一、概述
在设计过程中，利用计算机作为工具，帮助工程师进行设计的一切实用技术的总和称为计算机辅助设计（CAD，Computer Aided Design）。
计算机辅助设计包括的内容很多，如：概念设计、优化设计、有限元分析、计算机仿真、计算机辅助绘图、计算机辅助设计过程管理等。在工程设计中，一般包括两种内容：带有创造性的设计（方案的构思、工作原理的拟定等）和非创造性的工作，如绘图、设计计算等。创造性的设计需要发挥人的创造性思维能力，创造出以前不存在的设计方案，这项工作一般应由人来完成。非创造性的工作是一些繁琐重复性的计算分析和信息检索，完全可以借助计算机来完成。一个好的计算机辅助设计系统既能充分发挥人的创造性作用，又能充分利用计算机的高速分析计算能力，即要找到人和计算机的最佳结合点。
计算机辅助设计作为一门学科始于60年代初，一直到70年代，由于受到计算机技术的限制，CAD技术的发展很缓慢，进入80年代以来，计算机技术突飞猛进，特别是微机和工作站的发展和普及，再加上功能强大的外围设备，如大型图形显示器、绘图仪、激光打印机的问世，极大地推动了CAD技术的发展，CAD技术已进入实用化阶段，广泛服务于机械、电子、宇航、建筑、纺织等产品的总体设计、造型设计、结构设计、工艺过程设计等环节。
早期的CAD技术只能进行一些分析、计算和文件编写工作，后来发展到计算机辅助绘图和设计结果模拟，目前的CAD技术正朝着人工智能和知识工程方向发展，即所谓的ICAD（Intelligent CAD）。另外，设计和制造一体化技术即CAD/CAM技术以及CAD作为一个主要单元技术的CIMS技术都是CAD技术发展的重要方向。
在工业化国家如美国、日本和欧洲，CAD已广泛应用于设计与制造的各个领域如飞机、汽车、机械、模具、建筑、集成电路中，基本实现100％的计算机绘图。CAD系统的销售额每年以30～40％的速度递增，各种CAD软件的功能越来越完善，越来越强大。国内于70年代末开始CAD技术的大力推广应用工作，已经取得可喜的成绩，CAD技术在我国的应用方兴未艾。
二、CAD系统的硬件和软件
一个CAD系统由硬件和软件两部分组成，要想充分发挥CAD的作用，必须要有高性能的硬件和功能强大的软件。
（一）CAD硬件的组成
先进的CAD系统的硬件由计算机及其外围设备和网络组成。计算机分为大型机，中、小型机，工作站和微机四大类。目前应用较多的是CAD工作站，国内主要是微机和工作站。外围设备包括鼠标、键盘、扫描仪等输入设备和显示器、打印机、绘图仪、拷贝机等输出设备。网络系统包括中继器（增加网线长度）、网桥（同种网相连）、路由器（选择加工路线）、网关（不同协议相连）、Modem方式连接到网络上，以实现资源共享。网络的连接方式即网络的拓扑结构可分为星形、总线形、环形、树形以及星形和环形的组合等形式。先进的CAD系统都是以网络的形式出现的，特别是在并行工程环境中，为了进行产品的并行设计，网络更是必不可少的。那种单机CAD的工作方式在大中型企业中将逐渐淘汰，因为它远远不能满足现代企业设计的要求。
（二）CAD软件的组成
为了充分发挥计算机硬件的作用，CAD系统还必须配备各种功能齐全的软件。CAD系统的软件构成如图3-1-1所示。
图3-1-1 CAD系统的软件组成
软件分为两大类：支撑软件和应用软件。支撑软件包括操作系统（实现对硬件的控制和资源的管理），程序设计语言（Fortran、Basic、C、二次开发语言和汇编语言）及其编辑系统，数据库管理系统（对数据的输入、输出、分类、存储、检索进行管理）和图形支撑软件（AutoCAD）。另一类是应用软件，它是根据本领域工程特点，利用支撑软件系统开发的解决本工程领域特定问题的应用软件系统。应用软件系统包括：设计计算方法库（常用数学方法库、统计数学方法库、常规设计计算方法库、优化设计方法库、可靠性设计软件、动态设计软件等）和各种专业程序库（常用机械零件设计计算方法库、常用产品设计软件包等）。目前在二维CAD软件方面，国内已经开发出众多的应用软件，主要包括基于AutoCAD平台和自主平台两类应用软件。应用软件的性能CAD的效率有极大的影响，所以应特别重视它的开发和应用。
三、计算机辅助绘图
计算机辅助绘图是CAD中计算机应用最成熟的领域。计算机辅助绘制二维图形常用的方法有四种：
第一种是直接利用图形支撑软件提供的各种功能，利用人机交互方式将图形一笔一笔地画出来。比较老式的CAD系统都是采用这种方式，主要缺点是速度慢，绘图工作量大；
第二种是利用图形支撑软件提供的尺寸驱动方式进行绘图（又称参数化绘图），比较先进的图形支撑软件都提供这种功能。尺寸驱动一般是建立在变量几何原理上的，设计者可以采用“Hand Free”方式随手勾画出零件的拓扑结构，然后再给拓扑结构添加几何和尺寸约束，系统会自动将拓扑结构按照给定的约束转换成零件的几何形状和几何大小。这种方式大大提高了绘图效率，它也支持快速的概念设计；
第三种是利用图形支撑软件提供的二次开发工具，将一些常用的图素参数化，并将这些图素存在图库中。绘图时，根据需要从图库中按菜单调用有关图素，并将之拼装成有关的零件图形。由于图素已经参数化，可以方便地修改尺寸。这种利用参数化图素拼装成零件的绘图方法可以极大地提高绘图效率。
第四种方法是采用三维造型系统完成零件的三维立体模型，然后采用投影和剖切方式由三维模型生成二维图形，最后再对二维图形进行必要的修改和补充并标注尺寸、公差和其它技术要求。目前比较先进的CAD系统都具有这种功能。这是最为理想的绘图方法。这种绘图方式一般均可提供相关修改功能。在计算机辅助绘图系统中，要特别重视尺寸、公差和其它技术要求的标注问题，标注不仅繁琐、工作量大，而且容易出错（漏标、错标、重复标）。据统计，绘图工作量的40－60％是各种标注。所以，计算机辅助绘图的研究和应用重点应放在标注上。
四、几何建模
对于现实世界中的物体，从人们的想象出发，利用交互的方式将物体的想象模型输入计算机，而计算机以一定的方式将模型存储起来，这种过程称为几何建模。建模技术是CAD系统的核心技术，因为它是分析计算的基础，也是实现计算机辅助制造的基本手段。几何建模主要处理零件的几何信息和拓扑信息。几何信息一般是指物体在欧氏空间中的形状、位置和大小，拓扑信息则是指物体各分量的数目及其相互间的联接关系。目前常用的建模系统是三维几何建模系统，一般常用三种建模方式：线框建模、表面建模和实体建模。
线框建模是最简单的建模系统，物体只通过棱边（直线、圆弧、园）来描述，所需信息量少，所占存贮空间也最少。但没有面的信息，有些情况下信息不完整，存在多义性。表面建模是通过对物体各种表面或曲面进行描述的建模方法。表面建模常用于其表面不能用简单的数学模型进行描述的物体，如汽车、飞机、船舶的一些外表面。这种系统的重点在于由给出的离散数据构造曲面，使该曲面通过或逼近这些点，一般都采用插值、逼近和拟合算法。常用的算法有Bezier曲线、B样条曲线、Coons曲面、Bezier曲面和最近几年发展起来的NUBERS曲面。表面建模还可以用于有限元网格划分、多坐标数控编程、计算刀具的运动轨迹等。表面建模的缺点是不存在各个表面之间相互关系的信息，如果要同时考虑各个表面时，就不能采用表面建模方法。
三维实体建模是目前应用最多的一种技术，它在运动学分析、物理特性计算、装配干涉检验、有限元分析方面都已成为不可缺少的工具。实体建模生成物体的方法有体素法、轮廓扫描法（二维平面封闭轮廓在空间平移或旋转形成实体）和实体扫描法（刚体在空间运动以产生新的物体）。
三维实体建模在计算机内部的表达方式（数据的逻辑结构）有多种，常用的边界表示法Brep，构造立体几何法CSG，混合模式Brep＋CSG和空间单元表示法。边界表示法采用“坐标值－点－边－面－物体”的方式表示物体，能提供较全面的关于点、边、面的信息。
CSG法又称布尔模型，它是通过基本体素及它们之间的布尔运算（相加、相减、相交）来表示的。计算机内部存贮的主要是物体的生成过程。因此，其数据结构成树状，称为CSG树。CSG法的缺点是信息表示不完整，但是对零件的修改却容易得多。
混合格式一般采用Brep法和CSG法的组合，可以取各自的长处。空间单元表示法是通过具有一定大小的立方体（称为单元）组合起来表示物体的一种方法。它是通过定义各个单元的位置是否被占用来表达物体，因而是一种近似表示法。并且，单元的大小直接影响到模型的分辨率。单元表示法要求的存贮空间大，且不能表示物体各部分之间的关系，也没有点、线、面的概念。优点是算法简单，便于物性计算和有限元分析。
计算机辅助设计还包括很多其它内容，如优化设计、智能CAD、概念设计、工程数据库、计算机分析和仿真、CAD/CAM集成及接口技术等。最早的CAD的含义是计算机辅助绘图，随着技术的不断发展，CAD的含义才发展为计算机辅助设计。一个完善的CAD系统，应包括交互式图形程序库、工程数据库和应用程序库。对于产品或工程的设计，借助CAD技术，可以大大缩短设计周期，提高设计效率。
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