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计算机辅助设计

胜于蓝2023-10-31【设计杂谈】人已围观

简介利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。简称CAD。在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要用计算机对不

利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。简称CAD。在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。

发展概况

计算机辅助设计(CAD-Computer Aided Design)^[1]
计算机辅助设计
20世纪50年代在美国诞生第一台计算机绘图系统，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。60年代初期出现了CAD的曲面片技术，中期推出商品化的计算机绘图设备。70年代，完整的CAD系统开始形成，后期出现了能产生逼真图形的光栅扫描显示器，推出了手动游标、图形输入板等多种形式的图形输入设备，促进了CAD技术的发展。
CAD 软件截图
80 年代，随着强有力的超大规模集成电路制成的微处理器和存储器件的出现，工程工作站问世，CAD技术在中小型企业逐步普及。80 年代中期以来，CAD技术向标准化、集成化、智能化方向发展。一些标准的图形接口软件和图形功能相继推出，为CAD 技术的推广、软件的移植和数据共享起了重要的促进作用；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。
CAD已在建筑设计、电子和电气、科学研究、机械设计、软件开发、机器人、服装业、出版业、工厂自动化、土木筑、地质、计算机艺术等各个领域得到广泛应用。
考试级别：（全国职业教育资格认证CVEQC初级）、（全国职业教育资格认证CVEQC中级）、（全国职业教育资格认证CVEQC高级）

基本技术

计算机辅助设计
基本技术主要包括交互技术、图形变换技术、曲面造型和实体造型技术等。

基本技术
技术	概述
交互技术	在计算机辅助设计中，交互技术是必不可少的。交互式cad系统，指用户在使用计算机系统进行设计时，人和机器可以及时地交换信息。采用交互式系统，人们可以边构思、边打样、边修改，随时可从图形终端屏幕上看到每一步操作的显示结果，非常直观。
图形变换	图形变换的主要功能是把用户坐标系和图形输出设备的坐标系联系起来；对图形作平移、旋转、缩放、透视变换；通过矩阵运算来实现图形变换。
实体造型	实体造型技术(Solid Modeling)是计算机视觉、计算机动画、计算机虚拟现实等领域中建立3D实体模型的关键技术。实体造型技术是指描述几何模型的形状和属性的信息并存于计算机内，由计算机生成具有真实感的可视的三维图形的技术。^[2]

系统组成

通常以具有图形功能的交互计算机系统为基础，主要设备有：计算机主机，图形显示终端，图形输入板，绘图仪，扫描仪，打印机，磁带机，以及各类软件。

工程工作站

工程工作站一般指具有超级小型机功能和三维图形处理能力的一种单用户交互式计算机系统。它有较强的计算能力，用规范的图形软件，有高分辨率的显示终端，可以联在资源共享的局域网上工作，已形成最流行的cad系统。

个人计算机

个人计算机（pc）系统价格低廉，操作方便，使用灵活。80年代以后，pc机性能不断翻新，硬件和软件发展迅猛，加之图形卡、高分辨率图形显示器的应用，以及pc机网络技术的发展，由pc机构成的cad 系统已大量涌现，而且呈上升趋势。

图形输入输出

作用：
除了计算机主机和一般的外围设备外，计算机辅助设计主要使用图形输入输出设备。交互图形系统对cad 尤为重要。图形输入设备的一般作用是把平面上点的坐标送入计算机。
常见设备：
常见的输入设备有键盘、光笔、触摸屏、操纵杆、跟踪球、鼠标器、图形输入板和数字化仪。
设备分类：
图形输出设备分为软拷贝和硬拷贝两大类：
软拷贝设备指各种图形显示设备，是人机交互必不可少的；
硬拷贝设备常用作图形显示的附属设备，它把屏幕上的图像复印出来，以便保存。
常用的图形显示有三种：有向束显示、存储管显示和光栅扫描显示。
有向束显示应用最早，为了使图像清晰，电子束必须不断重画图形，故又称刷新显示，它易于擦除和修改图形，适于作交互图形的手段。
存储管显示保存图像而不必刷新，故能显示大量数据，且价格较低。
光栅扫描系统能提供彩色图像，图像信息可存放在所谓帧缓冲存储器里，图像的分辨率较高。

CAD软件

除计算机本身的软件如操作系统、编译程序外，cad主要使用交互式图形显示软件、cad应用软件和数据管理软件3类软件。
交互式图形显示软件用于图形显示的开窗、剪辑、观看，图形的变换、修改，以及相应的人机交互。
cad 应用软件提供几何造型、特征计算、绘图等功能，以完成面向各专业领域的各种专门设计。构造应用软件的四个要素是：算法、数据结构、用户界面和数据管理。
数据管理软件用于存储、检索和处理大量数据，包括文字和图形信息。为此，需要建立工程数据库系统。它同一般的数据库系统相比有如下特点：数据类型更加多样，设计过程中实体关系复杂，库中数值和数据结构经常发生变动，设计者的操作主要是一种实时性的交互处理。

绘图功能

CAD系统功能

现代CAD系统的功能包括:
(1)设计组件重用(Reuse of design components)
(2)简易的设计修改和版本控制功能(Ease of design modification and versioning)
(3)设计的标准组件的自动产生(Automatic generation of standard components of the design)
(4)设计是否满足要求和实际规则的检验(Validation/verification of designs against specifications and design rules)
(5)无需建立物理原型的设计模拟(Simulation of designs without building a physical prototype)
(6)装配件(一堆零件或者其它装配件)的自动设计
(7)工程文档的输出，例如制造图纸，材料明细表(Bill of Materials)
(8)设计到生产设备的直接输出
(9)到快速原型或快速制造工业原型的机器的直接输出

CAD系统的类型

CAD系统的类型
系统类型	概述
信息检索型CAD系统^[3]	主要用于设计已定型的标准化和系列化程度很高的产品。其工作原理是将已定型的产品的标准化图纸变成图形信息存入计算机。设计时根据订货要求输入必要的信息，在计算机进行必要的计算以后，自动检索出最佳的标准图形。
人机交互型CAD系统^[3]	人机交互型CAD系统的工作原理大体是：由设计者根据自己的知识和经验确定并描述出设计模型，再由计算机对与之有关产品的大量资料进行检索，并对有关数据和公式进行高速运算；通过草图和标准图的显示，设计者运用长期工作中积累的经验对其进行分析，用键盘或者鼠标等输入装置，人机对话式地直接对图形进行实时修改，计算机根据指令作出响应，重新组织显示，反复循环，逐步完善。
智能型CAD系统^[3]	在现阶段，人工智能的应用主要是以专家系统的方式来体现的，即把专家系统与原CAD系统有机地结合在一起。专家系统是一种使计算机能够运用专家的专门知识和推理、判断能力进行设计工作的计算机软件系统。在智能型CAD系统中，专家系统承担需要依靠知识和经验作出推理的判断工作，主要有设计过程决策（解决设计思路问题），设计技术决策（解决设计中遇到的具体技术问题的决策）和各种结果评价等。而一些可以用数学模型来描述的问题则由通常的CAD辅助设计系统来解决。^[3]

CAD软件介绍

AutoCAD是国际上著名的二维和三维CAD设计软件，是美国Autodesk公司首次于1982年生产的自动计算机辅助设计软件，用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计。现已经成为国际上广为流行的绘图工具。.dwg文件格式成为二维绘图的事实标准格式。
AutoCAD有着良好的用户界面，它的多文档设计环境，让非计算机专业人员也能非常快的学会使用。AutoCAD拥有广泛的适应性和良好的兼容性，可以在各种PC系统和工作站上运行，并支持分辨率由320×200到2048×1024的各种图形显示设备40多种，以及数字仪和鼠标器30多种，绘图仪和打印机数十种，这就为AutoCAD的普及创造了条件。
在机械领域AutoCAD作为最常用的软件之一应用在绘制图纸、建模多方面，通过应用AutoCAD软件，很大程度提升了机械设计的质量水平。不仅如此AutoCAD软件还支持应用功能组合键与常用快捷键，让用户在软件作中可以满足功能交互输入控制功能选项。该软件也可以为操作者提供绘制图形的功能，支持二次开发及脚本运行。^[5]
浩辰CAD是著名的国产CAD设计软件，由苏州浩辰软件股份有限公司开发，目前最新版本为浩辰CAD 2012。
浩辰CAD完美兼容AutoCAD，在界面、功能、操作习惯、命令方式、文件格式、二次开发接口与之基本一致，并根据国内用户需求开发大量使用工具，具有更高的性价比，此外浩辰CAD还可以提供针对勘察设计行业和制造业的全面解决方案。
2010年，浩辰获得工信部资金支持，开发三维建筑协同设计软件，2012年将推出集建筑、结构、水暖电、日照、节能等专业软件及协同设计和管理系统于一体的全套解决方案。
中望CAD是另一种国产CAD设计软件，由广州中望龙腾软件股份有限公司开发并在2001年推出了第一个版本，目前最新版本为中望CAD 2023^[8]。
中望CAD兼容普遍使用的AutoCAD，在界面、功能、操作习惯、命令方式、文件格式上与之基本一致，但具有更高的性价比和更贴心的本土化服务，深受用户欢迎，被广泛应用于通信、建筑、煤炭、水利水电、电子、机械、模具等勘察设计和制造业领域。
中望公司在2010年斥资千万美元收购了美国著名的三维CAD/CAM设计软件公司：VX，并在2010年8月份推出了中望3D2010版，从此中望公司开始涉及三维CAD设计软件领域。
MicroStation是国际上和AutoCAD齐名的二维和三维CAD设计软件，第一个版本由Bentley兄弟在1986年开发完成。其专用格式是DGN，并兼容AutoCAD的DWG/DXF等格式。
MicroStation是Bentley 工程软件系统有限公司在建筑、土木工程、交通运输、加工工厂、离散制造业、政府部门、公用事业和电讯网络等领域解决方案的基础平台。
MicroStation具有很强大的兼容性和扩展性，可以通过一系列第三方软件实现诸多特殊效果。例如用TurnTool等第三方插件，即可直接用MicroStation发布在线三维展示案例。
Solidworks软件是一款功能强大、组件丰富的计算机辅助设计软件,其强大的参数化设计功能，使产品的设计、制造和生产管理融为一体^[6]。Solidworks实体设计直接从三维模型人手，省去设计过程中三维与二维之间的转化，直观易学，操作方便Solidworks软件采用参数驱动的设计模式，可以通过修改相关的参数来完善设计方案，支持设计方案的动态修改。软件中包含丰富的标准件图库,用户也可任意扩充自定义的图库，因而减少了不必要的重复性设计工作，有效地缩短了设计周期，提高了设计效率，软件可以通过任意旋转和剖切对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测，发现问题立即修正，把“试制过程”放在设计阶段，可以避免做成实物后才发现问题，提高了新产品设计的成功率。Solidworks把产品的造型设计和功能性设计有机的结合在一起，是一种创新的工业设计工具^[7]。

CAD模型数据

CAD设计软件会提供一些模型，但更多的模型需要从网上下载的，国内一些论坛和平台也会提供相关模型下载，不过内容准确度和丰富性尚待完善。
但如果企业有多种CAD系统并行的局面，那么就需要配置统一的、具备跨平台能力的零部件数据资源库，将标准件库和外购件库内的模型数据以CAD原始数据格式导出到三维构型系统当中去，如主流的Autodesk Inventor，SolidWorks, CATIA, SolidEdge, Pro/E, AutoCAD, UG NX, Onespace等，更快的帮助设计人员完成设计工作，提升效率。基于互联网的PLM零部件数据资源平台——PARTcommunity似以云之力构建了庞大而丰富的三维模型，在国外，这种网络服务被称为“零部件图书馆”或“数据资源仓库”。在欧美和日本的PLM用户中，PARTcommunity（简称PCOM）的知名度一点都不亚于今天我们所熟知的BLOG和SNS这样的网络平台。
2010年年初PARTcommunity 2.0 （简称PCOM 2.0）正式在德国上线，其简体中文PCOM 2.0站点正式落户北京(linkable.partcommunity)，平台由北京翎瑞鸿翔科技有限公司与德国卡迪纳斯有限公司共同合作开发，其提供数百家国内外厂商的产品模型供注册用户免费下载和使用，能够满足用户的不同需要，例如国产浩辰CAD，ZWCAD, 天河CAD，CAXA等等。对于部分引进再研发的国产建模系统，如Thinkdesign (Think3), VX等，PARTsolutions也提供原始格式数据接口。

设计自动化

计算机自身的CAD，旨在实现计算机自身设计和研制过程的自动化或半自动化。研究内容包括功能设计自动化和组装设计自动化，涉及计算机硬件描述语言、系统级模拟、自动逻辑综合、逻辑模拟、微程序设计自动化、自动逻辑划分、自动布局布线，以及相应的交互图形系统和工程数据库系统。集成电路 cad有时也列入计算机设计自动化的范围。