2.1　CAD技术概述

2.1.1　CAD定义

CAD（Computer Aided Design）是计算机辅助设计的简称，也是利用计算机协助人类进行设计的一种方法和技术。它用计算机代替传统的图板，充分借助计算机的高效计算。大容量存储和强大的图像处理功能分担人的部分劳动，以使设计者更多地将主要精力集中于创造性工作。

尽管现在CAD系统具有一定智能，能对设计起一定参谋作用，但毕竟产品类型千变万化，要用计算机完全代替人而独立从事设计是不可能的。因此，在CAD中，“人”仍然是设计的主题，而“计算机”仅是一种设计工具，其作用是帮助人更好、更快地完成设计，而不是用计算机取代人。所以，“辅助（aided）”一词对人和计算机的地位作了明确的界定。

（1）广义CAD

根据上述描述，在产品设计过程中，凡是利用计算机所完成的工作均可视为CAD，这是CAD的广义概念。它主要包括图形表示、工程计算和设计管理三类工作，见图2-1。图形表示用于描述产品结构（形状和尺寸），是CAD的基础和核心。工程计算是对产品性能进行分析，以保证产品质量。设计管理是对设计过程和数据进行管理，以提高设计效率。

（2）狭义CAD

随着计算机应用技术的研究不断深入和应用范围的不断拓宽，人们将工程分析内容纳入CAE技术，并把设计过程和数据的管理纳入PDM技术进行专门研究。所以，CAD的概念缩小到了产品结构的图形表示方面，见图2-2。由于方案对产品的重要性，人们又专门开展了概念设计的研究，形成了概念设计方法和技术，即计算机辅助设计概念（Computer Aided Conceptual Design，CACD）。但严格来讲，CACD仍属于图形表示范畴，可作为CAD的一个分支。目前狭义的CAD主要是指产品的几何建模及其相关技术，即如何在计算机中描述产品的形状、结构和大小。现有集成软件（如I-DEAS，UG）也是按这种定义进行模块划分的。

从技术原理出发，CAD是一种方法，它具有完整的理论支持体系，计算机图形学、计算机辅助几何设计、数据库理论是其重要的理论基础。从工程应用角度来看，CAD既是一种技术，也是支撑设计的一种手段，要实现这种技术，需要计算机软件和硬件的支撑。

2.1.2　CAD技术的发展历程

CAD技术诞生于20世纪60年代，美国麻省理工学院于1963年首次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的思想，到了20世纪60年代中后期，专用CAD系统问世，标志着CAD技术进入初步应用阶段，但由于当时硬件设施价格昂贵，只有美国通用汽车公司和美国波音航空公司使用了自行开发的交互式绘图系统。 随着时间的推移，以及计算机技术不断发展和普及，CAD技术经历了五次重大技术革命。

（1）第一次CAD技术革命——曲面造型系统

20世纪60年代出现的三维CAD系统只是极为简单的线框式系统。这种初期的线框造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。进入20世纪70年代，先后出现了与计算机配套的鼠标和光栅扫描图形显示器等外设，使计算机绘图更方便，而且随着图形显示分辨率的不断提高，给CAD技术的发展创造了平台。其间，设计者在飞机及汽车制造过程中遇到了大量的自由曲面问题，由于当时只能采用多截面视图、特征纬线的方式来近似表达所设计的自由曲面，这种三视图方法表达并不完整，经常发生设计完成后，制作出来的样品与设计者所想象的有很大差异甚至完全不同的情况。这时法国人提出了贝赛尔算法，使得人们在用计算机处理曲线及曲面问题时变得可以操作，同时也使得法国的达索飞机制造公司的开发者们，能在二维绘图系统CADAM的基础上，开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统CATIA。它的出现，标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得具有绘图、二维线框模型建立、三维结构分析和数据加工功能的CAM技术的开发有了现实的基础。曲面造型系统CATIA为人类带来了第一次CAD技术革命，改变了以往只能借助油泥模型来近似准确表达曲面的落后的工作方式。

（2）第二次CAD技术革命——实体造型技术

20世纪80年代初，CAD系统价格依然令一般企业望而却步，这使得CAD技术无法拥有更广阔的市场。为使自己的产品更具特色，在有限的市场中获得更大的市场份额，以CV、SDRC、UG为代表的系统开始朝各自的发展方向前进。SDRC公司在当时美国的星球大战计划的背景下，由美国宇航局支持及合作，开发出了许多专用分析模块。有了表面模型，CAM的问题可以基本解决。但由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其他特性，基于对于CAD/CAE一体化技术发展的探索，SDRC公司于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件——IDEAS。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。实体造型技术的普及应用标志着CAD发展史上的第二次技术革命。

（3）第三次CAD技术革命——参数化技术

进入20世纪80年代中期，CV公司内部以高级副总裁为首的一批人提出了参数化实体造型方法。从算法上来说，这是一种很好的设想，它的主要特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。但可惜的是：最终在CV公司内部否决了参数化技术方案。策划参数化技术的这些人在新思想无法实现时，集体离开了CV公司，自行成立了“参数技术公司”，开始研制命名为Pro/E的参数化软件。早期的Pro/E软件性能很低，只能完成简单的工作，但是，由于第一次实现了尺寸驱动零件设计修改，使人们看到了它今后给设计者带来的方便性。进入20世纪90年代，参数化技术变得成熟起来，充分体现出其在许多通用件、零部件设计上存在的简便易行的优势。参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次技术革命。

（4）第四次CAD技术革命——变量化技术

参数化技术的成功应用，使得它在20世纪90年代前后几乎成为CAD业界的标准，但是其存在的缺陷导致重新开发一套完全参数化的造型系统困难很大，只能是在原有模型技术的基础上进行局部、小块的修补。这种把线框模型、曲面模型及实体模型叠加在一起的复合建模技术，并非完全基于实体，只是主模型技术的雏形，难以全面应用参数化技术。SDRC的决策者们权衡利弊，以参数化技术为蓝本，提出了一种更为先进的实体造型技术——变量化技术，作为开发方向。从1990年至1993年，投资一亿多美元，将软件全部重新改写，推出全新体系结构的IDEAS Master Series软件。20世纪90年代后期，随着PC机硬件设备的快速发展以及Windows操作系统的日益垄断，以Windows为平台的CAD软件快速发展，与Windows无缝连接、价格低廉、易学易用的中、低端CAD软件不断涌现。Solid Edge、SolidWorks等一系列三维CAD软件基本上全盘继承变量化技术，并在此基础上继续发展。变量化技术已经成为CAD软件公认的发展方向。

（5）第五次CAD技术革命——同步技术，建模技术发展的巨大突破

进入21世纪以后，Siemens PLM Software推出了创新的同步建模技术——交互式三维实体建模，随着计算机网络化的普及，可视化、虚拟现实化技术的应用使同步化、交互式建模技术进入一个成熟的、突破性的飞跃期。同步建模技术在参数化、基于历史记录建模的基础上前进了一大步，同时与先前技术共存。同步建模技术实时检查产品模型当前的几何条件，并且将它们与设计人员添加的参数和几何约束合并在一起，以便评估、构建新的几何模型并且编辑模型，无需重复全部历史记录。利用其智能模型交互操作，同步建模技术用户变得轻松自如，将降低他们对嵌入在模型中的永久几何约束的依赖。设计人员可以选择不用这类嵌入式约束来编辑初始模型，因为他们知道同步建模技术将识别明显的几何约束并且对其进行智能管理。该演变的影响将带来产品开发过程的根本变化。

2.1.3　现代CAD的技术特征

（1）参数化建模技术

参数化建模（parametric modeling）是指在保持原有模型约束条件不变的基础上，通过改变模型尺寸，驱动模型变化以获得新的模型。因此，参数化建模有两个核心技术：意识“约束”（constraint）和“尺寸驱动”（dimension driving）。“约束”是对模型几何元素位置和相对位置关系的限制，这些限制保证新的模型能按人的设计意图变化，而不致生成不需要的模型；“尺寸驱动”是指当尺寸值变化时，模型随之变化以达到新的尺寸值，从而获得新的模型。可见，“约束”是参数化建模的基础和保证，“尺寸驱动”是参数化建模的动力。因此，参数化建模是一种基于约束的、并能用尺寸驱动模型变化的建模技术。用参数化技术生成的模型称为参数化模型。对于参数化模型，只要修改模型上的尺寸值，模型就会变化为一种新的模型。

（2）基于特征的建模技术

基于特征的建模技术（feature-based modeling）是20世纪90年代出现并被广泛应用的技术，它大大提高了三维建模的效率和模型编辑的灵活性，同时为后续CAPP、CAM技术的应用提供了极大方便。现有CAD系统大都采用这种建模技术。

基于特征的建模将任何三维模型视为一系列特征的组合，而特征是一种几何结构相对简单的基本几何体。这样，无论模型如何复杂，都可以通过一定数量的特征，按照一定方式组合而成。这种建模技术具有以下优点：建模过程类似产品的实际加工过程，步骤清晰，每步操作明确。因此，建模十分方便，效率很高。

三维模型建立后，系统将详细记录模型的生成过程，以及每步操作中的特征类型和参数，即每个模型都有一个完整的特征历程树。基于该特征历程树，用户可以选择其中任意特征，并对选中特征的定义、几何参数、位置参数以及各种特性进行修改，之后更新特征历程树，就能得到新的三维模型。因此模型修改十分灵活。

（3）全数据相关技术

一个CAD系统具有不同的功能模块，在产品的设计过程中，设计人员可能利用不同的模块，在不同的地理位置并行进行产品设计。由于是对同一产品进行设计，自然希望各个模块使用统一的数据模型，以使设计人员能够共享，交换数据，保证设计过程的协同和并行，为此，产品的几何模型应保持完整性和一致性。

20世纪90年代，SDRC公司提出了“主模型”概念，并在I-DEAS软件中较好地解决了数据的完整性和一致性问题。所谓主模型，是指CAD系统中的各个功能模块均采用一个统一或单一的数据模型，用于集中存储产品设计数据，所有模块需要和产生的数据都来自或存放在该模型中。

各个功能模块通过链接方式（复制）从主模型中引用数据，这就保证了每个功能模块与主模块数据的一致性。当主模型发生变化时，模块数据会随之变化；相反，当某个模块的数据修改以后，主模型也会随之修改。这种数据相关称为双向相关。

由于每个模块的数据均与主模型双向相关，因此，当任一模块的数据发生变化，都会通过主模块传递到其他模块。即一个模块的数据变化会通过主模块反映到其他模块，这就实现了各个模块数据的相关，这种所有模块数据均具有的相关性称为全数据相关。全数据相关是CAD技术的一个显著特征，它为实施并行设计和协同设计提供了完美的技术保证。随着主模型技术的提出，目前CAD软件纷纷采用了统一的数据库，以保证各应用模块的数据统一和一致。

（4）智能化导航技术

提高设计效率是CAD技术始终追求的一个重要指标。CAD技术的发展，很多内容都是围绕如何提高设计效率开展的，智能导航技术便是其中之一。

计算机绘图中涉及大量点的定位操作，如画直线时需要确定两个端点，画圆时需要确定圆心位置等，因此，点的定位快慢直接影响绘图速度。1992年初，SDRC公司在其I-DEAS中率先推出了动态引导器，这是一种智能导航技术，它对提高点的定位速度做出了变革性的贡献。

在CAD建模或编辑过程中，涉及大量定位和选择操作。例如，绘制一条与已有直线连接的直线，需要将直线起点准确定位到现有直线的端点，否则草图不封闭，不能变换成实体；若要求在三维模型上绘制草图，则需要在三维模型上选择平面。所谓“智能”，是指CAD系统能够自动理解和判断人的设计意图，从而引导和帮助设计人员快速、准确定位到需要的点或选择需要的对象。智能导航技术可以自动捕捉现有几何元素的特征点，具有自动生成约束和自动显示可选择的对象等功能。

2.1.4　CAD系统功能组成

CAD系统由若干完成特定功能的子系统组成。该子系统又称功能模块。功能模块分为通用模块和专用模块。通用模块包括二维草图、三维建模、曲面建模、装配建模和工程制图模块，是三维CAD系统所必备的功能；专用模块是为特定行业或需求设计的，包括钣金设计、磨具设计等典型设计。

下面对通用模块的各个功能作简要的介绍（以Pro/Engineer为例）。

（1）二维草图

在参数化、变量化设计中，二维草图绘制功能是十分重要和基础的功能，见图2-3。在基于特征的三维建模过程中，草图用于拉伸、旋转等三维特征的建立。草图绘制充分体现了变量化设计思想，设计者可以快速创建所需要的二维图形，并通过增加或修改尺寸合计和约束，使草图逐步满足设计者的要求。

（2）三维建模

三维建模是CAD系统的核心模块，是CAD系统必不可少的功能，用于产品三维模型的建立、显示和编辑。在CAD系统的发展过程中，其很多功能的扩展和性能的提高都围绕着如何快速、高效地建立、表示和管理三维模型而开展，如特征建模技术、参数化建模技术、数据相关性等，见图2-4。

（3）曲面建模

曲面建模是实体建模的补充，通常用于复杂产品（如汽车、飞机、家电等）的外形设计。Coons方法、Bezier方法、B-样条和NURBS方法是CAD系统构造曲线、曲面普遍采用的方法。现代CAD系统能提供极其丰富和方便的曲面建模工具，支持各类复杂曲面的建模，为更精确、美观的产品造型设计提供更广泛的支持。

（4）装配建模

装配建模是CAD系统的必备模块，它能实现三维产品模型的虚拟装配，直观、形象地表达了产品各零部件的组成、装配关系和产品的最终成形效果，见图2-5。现代CAD系统能支持自底而上和自顶而下两种方法的虚拟装配，采用基于约束的方法，使实际环境中零件之间的装配设计关系在虚拟设计环境中得到真实映射。

（5）工程制图

工程制图模块用于绘制和编辑能指导产品加工、制造的工程图，见图2-6。通过CAD系统能够将所建的三维模型直接生成二维平面视图，并使三维模型的特征尺寸在二维工程图上自动生成和标注。CAD系统的其他建模模块与工程制图模块具有全相关性，能够保持工程图的各视图之间，三维模型与二维视图之间的全相关。三维模型的修改能直接反映到二维图形上，二维图形的变更也能使三维模型自动更新，保证了设计的一致性。