CAD在机械设计中的应用现状与发展趋势

    CAD的定义有一个从狭义片面到全面的发展过程，有的人认为，在工程设计中使用计算机进行科学计算和分析就是CAD，或者利用计算机控制绘图机绘制出工程图纸就是CAD，这些对CAD的理解都是片面的，因为它不能充分揭示CAD的内涵和本质，使CAD的应用始终处于一个初级状态。

    1 CAD技术的产生和发展

    20世纪50年代初，CAD技术诞生并处于被动式的图形处理阶段，也是CAD技术的准备和酝酿时期。进入20世纪60年代，提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想，从而为CAD技术的发展和应用打下了理论基础，同时也相继出现了许多商品化的CAD设备。1970年美国Applicon公司第一个推出完整的CAD系统，出现了全面向中小企业的CAD/CAM商品化系统，同时也意味着CAD技术进入广泛使用时期。20世纪80年代，CAD技术进入了突飞猛进的发展时期，在这个时期，CAD/CAM技术从大中企业向中小企业扩展，从发达国家向发展中国家扩展，从用于产品设计发展到用于工程设计和工艺设计。到了20世纪90年代，CAD技术进入了开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期，微机加视窗95/98/2000/NT操作系统与工作站加LINIX操作系统，在以太网的环境下构成了CAD系统的主流工作平台。因此现在的CAD技术和系统都具有良好开放性，图形接口、图形功能日趋标准化，在CAD系统中， 综合运用正文、图形、图像、语音等多媒体技术和人工智能、专家系统等技术，从而大大提高了自动化设计程度，出现了智能CAD新学科。

    2 CAD技术概述

    2.1 CAD概念

    CAD是Computer Aided Design的简称，即计算机辅助设计，是由计算机完成产品设计中的计算、分析、模拟、制图、编制技术文件等工作，由计算机辅助设计人员完成产品的全部设计过程，最后输出满意的设计结果和产品图纸的一种机械设计方法。它是最近几十年来迅速发展起来并得到广泛应用的多学科综合性的新技术。1973年，国际信息处理联合会给CAD下了一个更广义的解释：“CAD是将入和机器混编在解题专业中的一种技术，从而使入和机器的最好特性联系起来。”CAD技术的应用适应了当前产品需提高设计质量，快速更新换代的需求。

    2.2 CAD系统的构成

    CAD技术集中体现在CAD系统上，CAD系统是用户最终用来实现设计思想、加速产品和工程设计的信息化工具，从其体系结构上讲，可分为三个层次：即基础层、支撑层和应用层。基础层由计算机、外围设备和系统软件构成；支撑层包含计算机分析软件、数据库管理系统软件、网络服务软件和集成化CAD/CAM/CAE软件等；应用层针对不同应用领域的需求有各自的CAD专用软件来支持相应的CAD工作，目前各种机械CAD软件开发和应用层出不穷，显示出强大的生命力和广阔的发展前景。

    2.3 CAD的功能

    一个比较完善的CAD系统应具备以下基本功能：

    (1) 科学计算与分析功能，能够完成产品常规设计、优化设计、可靠性分析、有限元分析、动态分析及数字仿真模拟等科学计算。

    (2) 图形处理功能：如二维交互图形技术、三维几何造型、图形仿真模拟及其图形输入输出功能等。

    (3) 数据管理与数据交换功能：如数据库管理，不同CAD系统间的数据交换和接口功能等。

    (4) 其它功能：如进行文档制作，编辑及文字处理功能，软件设计功能和网络功能等。

    2.4 CAD与传统设计的比较

    CAD包含了从产品的方案决策、结构设计、性能分析、功能仿真一直到工艺设计的全部过程。传统设计，人工处理信息不要求形式化的表示方法，设计入员可以在非形式化的情况下工作，而CAD系统要求恰好相反；传统设计过程的支撑环境是文具、图纸和手册资料，而CAD系统则要求有一定的计算机硬件环境和软件支撑系统；CAD系统与传统设计过程也不尽相同。

    大量实践证明，CAD与传统设计相比，具有明显的优越性。CAD应用显著提高设计效率，缩短设计周期，提高设计质量，使部门间信息交流更迅速、可靠，便于设计与分析工作模式的统一，且有利于产品的标准化、系统化和通用化。

    3 Auto CAD在机械设计中的应用

    CAD系统软件分为两大类：一类是支撑软件，如计算机操作系统、程序设计语言、图形支撑系统等，另一类为应用软件，它包括工程应用图形库、常用数学方法库、典型机械零件设计及绘图程序库，面向产品的工程数据库，面向产品的工程分析程序库和产品性能计算机仿真程序。

    应用软件是CAD的核心，常用的CAD软件很多，如美国AutoDesk公司开发的AutoCAD、美国SDRC公司推出的I-DEAS Master Seriess、美国PTC公司开发的Pro/Engineer、法国MATRA公司开发的EUCLID以及我国自主开发的PICAD、高华CAD，开目CAD和CAXA等等，其中Auto CAD系统是美国AutoDesk公司为微机开发的一个交互式绘图软件，它具有较强的绘图、编辑剖面线和图案绘制、尺寸标注以及方便用户的二次开发功能，同时也具有部分的三维作图造型功能。它是目前世界上应用最广的CAD软件，其功能强大，完全是专业级的机械绘图软件，国内大部分高校、工厂都普及了AutoCAD的教学和应用。AutoCAD可以完成专业机械图的绘制，包括简单机械零件图的绘制、简单机械装配图的绘制、显示视图和创建文本、标注一张机械图纸、OLE和自动数据交换、等轴侧投影图绘制、构建三维实体零件图等。特别是在做机械设计方案和产品资料时，要同一些非专业入员进行交流，此时如果能有一张色彩鲜明、能形象逼真的反映设计对象的色彩效果图，将会更加清楚地展现产品的本来面目，更有效地传递设计意图，此时3D模型的渲染显得尤为重要。