CAD的概念、发展历史和应用

在很多人的概念里CAD就是AUTOCAD，本订阅号也主要介绍AUTOCAD和类似的CAD软件，网上很多文章标题中写的CAD通常指的也是AUTOCAD，但有必要澄清一下，尤其要告诉AUTOCAD的初学者，CAD的概念很广泛，远不止AUTOCAD。我收集整理了一些资料，分享给大家，希望能帮助大家加深对CAD的了解。

一、 CAD技术的基本概念

CAD即计算机辅助设计（Computer Aided Design），是近年来在产品设计、工程设计中广泛应用的一种的设计方法，这种方法集计算机强有力的计算功能，高效率的图形处理能力，以及最先进的产品设计理论与方法为一体，最大限度地实施着设计工作中的“自动化”，它是综合了计算机科学与工程设计方法的最新发展而形成的一门学科。计算机辅助设计技术与计算机软硬件技术、工程设计技术密不可分，相辅相成。计算机辅助设计技术在工程设计部门中广泛应用，已使传统的设计方法与工作模式发生了根本性变化，而且直接影响到工程实施，产品制造等全过程。由于CAD技术代表了现代最先进的设计技术，它的发展水平实际上已成为衡量一个国家工业技术水平的重要标志。

CAD要解决的是产品设计和工程设计中的“自动化”问题，其含义不言而喻，整个设计的全过程，都是CAD技术的应用对象。以产品设计为例，一个新产品如飞机、火箭、汽车的设计过程，一般要经历概念设计、详细设计、结构分析与优化、仿真模拟实验与定型等几个主要阶段，在每一个阶段中，都包含着CAD技术的应用内容。分析整个设计过程的细节与CAD技术的特点，不难发现CAD技术集中在结构设计，计算分析，数据查询，工程制图等几个重要环节上。

任何一项工程设计，虽然最终的表现是工程语言图纸资料，但不能因此而认为工程设计就是画图，同样不能认为计算机辅助设计就是用计算机绘图。毋庸质疑，绘图确是设计中工作量极大的一个部分，实现绘图工作的“自动化”，当然是CAD研究的重要课题之一。为此，“计算机图形学”理论脱颖而出，它专门研究通过计算机将数据转换为图形，并在专用设备上显示的原理、方法和技术，即是把描述图形所必须的数据信息，通过计算机加工处理，呈现在显示设备或输出设备上，实现数据的可视化。

由此看来，CAD是一种先进的设计方法，CAD不是“计算机绘图”，“计算机绘图”是CAD技术的重要组成部分，CAD系统应包含设计过程中的各个环节，至少应包含设计计算、工程数据库及绘图处理三个部分。

通常，一个完善实用的CAD系统并不是包罗万象，什么都可以设计，而总是针对某个专业、某类设计、甚至是某种零件而研制的。这种系统除了以计算机图形理论作基础，计算机绘图系统作手段外，还必需有专业设计工作所涉及的基础数学、设计理论、设计方法甚至专家经验等方面的知识，几方面的知识合作起来，才能开发出实用的计算机辅助设计系统。因此，可以说计算机辅助设计是一门跨学科的综合性很强的高科技技术，它在缩短设计周期，提高设计质量，降低设计成本及发挥设计人员创新思维等方面发挥着重大作用。

二、CAD技术的发展历史与现状

计算机辅助设计的工作内容不仅对计算机本身提出了较高的要求，而且对计算机外围设备特别是高速高性能的图形输入／输出设备提出需求，这一方面促进了计算机及其外围设备的发展，同时，CAD技术的发展与应用也依赖于计算机及其外围设备以及软件技术的发展。整个历程大致可划分为如下几个阶段：

1．准备、酝酿、诞生阶段

1950年美国麻省理工学院（MIT）研制出用于“旋风1号”计算机上的一种图形显示设备，其结构类似于示波器，只能显示简单图形，可认为它是当今图形显示器的鼻祖。

1958年美国Calcomp公司研制出滚筒式绘图机，进一步为图形输出奠定了基础。

这一阶段计算机由电子管组成，软件开发局限于机器语言，没有图形输入设备，因此CAD技术的探讨主要是科学计算的深入，图形处理还不现实。

2．蓬勃发展和初级应用阶段

1962年美国麻省理工学院（MIT）研制出世界上第一台利用光速进行交互式绘图的系统SKETCHPAD，并首次提出了计算机图形学，交互技术等新思想，为计算机辅助设计技术的发展应用打下了理论基础。

20世纪60年代中期，商品化的CAD设备出现了，美国IBM公司的计算机绘图设备，通用汽车公司的多路分时图形控制台，实际运用于汽车产品的设计。至60年代末，美国已安装了几百台CAD工作站。

在这一阶段，计算机图形学也有很大进展。孔斯（Stave Coons）提出了孔斯曲面与贝塞尔（Pierre Bezier）提出的贝塞尔曲面为CAD技术的三维应用打开了局面，孔斯和贝塞尔被称为CAD技术的奠基人。

3．广泛应用阶段

1970年前后，集成电路由小规模发展为中规模，广泛应用于计算机系统，使计算机系统的性能有了很大的提高，与此相关的计算机外围设备也有了很快的发展，图形输入设备新品层出不穷，如图形显示器、图形数字化仪，笔式及击打式绘图仪相继推出，性能越来越好。与此同时，绘图软件及其它CAD支撑软件也日趋完善，市场上出现了面向中小型企业的商品化的CAD系统，主要运行在CAD工作站和小型计算机上。此时，美国的工作站数量已达数千套，使用人数超过2万人。我国也在部分科研院所引进了一些图形工作站。

4．突飞猛进阶段

这一阶段大规模和超大规模集成电路使计算机硬件平台性能飞速提高，计算机向着“巨”和“微”两个方向迅速发展，微型计算机产品的面市，标志着计算机普及时代的到来。1980年美国阿波罗公司生产出第一台以超级微型计算机为平台的图形工作站，接着Sun、DEC、HP、IBM......等众多的计算机厂商都推出了自己的工作站产品，这些CAD系统产品性能优良、价格低廉、便于开发和应用，受到科技界和工业界的普遍认可。此时的软件技术也更加成熟，二维、三维图形处理技术，真实感图形处理技术，结构分析与计算技术、模拟仿真、动态景观、科学计算可视化等各方面都已进入实用阶段。

5． 日趋成熟阶段

这一阶段微型计算机系统性能已相当瞩目，基于微机的CAD系统越来越多，由于它们价格低廉，得到迅速普及，这使得CAD技术有了更为广泛的应用，同时CAD技术的标准化也日益完善，具体主要有几个表现：

⑴标准化体系进一步扩充，新标准不断完善

由于图形输入/输出设备不断更新换代，软件技术越来越复杂，使得开发通用型的CAD系统变得非常困难，主要问题是应用软件可移值性差，即CAD系统应用软件在不同的操作系统平台上不能通用，这时软硬件资源都是极大的浪费。为此必须制定一套图形软件标准来解决可移值性问题。1985年8月，前联邦国国家标准化组织制定的二维GKS(Graphics KerndSystem)被国际标准化组织的接受的国际标准，以后经过不断扩充被广泛应用。为处理三维图形软件的可移值性，德国标准化组织又与国际标准化组织合作制定了三维图形软件标准GKS-3D，面向程序员的程序员级层次结构图形系统PHIGS(Programmers Hierarchical Interactive GraphicsSystem)，面向数据文件交换的基本图形交换规范IGES(InitialGraphicsExchange Specifcation)和产品模型数据交换的STEP(Standard For Exchange ofProduct Model Data)等国际标准相继制定，它们对整个CAD体系的发展有重大的意义。

⑵智能化研究成为热门课题

人工智能和专家系统本身是计算机软件科学的高层次应用研究，CAD技术本身的目标为实现设计的“自动化”，二者极为自然地结合出现了AICAD(人工智能CAD)新学科，它把工程数据库，数据质量的系统，专家的知识库，经验库，用户接管理系统等融为一体形成智能CAD系统，这科系统在用户介绍，数据采集，模型自动生成，方案的优选，仿真模拟技术和多媒体技术等方面都使CAD应用系统锦上添花。

⑶集成化研究主导发展趋势

产品设计与生产过程的“自动化”需求启示人们必须将自算机辅助设计(CAD)与计算机辅助制造(CAM)有机结为一体形成计算机集成制造系统CIMS。通过长期研究探索，人们发现，产品设计生产过程归根到底是信息提取、交换、传递、处理的过程，所谓集成，就是实现CAD/CAM之间信息的实时交换，传递和共享。当前，虽然出现了一些商品化的集成系统，但在实际使用中仍有许多限制，建立理想的集成系统，彻底实现CAD/CAM支持的CIMS系统仍是人们追求的目标。

三、 CAD相关技术

1972年10月，国际信息处理联合会（IFIP）在荷兰召开的“关于CAD原理的工作会议”上给出定义：CAD是这样一种技术，通过这种技术人与计算机结合为同一问题的求解组，双方紧密配合，发挥各自所长，从而使其工作优于每一方。

简单说，CAD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。

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。

曲面造型：曲面造型是指在产品设计中对于曲面形状产品外观的一种建模方法，曲面造型方法使用三维CAD软件的曲面指令功能构建产品的外观形状曲面并得到实体化模型。

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。

根据模型的不同，CAD系统一般分为二维CAD和三维CAD系统。二维CAD系统一般将产品和工程设计图纸看成是“点、线、圆、弧、文本……”等几何元素的集合，系统内表达的任何设计都变成了几何图形，所依赖的数学模型是几何模型，系统记录了这些图素的几何特征。三维CAD系统的核心是产品的三维模型。三维模型是在计算机中将产品的实际形状表示成为三维的模型，模型中包括了产品几何结构的有关点、线、面、体的各种信息。随着实体模型技术的发展，三维CAD模型所表达的几何体信息越来越完整和准确，能解决“设计”的范围也越来越广。

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。先进的CAD系统的硬件由计算机及其外围设备和网络组成。早期CAD多应用CAD工作站，但现在更多人是在PC上使用CAD，随着云计算和移动互联技术的发展，现在已经有很多移动和云计算的CAD产品，手机、平板和浏览器上都可以直接看图甚至绘图。CAD系统的软件主要包括支撑软件和应用软件。支撑软件除了Windows这样的操作系统外，主要指的是图形支撑软件平台，目前比较流行的二维图形支撑软件有美国AutoDesk公司的AutoCAD，浩辰CAD也是国内比较流行的图形支撑软件平台。

另一类是专业软件，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，比如天正基于AUTOCAD开发的建筑软件、浩辰基于自主开发的CAD平台的系列专业软件。专业CAD应用系统是各专业根据各自的设计需要，利用通用CAD系统提供的二次开发工具或数据接口功能，将各类专业设计技术研制成CAD系统的各类设计工具和知识，从而使设计能直接按照专业设计的方法进行，大大提高了CAD系统的“设计”能力和效率。但这类CAD系统针对具体的专业进行开发，在专业设计方面不具备通用性。

随着CAD技术微机化及计算机网络技术的普及化，网络CAD技术也将进一步深化，从而引发出并行设计等一系列的变化。在计算机网络环境下，从事零件设计与制造的各种技术人员并行参与同一产品的设计与制造过程，产生符合CAD/CAM集成系统各环节要求的产品数据，完成产品的制造，最大限度的发挥CAD/CAM集面系统的作用，大大缩短了生产同期，提高了产品质量。利用网络技术，分布式操作系统，分布式数据库等技术，使各工作阶间的数据资源，硬件资源得以共享，大大减少了CAD系统的投资成本。

未来一段时期内，三维图形处理技术将有进一步普及和深入。传统的产品设计制造过程将可能彻底被淘汰。科学计算可视化，虚拟设计，虚拟制造技术的研究进一步深化，应用则会逐步被广大企业接受，从零件应用逐步发展为产品应用。无图纸设计与生产逐步变为现实，波音777飞机是这一技术应用的典范，它从设计到生产全面实现了无图纸化。

未来的CAD系统将向专家系统与智能CAD系统方向发展。将人工智能技术和专家系统技术应用于CAD系统中，提高了CAD系统的智能化水平和专业化水平，更加准确高效地协助设计人员进行产品设计，这种CAD系统必将产生丰硕的成果。

四、 CAD技术的应用

目前，CAD技术已广泛应用于工业制造、工程建设、电子电路、仿真模拟、广告设计、轻工棉纺、服装设计、平面设计等领域，特别在科研部门，从人体工学直至分子键构型均采用CAD技术实现智能化，可视化的分析。

在机器制造业中，飞机、汽车、轮船、航天器，机床、模具等产品及零部件的设计全过程采用了CAD技术。当前多数CAD系统均集设计、绘图、分析计算、仿真等为一体，设计人员只需坐在电脑前，充分发挥自己对产品的构思，随心所欲的利用CAD系统构建产品模型，加以分析计算，反复修改，并可进行产品的仿真运行，直至理想后输出图纸或加工代码。

在建筑工程设计中，房屋、结构、桥梁、管线、水渠、大坝、市政规划、室内装璜等都应用了CAD技术。近年来随着计算机硬件性能的增强，CAD技术也取得了飞速的发展，在结构设计中，可以采用有限元方法进行强度分析；在工程建筑设计中，可采用虚拟现实技术对建筑物抗震、抗风、抗实、防火、防水等能力进行模拟分析。

在电子电路方面，CAD技术开始运用于原理图的绘制及布线工作，后来发展为从原理布线多层板设计全套功能，尤其在集成电路的设计制造中，没有CAD技术的应用，设计和制造大规模集成电路是不可能的。利用CAD技术，设计人员可以快速完成原理图电路性能分析，可靠性试验及故障模拟等工作。

随首CAD技术的发展，影视设计行业可以设计出扣人心弦的三维动画，CAD技术的仿真场景足以以假乱真，逼真的虚拟现实效果令人瞠目结舌。

仿真模拟方面，应用CAD技术模拟各种真实场景，如机械零件加处理过程，飞机起降，船舶进出港口，建筑物破坏，驾驶员场地测练，作战指挥，事故现场重现等等。

纺织与服装业中，可用CAD技术进行印花、拉化设计，款式排料设计及裁剪设计等。

其它行业如轻工、化妆、盛器、模具、医药等行业中都有CAD技术的运用。