的一种新兴的制造概念。它在产品的设计阶段就集中地研究产品的各个环节，有关人员对产品性能和有关进程设计同时作出评估，及时地改进设计以得到满意的和优化的产品，并能对后续技术环节同时作出准备和操作，在满足产品质量的前提下，缩短开发周期，提高企业的竞争力。 并行工程的基本要素是优化设计，并且从产品性能设计、产品制造工艺性能设计、产品可检测性能设计、产品可维护性能设计以及产品依从性能设计人手进行优化，促进快出多出市场对路的新产品。随着“网络通信的普及化”“信息处理的智能化”“多媒体技术实用化”，并行工程在CAD技术中的运用有更广阔的前景。^[21]

多媒体是指正文(文字和数字)、图形、图像和声音等不同媒体可随意操作和切换，从信息储存角度而言，是指磁盘、光盘、磁带、内存、终端及打印机上的信息可随意切换和使用。其关键技术是模式识别，图、声、像信息的压缩、还原技术以及面向对象的技术等。^[21]

工程设计方面：在建筑、水利、电力、能源、交通运输、地质勘探等部门，CAD技术已全面用于工程项目的设计。^[22]例如在公路桥梁设计中就可以使用CAD技术对桥梁的设计进行合理的规划，并能够直观的选择出相应的设计方案。CAD技术可以通过建模来模拟确定整个桥梁的受力情况以及实际使用过程中的变形情况，从而检测整个工程的设计质量和整体质量。^[23]

产品设计方面：CAD技术设计产品最先出现在机械、电子部门、造船、航空部门，包装计算机辅助设计，后来延伸到航空航天、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。^[22]例如，在包装设计方面，设计师对产品的详细信息进行收集和导入到计算机设备之后，能使计算机技术以此作为基础参照信息交由设计工作者进行初步制定的阶段。设计师和软件工程人员应当结合功能需求、外观艺术需求以及合适包装材质等各种因素规划出产品想要传达的意图，接着交给数字制作人员结合设计师表达的想法和传递的信息，利用软件作用于包装设计中创意图形转换为标准的数据文件格式，导入到3D软件中精确地制作出基础的3D模型，最后从中找出产品外观与包装设计的空间的分布关系，同时在艺术构图方面要遵循空间、比例、尺度及统一等原则，保证包装设计方案的科学合理性。^[24]

应用高性能CAD可以真实模拟机械零件的加工处理过程、飞机起降、船舶进出港口、物体受力破坏等现象，在电影、电视制作中产生动画片和特技镜头。^[25] 例如，3D动画是CAD应用领域更为广阔的一项技术，它可以制作现实中难以实现的视觉效果，也可以作为机械等领域的模拟分析。三维CAD造型可以按照真实世界的法则进行运动，具有弹性、重力、惯性、摩擦力、浮力等表现特征，这些运动可以通过软件的动力学系统来产生，也可以通过输入外部的动作捕捉数据来模拟。^[26]

在事务、技术等办公自动化管理工作中，采用CAD技术将统计的数据信息处理后绘成各种形式的图表(如直方表、扇形表等)，既清晰又直观；用CAD技术将原始数据制作成地理地形图、矿藏分布图、气象图、人口密度图以及相关的等值线图、等位面图等，既方便又准确；在工程科技领域对各种类型的图形图像进行处理可以做到优质高效，如电子印刷等。^[22]

CAD技术已普遍用于艺术品制作，如各种图案、花纹、工艺造型设计以及传统的油画、国画和书法等；制作动画片、电影的特写镜头以及影视广告，还用于室内外环境设计等。例如，CAD技术和3D打印技术的发展，可实现陶瓷3D参数模型可视化和模型数控加工，精确测算陶瓷产品的体积、容量、壁厚等数据，从而优化陶瓷形态与结构，设计出更多符合现代审美需求的陶瓷文化创意产品。^[27]

AutoCAD是由美国Autodesk公司于20世纪80年代开发的通用计算机辅助绘图与设计软件，是用于二维及三维设计、绘图的交互式软件工具，用户可以使用它来创建、浏览、管理、打印、输出、共享及准确复制包含大量设计信息的图形，具有功能强大、使用方便、体系结构开放等优点。AutoCAD的主要特点可概括为：强大的二维绘图功能；灵活的图形编辑功能；实用的三维建模功能；开放的二次开发功能；完善的用户定制功能。^[28]

Pro/Engineer软件是美国PTC公司的产品，其提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械CAD/CAE/CAM的传统观念，利用该概念开发出来的第三代Pro/Engineer软件能将从设计至生产的全过程集成到一起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程，拥有很大的用户群。^[29]

SOLIDWORKS是基于Windows系统开发的三维机械设计软件，是一款以设计功能为主的CAD软件，在家电生产、汽车生产、医疗器械生产、模具生产等不同领域的企业中拥有数量众多的用户。作为参变量式CAD设计软件。该软件可以将零件尺寸的设计用参数描述，并在设计、修改的过程中通过修改参数的数值改变零件的外形，同时SOLIDWORKS提供了一整套完整的动态界面和鼠标拖动控制功能，减少了多余的对话框，避免了界面的零乱，具有使用简单、操作方便的特点。^[30]

UG NX是由SIEMENS公司推出的一种交互式计算机辅助设计、计算机辅助制造与计算机辅助工程（CAD/CAM/CAE)高度集成的软件系统，功能涵盖设计、建模、装配、模拟分析、加工制造和产品生命周期管理等方面，广泛应用于机械、模具、汽车、家电、航空航天等领域。^[31]

Onshape公司于2012年成立，是全球第一家完全专注于云和移动的CAD公司，其架构了一个仅基于云、web和移动的3D CAD系统。该软件是完全基于互联网，在任何时间、任何地点、任何终端都可以直接登录，进行三维协同设计，不再有存盘按钮，设计成果不再存为文件，创建人可以授权他人进行多种方式的共享，比如只能浏览，或者可以修改。此外，Onshape可以完全支持企业基于唯一数据源，便捷地开展异地协同设计，能够清晰、准确记录用户的设计修改操作并进行协同，无需考虑文件修改版本问题，让用户专注于设计本身。^[32]

该软件用于 CAD、MCAD、CAx、CAE 和 PLM 的基于特征的参数化 3D 建模器，直接面向机械工程和产品设计，但也适用于更广泛的工程应用，如建筑或其他工程专业。它是完全开源和极度模块化的，允许非常高级的扩展和定制。同时，FreeCAD 支持多平台，包括 Windows、Mac 和 Linux，并且能读写许多文件格式，如 STEP、IGES、STL、SVG、DXF、OBJ、IFC、DAE 等等。^[33]

OpenSCAD是一款可以创建实体三维CAD模型的免费软件，可用于 Linux/UNIX、MS Windows和 MacOS X。它允许设计人员创建精确的3D模型和参数化设计，并且可以通过更改参数进行轻松调整。此外，OpenSCAD是面向程序员的实体建模工具，通常被认为是设计开源硬件的入门级CAD工具，比如科研和教育科学工具。^[34]

QCAD是一款免费的开源2D CAD应用程序，用于二维 (2D) 计算机辅助绘图 (CAD)，支持用户创建技术图纸，例如建筑平面图、室内设计、机械零件或示意图和图表，适用于 Windows、macOS 和 Linux。该程序的功能包括：图层、块（分组）、35种CAD字体、40多种施工工具、20多种修改工具等等。^[34]

BRL-CAD是一个跨平台的 CAD 工具，最早可追溯至 1979 年，最初由 Mike Muuss 在陆军研究实验室开发，被美国军方用于建模武器系统，但也被用于更多的日常设计任务，从学术到工业设计到健康应用。作为一个构造实体几何(CSG) 实体模型计算机辅助设计(CAD) 系统，其包括交互式的几何编辑器、光学跟踪支持图形着色和几何分析、计算机网络分布式帧缓存支持、图像处理和信号处理工具, 可以进行几何编辑、几何分析，支持分布式网络，可以进行图像处理和信号处理。^[33]

LibreCAD 原名为 CADuntu ，是基于社区版本的 QCad 构建，并利用 Qt4 进行了重构，原生支持 Mac OSX、Windows 和 Linux 。它提供了基于 GPL 协议的读取 / 修改 / 创建 CAD 文件 (.dxf) 方案，并且被翻译成 30 多种语言。^[33][35]