計算機輔助設計
計算機輔助設計（CAD）是研究計算機輔助產品設計和仿真的理論、方法和應用系統的一門學科，是計算機應用領域的一個分支。其研究方向包括曲線和曲面建模、產品建模、協同設計、圖形繪制、計算機動畫、可視化和視覺分析、虛擬現實、圖形硬件等。CAD誕生于20世紀50年代。起初，它主要用于二維繪圖。隨著科學技術的不斷進步，CAD也在向越來越多樣化的功能發展，可以為設計人員提供各種實用高效的工具，對設計進行規劃、分析、模擬、修改、優化、評估和決策，最終形成完整的工程文檔。
此外，CAD技術本身是一項綜合而復雜的系統工程，涉及計算機科學與工程、計算數學、計算力學、幾何建模、計算機圖形學、數據結構與數據庫、仿真技術、人工智能等多個學科。隨著計算機軟硬件的發展，計算機輔助技術已廣泛應用于航空航天、汽車、飛機、船舶、機械、電子、建筑、輕工和軍事等領域。
概念定義
CAD技術不是傳統設計和制造過程和方法的簡單圖像，也不限于在單個步驟或環節中使用計算機作為工具。相反，它將計算機科學、信息技術和工程領域的專業技術以及人們的智慧和經驗有機地結合在一起。在整個設計和制造過程中，CAD技術充分利用計算機系統來完成那些重復性強、勞動強度大、計算復雜、單純依靠人力難以完成的任務，輔助而不是取代工程技術人員完成產品設計和制造任務。
計算機輔助設計在不同的工程領域和專業部門有不同的要求，但總的來說，其主要功能可以概括如下:1。交互式圖形處理和幾何模型構建；2.工程計算與分析、模擬、驗證和優化設計；3.計算機自動繪圖和輔助文檔編輯；4.工程信息的有效存儲和工程數據庫的管理與共享。；5.基于知識庫的專家系統和人工智能輔助設計與決策；6.良好的人機交互界面。
與常規設計相比，CAD具有明顯的優勢，如提高設計效率、縮短設計周期；利用計算機提供的標準數據庫、圖形庫和應用軟件提供的優化技術、有限元分析和設計計算功能提高設計質量；利用CAD技術中的運動分析、有限元分析和動態仿真技術，可以在設計階段預測產品的特性。因此，可以及早發現設計缺陷，從而提高設計質量，提高產品可靠性，縮短新產品的試制周期。但與此同時，CAD技術也不是萬能的，其缺點主要有以下幾點:1。由于CAD系統一般采用人機對話，必須由了解設計任務的專業人員操作，對操作人員要求較高，給CAD系統的廣泛應用帶來一定困難；2.因為一個任務占用一個CAD系統，計算機利用率低，不可能多個設計人員同時使用同一臺機器；3.計算機運行后的設計非常隨意，因此操作人員很難預測計算機運行時間并制定計算機運行計劃。
發展概況
計算機輔助設計是隨著計算機軟硬件技術的發展而發展起來的。自1945年第一臺電子計算機問世以來，計算機輔助工程和產品設計技術的發展大致經歷了以下幾個階段:
形成階段
從20世紀40年代末到50年代末，使用真空管計算機，用戶必須編寫程序用代碼解決數學問題。計算機在解決問題時只起到數值計算的作用。一些大公司開始在實踐中使用它，如美國通用電氣公司，它被用于設計和計算變壓器和電動機。20世紀50年代，世界上第一個計算機繪圖系統在美國誕生，具有簡單繪圖輸出功能的被動式計算機輔助設計技術開始出現。
成長階段
從20世紀50年代末到60年代中后期，晶體管成為電子計算機的基本部件，計算機的計算速度和存儲功能大大提高，可以廣泛用于科學計算和事務管理，工程技術人員更容易掌握和使用。1962年，麻省理工學院林肯實驗室的研究生薩瑟蘭（I。e。Sutherland）發表了題為“人機對話的圖形通信系統”的博士論文，首次提出了計算機圖形學、交互技術和分層存儲符號的數據結構等新思想。這一研究成果為CAD技術的深入發展和普及奠定了堅實的理論基礎。
20世紀60年代中后期，由于計算機軟件和硬件的快速發展，CAD技術取得了很大的飛躍。它被應用于成套設備的設計，如大型發電廠的鍋爐和核反應堆的熱交換器，從簡單部件的設計和計算。一些美國大公司相繼開發了CAD系統。例如，美國的IBM公司已相繼為市場推出了計算機繪圖設備；美國通用汽車公司開發了用于設計汽車車身和外形的CAD-1系統。這一時期，圖形輸入板、大容量磁盤存儲器、光柵掃描顯示器和光筆等多種商用圖形輸入輸出設備相繼出現，使CAD技術進入了實際應用階段。在此期間，這項技術主要應用于機械和電子領域，同時開始研究三維幾何建模技術。
開發應用階段
20世紀70年代，計算機采用了集成電路，計算速度和存儲容量大大增加，并開發了“測量系統”，使主機可以與數十個終端連接。在圖形輸入輸出設備方面，在質量上也得到了進一步的發展和提高。從CRT顯示器開始，光柵掃描圖形顯示器和彩色圖形終端得到了發展，使圖形更加生動和逼真。與此同時，計算機圖形學在理論上也取得了很大進展，這使得CAD系統技術及其應用取得了很大進展，特別是基于小型計算機的獨立CAD系統。CAD技術不再為幾家大公司所獨有，一般制造商和工業領域也可以使用。1972年，美國無線電公司為集成電路的掩模設計開發了一個名為Gold的系統。此外，有限元理論和程序設計開始蓬勃發展，在消除隱藏線方面進行了大量研究，為CAD技術的發展奠定了良好的基礎。
快速發展階段
自20世紀80年代以來，電子設備的集成度迅速提高。隨著芯片技術的發展，小型機和微型計算機的性能日益提高。專用圖形處理和數據庫處理器的出現，虛擬存儲操作系統、分布式數據庫技術和網絡技術在軟件中的應用，使CAD技術迅速發展。應用部門也從航空、汽車和機械制造業擴展到電子電器、化工、土木工程、水利、交通、紡織服裝和資源。
技術成熟階段
自20世紀90年代以來，CAD技術的發展趨于成熟，不再停留在單一模式、單一功能和單一領域的水平，而是朝著開放、標準化和集成的方向發展。主要體現在系統結構由過去的單一功能向綜合功能轉變，出現了集計算機輔助設計和輔助制造于一體的計算機集成制造系統。凝固技術、網絡技術、多處理器和并行處理技術在CAD中的應用極大地提高了CAD系統的性能。將人工智能和專家系統技術引入CAD，出現了智能CAD技術，它大大增強了CAD系統的問題解決能力，使設計過程更加自動化。
21世紀初，CAD的建模技術更加完善，特征建模和基于約束的參數化、變量化建模方法被廣泛采用，并朝著線框、曲面和實體建模統一表示的非流形本體建模方向發展。基于幾何模型的各種計算機輔助設計功能，如CAX（CAD、CAM等技術的總稱）相關的分析、制造、工程和優化等技術得到了全面深入的發展。例如，軟結構和軟總線技術在企業中得到廣泛應用并與其他計算機輔助技術有機結合，形成計算機集成制造系統。
數字時代CAD技術
在數字化時代，CAD與CAE的集成有望成為主流。在傳統意義上，設計和模擬之間有明確的界限。CAD軟件往往兼具通用和垂直屬性，而CAE軟件則強調分工明確的行業和場景中工程問題的解決。然而，隨著R&D設計公司將承擔越來越多的責任，特別是并行工程的概念，R&D將逐漸關注產品的外部屬性，從最初的產品生產率、材料可采購性、客戶需求全面性、產品可維護性和產品盈利性等各種特征。
此外，CAD產品的分類逐步細化，研發重點逐步轉向上層應用差異。由于工業設計各個過程的側重點不同，對CAD功能的要求也不同。在形狀設計過程中，更加注重產品的形狀構造，這需要更好的曲面造型能力。在設備生產中，更加注重實體建模，以避免在后期裝配、仿真和加工中出現不正確的結果。在工廠規劃過程中，降低了對建模細節的要求，但強調了管線的布局規劃。
主要類型
根據不同的模型，CAD系統通常分為二維CAD系統和三維CAD系統，具體來說:
二維設計
20世紀80年代，隨著計算機技術的發展和個人計算機的普及應用，2D CAD交互式繪圖技術開始逐步推廣。在2D CAD系統中，產品和工程設計圖紙通常被視為幾何元素的集合，如“點、線、圓、弧、文本等”，系統中表達的任何設計都變成了幾何圖形。所依賴的數學模型是幾何模型，這些元素的幾何特征被系統地記錄下來。就機械產品而言，二維CAD系統的主要功能是繪制所要設計產品的工程圖。由于繪圖速度快、精度高、修改方便、圖形可重用，大大提高了設計效率，便于交流和管理。
然而，二維CAD系統有明顯的缺點。首先，設計師在腦海中形成要設計的產品的大致形狀（毫無疑問，這是三維的），然后按照一定的規則用二維圖紙表達這種三維形狀。這種轉換不僅增加了設計時間，而且使設計者的設計意圖變得晦澀難懂，因為在大多數情況下，這些圖紙必須由受過專業訓練的人閱讀，并且數據提取必須由圖紙閱讀者根據規則進行解釋，以理解繪圖員的意思。二是二維CAD系統無法分析機構的幾何關系和運動關系，難以提前發現機構之間可能存在的運動干涉關系，往往直到實際機構裝配后才能發現，難以實現新產品的一次成功試制。
三維CAD
在20世紀末，個人計算機足以支持3D CAD軟件的硬件要求，而3D CAD軟件在21世紀初開始實用并廣泛使用。三維CAD軟件幾乎可以通過計算機在人腦中“再現”想象中的物體。雖然重現的三維模型不同于現實世界中可觸摸的三維物體，但這種模型具有完整的三維幾何信息，以及材料、顏色和紋理等其他非幾何信息。人們可以通過旋轉模型來模擬現實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實中觀察物體的距離，就好像物體就在自己眼前一樣，甚至可以通過動畫功能來模擬機器運動。
與二維CAD系統相比，三維CAD系統具有以下優點。例如，三維CAD系統可以直觀地看到整個產品的實際過程，因此即使那些看不懂二維圖紙的人也可以了解設計師正在設計什么樣的產品，并對正在開發的產品提出建議。其直觀的設計使設計師能夠第一時間發現設計問題和設計缺陷，提高設計效率。此外，借助三維產品建模，可以通過有限元仿真軟件對整個虛擬產品進行充分的分析和仿真，從而優化產品的結構，改善產品的力學性能，提高產品的質量。然而，3D CAD也存在一些缺點，如數據不包括尺寸公差、形狀公差、表面粗糙度、熱處理方法、材料等無法單獨通過形狀表達的信息。此外，基于關鍵零件的注釋、放大圖和剖面圖的技術要求可以更靈活合理地傳達設計意圖，也存在不足之處。
技術發展
傳統CAD技術的主要內容包括:圖形處理（如自動繪圖、幾何建模等。）、工程分析（如優化設計、參數化設計、有限元計算等。）、數據管理和交換（如數據庫、產品數據交換規范等。），而計算機主要用于開展與工程設計相關的輔助工作。在應用中，傳統的CAD技術僅局限于產品設計階段的一小部分，設計人員無法在整個設計過程中獲得創造性和智能化的支持，尤其是在產品設計最重要的初步設計的總體構思階段，需要領域專家長期實踐經驗的有力支持。隨著新技術的應用和發展，要求設計的產品種類多樣化和復雜化，要求設計人員在整個設計過程中提高設計質量和效率。傳統的CAD數據庫系統、交互式圖形系統和科學計算存在許多缺點，因此必須使CAD系統智能化才能更好地發展。
現代CAD技術是指以現代計算機技術、計算機網絡、人工智能技術等為基礎的CAD技術。采用現代設計理論和方法，基于強大的集成環境和工具進行產品設計，能夠支持復雜的系統環境。現代CAD技術充分融入了飛速發展的計算機技術、計算機網絡、人工智能等現代科技成果。其核心目的是追求產品設計的集成化、網絡化、并行協同和智能化，從而提高產品設計質量、降低產品成本和縮短產品開發周期。
綜合表現
集成的含義是多角度、多層次的，主要表現在以下幾個方面:（1）一個CAD系統內部模塊之間的集成。（2）集成各種CAD系統。（3）工程設計領域CAD/CAPP/CAM系統的集成。集成的本質是為企業提供集成解決方案和集成開發（發布）環境，通過并行工程、PDM等方法對整個企業的各種數據進行集成和管理。因此，CIMS制造系統中的計算機應運而生，它主要是指通過計算機對產品的計劃、設計、制造、檢驗、包裝、運輸、銷售等生產環節進行優化和控制，以實現產品生成的高度自動化，最大限度地實現企業信息共享，提高生產效率。
平行協同
新一代CAD或CAM系統的核心是“并行藝術到產品環境（CAPE）”。CAPE定義為在計算機網絡環境下描述和建模產品開發的整個設計和管理過程，強調并行工程和面向制造，采用PDM技術，在軟件結構、產品數據、面向對象開發技術、產品建模性能設計、質量控制等方面取得突破。，為實現并行處理提供了更完善的環境。在PDM實施過程中，我們要處理產品開發和制造環境中的所有數字信息，并集成工程設計、制造、生產、物流、計劃等信息。生產中各部門產生的數據可以由PDM控制。這些數據可能是CAD或CAM文件、材料清單、工藝計劃、分析模型及其結果、視聽材料、原型數據、材料技術要求和采購數據。
智能化
傳統的CAD系統只能處理機械設計中的數值工作，包括計算、分析和繪圖，這不適用于產品設計的整個生命周期，尤其是在產品概念設計階段，從抽象到具體的實現極其困難，需要基于專家豐富的經驗和知識做出合理的判斷和決策。所有這些任務都需要知識、經驗和推理。將專家系統技術與CAD技術相結合，形成智能CAD系統是必然趨勢。智能CAD的研究熱點如下:（1）構建基于并行設計理論和方法的新一代智能CAD系統，解決并行設計、方案設計、創新設計和動態設計等問題。（2）面向設計的專家系統的基本理論和技術問題，如知識獲取、推理機制、分布式系統結構、多推理機制、多知識表示結構和多專家系統結構。（3）基于神經網絡的設計方法，包括神經網絡在知識獲取中的應用、常規智能CAD系統、專家系統集成模型、基于理論的設計方案綜合評價方法和CAD實施策略。
建立工作關系網
隨著互聯網的發展，各種技術和系統都有網絡化的趨勢。聯網后，所有系統都相互協作。例如，將智能CAD聯網后，不同智能CAD系統之間的知識庫和數據庫可以共享，CAD的智能將提高到一個新的水平。不同的機械結構模型設計人員也可以進行協同設計。傳統的機械結構模型總是由一個設計師設計，這種設計效果不可避免地會受到設計師自身素質的影響。智能CAD聯網后，多個機械結構模型設計人員可以進行協同設計，使設計人員之間的不足可以在一定程度上互補。除了與智能CAD協同設計外，還可以通過聯網建立企業聯盟，并通過互聯網上的需求關系更迅速地響應市場。
人機交互
CAD技術正在向智能化方向發展，而智能CAD系統是針對機械結構等模型的設計者的，因此人機交互也是CAD發展的一個趨勢。簡單的人機交互使用鼠標和鍵盤進行輸入和顯示，打印機進行輸出。這種人機交互形式單一，效率低，如果要使用智能CAD系統，必須具備足夠的設計知識才能使用。因此，如果人機交互變得更加友好和高效，例如在用戶界面變得更加擬人化之后，一些沒有CAD專業知識的用戶也可以進行一些簡單的設計，專業的模型設計人員使用起來也會變得更加簡單和方便，CAD的智能也會相應地提高。
相關技術
并行工程技術
并行工程是以集成和并行的方式設計產品和相關過程（包括制造過程和支持過程）的系統方法，是20世紀80年代末提出的一種新的制造理念。它在設計階段重點關注產品的各個方面，相關人員同時對產品性能和相關工藝設計進行評估，及時改進設計以得到滿意和優化的產品，同時為后續技術環節做好準備和操作，從而在滿足產品質量的前提下縮短開發周期，提高企業競爭力。并行工程的基本要素是優化設計，它從產品性能設計、產品制造過程性能設計、產品可檢測性性能設計、產品可維修性性能設計和產品符合性性能設計等方面進行優化，以促進更多具有合適市場的新產品的快速生產。隨著網絡通信的普及、信息處理的智能化和多媒體技術的實用化，并行工程在CAD技術中的應用前景更加廣闊。
多媒體教學
多媒體是指文本（文字和數字）、圖形、圖像和聲音等不同媒體可以隨意操作和切換。從信息存儲的角度來看，它意味著磁盤、光盤、磁帶、存儲器、終端和打印機上的信息可以隨意切換和使用。其關鍵技術是模式識別、圖像、聲音和圖像信息的壓縮和恢復技術以及面向對象技術。
應用領域
工程和產品設計
工程設計:在建筑、水利、電力、能源、交通、地質勘探等部門，CAD技術已全面應用于工程項目的設計。例如，在公路橋梁的設計中，可以使用CAD技術對橋梁設計進行合理的規劃，并直觀地選擇相應的設計方案。CAD技術可以通過建模來模擬和確定整個橋梁的應力和變形，從而檢測整個工程的設計質量和整體質量。
計算機輔助設計產品設計:CAD技術設計產品最早出現在機械、電子、造船、航空、包裝的計算機輔助設計中，后來擴展到航空航天、通信等高科技領域，現在已擴展到輕工、紡織、包裝、服裝等行業。
例如，在包裝設計中，設計師收集產品的詳細信息并將其導入計算機設備后，計算機技術可以以此為基礎將信息提交給設計師進行初步制定。
設計師和軟件工程師應結合產品的功能要求、藝術外觀要求和合適的包裝材料等各種因素規劃產品的意圖，然后將其交給數字制作者來結合設計師表達的想法和信息，利用軟件將創意圖形轉換為標準的數據文件格式，并將其導入3D軟件中以精確制作基本的3D模型。
最后，找出產品外觀與包裝設計之間的空間分布關系，同時遵循藝術構成中的空間、比例、尺度和統一性原則以確保包裝。
模擬和動畫制作
高性能CAD的應用可以真實地模擬機械零件的加工過程、飛機的起飛和降落、船舶的進出和物體的損壞，并在影視制作中制作動畫片和特技鏡頭。例如，3D動畫是CAD應用領域中更廣泛的技術，它可以產生現實中難以實現的視覺效果，還可以用作機械等領域的仿真分析。三維CAD建模可以按照現實世界的規律運動，具有彈性、重力、慣性、摩擦力和浮力的特性。這些運動可以由軟件的動態系統生成，或者通過輸入外部運動捕捉數據來模擬。
信息處理及其可視化
在事務和技術等辦公自動化管理中，使用CAD技術處理統計數據并繪制各種形式的圖表（如方形表和扇形表）清晰直觀。利用CAD技術將原始數據制作成地理地形圖、礦產分布圖、氣象圖、人口密度圖及相關的等值線圖、等勢圖等，既方便又準確。在工程科技領域處理各種類型的圖形和圖像可以實現高質量和高效率，例如電子印刷。
電腦藝術設計
CAD技術已廣泛應用于藝術品的制作，如各種圖案、花紋、工藝造型設計以及傳統油畫、中國畫和書法等。制作動畫片、電影特寫和影視廣告，也用于室內外環境設計。例如，隨著CAD技術和3D打印技術的發展，可以實現陶瓷的三維參數化模型可視化和數控加工，精確測量陶瓷產品的體積、容量、壁厚等數據，從而優化陶瓷的形狀和結構，設計出更多符合現代審美需求的陶瓷文化創意產品。