淺談CAD技術的應用與發展
學號:XXXXXXXXXX
姓氏:XXXXXXXXXX
完成時間:20XX.00.00
淺談CAD技術的應用與發展
CAD對數字和圖形信息進行處理，實現產品設計、建模和數控加工的自動編程軟件，具有知識密集、土地綜合實力強、初期投資大等特點。它的推廣應用將使建築規劃設計和機械產品制造的傳統模式發生深刻變化，從而推動建築業和機械制造技術的快速發展，這是當前國際科技領域的前沿課題。CAD技術作為壹種成熟而流行的技術，已經在企業中得到廣泛應用。本文從CAD的含義入手，簡要介紹了目前幾種主流的CAD軟件。本文主要介紹了CAD技術的未來發展趨勢以及CAD技術研究的熱點問題。
關鍵詞:CAD應用開發
壹，CAD的含義
CAD是計算機輔助設計。使用計算機及其圖形設備來幫助設計師完成設計工作。簡稱CAD。在工程和產品設計中，計算機可以幫助設計者承擔計算、信息存儲和繪圖等任務。在設計中，通常使用計算機來計算、分析和比較許多不同的方案，以確定最佳方案；各種設計信息，無論是數字的、文字的還是圖形的，都可以存儲在計算機的內存或外存中，並能快速檢索；設計師通常從草圖開始，把草圖變成工作圖的繁重工作可以交給計算機。計算機自動生成的設計結果可以快速圖形化顯示，便於設計人員及時判斷和修改設計；計算機可以用來處理與編輯、放大、縮小、平移和旋轉圖形有關的圖形數據。CAD可以減輕設計人員的勞動，縮短設計周期，提高設計質量。
1972年6月，國際信息處理聯合會(IFIP)在荷蘭召開的“CAD原理工作會議”上給出了如下定義:CAD是壹種技術，在這種技術中，人和計算機作為壹個解決問題的群體結合在壹起，密切合作，充分發揮各自的優勢，從而使他們的工作優於對方，並為應用多學科方法的全面合作提供了可能。CAD是工程技術人員以計算機為工具，對產品和項目進行設計、繪圖、分析和編寫技術文檔的總稱。
CAD技術是電子信息技術的重要組成部分。它是利用計算機硬件和軟件系統輔助人們設計產品或項目的方法和技術，包括設計、繪圖、工程分析和文檔制作等設計活動。它是融合了計算機科學的最新發展和工程設計方法的壹門新學科。廣義而言，CAD技術包括二維工程制圖、三維幾何設計、有限元分析、數控加工、仿真、產品數據管理、網絡數據庫以及上述技術的集成技術(CAD/CAE/CAM)。
目前CAD技術可以實現設計中的大部分活動，但是也有壹些活動是用CAD技術很難實現的，比如設計的需求分析和可行性研究。將設計過程中可以通過CAD技術實現的活動分組在壹起，形成CAD過程，設計過程與CAD過程的關系如圖1所示。
二、CAD的應用範圍
早期的CAD是壹種應用廣泛的軟件。壹般來說，CAD設計對象有兩種:壹種是機械、電氣、電子、輕工、紡織產品；另壹種是工程設計產品，即工程建築，在國外簡稱為AEC(建築、工程和施工)。如今，CAD技術的應用範圍已經擴展到藝術、電影、動漫、廣告、娛樂等領域，產生了巨大的經濟效益和社會效益，應用前景廣闊。
CAD在機械制造業中應用最早，也最廣泛。利用CAD技術設計產品，不僅可以使設計人員“擺脫繪圖板”，更新傳統設計思想，實現設計自動化，降低產品成本，提高企業及其產品在市場上的競爭力；還可以將原來的串行操作轉變為並行操作，建立全新的設計和生產技術管理體系，縮短產品開發周期，提高勞動生產率。當今世界各大航空、航天和汽車制造巨頭不僅廣泛使用CAD/CAM技術進行產品設計，而且投入大量的人力、物力和資金開發CAD/CAM軟件，以保持其在技術上的領先地位和在國際市場上的優勢。
計算機輔助建築設計是CAD在建築領域的應用，給建築設計帶來了壹場真正的革命。隨著CAAD軟件從2D通用繪圖軟件發展到三維建築模型軟件，CAAD技術得到了廣泛應用，不僅可以提高設計質量，縮短項目周期，還可以節省2%至5%的建設投資。近年來，我國每年的基本建設投資已達數千億元。如果全國有近萬家工程設計單位采用CAD技術，可以大大提高基本建設的投資效益。
CAD技術也用於紡織和服裝行業。過去，我國紡織服裝的圖案設計、圖案協調、色彩變換、圖案分色、草圖繪制、配色都是手工完成，速度慢，效率低。目前國際市場對紡織服裝的要求是小批量、多花色、高質量、交貨快，這使得中國的紡織產品在國際市場上沒有競爭力。CAD技術的采用大大加快了中國紡織服裝企業進入國際市場的步伐。
如今，CAD技術已經進入了人們的日常生活，在電影、動漫、廣告、娛樂等領域發揮了巨大的作用。CAD技術用於電影拍攝已經有十幾年的歷史了。美國好萊塢電影公司主要利用CAD技術構造場景，可以利用虛擬現實設計出人工無法完成的場景。這不僅可以節省大量的人力物力，降低影片的拍攝成本，還可以為觀眾營造壹個新奇古怪、難以想象的環境，獲得巨大的票房收入。比如美國的《《侏羅紀公園》》、《星球大戰》、《ET》等科幻片，以及完全由三維電腦動畫制作的《玩具總動員》，都取得了巨大的成功。轟動全球的大片《泰坦尼克號》使用了大量的三維動畫，用電腦模擬了泰克號航行和海難的全過程。此外，計算機建模技術被充分運用於動畫和廣告制作中，本質上也是壹種虛擬現實技術。虛擬現實技術還用於各種模擬器和場景的實時漫遊和娛樂遊戲。
近十年來，隨著CIMS工程和CAD應用工程的推進，計算機輔助設計技術在我國的應用越來越普遍，越來越多的設計單位和企業采用該技術來提高設計效率、產品質量和工作條件。目前我國從國外引進的CAD軟件有幾十種，國內壹些科研機構、高校和軟件公司也開發了自己的CAD軟件並投放市場。CAD技術在中國的應用呈現出壹派欣欣向榮的景象。
三、CAD的發展歷史
CAD技術的發展經歷了四個階段。
(壹)形成階段
1950年，美國麻省理工學院用陰極射線管(CRT)研制出圖形顯示終端，實現了圖形的屏幕顯示，從而結束了計算機只能處理字符數據的歷史，並在此基礎上誕生了壹門新學科——計算機圖形學。
(2)發展階段
光筆出現在20世紀50年代末，交互繪畫的歷史由此開始。
60年代初，屏幕菜單指向、功能鍵操作、光筆定位、圖形動態修改等交互式繪圖技術相繼出現。1962美國人IvanSutherland開發了第壹個交互式圖形系統——畫板。此後，出現了大量的商業CAD軟件系統。但由於顯示器價格昂貴，CAD系統難以普及。直到60年代末，顯示技術出現突破，顯示器價格大幅下降，CAD系統性價比大幅提升，CAD用戶開始以每年30%的速度增長。
隨著顯示技術的發展，計算機圖形學也得到了很大的發展。在整個20世紀70年代，基於二維繪圖和三維線框圖形的CAD系統成為主流。
(3)成熟階段
第壹個SolidModeling實驗系統誕生於1973，第壹代實體建模軟件於1978推向市場。20世紀八九十年代，實體造型技術成為CAD技術發展的主流並趨於成熟，出現了壹批以三維實體造型為核心的CAD軟件系統。實體造型技術的發展和應用極大地拓寬了CAD技術的應用領域。
(4)整合階段
人們已經認識到CAD對設計過程和制造過程的巨大推動作用，隨著設計和制造自動化的需求，集成化CAD系統的出現是必然的。到了90年代，幾乎所有的CAD系統都通過自行開發或購買支持模塊實現了系統集成。
四、目前CAD的主要軟件
CAD技術已經從最初的工業設計領域滲透到人們日常生活的各個角落，從機械、電子、航空、航天、郵電、軍械、紡織、建築、船舶、地質、采礦，到藝術、服飾、醫療、教學、旅遊、管理等。可以說是包數不清，基於CAD技術開發的各種商業專業軟件已經超過65438+萬。以下是目前市場上主流的CAD軟件:
(1)AutoCAD和MDT
AutoCAD系統是美國Autodesk公司為微型計算機開發的交互式繪圖軟件。它基本上是壹個二維工程制圖軟件，具有較強的繪圖、編輯、繪制剖面線和圖案、尺寸標註和用戶友好的二次開發功能，以及壹些三維繪圖和建模功能。是目前世界上應用最廣泛的CAD軟件。MDT(MechanicalDesktop)是機械行業Autodesk公司推出的基於參數化特征實體造型和曲面造型的微機CAD/CAM軟件。
(2)專業/工程師
Pro/Engineer系統是美國參數技術公司(簡稱PTC)的產品。壹出來(1988)就以其先進的參數化設計和基於特征設計的實體建模受到用戶的歡迎。隨後，各大CAD/CAM公司也推出了基於約束的參數化建模模塊。另外，Pro/Engineer從壹開始就建立在工作站上，使得系統獨立於硬件，易於移植。系統用戶界面簡潔，概念清晰，符合工程師的設計思路和習慣。Pro/Engineer整個系統基於統壹的數據庫，具有完整統壹的模型，可以將整個設計到生產過程集成在壹起。它有20多個模塊供用戶選擇。基於以上原因，Pro/Engineer成為近年來三維機械設計領域最具吸引力的系統，其銷量和用戶群仍在以最快的速度發展。
(3)I-DEASMasterSeries5
I-Deamaster系列是美國SDRC(結構動力研究公司)推出的新壹代機械設計自動化軟件，從1993。也是SDRC在CAD/CAE/CAM領域的旗艦產品，以集成度高、功能強大、易學易用著稱。I-Deamaster系列5於今年6月20日在美國首次展出。其最大的突破是引入了VGX技術，大大提高了交互操作的直觀性和可靠性。此外，該版本還增強了復雜零件設計、高級曲面建模、有限元建模和耐久性分析等功能。最近，SDRC也集中優勢力量，加強數控加工功能的開發。
(4)CATIA
CATIA系統是法國飛機公司DassaultSystems工程部門開發的產品。該系統是在CADAM系統(最初由美國洛克希德公司開發，後並入美國IBM公司)的基礎上開發的。原CADAM系統的源程序在CAD購買，著名的APT系統的源程序在加工購買。經過幾年的努力，形成了商業化的體系。CATIA系統現已發展成為壹個集成的CAD/CAE/CAM系統，具有統壹的用戶界面、數據管理和兼容的數據庫和應用程序接口，並擁有20多個獨立的定價模塊。
(5)歐幾裏得
歐幾裏德軟件是法國MATRA公司信息部的產品。它是法國國家科學研究中心為英法聯合研制的超音速客機協和式飛機研制的。該軟件具有統壹的面向對象的分布式數據庫，不需要在三維實體、復雜曲面、二維圖形和有限元分析模型之間進行任何數據轉換。因為數據是相互引用的，而不是簡單的復制，所以當用戶修改設計的壹部分時，其他相關的數據也會自行更新。
(6)優創(Unigraphics)
UG源於美國麥道(MD)公司的產品，於1991年6月並入美國通用汽車公司EDS分公司。如今，EDS是全球最大的信息技術(IT)服務公司，UG由旗下獨立子公司UnigraphicsSolutions開發。UG是集CAD、CAE、CAM於壹體的機械工程輔助系統，適用於航天飛行器、汽車、通用機械、模具的設計、分析和制造。
(7)SolidWorks
SolidWorks是基於Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系統，由美國SolidWorks公司於6月1995 11開發，價格僅為工作站CAD系統的四分之壹。軟件采用自頂向下的設計方法，可以動態模擬裝配過程。它采用基於特征的實體建模，號稱100%參數化設計，100%可修改性。同時擁有中英文兩種界面選擇其高級特征樹結構，操作更加簡單直觀。
五、CAD的發展趨勢
隨著計算機硬件技術的發展，特別是圖形處理設備的快速發展，計算機輔助設計/制造(CAD/CAM)技術以驚人的速度發展。有專家評價說:“如果把電子技術看作是工業的壹次革命，那麽CAD/CAM就是工業的又壹次革命，是計算機對人類文明在工業上巨大推動的重要體現，前景不可限量。”圍繞企業創新設計能力的提高和網絡計算環境的普及，CAD技術的發展方向主要集中在標準化、開放性、集成化和智能化四個方面。
1.標準化
除了CAD支撐軟件逐步實現ISO標準和行業標準外，面向應用的標準件(零件庫)和標準化方法也成為CAD系統中的必要內容，並朝著理性工程設計的應用方向發展。回顧歷史，CAD和計算機圖形學國際標準的制定總是滯後於市場上的工業標準。CAD產品更新頻繁。誰的技術理念領先，誰的性能最好，誰的用戶最多，誰主導市場，誰就是事實上的行業標準。CAD技術的發展不是壹個純粹的學術行為，它是在高科技產品固有的激烈市場競爭中不斷前進的，是無止境的。目前標準分為兩類:壹是公共標準，主要來自國家或國際標準制定單位；另壹種是市場標準，或者行業標準，是私有的。前者註重標準的開放性和采用的先進技術，後者以市場為導向，註重有效性和經濟效益的考慮。後者容易導致壟斷和不必要的標準戰。許多標準化專家通過總結該領域幾十年的標準化工作經驗，認識到了存在的問題，並提出了改革傳統標準化工作的相關觀點。
2.公開
目前CAD系統廣泛建立在開放的操作系統Windows 95/98/NT和UNIX平臺上，Java LINUX平臺上也有CAD產品。另外，CAD系統為最終用戶提供了二次開發環境，甚至這樣的環境也可以開發自己的內核源代碼，讓用戶定制自己的CAD系統。
3.綜合
CAD技術的集成體現在三個層面:壹是廣義的CAD功能CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERP通過各種集成形式成為企業的集成解決方案，推動了企業信息化的進程。目前，創新設計能力(CAD)與現代企業管理能力(ERP、PDM)的集成已經成為企業信息化的焦點。其次，將CAD技術中可以使用的算法，甚至功能模塊或系統做成專用芯片，提高CAD系統的效率；第三，CAD實現了基於網絡計算環境的企業間異構系統的集成。應運而生的虛擬設計、虛擬制造和虛擬企業就是這壹集成層次的應用。
變得聰明
設計是人類創造性活動的高智能領域，智能CAD是CAD發展的必然方向。智能CAD不僅僅是將現有的智能技術與CAD技術簡單結合，而是深入研究人類設計的思維模式，並用信息技術表達和模擬。這不僅將產生壹個高效的CAD系統，也將為人工智能提供新的理論和方法。CAD的這壹發展趨勢將對信息科學的發展產生深遠的影響。
不及物動詞CAD技術的研發熱點
1.計算機輔助概念設計
據有關統計，產品成本的70%是在產品設計階段決定的。同時，概念設計壹旦確定，產品設計的60%-70%也就確定了。尤其是即使詳細設計再好，也很難彌補概念設計階段的缺陷。此外，產品創新及其競爭能力基本上是在概念設計階段決定的。因此，概念設計是設計過程中非常重要的階段，已經成為企業競爭的制高點。因此，計算機輔助概念設計越來越受到重視。另壹方面，在概念設計過程中，關於設計需求和約束的各種知識往往是不精確的、近似的或未知的，這意味著高復雜性，給CAD技術帶來了很大的困難。概念設計的過程主要是壹個評價和決策的過程，涉及產品功能、動作、結構等因素，對產品的性價比、可靠性和安全性起著決定性的作用。正是因為要考慮的因素和目標很多。因此，評估和決策過程是壹個非常復雜和困難的過程。目前，計算機輔助概念設計的方法可以分為兩大類:自動生成方案和交互式生成方案。當然，這兩種方法在應用中可以混合使用。
目前(1)的自動生成方案主要采用人工智能技術。為了使計算機有效地支持概念設計活動，需要解決兩個主要問題。即建模問題和推理問題:a .前者是對產品的功能、動作、結構之間的復雜關系進行建模或表達。比如鍋爐的蒸汽閥就是為了防止鍋爐爆炸而設計的。它的作用是當檢測到壹定的壓差時會自動打開，其結構是實際使用的元件及其連接關系的布局，建模結果提供推理。b .推理的問題其實就是生成和選擇合適的方案。
建模問題主要是建模的表示，目前已經提出了各種表示。如語言、幾何模型、圖形、對象、知識模型和圖像方法等。語言表示是壹種形式描述方法，可以保證計算機有效地進行推理，稱為面向機器的表示。形象表征是壹種高度視覺化的表征(即視覺思維模型)，重在提供壹種有助於設計師創新的造型環境，被稱為面向人的表征，上面列舉的其他表征介於兩者之間。
推理問題的關鍵點是轉換過程，即把用戶的需求映射到實現給定需求集的壹些實際結構上。難點在於生成和選擇合適的映射方法。比如，知識獲取是人工智能領域的壹大難題。為了解決這個問題，可以利用數據挖掘技術從現有的設計庫中自動獲取感興趣的領域知識。
(2)通過交互技術生成方案由於概念設計的復雜性，自動生成壹個合適的方案是非常困難的。在自動生成和比較方案成熟之前，交互技術是壹種重要的手段。在概念設計階段，我們可以充分利用多媒體技術，如有效的信息搜索技術，以便在互聯網上找到大量有用的設計實例。再比如研究協同概念設計技術，讓群體成員輕松參與概念設計，做出積極貢獻。
2.計算機支持的協同設計
設計工作是典型的團隊工作。小組成員既有分工，又有合作。因此，群體工作由兩部分組成:壹部分是個體工作，即群體成員要完成各自分工的任務；另壹種是協同工作，因為群體工作無法分解為獨立的個體工作，群體成員之間存在相互關聯的問題。壹般稱為接口問題，接口必然會出現矛盾和沖突。如果沒有及時發現和解決，就會造成返工和損失。傳統的CAD系統只支持分工後應該完成的具體任務。至於成員之間的接口問題，計算機無法支持，主要依靠面談或者壹些溝通工具來討論解決。但是，這些方法很難及時、充分地進行協商和討論。所以壹個大的設計任務接口問題必然會出錯，這也是設計工作會不斷重復修改的主要原因。
3.海量信息的存儲、管理和檢索
越來越多的信息是由CAD系統處理的，而且是多媒體信息。盡管磁盤容量增長迅速，但仍遠遠不能滿足信息快速增長的需求。海量信息的存儲、管理和快速檢索已經成為全世界關註的問題。除了依靠硬件解決問題，DBMS是壹項重要的技術。實踐證明，傳統的關系數據庫管理系統EDBMS已經不能滿足要求，采用面向對象和關系相結合的模型可能是壹種過渡性的解決方案。
4.設計方法及相關問題研究。
設計是壹項復雜的、知識密集型的群體活動。為了提高效率，我們必須遵循正確的設計方法。雖然設計方法學的研究已有半個多世紀，但面向CAD的設計方法相對較新，稱為形式設計流程法。它不僅讓我們知道設計是壹個過程，也為開發CAD工具提供了基礎。因此，理解和識別設計過程的不同方面(即不同的設計活動)是開發新壹代CAD系統的關鍵。
5.支持設計創新
創新是產品設計的靈魂。如何利用計算機支持創新是壹個新課題。目前只能提供壹種啟發性的方法，比如存儲大量的多媒體設計資料，方便設計師通過網絡查詢，可能會產生意想不到的創新設計。另壹個例子是使用CSCW工具，通過直接討論相互啟發，產生新的設計思想，促進創新設計。
6.智能和人性化的用戶界面
CAD系統的用戶界面是人與計算機之間交換信息的媒介和對話界面，也是CAD軟件系統的重要組成部分。以用戶為中心，自然高效的多通道交互技術和泛在計算是壹個長期的目標，也是目前人機交互的壹個研究熱點。采用以用戶為中心的CAD軟件設計方法，進行產品開發和實際工程評估，保證CAD軟件技術和CAD軟件產業的健康發展。在改進軟件界面、簡化操作步驟、降低操作難度方面有所創新。
7.建模技術
實現與歷史無關的建模方法，即產品模型的形狀不再依賴於特征創建的順序，使三維CAD系統更易於操作和使用。全面支持概念設計和詳細設計；幾何造型系統可以創建任意幾何形狀；能夠更好地表達產品完整的技術和生產管理信息，支持產品全生命周期的特征建模系統，使產品設計工作在更高層次上進行，為開發基於統壹產品信息模型的新壹代CIMS集成系統奠定基礎:具有線段、曲面和實體混合建模的綜合能力和三維尺寸標註功能；支持基於三維像素的建模功能，解決大型復雜產品的裝配問題。
8.享受產品數據* * *
解決壹些主流CAD系統中的用戶可以從其他CAD系統中打開模型，在不同的CAD系統中共享和交換圖形數據，從而可以相互交流，達到* * *，盡量避免交互過程中可能出現的圖形失真、特征和約束信息丟失等問題。“產品模型數據交換標準”。。STEP”將用於借助三維CAD圖形標準解決上述問題。比如將Surfacer與UG、Pro/E的功能結合起來的方法，在具體操作中對點、線進行處理，得到基本的控制曲線，再用UG、Pro/E引入控制線的數據進行曲面建模。其中，Pro/E應用模塊主要有Icemsurf、Pro/Designer (CDRS)等，UG模塊主要有UG/建模和UG/曲面模塊。這些設計模塊常用於壹般的CAD設計。應該註意的是，在設計過程中並不是所有的點都要被選擇。因此，在確定基準面的控制曲線時，需要找出哪些點或線是可用的，哪些點或線是壹些細節特征，需要在以後的設計中使用，而不是在整體設計中體現米。實際上，有些特征，如圓柱體、凸臺等，是在整體輪廓確定後，通過測量實體模型，結合掃描數據生成的。同時要盡量選取壹些掃描質量好的點或線進行擬合。
七。結束語
CAD技術的發展是隨著實際應用的需求而發展的。隨著CAD技術的廣泛應用，新的需求不斷湧現。未來CAD技術的熱點將進壹步向集成化、智能化發展，因此在建築規劃設計、機械設計等各個領域將發揮越來越重要的作用。
參考資料:
[1]葉秀子等.從行業角度看CAD技術的研究課題和發展方向[J].計算機輔助設計和制圖雜誌。2003 (10): 137 ~ 140.
[2]董世海。人機交互的進展和面臨的挑戰[J]。計算機輔助設計與圖形學學報. 2004(1):1 ~ 11。
許道。模具造型的數字化掃描和數控加工技術。制造技術和機床。1996.(9).
許誌琴等。三維逆向工程技術。北京:中國計量出版社。2002.(4).
[5]胡煒。逆向工程及其應用。山東機械2005(1).
[6]趙格曉。仿形技術在模具設計與制造中的應用研究。模具行業。2001.(2).