1.1 CAD技術的概念及系統構成

1.CAD技術的概念

CAD技術是指在設計活動中利用計算機作為工具，幫助工程技術人員進行設計的一切實用技術的總和。它包括產品的分析與設計計算、幾何建模、運動學與動力學等仿真分析、數據庫管理與技術文檔處理的方法與技術。CAD技術是涉及多學科的綜合應用技術，其包含的技術主要有：

1）圖形處理與設計模型構造技術、自動繪圖、幾何建模、圖形仿真、模型輸入和輸出技術等。

2）工程分析技術、有限元分析、運動學和動力學分析、優化設計及面向不同專業領域的工程分析等。

3）數據管理與數據交換技術、數據庫技術、產品數據管理、產品數據交換規范及接口技術等。

4）文檔處理技術、文檔制作、文檔編輯及文字處理等。

5）軟件設計技術、系統分析與設計、軟件工程規范、窗口界面設計、CAD軟件二次開發技術、基于網絡的開發和應用技術等。

與傳統機械設計方法相比，無論是在提高生產率、改善設計質量方面，還是在降低成本、減輕勞動強度方面，CAD技術都有著強大的優勢。主要表現在以下幾個方面：

1）CAD技術可提高設計質量。在計算機系統內存儲了各種有關專業的綜合性技術知識，為產品設計提供了科學的基礎。人與計算機交互作用，有利于發揮人、機各自的特長，使產品設計更加合理化。CAD采用的優化設計方法有助于某些工藝參數和產品結構的優化。另外，由于不同部門可利用同一數據庫中的信息，故保證了數據的一致性。

2）CAD技術可以節省時間，提高生產率。設計計算和圖樣繪制的自動化，大大縮短了設計時間。CAD和CAM的一體化可顯著縮短從設計到制造的周期，與傳統的設計方法相比，其設計效率可提高3～5倍。

3）CAD技術可較大幅度地降低成本。計算機的高速運算和繪圖機的自動工作大大節省了勞動力，使設計人員可以從事更多的創造性工作；同時，生產準備時間縮短，產品更新換代加快，大大增強了產品在市場上的競爭力。

2.CAD系統的構成

CAD系統是實現CAD技術而具有特定功能的計算機系統。CAD系統由硬件系統和軟件系統組成，應具備計算、存儲、交互、輸入及輸出等基本功能。CAD系統的構成如圖1-1所示。

CAD硬件系統包括計算機系統、圖形輸入及輸出設備、網絡等。

1）計算機系統：目前CAD系統常用的主機類型有個人計算機、圖形工作站、小型機等。根據主機在機械CAD系統中的總體配置及組織形式的差異，通常有獨立式和分布式兩種。獨立式根據使用計算機主機的不同，又分為主機系統、工作站系統和個人計算機系統等幾種形式；分布式系統是利用計算機技術與通信技術，將分布于各處的計算機以網絡形式連接起來的系統，以達到資源分布、信息共享的目的。

2）輸入設備：鍵盤、鼠標、掃描儀和傳感手套等。

3）輸出設備：顯示器、打印機、繪圖儀、視覺、力覺和觸覺裝置等。

4）網絡：網絡拓撲結構最常用的是總線網或環網形式。

CAD軟件系統通常包括系統軟件、支撐軟件和用戶開發的專業應用軟件三大部分。

1）系統軟件：主要用于計算機的管理、維護、控制、運行以及計算機程序的生成和執行，通常包括操作系統，如Windows、UNIX、Linux等；計算機語言，可分為匯編語言和高級語言；網絡通信協議及管理軟件，如以太網、令牌環網等；窗口系統，如UNIX操作系統環境下的Office Vision、Open Windows等，計算機上的Macintosh、Windows等；數據庫管理系統，如DDBMS等。

2）支撐軟件：CAD應用軟件的基礎，包括幾何造型與圖形處理系統，主要完成設計對象的幾何建模、模型編輯、圖形顯示、工程圖標注、設計模型的存儲管理等功能，通常包括建模軟件，如UG NX、Creo、SolidWorks、AutoCAD、CATIA等；工程分析與決策支持系統，如有限元分析軟件ANSYS、NASTRAN、DYNA3D等；運動和動力學分析仿真軟件，如ADAMS、MADYMO等；優化設計軟件，如NAVGRAPH等，主要用來解決產品和工程設計中出現的需要借助數值分析理論和方法求解的關鍵技術問題。

3）應用軟件：是由用戶借助CAD系統軟件和支撐軟件提供的開發工具、接口等資源，針對特定的產品或工程設計需要進行二次開發得到的各種專用軟件。常用的CAD軟件二次開發的主要內容有數據交換和數據文件共享接口、系統操作界面用戶化、操作指令集成、用戶專用圖形庫和數據庫、嵌入式語言程序模塊等。目前，大多數主流CAD軟件系統都提供了用戶二次開發的接口，如各類CAD系統提供的開放式用戶定制機制，UG NX提供的Open GRIP, AutoCAD提供的AutoLISP、C語言接口，Creo提供的Toolki等。