計算機輔助設計

計算機輔助設計(CAD-Computer Aided Design) ^[1] 

20世紀50年代在美國誕生第一台計算機繪圖系統，開始出現具有簡單繪圖輸出功能的被動式的計算機輔助設計技術。60年代初期出現了CAD的曲面片技術，中期推出商品化的計算機繪圖設備。70年代，完整的CAD系統開始形成，後期出現了能產生逼真圖形的光柵掃描顯示器，推出了手動遊標、圖形輸入板等多種形式的圖形輸入設備，促進了CAD技術的發展。

80 年代，隨着強有力的超大規模集成電路製成的微處理器和存儲器件的出現，工程工作站問世，CAD技術在中小型企業逐步普及。80 年代中期以來，CAD技術向標準化、集成化、智能化方向發展。一些標準的圖形接口軟件和圖形功能相繼推出，為CAD 技術的推廣、軟件的移植和數據共享起了重要的促進作用；系統構造由過去的單一功能變成綜合功能，出現了計算機輔助設計與輔助製造聯成一體的計算機集成製造系統；固化技術、網絡技術、多處理機和並行處理技術在CAD中的應用，極大地提高了CAD系統的性能；人工智能和專家系統技術引入CAD，出現了智能CAD技術，使CAD系統的問題求解能力大為增強，設計過程更趨自動化。

CAD已在建築設計、電子和電氣、科學研究、機械設計、軟件開發、機器人、服裝業、出版業、工廠自動化、土木築、地質、計算機藝術等各個領域得到廣泛應用。

考試級別：（全國職業教育資格認證CVEQC初級）、（全國職業教育資格認證CVEQC中級）、（全國職業教育資格認證CVEQC高級）

基本技術 主要包括交互技術、圖形變換技術、曲面造型和實體造型技術等。

在計算機輔助設計中，交互技術是必不可少的。交互式cad系統， 指用户在使用計算機系統進行設計時，人和機器可以及時地交換信息。採用交互式系統，人們可以邊構思 、邊打樣、邊修改，隨時可從圖形終端屏幕上看到每一步操作的顯示結果，非常直觀。

圖形變換的主要功能是把用户座標系和圖形輸出設備的座標系聯繫起來；對圖形作平移、旋轉、縮放、透視變換 ；通過矩陣運算來實現圖形變換。

實體造型技術(Solid Modeling)是計算機視覺、計算機動畫、計算機虛擬現實等領域中建立3D實體模型的關鍵技術。實體造型技術是指描述幾何模型的形狀和屬性的信息並存於計算機內，由計算機生成具有真實感的可視的三維圖形的技術。 ^[2] 

通常以具有圖形功能的交互計算機系統為基礎，主要設備有：計算機主機，圖形顯示終端，圖形輸入板，繪圖儀，掃描儀，打印機，磁帶機，以及各類軟件。

工程工作站一般指具有超級小型機功能和三維圖形處理能力的一種單用户交互式計算機系統。它有較強的計算能力，用規範的圖形軟件，有高分辨率的顯示終端，可以聯在資源共享的局域網上工作，已形成最流行的cad系統。

個人計算機（pc）系統價格低廉，操作方便，使用靈活。80年代以後，pc機性能不斷翻新，硬件和軟件發展迅猛，加之圖形卡、高分辨率圖形顯示器的應用，以及pc機網絡技術的發展，由pc機構成的cad 系統已大量湧現，而且呈上升趨勢。

除了計算機主機和一般的外圍設備外，計算機輔助設計主要使用圖形輸入輸出設備。交互圖形系統對cad 尤為重要。圖形輸入設備的一般作用是把平面上點的座標送入計算機。

常見的輸入設備有鍵盤、光筆、觸摸屏、操縱桿、跟蹤球、鼠標器、圖形輸入板和數字化儀。

圖形輸出設備分為軟拷貝和硬拷貝兩大類：

軟拷貝設備指各種圖形顯示設備，是人機交互必不可少的；

硬拷貝設備常用作圖形顯示的附屬設備，它把屏幕上的圖像複印出來，以便保存。

常用的圖形顯示有三種：有向束顯示、存儲管顯示和光柵掃描顯示。

有向束顯示應用最早，為了使圖像清晰，電子束必須不斷重畫圖形，故又稱刷新顯示，它易於擦除和修改圖形，適於作交互圖形的手段。

存儲管顯示保存圖像而不必刷新，故能顯示大量數據，且價格較低。

光柵掃描系統能提供彩色圖像，圖像信息可存放在所謂幀緩衝存儲器裏，圖像的分辨率較高。

除計算機本身的軟件如操作系統、編譯程序外，cad主要使用交互式圖形顯示軟件、cad應用軟件和數據管理軟件3類軟件。

交互式圖形顯示軟件用於圖形顯示的開窗、剪輯、觀看，圖形的變換、修改，以及相應的人機交互。

cad 應用軟件提供幾何造型、特徵計算、繪圖等功能 ， 以完成面向各專業領域的各種專門設計。構造應用軟件的四個要素是：算法 、數據結構、用户界面和數據管理。

數據管理軟件用於存儲 、檢索和處理大量數據，包括文字和圖形信息。為此，需要建立工程數據庫系統。它同一般的數據庫系統相比有如下特點：數據類型更加多樣，設計過程中實體關係複雜，庫中數值和數據結構經常發生變動，設計者的操作主要是一種實時性的交互處理。

現代CAD系統的功能包括:

(1)設計組件重用(Reuse of design components)

(2)簡易的設計修改和版本控制功能(Ease of design modification and versioning)

(3)設計的標準組件的自動產生(Automatic generation of standard components of the design)

(4)設計是否滿足要求和實際規則的檢驗(Validation/verification of designs against specifications and design rules)

(5)無需建立物理原型的設計模擬(Simulation of designs without building a physical prototype)

(6)裝配件(一堆零件或者其它裝配件)的自動設計

(7)工程文檔的輸出，例如製造圖紙，材料明細表(Bill of Materials)

(8)設計到生產設備的直接輸出

(9)到快速原型或快速製造工業原型的機器的直接輸出

（1）信息檢索型CAD系統 ^[3] 

主要用於設計已定型的標準化和系列化程度很高的產品。其工作原理是將已定型的產品的標準化圖紙變成圖形信息存入計算機。設計時根據訂貨要求輸入必要的信息，在計算機進行必要的計算以後，自動檢索出最佳的標準圖形。

（2）人機交互型CAD系統 ^[3] 

人機交互型CAD系統的工作原理大體是：由設計者根據自己的知識和經驗確定並描述出設計模型，再由計算機對與之有關產品的大量資料進行檢索，並對有關數據和公式進行高速運算；通過草圖和標準圖的顯示，設計者運用長期工作中積累的經驗對其進行分析，用鍵盤或者鼠標等輸入裝置，人機對話式地直接對圖形進行實時修改，計算機根據指令作出響應，重新組織顯示，反覆循環，逐步完善。

（3）智能型CAD系統 ^[3] 

在現階段，人工智能的應用主要是以專家系統的方式來體現的，即把專家系統與原CAD系統有機地結合在一起。專家系統是一種使計算機能夠運用專家的專門知識和推理、判斷能力進行設計工作的計算機軟件系統。在智能型CAD系統中，專家系統承擔需要依靠知識和經驗作出推理的判斷工作，主要有設計過程決策（解決設計思路問題），設計技術決策（解決設計中遇到的具體技術問題的決策）和各種結果評價等。而一些可以用數學模型來描述的問題則由通常的CAD輔助設計系統來解決。 ^[3] 

AutoCAD是國際上著名的二維和三維CAD設計軟件，是美國Autodesk公司首次於1982年生產的自動計算機輔助設計軟件，用於二維繪圖、詳細繪製、設計文檔和基本三維設計。現已經成為國際上廣為流行的繪圖工具。.dwg文件格式成為二維繪圖的事實標準格式。

AutoCAD有着良好的用户界面，它的多文檔設計環境，讓非計算機專業人員也能非常快的學會使用。AutoCAD擁有廣泛的適應性和良好的兼容性，可以在各種PC系統和工作站上運行，並支持分辨率由320×200到2048×1024的各種圖形顯示設備40多種，以及數字儀和鼠標器30多種，繪圖儀和打印機數十種，這就為AutoCAD的普及創造了條件。

在機械領域AutoCAD作為最常用的軟件之一應用在繪製圖紙、建模多方面，通過應用AutoCAD軟件，很大程度提升了機械設計的質量水平。不僅如此AutoCAD軟件還支持應用功能組合鍵與常用快捷鍵，讓用户在軟件作中可以滿足功能交互輸入控制功能選項。該軟件也可以為操作者提供繪製圖形的功能，支持二次開發及腳本運行。 ^[5] 

浩辰CAD是著名的國產CAD設計軟件，由蘇州浩辰軟件股份有限公司開發，目前最新版本為浩辰CAD 2012。

浩辰CAD兼容AutoCAD，在界面、功能、操作習慣、命令方式、文件格式、二次開發接口與之基本一致，並根據國內用户需求開發大量使用工具，具有更高的性價比，此外浩辰CAD還可以提供針對勘察設計行業和製造業的全面解決方案。

2010年，浩辰獲得工信部資金支持，開發三維建築協同設計軟件，2012年將推出集建築、結構、水暖電、日照、節能等專業軟件及協同設計和管理系統於一體的全套解決方案。

中望CAD是另一種國產CAD設計軟件，由廣州中望龍騰軟件股份有限公司開發並在2001年推出了第一個版本，目前最新版本為中望CAD 2023 ^[8]  。

中望CAD兼容普遍使用的AutoCAD，在界面、功能、操作習慣、命令方式、文件格式上與之基本一致，但具有更高的性價比和更貼心的本土化服務，深受用户歡迎，被廣泛應用於通信、建築、煤炭、水利水電、電子、機械、模具等勘察設計和製造業領域。

中望公司在2010年斥資千萬美元收購了美國著名的三維CAD/CAM設計軟件公司：VX，並在2010年8月份推出了中望3D2010版，從此中望公司開始涉及三維CAD設計軟件領域。

MicroStation是國際上和AutoCAD齊名的二維和三維CAD設計軟件，第一個版本由Bentley兄弟在1986年開發完成。其專用格式是DGN，併兼容AutoCAD的DWG/DXF等格式。

MicroStation是Bentley 工程軟件系統有限公司在建築、土木工程、交通運輸、加工工廠、離散製造業、政府部門、公用事業和電訊網絡等領域解決方案的基礎平台。

MicroStation具有很強大的兼容性和擴展性，可以通過一系列第三方軟件實現諸多特殊效果。例如用TurnTool等第三方插件，即可直接用MicroStation發佈在線三維展示案例。

Solidworks軟件是一款功能強大、組件豐富的計算機輔助設計軟件,其強大的參數化設計功能，使產品的設計、製造和生產管理融為一體 ^[6]  。Solidworks實體設計直接從三維模型人手，省去設計過程中三維與二維之間的轉化，直觀易學，操作方便Solidworks軟件採用參數驅動的設計模式，可以通過修改相關的參數來完善設計方案，支持設計方案的動態修改。軟件中包含豐富的標準件圖庫,用户也可任意擴充自定義的圖庫，因而減少了不必要的重複性設計工作，有效地縮短了設計週期，提高了設計效率，軟件可以通過任意旋轉和剖切對運動的零部件進行動態的干涉檢查和間隙檢測，發現問題立即修正，把“試製過程”放在設計階段，可以避免做成實物後才發現問題，提高了新產品設計的成功率。Solidworks把產品的造型設計和功能性設計有機的結合在一起，是一種創新的工業設計工具 ^[7]  。

CAD設計軟件會提供一些模型，但更多的模型需要從網上下載的，國內一些論壇和平台也會提供相關模型下載，不過內容準確度和豐富性尚待完善。

但如果企業有多種CAD系統並行的局面，那麼就需要配置統一的、具備跨平台能力的零部件數據資源庫，將標準件庫和外購件庫內的模型數據以CAD原始數據格式導出到三維構型系統當中去，如主流的Autodesk Inventor，SolidWorks, CATIA, SolidEdge, Pro/E, AutoCAD, UG NX, Onespace等，更快的幫助設計人員完成設計工作，提升效率。基於互聯網的PLM零部件數據資源平台——PARTcommunity似以雲之力構建了龐大而豐富的三維模型，在國外，這種網絡服務被稱為“零部件圖書館”或“數據資源倉庫”。在歐美和日本的PLM用户中，PARTcommunity（簡稱PCOM）的知名度一點都不亞於今天我們所熟知的BLOG和SNS這樣的網絡平台。

2010年年初PARTcommunity 2.0 （簡稱PCOM 2.0）正式在德國上線，其簡體中文PCOM 2.0站點正式落户北京(linkable.partcommunity)，平台由北京翎瑞鴻翔科技有限公司與德國卡迪納斯有限公司共同合作開發，其提供數百家國內外廠商的產品模型供註冊用户免費下載和使用，能夠滿足用户的不同需要，例如國產浩辰CAD，ZWCAD, 天河CAD，CAXA等等。對於部分引進再研發的國產建模系統，如Thinkdesign (Think3), VX等，PARTsolutions也提供原始格式數據接口。

計算機自身的CAD，旨在實現計算機自身設計和研製過程的自動化或半自動化。研究內容包括功能設計自動化和組裝設計自動化，涉及計算機硬件描述語言、系統級模擬、自動邏輯綜合、邏輯模擬、微程序設計自動化、自動邏輯劃分、自動佈局佈線，以及相應的交互圖形系統和工程數據庫系統。集成電路 cad有時也列入計算機設計自動化的範圍。

CAD帶來的收益包括：降低了產品開發成本、提高了生產力、提高了產品質量並且加快了新產品上市速度。 ^[4]