计算机辅助设计

概念定义

计算机辅助设计（Computer-Aided Design，简称 CAD）是利用计算机软硬件及图形设备，辅助设计人员完成设计、绘图、建模、分析和文档编制的技术。它把设计对象转化为可编辑、可计算及可交换的数字模型，使方案表达、尺寸约束、装配检查、工程出图和数据管理能够在数字环境中进行。

CAD 不只用于绘制二维工程图，也涵盖三维实体与曲面建模、参数化设计、装配处理、仿真接口和设计数据交换。数字模型还可继续用于分析、制造、施工及协同评审，使不同阶段能够复用同一设计成果。

工作原理

CAD 的基本过程是以数字模型表达设计对象。设计人员通过计算机和图形设备建立几何图形或三维模型，并对其尺寸、形状、位置及装配关系进行编辑。模型中的设计内容可被修改和计算，也可转换为工程图或文档，从而支持方案调整与工程表达。

参数化设计通过尺寸约束及相关设计条件控制模型。当设计内容发生变化时，设计人员可在原有数字模型上修改，而不必重新绘制全部图形。装配功能用于组织多个设计对象并检查其组合关系；仿真接口则让模型能够进入后续分析流程。数据交换功能负责在不同系统或工作环节之间传递设计信息。

技术构成

CAD 的基础构成包括计算机硬件、设计软件和图形设备。软件功能通常覆盖二维绘图、三维实体建模、曲面建模、参数化设计、装配、仿真接口、数据交换、云端协作及二次开发。二维绘图侧重平面图形与工程出图，三维建模用于建立具有空间形态的数字模型，参数化功能则以约束关系支持模型调整。

现代 CAD 系统还可与计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助制造（CAM）、建筑信息模型（BIM）及产品生命周期管理（PLM）系统连接。CAD 模型由此可进入工程分析、制造、建筑施工或产品数据管理流程，形成从设计表达延伸至后续业务环节的数字化基础。

应用场景

CAD 广泛用于机械工程、建筑设计、汽车、航空航天、电子、工业设计和服装设计等领域。在机械、汽车及航空航天领域，它可用于零部件与装配模型的建立、尺寸约束、装配检查和工程出图；在建筑领域，可用于设计表达并与 BIM 等系统衔接；在电子、工业设计及服装设计中，则用于图形绘制、模型建立、方案修改和设计文档编制。

技术特点与演进

与传统手工绘图相比，CAD 可提高图形表达的精度和一致性，减少重复绘制及修改成本。数字模型可被编辑、计算、交换和复用，也便于设计人员开展协同评审及后续数据处理。

计算机辅助设计出现于20世纪50年代，Sketchpad 是代表性的早期系统，伊凡·萨瑟兰（Ivan Sutherland）等早期计算机图形学研究者参与了相关技术的提出与实现。进入21世纪后，CAD 逐步呈现云端化、智能化、平台化和移动化的发展方向，人工智能技术也开始融入 CAD 系统，推动设计过程朝人机协同的智能设计方式发展。