計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（計(jì)算機(jī) Aided 設(shè)計(jì)，簡稱CAD）是研究計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模擬的理論、方法和應(yīng)用系統(tǒng)的一門學(xué)科，是計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中的一個(gè)分支，其研究方向包括曲線曲面造型、產(chǎn)品建模、協(xié)同設(shè)計(jì)、圖形繪制、CG、可視化與可視分析、虛擬現(xiàn)實(shí)、圖形硬件等。
CAD誕生于20世紀(jì)50年代，起初主要用于二維繪圖。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，CAD也在不斷發(fā)展，功能越來越多樣化，可以為設(shè)計(jì)者提供多種實(shí)用高效的工具，對設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)劃、分析、模擬、修改、優(yōu)化、評價(jià)、決策，并最終形成完整的工程文檔。
此外，CAD技術(shù)本身是一項(xiàng)綜合性的、技術(shù)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及許多學(xué)科領(lǐng)域，如計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程、計(jì)算數(shù)學(xué)、計(jì)算力學(xué)、幾何造型、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)庫、仿真技術(shù)，人工智慧等。隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)已廣泛運(yùn)用到宇航、汽車、飛機(jī)、船舶、機(jī)械、電子、建筑、輕工及軍事等各個(gè)領(lǐng)域中。
概述
CAD技術(shù)不是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造流程和方法的簡單映像，也不局限于在個(gè)別步驟或環(huán)節(jié)中部分地使用計(jì)算機(jī)作為工具，而是將計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息技術(shù)與工程領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)以及人的智慧和經(jīng)驗(yàn)知識有機(jī)結(jié)合起來，在設(shè)計(jì)、制造的全過程中各盡所長，盡可能地利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來完成那些重復(fù)性高、勞動(dòng)量大、計(jì)算復(fù)雜以及單純靠人工難以完成的工作，輔助而非代替工程技術(shù)人員完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造任務(wù)，以期獲得最佳效果。
計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在不同的工程領(lǐng)域和專業(yè)部門有不同的要求，但是從整體來說，其主要功能可以概括為：1、交互式的圖形處理與幾何模型構(gòu)造；2、工程計(jì)算分析和對設(shè)計(jì)的模擬、驗(yàn)證、優(yōu)化；3、計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪圖和輔助文檔編輯；4、工程信息的有效存儲及工程數(shù)據(jù)庫的管理與共享。；5、知識庫基礎(chǔ)上的專家系統(tǒng)和人工智能型輔助設(shè)計(jì)與決策；6、良好的人機(jī)交互界面。
CAD與常規(guī)設(shè)計(jì)相比，具有明顯的優(yōu)越性，例如提高設(shè)計(jì)效率、縮短設(shè)計(jì)周期；利用計(jì)算機(jī)提供的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫、圖形庫和應(yīng)用軟件提供的優(yōu)化技術(shù)有限元分析和設(shè)計(jì)計(jì)算功能，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量；利用CAD技術(shù)中的運(yùn)動(dòng)分析、有限元分析、動(dòng)態(tài)仿真等技術(shù)，可以在設(shè)計(jì)階段預(yù)估產(chǎn)品的特性。因此，可及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，從而能夠提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、提高產(chǎn)品的可靠性、縮短新產(chǎn)品的試制周期等。 但同時(shí)，CAD技術(shù)并不是萬能的，其的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在， 1、因?yàn)镃AD系統(tǒng)一般都采用人機(jī)對話方式，所以必須由了解設(shè)計(jì)任務(wù)的專業(yè)人員來操作，對操作人員要求高，這給CAD系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用帶來一定困難；2、由于一個(gè)任務(wù)占據(jù)了一個(gè)CAD系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)利用率低，不能同時(shí)有多個(gè)設(shè)計(jì)者使用同一臺機(jī)器； 3、上機(jī)后設(shè)計(jì)隨意性很大，操作人員很難預(yù)計(jì)上機(jī)時(shí)間和制定用機(jī)計(jì)劃。
發(fā)展概況
計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)進(jìn)展而發(fā)展起來的。自從第一臺電子計(jì)算機(jī)在1945年問世以來，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行工程、產(chǎn)品輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展大體經(jīng)歷了如下幾個(gè)階段：
形成階段
20世紀(jì)40年代末至50年代末，此期間使用的是真空管式計(jì)算機(jī)，用戶要用代碼編寫求解數(shù)學(xué)問題的程序，計(jì)算機(jī)僅起解題中的數(shù)值計(jì)算作用。少數(shù)大公司開始實(shí)際使用，如通用電氣曾用于進(jìn)行變壓器、電動(dòng)機(jī)等的設(shè)計(jì)計(jì)算。20世紀(jì)50年代世界上第一臺計(jì)算機(jī)繪圖系統(tǒng)在美國誕生，開始出現(xiàn)具有簡單繪圖輸出功能的被動(dòng)式的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)。
成長階段
20世紀(jì)50年代末至60年代中、后期，晶體管成為電子計(jì)算機(jī)的基本元件，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度與存貯功能有較大提高，能通用于科學(xué)計(jì)算與事務(wù)管理，且較易為廣大工程技術(shù)人員掌握和使用。1962年麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的研究生I.E.Sutherland發(fā)表了題為“人機(jī)對話圖形通信系統(tǒng)”的博士論文，首次提出了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、交互技術(shù)、分層存儲符號的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等新思想，這一研究成果為CAD技術(shù)的深入發(fā)展和推廣應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
20世紀(jì)60年代中后期，由于計(jì)算機(jī)軟、硬件的迅速進(jìn)展，CAD技術(shù)有很大飛躍，它從簡單的零部構(gòu)件的設(shè)計(jì)計(jì)算，推廣應(yīng)用于大型電站鍋爐、核反應(yīng)堆熱交換器等成套設(shè)備的設(shè)計(jì)，美國一些大公司先后研發(fā)了CAD系統(tǒng)。例如，美國IBM公司面向市場先后推出了計(jì)算機(jī)繪圖設(shè)備；通用汽車汽車公司為設(shè)計(jì)汽車車身和外形而開發(fā)了CAD一1系統(tǒng)。這一時(shí)期，圖形輸入板、大容量的磁盤存儲器、光柵掃描顯示器、光筆等許多商業(yè)化的圖形輸入輸出設(shè)備相繼出現(xiàn)，使CAD技術(shù)開始進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。在這一時(shí)期，該技術(shù)主要應(yīng)用于機(jī)械、電子領(lǐng)域，同時(shí)開始研究三維幾何造型技術(shù)。
開發(fā)應(yīng)用階段
20世紀(jì)70年代，計(jì)算機(jī)已采用集成電路，計(jì)算速度與內(nèi)存容量均有極大增長，發(fā)展了“分寸系統(tǒng)”，使大型機(jī)可與幾十個(gè)終端連接。在圖形輸出入設(shè)備方面亦獲得了進(jìn)一步發(fā)展與質(zhì)量的提高，從CRT顯示器發(fā)展出光柵掃描圖形顯示器、彩色圖形終端等，使圖形更加形象逼真。同時(shí)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在理論上也有了較大進(jìn)展，這些使CAD系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用有了較大發(fā)展，特別是產(chǎn)生了以小型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的獨(dú)立CAD系統(tǒng)。CAD技術(shù)不再是為幾家大公司所獨(dú)有，而且也能為一般廠商和工業(yè)領(lǐng)域使用。1972年RCA開發(fā)了一個(gè)稱為Gold的系統(tǒng)，用于集成電路的掩膜設(shè)計(jì)。此外，有限元理論和程序設(shè)計(jì)開始得到蓬勃發(fā)展，在消除隱藏線等方面開展了大量研究，為CAD技術(shù)發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。
高速發(fā)展階段
進(jìn)入80年代以來，電子器件的集成度迅速提高，隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，使小型機(jī)與微型機(jī)的性能日益完善，專門的圖形處理與數(shù)據(jù)庫處理機(jī)的出現(xiàn)，軟件方面虛擬存貯操作系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，使CAD技術(shù)有了快速的發(fā)展，應(yīng)用部門也從航空、汽車、機(jī)械制造行業(yè)擴(kuò)展到電子電器、化工、土木、水利、交通、紡織服裝、資源鉆探、醫(yī)療保健等各行各業(yè)。
技術(shù)成熟階段
20世紀(jì)90年代以來，CAD技術(shù)的發(fā)展趨于成熟，不再停留在單一模式、單一功能、單一領(lǐng)域的水平，而是向開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、集成化的方向發(fā)展。主要體現(xiàn)在系統(tǒng)構(gòu)造由過去的單一功能變成綜合功能，出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與輔助制造聯(lián)成一體的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)；固化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多處理機(jī)和并行處理技術(shù)在CAD中的應(yīng)用，極大地提高了CAD系統(tǒng)的性能；人工智能和專家系統(tǒng)技術(shù)引入CAD，出現(xiàn)了智能CAD技術(shù)，使CAD系統(tǒng)的問題求解能力大為增強(qiáng)，設(shè)計(jì)過程更趨自動(dòng)化。
21世紀(jì)初，CAD的造型技術(shù)更加完善，廣泛采用了特征造型和基于約束的參數(shù)化和變量化造型方法，并向集線框、表面、實(shí)體造型統(tǒng)一表示的非流形形體造型發(fā)展。基于幾何模型的各種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)功能，如分析、制造、工程、優(yōu)化等CAX（CAD、凸輪等技術(shù)的總稱）相關(guān)技術(shù)得到了全面、深入的發(fā)展。例如，軟結(jié)構(gòu)和軟總線技術(shù)得到普遍應(yīng)用，并與企業(yè)其他計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成了計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。
數(shù)字化時(shí)代的CAD技術(shù)
數(shù)字化時(shí)代，CAD與CAE融合有望成為主流。傳統(tǒng)意義上設(shè)計(jì)與仿真界限分明，CAD軟件往往通用性質(zhì)與垂直性質(zhì)兼具，而CAE軟件則更強(qiáng)調(diào)行業(yè)與場景下的工程問題的解決，分工明確。但隨著研發(fā)設(shè)計(jì)斷將承擔(dān)越來越多的職責(zé)，尤其是并行工程等概念從提出到落地，研發(fā)逐漸從最初的注重產(chǎn)品的外在性質(zhì)到同時(shí)關(guān)注產(chǎn)品可生產(chǎn)性、物料可采購性、客戶需求全面性、產(chǎn)品可維護(hù)性以及產(chǎn)品可盈利性等多樣特性。
此外，CAD產(chǎn)品分類也逐漸細(xì)化，研發(fā)的重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移到上層應(yīng)用差異上來。由于工業(yè)設(shè)計(jì)各個(gè)流程著重點(diǎn)不同，對于CAD功能的需求也各不相同，外形設(shè)計(jì)流程中，更加注重產(chǎn)品的外形構(gòu)建，這就要求更好的曲面建模能力。而在設(shè)備生產(chǎn)則更注重實(shí)體建模，從而避免后期裝配、仿真與加工得到不正確的結(jié)果。在工廠規(guī)劃過程中，對建模細(xì)節(jié)要求降低，但重視管道的布局規(guī)劃。
類型
根據(jù)模型的不同，CAD系統(tǒng)一般分為二維CAD系統(tǒng)和三維CAD系統(tǒng)，具體而言：
二維CAD
20世紀(jì)80年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與個(gè)人計(jì)算機(jī)的普及應(yīng)用，二維CAD交互繪圖技術(shù)開始逐步推廣，二維CAD系統(tǒng)一般將產(chǎn)品和工程設(shè)計(jì)圖紙看成是“點(diǎn)、線、圓、弧、文本……”等幾何元素的集合，系統(tǒng)內(nèi)表達(dá)的任何設(shè)計(jì)都變成了幾何圖形，所依賴的數(shù)學(xué)模型是幾何模型，系統(tǒng)記錄了這些圖素的幾何特征。就機(jī)械產(chǎn)品而言，二維CAD系統(tǒng)的主要作用是用來繪制出待設(shè)計(jì)產(chǎn)品的工程圖紙，由于計(jì)算機(jī)繪圖速度快、精度高、修改方便、可重用圖形，使設(shè)計(jì)效率大幅度提升，易于交流與管理。
但是，二維CAD系統(tǒng)具有明顯的不足，一、二維工程圖的繪制首先是由設(shè)計(jì)者在頭腦中形成對待設(shè)計(jì)產(chǎn)品的大致形狀(毫無疑問，這是三維的)，然后再按照一定的規(guī)則將這個(gè)立體形狀用二維圖紙表達(dá)出來。這種轉(zhuǎn)化不僅增加了設(shè)計(jì)時(shí)間，還使得設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖變得隱晦，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，這些圖紙必須由經(jīng)過專業(yè)訓(xùn)練的人才能讀懂，數(shù)據(jù)的提取必須由讀圖的人按照規(guī)則進(jìn)行解釋，才能了解繪圖人的意思。二、二維CAD系統(tǒng)不能對機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系和運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行分析，對于機(jī)構(gòu)之間可能存在的運(yùn)動(dòng)干涉關(guān)系很難事先發(fā)現(xiàn)，往往要到實(shí)際機(jī)構(gòu)在裝配時(shí)才能發(fā)覺，這使得新產(chǎn)品的試制難以實(shí)現(xiàn)一次成功。
三維CAD
20世紀(jì)末，個(gè)人計(jì)算機(jī)足以支撐三維CAD軟件的硬件需求，三維CAD軟件開始實(shí)用化，并在21世紀(jì)初開始得到廣泛應(yīng)用。三維CAD軟件幾乎能將人腦中想象的物體通過計(jì)算機(jī)來“復(fù)現(xiàn)”，復(fù)現(xiàn)出的三維模型雖然與真實(shí)世界中可以觸摸的三維物體有所不同，但是這個(gè)模型具有完整的三維幾何信息，還可以有材料、顏色、紋理等其他非幾何信息。人們可以通過旋轉(zhuǎn)模型來模擬現(xiàn)實(shí)世界中觀察物體的不同視角，通過放大或縮小模型，來模擬現(xiàn)實(shí)中觀察物體的距離遠(yuǎn)近，仿佛物體就位于自己眼前一樣，甚至可以通過動(dòng)畫功能模擬機(jī)器動(dòng)作。
與二維CAD系統(tǒng)相比，三維CAD系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)，例如三維CAD系統(tǒng)在整個(gè)產(chǎn)品實(shí)際過程中可以很直觀地看到，因此即便是那些看不懂二維圖紙的人也能理解設(shè)計(jì)人員正在設(shè)計(jì)什么樣的產(chǎn)品，并能對正在開發(fā)的產(chǎn)品提出建議，其設(shè)計(jì)的直觀性，使得設(shè)計(jì)者可以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題和設(shè)計(jì)缺陷，提高設(shè)計(jì)效率。此外，擁有三維產(chǎn)品造型，就可以通過有限元仿真軟件對整個(gè)虛擬產(chǎn)品進(jìn)行真實(shí)的運(yùn)動(dòng)、力學(xué)和載荷的全面分析和運(yùn)動(dòng)仿真，可以優(yōu)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、改善產(chǎn)品的力學(xué)性能、提高產(chǎn)品的質(zhì)量。但是，三維CAD也存在一些缺點(diǎn)，如數(shù)據(jù)中沒有包括尺寸公差、形位公差、表面粗糙度、熱處理方法、材質(zhì)等僅靠形狀而無法表達(dá)的信息。另外，基于注釋的技術(shù)要求、關(guān)鍵部位的放大圖和剖面圖等能夠更為靈活而合理地傳達(dá)設(shè)計(jì)意圖也存在不足。
技術(shù)發(fā)展
傳統(tǒng)CAD技術(shù)的主要內(nèi)容包括：圖形處理（如自動(dòng)繪圖、幾何建模等）、工程分析（如優(yōu)化設(shè)計(jì)、參數(shù)化設(shè)計(jì)、有限元計(jì)算等）、數(shù)據(jù)管理與交換（如數(shù)據(jù)庫、產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換規(guī)范等），主要利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行與工程設(shè)計(jì)相關(guān)的輔助工作。在應(yīng)用方面，傳統(tǒng)的CAD技術(shù)僅局限于產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的一小部分，設(shè)計(jì)者還不能在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中獲得創(chuàng)造性和智能性的支持，尤其是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)最重要的初步設(shè)計(jì)的總體構(gòu)思階段，需要領(lǐng)域?qū)＜议L期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的有力支持。隨著新技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，要求所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品品種多樣化和復(fù)雜化，要求設(shè)計(jì)者在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，以及傳統(tǒng)CAD的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、交互圖形系統(tǒng)以及科學(xué)計(jì)算都存在諸多缺點(diǎn)，必須使CAD系統(tǒng)智能化，才能更好地發(fā)展。
現(xiàn)代CAD技術(shù)，是指以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、人工智能技術(shù)等為基礎(chǔ)，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法，基于強(qiáng)有力的面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)的集成環(huán)境和工具，能夠支持復(fù)雜系統(tǒng)環(huán)境的CAD技術(shù)。現(xiàn)代CAD技術(shù)充分融入了飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、人工智慧等現(xiàn)代科技成果。它的核心目的是追求產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作的集成化、網(wǎng)絡(luò)化、并行協(xié)同化、智能化等，從而達(dá)到提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期的目的。
集成化
集成化的含義是多角度、多層次的，它主要表現(xiàn)在以下方面：(1)CAD系統(tǒng)內(nèi)部各模塊之間的集成。(2)各種CAD系統(tǒng)之間的集成。(3)工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域CAD／計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)／凸輪系統(tǒng)之間的集成。集成化實(shí)質(zhì)是為企業(yè)提供一體化的解決方案和集成開發(fā)(放)環(huán)境，通過并行工程、PDM等方法對整個(gè)企業(yè)的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行集成和管理。因此，計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(Computer In·tegrated Manufacturing System，CIMS)應(yīng)運(yùn)而生，主要是指通過計(jì)算機(jī)優(yōu)化和控制產(chǎn)品的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、包裝、運(yùn)輸、銷售等各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，以期實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生成的高度自動(dòng)化，最大限度地實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息共享，提高生產(chǎn)效率。
并行協(xié)同化
新一代CAD或CAM系統(tǒng)的核心是“并行產(chǎn)品設(shè)計(jì)新技術(shù)環(huán)境(Concurrent Art—toProduct Environment，CAPE)”。CAPE的定義是在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境內(nèi)對產(chǎn)品開發(fā)的整個(gè)設(shè)計(jì)和管理過程進(jìn)行描述建模，強(qiáng)調(diào)并行工程和面向制造，采用PDM技術(shù)，從軟件結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、面向目標(biāo)的開發(fā)技術(shù)、產(chǎn)品建模的性能設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制等方面有所突破．為實(shí)現(xiàn)并行處理提供更完善的環(huán)境。在PDM實(shí)施過程中，應(yīng)致力于處理產(chǎn)品開發(fā)和制造環(huán)境中的所有數(shù)字信息，將工程設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)、后勤、計(jì)劃等信息連成一體。生產(chǎn)中各部門產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，都能用PDM進(jìn)行控制。這些數(shù)據(jù)可能是CAD或CAM文件、材料清單、過程計(jì)劃、分析模型及其結(jié)果、聲像資料、原型數(shù)據(jù)、材料技術(shù)要求和采購數(shù)據(jù)等。
智能化
傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)在機(jī)械設(shè)計(jì)中只能處理數(shù)值型的工作，包括計(jì)算、分析與繪圖，不適合產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整個(gè)生命周期，特別在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段，從抽象到具體的實(shí)現(xiàn)極為困難，它需要根據(jù)專家豐富的經(jīng)驗(yàn)與知識做出合理的判斷與決策。這些工作都需要知識、經(jīng)驗(yàn)和推理，將專家系統(tǒng)技術(shù)與CAD技術(shù)結(jié)合起來，形成智能化CAD系統(tǒng)是其發(fā)展的必然趨勢。CAD智能化研究的熱點(diǎn)表現(xiàn)在：(1)基于并行設(shè)計(jì)理論方法建立新一代智能CAD系統(tǒng)，解決并行設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)等問題。(2)設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)基本理論及技術(shù)問題，如知識獲取、推理機(jī)制、分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、多推理機(jī)制、多知識表示結(jié)構(gòu)以及多專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等。(3)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在知識獲取、規(guī)則化智能CAD系統(tǒng)、專家系統(tǒng)的集成模型、基于理論的設(shè)計(jì)方案綜合評判方法以及CAD實(shí)現(xiàn)策略等。
網(wǎng)絡(luò)化
隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，各種技術(shù)和系統(tǒng)都有網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢，在網(wǎng)絡(luò)化之后，各個(gè)系統(tǒng)之間進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，例如把智能CAD進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化之后，不同智能CAD系統(tǒng)之間的知識庫和數(shù)據(jù)庫等都可以進(jìn)行共享，CAD的智能化將會(huì)提高到一個(gè)新的層次，不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，也可以進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型往往都是由一個(gè)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行全程的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)效果必然會(huì)受到這個(gè)設(shè)計(jì)人員自身素質(zhì)的影響，把智能CAD進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化連接之后，那么多個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)人員就可以進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)人員之間的缺點(diǎn)就可以進(jìn)行一定程度上的互補(bǔ)，除了可以利用智能CAD進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)之外，還可以利用網(wǎng)絡(luò)化建立一個(gè)企業(yè)聯(lián)盟，通過互聯(lián)網(wǎng)上的需求關(guān)系，對市場的反應(yīng)也能夠更加得迅速。
人機(jī)交互化
CAD技術(shù)向智能化方向發(fā)展，而智能CAD系統(tǒng)面向的是機(jī)械結(jié)構(gòu)等模型的設(shè)計(jì)者，所以人機(jī)交互化也是CAD發(fā)展的一個(gè)趨勢。簡單的人機(jī)交互是利用鼠標(biāo)和鍵盤進(jìn)行輸入，顯示器和打印機(jī)進(jìn)行輸出，這樣的人機(jī)交互形式單一，效率也比較低，而且要想使用智能CAD系統(tǒng)，必須具有足夠的設(shè)計(jì)知識才能進(jìn)行使用。因此，如果把人機(jī)交互化變得更加友好、高效，例如，在用戶接口更加擬人化之后，一些沒有CAD專業(yè)知識的用戶，也可以進(jìn)行一些簡單的設(shè)計(jì)，而專業(yè)的模型設(shè)計(jì)者使用起來，將會(huì)變得更加簡單和方便，CAD的智能化也會(huì)相應(yīng)地提高。
相關(guān)技術(shù)
并行工程技術(shù)
并行工程(Concurrent Engineering，簡稱CE)就是集成地、并行地設(shè)計(jì)產(chǎn)品及相關(guān)過程(包括制造過程和支持過程)的系統(tǒng)方法，是80年代末提出的一種新興的制造概念。它在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就集中地研究產(chǎn)品的各個(gè)環(huán)節(jié)，有關(guān)人員對產(chǎn)品性能和有關(guān)進(jìn)程設(shè)計(jì)同時(shí)作出評估，及時(shí)地改進(jìn)設(shè)計(jì)以得到滿意的和優(yōu)化的產(chǎn)品，并能對后續(xù)技術(shù)環(huán)節(jié)同時(shí)作出準(zhǔn)備和操作，在滿足產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，縮短開發(fā)周期，提高企業(yè)的競爭力。 并行工程的基本要素是優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且從產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造工藝性能設(shè)計(jì)、產(chǎn)品可檢測性能設(shè)計(jì)、產(chǎn)品可維護(hù)性能設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品依從性能設(shè)計(jì)人手進(jìn)行優(yōu)化，促進(jìn)快出多出市場對路的新產(chǎn)品。隨著“網(wǎng)絡(luò)通信的普及化”“信息處理的智能化”“多媒體技術(shù)實(shí)用化”，并行工程在CAD技術(shù)中的運(yùn)用有更廣闊的前景。
多媒體技術(shù)
多媒體是指正文(文字和數(shù)字)、圖形、圖像和聲音等不同媒體可隨意操作和切換，從信息儲存角度而言，是指磁盤、光盤、盒式錄音磁帶、內(nèi)存、終端及打印機(jī)上的信息可隨意切換和使用。其關(guān)鍵技術(shù)是模式識別，圖、聲、像信息的壓縮、還原技術(shù)以及面向?qū)ο蟮募夹g(shù)等。
應(yīng)用領(lǐng)域
工程和產(chǎn)品設(shè)計(jì)
工程設(shè)計(jì)方面：在建筑、水利、電力、能源、交通運(yùn)輸、地質(zhì)勘探等部門，CAD技術(shù)已全面用于工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。例如在公路橋梁設(shè)計(jì)中就可以使用CAD技術(shù)對橋梁的設(shè)計(jì)進(jìn)行合理的規(guī)劃，并能夠直觀的選擇出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。CAD技術(shù)可以通過建模來模擬確定整個(gè)橋梁的受力情況以及實(shí)際使用過程中的變形情況，從而檢測整個(gè)工程的設(shè)計(jì)質(zhì)量和整體質(zhì)量。
產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面：CAD技術(shù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品最先出現(xiàn)在機(jī)械、電子部門、造船、航空部門，包裝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，后來延伸到航空航天、通信等高科技領(lǐng)域，現(xiàn)在已擴(kuò)展到輕工、紡織、包裝、服裝等行業(yè)。例如，在包裝設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)師對產(chǎn)品的詳細(xì)信息進(jìn)行收集和導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)設(shè)備之后，能使計(jì)算機(jī)技術(shù)以此作為基礎(chǔ)參照信息交由設(shè)計(jì)工作者進(jìn)行初步制定的階段。設(shè)計(jì)師和軟件工程人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合功能需求、外觀藝術(shù)需求以及合適包裝材質(zhì)等各種因素規(guī)劃出產(chǎn)品想要傳達(dá)的意圖，接著交給數(shù)字制作人員結(jié)合設(shè)計(jì)師表達(dá)的想法和傳遞的信息，利用軟件作用于包裝設(shè)計(jì)中創(chuàng)意圖形轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)文件格式，導(dǎo)入到3D軟件中精確地制作出基礎(chǔ)的3D模型，最后從中找出產(chǎn)品外觀與包裝設(shè)計(jì)的空間的分布關(guān)系，同時(shí)在藝術(shù)構(gòu)圖方面要遵循空間、比例、尺度及統(tǒng)一等原則，保證包裝設(shè)計(jì)方案的科學(xué)合理性。
仿真模擬和動(dòng)畫片制作
應(yīng)用高性能CAD可以真實(shí)模擬機(jī)械零件的加工處理過程、飛機(jī)起降、船舶進(jìn)出港口、物體受力破壞等現(xiàn)象，在電影、電視制作中產(chǎn)生動(dòng)畫片和特技鏡頭。 例如，3D動(dòng)畫是CAD應(yīng)用領(lǐng)域更為廣闊的一項(xiàng)技術(shù)，它可以制作現(xiàn)實(shí)中難以實(shí)現(xiàn)的視覺效果，也可以作為機(jī)械等領(lǐng)域的模擬分析。三維CAD造型可以按照真實(shí)世界的法則進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，具有彈性、重力、慣性、摩擦力、浮力等表現(xiàn)特征，這些運(yùn)動(dòng)可以通過軟件的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)來產(chǎn)生，也可以通過輸入外部的動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)來模擬。
信息處理及其可視化
在事務(wù)、技術(shù)等辦公自動(dòng)化管理工作中，采用CAD技術(shù)將統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)信息處理后繪成各種形式的圖表(如直方表、扇形表等)，既清晰又直觀；用CAD技術(shù)將原始數(shù)據(jù)制作成地理地形圖、礦藏分布圖、氣象圖、人口密度圖以及相關(guān)的等值線圖、等位面圖等，既方便又準(zhǔn)確；在工程科技領(lǐng)域?qū)Ω鞣N類型的圖形圖像進(jìn)行處理可以做到優(yōu)質(zhì)高效，如電子印刷等。
計(jì)算機(jī)藝術(shù)設(shè)計(jì)
CAD技術(shù)已普遍用于藝術(shù)品制作，如各種圖案、花紋、工藝造型設(shè)計(jì)以及傳統(tǒng)的油畫、國畫和書法等；制作動(dòng)畫片、電影的特寫鏡頭以及影視廣告，還用于室內(nèi)外環(huán)境設(shè)計(jì)等。例如，CAD技術(shù)和3D打印技術(shù)的發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)陶瓷3D參數(shù)模型可視化和模型數(shù)控加工，精確測算陶瓷產(chǎn)品的體積、容量、壁厚等數(shù)據(jù)，從而優(yōu)化陶瓷形態(tài)與結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出更多符合現(xiàn)代審美需求的陶瓷文化創(chuàng)意產(chǎn)品。
常用軟件
收費(fèi)軟件
AutoCAD
AutoCAD是由美國歐特克公司于20世紀(jì)80年代開發(fā)的通用計(jì)算機(jī)輔助繪圖與設(shè)計(jì)軟件，是用于二維及三維設(shè)計(jì)、繪圖的交互式軟件工具，用戶可以使用它來創(chuàng)建、瀏覽、管理、打印、輸出、共享及準(zhǔn)確復(fù)制包含大量設(shè)計(jì)信息的圖形，具有功能強(qiáng)大、使用方便、體系結(jié)構(gòu)開放等優(yōu)點(diǎn)。AutoCAD的主要特點(diǎn)可概括為：強(qiáng)大的二維繪圖功能；靈活的圖形編輯功能；實(shí)用的三維建模功能；開放的二次開發(fā)功能；完善的用戶定制功能。
Pro/Engineer
Pro/Engineer軟件是美國PTC公司的產(chǎn)品，其提出的單一數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化、基于特征、全相關(guān)的概念改變了機(jī)械CAD/CAE/CAM的傳統(tǒng)觀念，利用該概念開發(fā)出來的第三代Pro/Engineer軟件能將從設(shè)計(jì)至生產(chǎn)的全過程集成到一起，讓所有的用戶能夠同時(shí)進(jìn)行同一產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造工作，即實(shí)現(xiàn)所謂的并行工程，擁有很大的用戶群。
SOLIDWORKS
SOLIDWORKS是基于Windows開發(fā)的三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，是一款以設(shè)計(jì)功能為主的CAD軟件，在家電生產(chǎn)、汽車生產(chǎn)、醫(yī)療器械生產(chǎn)、模具生產(chǎn)等不同領(lǐng)域的企業(yè)中擁有數(shù)量眾多的用戶。作為參變量式CAD設(shè)計(jì)軟件。該軟件可以將零件尺寸的設(shè)計(jì)用參數(shù)描述，并在設(shè)計(jì)、修改的過程中通過修改參數(shù)的數(shù)值改變零件的外形，同時(shí)SOLIDWORKS提供了一整套完整的動(dòng)態(tài)界面和鼠標(biāo)拖動(dòng)控制功能，減少了多余的對話框，避免了界面的零亂，具有使用簡單、操作方便的特點(diǎn)。
UG NX
UG NX是由西門子股份公司公司推出的一種交互式計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、CAM軟件與計(jì)算機(jī)輔助工程（CAD/CAM/CAE)高度集成的軟件系統(tǒng)，功能涵蓋設(shè)計(jì)、建模、裝配、模擬分析、加工制造和產(chǎn)品生命周期管理等方面，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、模具、汽車、家電、航空航天等領(lǐng)域。
免費(fèi)軟件
Onshape
Onshape公司于2012年成立，是全球第一家完全專注于云和移動(dòng)的CAD公司，其架構(gòu)了一個(gè)僅基于云、web和移動(dòng)的3D CAD系統(tǒng)。該軟件是完全基于互聯(lián)網(wǎng)，在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何終端都可以直接登錄，進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計(jì)，不再有存盤按鈕，設(shè)計(jì)成果不再存為文件，創(chuàng)建人可以授權(quán)他人進(jìn)行多種方式的共享，比如只能瀏覽，或者可以修改。此外，Onshape可以完全支持企業(yè)基于唯一數(shù)據(jù)源，便捷地開展異地協(xié)同設(shè)計(jì)，能夠清晰、準(zhǔn)確記錄用戶的設(shè)計(jì)修改操作并進(jìn)行協(xié)同，無需考慮文件修改版本問題，讓用戶專注于設(shè)計(jì)本身。
FreeCAD
該軟件用于 CAD、MCAD、CAx、CAE 和 PLM 的基于特征的參數(shù)化 3D 建模器，直接面向機(jī)械工程和產(chǎn)品設(shè)計(jì)，但也適用于更廣泛的工程應(yīng)用，如建筑或其他工程專業(yè)。它是完全開源和極度模塊化的，允許非常高級的擴(kuò)展和定制。同時(shí)，F(xiàn)reeCAD 支持多平臺，包括 Windows、麥金塔 和 Linux，并且能讀寫許多文件格式，如 STEP、IGES、STL、SVG、DXF、OBJ、IFC、DAE 等等。
OpenSCAD
OpenSCAD是一款可以創(chuàng)建實(shí)體三維CAD模型的免費(fèi)軟件，可用于 Linux/UNIX、MS Windows和 MacOS X。它允許設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建精確的3D模型和參數(shù)化設(shè)計(jì)，并且可以通過更改參數(shù)進(jìn)行輕松調(diào)整。此外，OpenSCAD是面向程序員的實(shí)體建模工具，通常被認(rèn)為是設(shè)計(jì)開源硬件的入門級CAD工具，比如科研和教育科學(xué)工具。
開源軟件
QCAD
QCAD是一款免費(fèi)的開源2D CAD應(yīng)用程序，用于二維 (2D) 計(jì)算機(jī)輔助繪圖 (CAD)，支持用戶創(chuàng)建技術(shù)圖紙，例如建筑平面圖、室內(nèi)設(shè)計(jì)、機(jī)械零件或示意圖和圖表，適用于 Windows、Mac OS 和 Linux。該程序的功能包括：圖層、塊（分組）、35種CAD字體、40多種施工工具、20多種修改工具等等。
BRL-CAD
BRL-CAD是一個(gè)跨平臺的 CAD 工具，最早可追溯至 1979 年，最初由 Mike Muuss 在陸軍研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，被美國軍方用于建模航空武器系統(tǒng)，但也被用于更多的日常設(shè)計(jì)任務(wù)，從學(xué)術(shù)到工業(yè)設(shè)計(jì)到健康應(yīng)用。作為一個(gè)構(gòu)造實(shí)體幾何(CSG) 實(shí)體模型計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD) 系統(tǒng)，其包括交互式的幾何編輯器、光學(xué)跟蹤支持圖形著色和幾何分析、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分布式幀緩存支持、圖像處理和信號處理工具, 可以進(jìn)行幾何編輯、幾何分析，支持分布式網(wǎng)絡(luò)，可以進(jìn)行圖像處理和信號處理。
LibreCAD
LibreCAD 原名為 CADuntu ，是基于社區(qū)版本的 QCad 構(gòu)建，并利用 Qt4 進(jìn)行了重構(gòu)，原生支持 Mac OSX、Windows 和 Linux 。它提供了基于 GPL 協(xié)議的讀取 / 修改 / 創(chuàng)建 CAD 文件 (.dxf) 方案，并且被翻譯成 30 多種語言。
參考資料 >
計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）.微信公眾平臺.2023-10-15
一文了解CAD的前世今生.微信公眾平臺.2023-10-30
高效協(xié)同 完全基于云平臺的CAD ONshape.搜狐網(wǎng).2023-10-23
CAD設(shè)計(jì)你需要以下幾款開源工具.慧都網(wǎng).2023-10-23
這幾款免費(fèi)好用的電路設(shè)計(jì)軟件，你一定要試試.微信公眾平臺.2023-10-23
功能強(qiáng)大，12款開源的CAD軟件.微信公眾平臺.2023-10-23