高等学校计算机应用规划教材
计算机辅助设计基础及应用
薛山编著
北京
内容简介
本书系统地介绍CAD(计算机辅助设计)的基础知识、具体应用及其典型应用软件，并力求反映CAD领域的新发展。
全书共分13章，主要内容包括：CAD概述、CAD系统的软硬件组成、CAD接口技术及图形标准、CAD软件工程技术、计算机图形处理技术基础、几何造型系统、自由曲线与自由曲面、通用绘图软件包AutoCAD及其二次开发技术、工程数据的计算机处理、CAM(计算机辅助制造)技术、Mastercam软件包，以及平面连杆机构的计算机辅助运动分析等。
本书结构清晰、内容翔实，既可作为高等院校相关专业的教材，也可作为从事CAD技术研究与应用人员的参考书。
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版权所有，侵权必究。
侵权举报电话：010-62782989 图书在版编目(CIP)数据 计算机辅助设计基础及应用/薛山编著.—北京：清华大学出版社，2018(高等学校计算机应用规划教材)ISBN978-7-302-50632-
4 Ⅰ.①计…Ⅱ.①薛…Ⅲ.①计算机辅助设计－高等学校－教材Ⅳ.①TP391.72 中国版本图书馆CIP数据核字(2018)第156514号 责任编辑：胡辰浩李维杰封面设计：孔祥峰版式设计：思创景点责任校对：牛艳敏责任印制：丛怀宇 出版发行：清华大学出版社 网址：， 地址：北京清华大学学研大厦A座 邮编：100084 社总机：010-62770175 邮购：010-62786544 投稿与读者服务：010-62776969，c-service@ 质量反馈：010-62772015，zhiliang@ 印装者：北京密云胶印厂 经销：全国新华书店 开本：185mm×260mm 印张：21.75 字数：516千字 版次：2018年8月第1版 印次：2018年8月第1次印刷 定价：58.00元 ——————————————————————————————————————————— 产品编号：072467-01 前言 计算机辅助设计(ComputerAidedDesign，CAD)是一项多学科的综合性应用技术，是现代设计方法及手段的综合体现。
CAD技术在产品设计中发挥着重要的作用，是利用计算机软件、硬件系统辅助工程技术人员对产品或工程进行设计、分析、修改以及交互式显示输出的一种方法(或手段)。
随着计算机技术的迅猛发展，CAD技术已广泛应用于机械、电子、建筑、纺织、航空、航天、汽车、化工、冶金、环境工程、土木工程等领域，并已成为提高产品与工程设计水平、缩短产品开发周期、增强产品市场竞争力、提高劳动生产率的重要手段。
CAD技术的发展和形成至今已有60余年的历史。
自20世纪50年代交互式图形处理技术出现以来，CAD技术经历了由单纯的二维、三维绘图到覆盖几何造型、工程分析、模拟仿真、设计文档生成等大量产品设计活动的发展过程。
CAD的造型技术不断完善，广泛采用了特征造型和基于约束的参数化和变量化造型方法，并向能将线框、表面、实体模型统一表示的非流形形体造型发展。
随着信息技术的发展，CAD技术也由过去的单机或局部分布式联网工作方式向基于网络的设计发展，且支持协同的概念设计。
CAD技术的未来发展集中体现在集成化、网络化、智能化和标准化的实现上。
我国十分重视CAD技术的普及与深化。
早在20世纪80年代，原国家科学技术委员会(现更名为科学技术部)及有关部委就将CAD技术的应用提到重要日程。
20世纪90年代，原国家科学技术委员会又协同各部委成立了全国CAD应用工程协调小组，开展我国的CAD应用工程，以将CAD技术转化为现实的生产力。
与此同时，各高等院校和研究机构也对CAD技术的基础理论与软件开发进行了大量的研究，并取得了丰硕的成果。
经过十几年的努力，我国已初步建立起具有一定市场规模的拥有自主版权的CAD软件产业，在全国范围内建立了CAD应用培训网络和咨询服务体系；制订了一批CAD技术标准，结合我国CAD应用工程的需要，创建了一套CAD应用工程管理工作体系、措施和办法。
目前，我国在涉及产品及工程设计的各领域中都已广泛采用CAD技术。
由于计算机技术的迅速发展，知识更新周期的缩短，为使读者尽可能多地掌握最新的CAD技术，我们编写了本书。
本书涉及的内容较为广泛，既包括CAD技术的基本原理、基本理论，又包括CAD技术的具体应用及相关应用软件(2D绘图、3D实体造型、参数化设计与建模、工程计算、模拟与仿真分析、CAM等)，并力求反映CAD领域的新发展。
全书共分13章，第1章和第2章主要介绍CAD的基本概念、基本知识、发展概况，以及CAD系统的软硬件组成等内容；第3章介绍CAD系统的接口技术与图形标准；第4章介绍CAD 软件工程技术；第5章～第7章介绍计算机图形处理技术基础、几何造型技术，以及有关自由曲线与自由曲面方面的知识；第8章主要介绍通用绘图软件包——AutoCAD；第9章介绍如何用VisualLISP对AutoCAD进行二次开发；第10章介绍工程数据处理及产品数据管理技术；第11章介绍CAM技术；第12章主要介绍CAD/CAM一体化软件——Mastercam；第13章为CAD应用部分，介绍平面连杆机构的计算机辅助设计等内容。
本书是作者在总结多年教学经验与科研成果及工程应用的基础上编写而成的，既可作为高等院校相关专业的教材，也可作为从事计算机绘图技术研究与应用的人员的参考书。
除封面署名的作者外，参加本书编写的人员还有宋志辉、侯友山、裴淑娟、李辉、张宇怀、徐晓明、薛继军、岳殿召、陈添荣、侯铁国、刘军勇、李淑萍、尹志亮、陈光训、吴超群、郑玉祥、付君泽、黄怀春和靳廷喜等。
由于作者水平所限，本书难免有不足之处，欢迎广大读者批评指正。
我们的邮箱是huchenhao@，电话是010-62796045。
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作者2018年5月 II 目录 第1章1.11.2 1.3 1.4 概述···········································1现代产品设计与CAD技术············11.1.1现代产品设计概述··················11.1.2CAD技术与现代产品设计·······2CAD技术的发展历程及发展趋势··············································21.2.1CAD技术的发展历程··············3 1.2.2CAD技术在我国的发展和 应用········································41.2.3CAD技术的发展趋势··············4CAD技术的特点与应用················51.3.1CAD技术的特点······················51.3.2CAD技术的应用······················6 1.3.3采用CAD技术的优点和 风险········································6习题··············································
7 第2章2.1 2.2 2.3 CAD系统的组成·························8CAD系统的类型和构建模式········82.1.1CAD系统的分类······················82.1.2CAD系统的构建模式···········11CAD系统的硬件组成·················122.2.1CAD系统的硬件···················122.2.2工作站和微机·······················14CAD系统的软件组成·················152.3.1系统软件······························162.3.2CAD支撑软件·······················162.3.3CAD应用软件·······················18 2.3.4商品化CAD支撑软件包 介绍······································182.4CAD系统的选型原则·················19 2.4.1CAD系统选型工作的重要 意义······································192.4.2CAD系统选型的基本要素····192.4.3选择CAD系统的原则············222.5习题············································22 第3章3.13.23.3 3.4 CAD接口技术及图形标准·········23交互技术与用户接口··················233.1.1交互任务与交互技术············233.1.2输入控制方式·······················263.1.3交互系统的构造····················26计算机图形接口及计算机图形元文件········································283.2.1计算机图形接口(CGI)···········283.2.2计算机图形元文件(CGM)·····29计算机图形软件标准··················30 3.3.1图形核心系统(GKS和 GKS-3D)·······························30 3.3.2程序员层次交互式图形系统 (PHIGS)································313.3.3图形程序库(OpenGL)···········32产品数据交换标准······················33 3.4.1基于DXF文件的图形数据 交换······································333.4.2基本图形交换规范(IGES)·····37 3.4.3产品模型数据转换标准 (STEP)··································383.5习题············································41 第4章4.14.24.3 4.4 CAD软件工程技术···················42软件工程的基本概念··················424.1.1软件与软件工程···················424.1.2软件工程过程模型···············44CAD应用软件开发·····················474.2.1CAD软件工程的特点···········474.2.2CAD软件工程的开发流程····47CAD软件的文档编制规范··········494.3.1可行性研究报告···················494.3.2项目开发计划·······················504.3.3软件需求说明书···················504.3.4数据要求说明书···················514.3.5概要设计说明书···················514.3.6详细设计说明书···················524.3.7测试计划······························524.3.8测试分析报告·······················534.3.9项目开发总结报告···············53习题·············································54 第5章5.15.25.3 5.4 计算机图形处理技术基础·········55图形处理的数学基础··················555.1.1向量运算······························555.1.2矩阵运算······························565.1.3齐次坐标······························59图形程序库·································605.2.1设备驱动程序·······················605.2.2图形程序库···························60坐标系·········································615.3.1设备坐标系···························61 5.3.2虚拟设备坐标系(规格化的 设备坐标系)·························61 5.3.3世界坐标系、造型坐标系和 观察坐标系··························625.3.4坐标变换······························63窗口与视区·································63 IV 5.4.1窗口······································635.4.2视区······································645.4.3窗口-视区变换······················645.5图形的裁剪与消隐······················655.5.1图形的裁剪···························655.5.2图形的消隐···························665.6二维图形几何变换······················67 5.6.1二维图形几何变换的一般 表示······································67 5.6.2平移变换与点的齐次坐标 表示······································705.6.3二维组合变换·······················725.7三维图形几何变换······················735.7.1三维基本变换·······················735.7.2三维组合变换与投影变换·····755.8习题············································76 第6章6.16.26.36.4 6.56.6 6.7 几何造型系统···························77空间几何元素的定义··················77线框造型·····································80曲面造型·····································80实体造型·····································816.4.1基本造型功能·······················816.4.2实体造型的数据结构············846.4.3基于特征的造型····················876.4.4参数化造型···························88非流形形体造型·························89装配造型·····································906.6.1装配造型的功能····················906.6.2装配浏览·······························916.6.3并行设计功能·······················926.6.4装配模型的使用····················926.6.5装配简化·······························93习题············································93 第7章7.1 自由曲线和自由曲面················94基本概念·····································947.1.1曲线和曲面的数学表示········947.1.2基本术语·······························95 目录 7.2自由曲线·····································967.2.1Hermite曲线··························967.2.2Bezier曲线····························987.2.3B样条曲线··························103 7.3自由曲面···································1087.3.1双线性参数曲面·················109 7.3.2Coons曲面片与双三次参数 曲面片································1107.3.3Bezier曲面··························1137.3.4B样条曲面··························1147.3.5曲面片的连续·····················1157.4习题··········································116 第8章8.1 8.28.3 8.4 AutoCAD绘图软件包··············117概述··········································1178.1.1AutoCAD的发展历史·········117 8.1.2AutoCAD2018的主要 功能···································118 8.1.3AutoCAD2018的工作 界面···································1208.1.4图形文件管理·····················127绘图设置及绘图实用工具········1288.2.1图层、线型、线宽及颜色··1288.2.2样板文件····························1308.2.3绘图实用工具·····················131 8.2.4配置AutoCAD2018绘图 环境···································135二维绘图与编辑·······················1378.3.1二维绘图····························1388.3.2二维编辑····························138 8.3.3图案填充、面域与图形 信息···································1398.3.4使用文字与表格·················1428.3.5标注图形尺寸·····················1468.3.6图形显示控制·····················147三维建模···································1498.4.1基本概念、基本操作··········1498.4.2绘制三维点和线·················153 8.4.3绘制三维网格·····················1548.4.4实体建模·····························1578.4.5三维曲面建模·····················1608.5三维编辑···································1618.5.1三维移动·····························1618.5.2三维镜像·····························1618.5.3三维旋转·····························1628.5.4三维阵列·····························1628.5.5对齐位置·····························1638.5.6布尔操作·····························1638.5.7其他编辑操作·····················1648.5.8标注三维对象的尺寸··········1658.6渲染··········································1658.7AutoCAD的功能···········1678.8习题··········································168 第9章9.19.2 9.3 9.4 9.59.69.79.8 二次开发技术·························170LISP、AutoLISP及VisualLISP··········································170VisualLISP集成开发环境·········1709.2.1菜单栏、工具栏和状态栏···1719.2.2文本编辑器·························1729.2.3控制台窗口和跟踪窗口······173加载、运行AutoLISP程序········174 9.3.1在VisualLISP集成开发环境中加载、运行AutoLISP 程序····································174 9.3.2在AutoCAD环境中加载、运行 AutoLISP程序·····················174AutoLISP编程···························175 9.4.1AutoLISP程序文件及其 结构····································1769.4.2AutoLISP数据类型··············177AutoLISP函数···························179在VisualLISP集成开发环境中调试程序···································185应用举例···································189习题··········································190
V 第10章10.110.2 10.3 10.410.510.6 10.7 10.8 10.9 工程数据的计算机处理·········192概述········································192数表的计算机处理··················19310.2.1数表程序化···························19310.2.2一元函数插值······················19310.2.3二元函数插值························195线图的程序化·························19610.3.1建立拟合公式的方法·············196 10.3.2最小二乘法拟合的基本 思想········································19610.3.3最小二乘法多项式拟合·········19710.3.4最小二乘法其他函数拟合·····198通用数据处理软件介绍··········199工程数据文件处理··················200数据库管理系统在CAD中的应用·········································20110.6.1数据库系统概述····················20110.6.2数据库在CAD中的应用·········202工程数据库系统简介··············21210.7.1工程数据库系统的概念·········21210.7.2工程数据库系统的特点·········213 10.7.3工程数据库系统的构成 方法·······································214产品数据管理技术及其发展····21410.8.1PDM的产生····························21510.8.2PDM的基本概念····················21510.8.3PDM的发展····························21610.8.4PDM的功能分析····················21610.8.5PDM技术分析························218习题········································219 第11章11.1 11.2 计算机辅助制造技术············220计算机辅助制造·····················22011.1.1概述········································22011.1.2CAM系统的典型体系结构····22111.1.3数控编程································221计算机辅助工艺规程设计······22211.2.1CAPP概述······························222 11.311.411.5 11.2.2CAPP的系统原理和系统 结构·······································22411.2.3派生式CAPP系统···················22511.2.4创成式CAPP系统···················232CAD/CAM系统集成···············24011.3.1系统集成的必要性·················24011.3.2CAD/CAM系统集成的程度···241 11.3.3CAD/CAM系统集成的关键 技术········································242先进制造技术概述··················24311.4.1计算机集成制造系统·············24311.4.2并行工程································24611.4.3虚拟制造技术·························249习题·········································251 第12章12.1 12.212.312.4 12.512.6 Mastercam软件包················252概述·········································25212.1.1Mastercam的基本情况············25212.1.2Mastercam的主要功能············25312.1.3MastercamX6的工作界面······25312.1.4文件管理································255系统设置和基本操作··············25712.2.1系统配置································25712.2.2基本概念与操作·····················259CAD零件设计·························26212.3.1二维造型································26212.3.2三维曲面设计·························26512.3.3三维实体设计·························268数控加工基础·························27212.4.1数控编程的基本过程·············27212.4.2参数设置································27612.4.3操作管理································28112.4.4刀具路径编辑·························286CAM刀具路径设计·················28712.5.1二维加工································28712.5.2三维加工································28812.5.3多轴加工································292Mastercam综合实例················293 VI 目录 12.7 12.6.1零件模型设计························29312.6.2零件刀具路径设计·················297习题········································301 第13章13.1 13.2 平面连杆机构CAD···············303矢量三角形法运动分析的数学模型·········································30313.1.1四杆机构的位置分析·············304 13.1.2简单平面连杆机构的运动 分析········································305 13.1.3复杂平面连杆机构运动 分析········································312杆组法运动分析的数学模型····31513.2.1基本杆组的划分方法·············31513.2.2同一构件上点的运动分析·····317 13.313.413.5 13.6 13.2.3RRR杆组的运动分析·············31813.2.4RRP杆组的运动分析··············32013.2.5RPR杆组的运动分析··············322杆机构运动分析与模拟··········324平面连杆机构设计的类型······326连杆机构的综合······················32713.5.1连杆机构的综合方法·············32813.5.2刚体导引机构的设计·············32813.5.3函数变换机构的设计·············33113.5.4轨迹发生机构的设计·············332习题·········································333 参考文献·············································336 VII 第1章 概述 CAD技术是现代产品设计中广泛采用的现代设计方法和手段。
本章结合现代产品设计的主要设计环节和基本设计要求，介绍CAD技术的发展历史及发展趋势，以及CAD技术的特点与应用。
1.1现代产品设计与CAD技术 产品设计是将创新构思转化为有竞争力的产品的一个创新过程。
因此，设计是产品的生命，也是产品制造的前提和基础。
现代产品设计强调采用先进的设计方法和手段。
作为一项多学科的综合性应用技术，CAD技术是现代设计方法及手段的综合体现。
1.1.1现代产品设计概述 现代产品设计是一门多学科相交融的综合性学科。
所谓设计，是指根据使用要求确定产品应具备的功能，构思产品的工作原理、总体布局、运动方式、力和能量的传递、结构形式、产品形状，以及色彩、材质、工艺、人机工程等事项，并转化为工程描述(图纸、设计文件等)，以此作为制造的依据。
一般情况下，一个产品的设计要经历如下环节。
(1)需求分析和可行性研究。
通过市场调研分析用户的需求，进行产品开发的可行性研究与分析。
(2)概念设计。
在需求分析和可行性研究的基础上，确定产品应具备的功能，进行方案的构思、分析和论证，确定一组可行的原理性方案。
概念设计主要包括功能设计、原理设计、形状设计、布局设计和人机工程设计等。
(3)初步设计。
从原理性方案中选择优化方案，进行初步的总体设计，确定各部件的基本结构、形状以及协调尺寸，建立相应的数学模型，进行主要设计参数的分析计算与优化。
(4)详细设计。
确定设计对象的细节结构，进行详细的总体设计和零、部件设计，完成产品的工程描述。
(5)试制与测试。
完成产品的样机生产及有关测试项目，并进行设计反馈与修改。
(6)设计定型。
完成产品设计定型的各种技术文件，投入批量生产。
(7)设计完善。
根据产品投入市场后的用户意见和批量生产中的问题反馈，对产品的设计不断进行完善和修改。
现代产品设计强调全生命周期设计，即产品设计是一个“设计-评价-再设计”的反复迭代过程。
在产品的整个生命周期中，设计定型并不意味着设计工作的结束，只要产品还在生产和销售，就必将反馈大量的用户信息和生产制造信息，并要求对产品不断进行修改。
因此，设计贯穿于产品的整个生命周期。
现代产品应采用现代设计方法进行设计，并应面向产品的开发和创新。
以现代工业产品为例，产品已由传统的机械产品向机电一体化产品、信息电子产品发展，技术含量大为增加；产品的功能已不再是消费者决定是否购买该产品的唯一因素，产品的创新性、宜人性、环保性(绿色设计)以及外观造型等因素越来越受到重视，并逐渐在竞争中占据重要地位。
但长期以来，我国的制造业主要是面向加工，产品的开发和应变能力较差，从而造成了产品品种单
一，市场竞争能力较弱的局面。
随着中国经济与世界经济的全面接轨，尤其在中国加入WTO以后，国内企业面临巨大的挑战，产品研发能力的高低有可能决定企业能否继续生存下去。
因此，现代产品应采用现代设计方法进行产品设计，以提高设计效率、缩短设计周期、加速产品的更新换代，并增强产品的市场竞争力。
1.1.2CAD技术与现代产品设计 产品设计是一个创造性思维和反复迭代的寻优过程。
作为现代产品设计方法及手段的综合体现，计算机辅助设计技术在产品设计中发挥着重要的作用。
计算机辅助设计(ComputerAidedDesign，CAD)指利用计算机软件、硬件系统辅助工程技术人员对产品或工程进行设计、分析、修改以及交互式显示输出的一种方法(或手段)，是一项多学科的综合性应用技术。
该技术已广泛应用于机械、电子、建筑、航空、航天、汽车、化工、冶金、环境工程等领域。
任何产品设计或工程设计都表现为一种设计过程，每个设计过程都由一系列设计活动组成，这些活动既有串行的设计活动，也有并行的设计活动。
目前，产品设计中的大多数设计活动可以用CAD技术来实现，但对于诸如需求分析、可行性研究以及概念设计等仍需要大量的人类创造性思维活动的前期设计工作，目前还很难用CAD技术实现。
将设计过程中可以用CAD技术实现的设计活动集合起来，就构成了CAD过程。
随着CAD技术的发展，产品设计过程中越来越多的设计活动可以采用CAD工具加以实现，CAD技术的覆盖面也会越来越宽。
1.2CAD技术的发展历程及发展趋势 CAD技术的发展和形成至今已有50余年的历史。
自20世纪50年代交互式图形处理技术出现以来，CAD技术经历了由单纯的二维、三维绘图到覆盖几何造型、工程分析、模拟仿真、设计文档生成等大量产品设计活动的发展过程。
目前，CAD技术正经历着由传统CAD技术到现代CAD技术的转变。
了解CAD技术的发展历程和趋势有助于我们今后有效地应用和发展这项技术。
2 第1章概述 1.2.1CAD技术的发展历程 CAD技术的核心和基础是计算机图形处理技术，因此，CAD技术的发展与计算机图形学的发展密切相关，并伴随计算机及其外围设备的发展而发展。
计算机图形学(ComputerGraphics，CG)是研究通过计算机将数据转换成图形，并在专用设备上显示的原理、方法和技术的学科。
计算机图形学是一门独立的学科，具有丰富的技术内涵，其有关图形处理的理论和方法构成了CAD技术的重要基础。
综观CAD技术的发展历程，主要经历了下述主要发展阶段。
20世纪50年代，作为美国麻省理工学院(MassachusettsInstituteofTechnology，MIT)研制的旋风I号(WhirlwindI)计算机的附件，第一台图形显示器诞生。
该显示器可以显示一些简单的图形，但因其只能进行显示输出，故称之为“被动式”图形处理。
随后，MIT林肯实验室在旋风计算机上开发出了SAGE空中防御系统，第一次使用了具有指挥和控制功能的CRT显示器。
利用该显示器，使用者可以用光笔进行简单的图形交互操作，这预示着交互式计算机图形处理技术的诞生和CAD技术雏形的出现。
20世纪60年代是交互式计算机图形学和以其为基础的CAD技术发展的重要时期。
1962年，MIT林肯实验室的IvanE.Sutherland在其博士论文“Sketchpad：一个人机通信的图形系统”中，首次提出了“计算机图形学”这个术语，并提出了“交互技术”“分层存储符号的数据结构”等一些至今还在使用的基本概念与技术。
他开发的Sketchpad图形软件包可以实现在计算机屏幕上进行图形显示与修改的交互操作。
在此基础上，美国的一些大公司和实验室开展了计算机图形学的大规模研究，并开始出现CAD这一技术术语。
20世纪60年代中后期，开始出现了具有实用功能的CAD系统，如美国通用汽车公司用于汽车车身三维曲面设计的DAC-1系统、洛克希德飞机制造公司集设计、分析、制造于一体的CADAM系统、贝尔电话公司用于印制电路设计的GRAPHIC-1系统等。
但由于当时刷新式图形显示器的价格十分昂贵，CAD技术的应用仅限于经济实力雄厚的公司和研究机构，很难普及和推广。
20世纪60年代后期，随着廉价的存储管式显示器进入市场以及计算机其他硬件设备价格的下降，CAD系统逐渐被许多企业所接受，并逐渐形成了CAD技术产业。
20世纪70年代，交互式计算机图形处理技术日趋成熟，在此期间出现了大量的研究成果，计算机绘图技术也得到了广泛的应用。
与此同时，基于电视技术的光栅扫描显示器的出现也极大地推动了计算机图形学和CAD技术的发展。
但当时的CAD技术只能解决一些简单的产品设计问题，如二维绘图及三维线框造型等。
20世纪70年代末到80年代，随着工程工作站和微型计算机的出现，计算机图形学进入了一个新的发展时期，并推动了CAD技术的普及。
同时，由于工业界意识到了CAD技术对生产的巨大促进作用，对CAD技术提出了各种要求和期望，从而导致了新理论、新算法的大量涌现。
其中，最重要的是实体造型理论及系统的发展与应用。
在当时，分布式联网的工作站是CAD系统的典型硬件环境，并开始出现了运行在微型计算机上的CAD应用软件；CAD技术由绘制二维工程图，发展到三维造型、自由曲面设计、有限元分析、机构分析与仿真等工程应用，出现了许多成熟的CAD软件。
为了提高CAD软件的与设备无关性和可移植性，同时为了满足不同CAD系统间的数据交换
3 要求，在此期间相继推出了有关的图形标准，如计算机图形接口(ComputerGraphicsInterface，CGI)、图形核心系统(GraphicsKernelSystem，GKS)、程序员层次交互式图形系统(Programmer’sHierarchicalInteractiveGraphicsSystem，PHIGS)，以及初始图形交换规范(InitialGraphicsExchangeSpecification，IGES)、产品模型数据转换标准(StandardfortheExchangeofProductmodelData，STEP)等。
20世纪90年代以来，CAD的造型技术不断完善，广泛采用了特征造型和基于约束的参数化和变量化造型方法，并向能将线框、表面、实体模型统一表示的非流形形体造型发展。
随着信息技术的发展，CAD技术也由过去的单机或局部分布式联网工作方式向基于网络的设计发展，且支持协同的概念设计。
同时，计算机技术的飞速发展，也为CAD技术的应用提供了强大的硬件支持环境。
1.2.2CAD技术在我国的发展和应用 我国CAD技术的研究始于20世纪60年代，但当时的研究应用范围极小，主要集中于少数高等院校和军工系统。
20世纪70年代末80年代初，我国航空系统的高等院校和研究机构率先开始进行较大规模的CAD技术研究和技术引进，并开始开发国产化CAD软件、在全系统推广CAD技术。
从20世纪80年代中期开始，原国家科委及有关部委将CAD技术的应用提到了重要日程，开始在相关行业推广CAD应用技术。
20世纪90年代，原国家科委又协同各部委成立了全国CAD应用工程协调小组，开展我国的CAD应用工程，以将CAD技术转化为现实的生产力。
与此同时，各高等院校和研究机构对CAD技术的基础理论与软件开发进行了大量的研究，并取得了丰硕的成果。
经过十几年的努力，我国已初步建立起具有一定市场规模的拥有自主版权的CAD软件产业；在全国范围内建立了CAD应用培训网络和咨询服务体系；制定了一批我国的CAD技术标准；结合CAD应用工程的需要，富有成效地开展了科学研究；创建了一套CAD应用工程管理工作体系、措施和办法。
目前，CAD技术在我国的产品及工程设计的各领域已广泛采用，并发挥着重要的作用。
1.2.3CAD技术的发展趋势 目前，CAD技术仍在不断发展。
未来的CAD技术将为新产品的设计提供一个综合性的环境支持系统，它能全面支持异地的、数字化的、采用不同设计原理与方法的设计工作。
近年来，先进制造技术的快速发展带动了先进设计技术的同步发展，使传统的CAD技术有了很大的发展，CAD技术正经历着由传统技术向现代技术的转变。
为此，清华大学的童秉枢等教授提出了“现代CAD技术”这一概念。
“现代CAD技术”是指在复杂的大系统下，支持产品自动化设计的设计理论、设计方法、设计环境和设计工具各相关技术的总称，它们能使设计工作实现集成化、网络化、智能化和标准化，达到提高产品设计质量和缩短设计周期的目的。
CAD技术的未来发展集中体现在集成化、网络化、智能化和标准化的实现上。
集成化、网络化、智能化和标准化是现代CAD技术所追求的功能目标。
4 第1章概述 z集成化在一个由各种应用软件组成的复杂系统中，集成涉及功能集成、信息集成、过程集成与动态联盟中的企业集成。
为提高系统的集成水平，CAD技术需要在数字化建模、产品数据管理、过程协调与管理、产品数据交换及各种CAx(CAD、CAM等技术的总称)工具的集成等方面加以提高。
z网络化网络技术的飞速发展，改变了产品设计的模式。
基于网络的CAD技术，要求能够提供基于网络的完善的协同设计环境，提供网上多种CAD应用服务。
z智能化在实现集成化和网络化的同时，将人工智能技术，特别是专家系统技术，与传统的CAD技术结合起来，形成能够完成方案构思与拟定、设计方案评价与选择、结构设计、参数确定等设计活动的智能化CAD系统，这是CAD技术发展的必然趋势。
智能化CAD技术涉及新的设计理论和方法、设计型专家系统的基本理论与技术等方面。
z标准化随着CAD技术的发展，工业标准化问题日益显示出它的重要性。
目前已制定了一系列相关标准，如面向图形设备的标准计算机图形接口(CGI)和计算机图形元文件(CGM)、面向图形应用软件的标准GKS和PHIGS、面向图形应用系统中工程和产品数据模型及其文件格式的标准IGES和STEP等与CAD技术相关的计算机图形标准，以及最新颁布的《CAD文件管理》《CAD电子文件应用光盘存储与档案管理要求》等标准。
这些标准规范了CAD技术的应用和发展。
随着技术的进步，还会陆续推出相关的标准。
1.3CAD技术的特点与应用 CAD技术具有与传统设计方法和手段不同的特点，其应用领域涵盖了产品的主要设计活动。
采用CAD技术对企业提高市场竞争能力和经济效益有重要的意义。
1.3.1CAD技术的特点 CAD技术具有以下特点。
zCAD技术是多学科的综合性应用技术经过近50年的不断发展和完善，CAD技术已由初期单一的图形交互处理功能转化为综合性的、技术复杂的系统工程，所涉及的学科领域在不断扩大，是多学科相互交融、综合应用的产物，并逐渐向集成化、网络化和智能化发展。
CAD技术主要涉及的学科领域包括计算机科学、计算机图形学、计算数学、工程分析技术、数据管理及数据交换技术、软件工程技术、网络技术、人机工程、人工智能技术、多媒体技术及文档处理技术等。
zCAD技术是现代设计方法和手段的综合体现设计是一项复杂的创造性工作。
人们一直在探索各种设计理论，以期利用它们来有效地指导实际的设计工作。
基于计算机的先进设计理论与方法集中体现在CAD技术。
CAD技术涵盖了现代产品设计的主要设计活动，其中包括传统的几何造型设计、工程
5 分析以及目前广泛研究的支持协同的概念设计和基于Web的设计等。
zCAD技术是人类创造性思维活动同计算机系统的有机融合随着基于计算机的先进设计理论与方法的不断发展，CAD系统的智能化程度也会越 来越高。
但任何智能化的CAD系统都只是一个辅助设计工具，均离不开使用者(人)的创造性思维活动和主导控制，将人的创造性思维能力、综合分析和逻辑判断能力与CAD系统强大的数据、图形以及文档处理能力结合起来，才能使CAD技术发挥出巨大作用。
1.3.2CAD技术的应用 CAD技术是适应现代生产技术发展和市场需求快速变换的产物。
目前，CAD技术在产品或工程设计中主要应用于以下几个方面。
z绘制二维、三维工程图主要用来取代传统的手工绘图工作，这是最普遍和最广泛的一种应用，也是中小企业采用得最多的一种CAD应用方式。
z建立图形及符号库主要用于建立常用图形和符号库，以便于设计时调用，提高设计效率。
z参数化设计对于那些具有相似结构的标准化或系列化零部件，通过对其结构尺寸和几何约束关系进行参数化定义，建立专用的图形程序库，调出时通过对设计参数进行赋值，即可生成所需的几何图形。
例如，对标准件、典型零件的设计(轴类零件、齿轮、皮带轮等)以及形状相似但尺寸不同的系列产品的设计等。
z三维造型根据设计需求，采用线框、曲面或实体造型技术对产品的零部件进行三维造型设计，并可进行装配和运动仿真。
z工程分析现代CAD技术提供了强大的工程分析工具，如有限元分析、优化设计、运动学以及动力学分析、模拟仿真等。
这些分析工具可帮助设计人员进行合理的结构、强度、运动等设计工作。
z生成设计文档或报表可以将设计属性制成说明文档或输出报表，其中有些设计参数可以用各种形式的图表表示，如直方图、扇形图、曲线图等，以使设计实施过程更清晰、形象、直观。
1.3.3采用CAD技术的优点和风险 从CAD技术的特点和应用范围来看，采用CAD技术具有以下优点。
z提高设计效率、缩短设计周期利用CAD技术，可减小设计人员的工作量和劳动强度，降低设计成本，从而能够提高设计效率、缩短设计周期、加速产品的更新换代、增强产品的市场竞争力。
z提高设计质量利用标准数据库、图形库和应用软件提供的优化技术和设计计算功能，可以减少人
6 第1章概述 为的设计误差，达到最佳设计效果。
z便于产品标准化、系列化利用CAD技术的参数化设计功能，可以方便地实现产品的系列设计；利用存储于计算机中的标准设计信息，能够实现设计过程中的资源共享。
z在设计阶段可预估产品的特性利用CAD技术中的运动分析、有限元分析、动态仿真等技术，可以在设计阶段预估产品的特性。
因此，可以及早发现设计缺陷，从而能够提高设计质量、提高产品的可靠性、缩短新产品的试制周期。
z易于实现网络化设计随着网络技术的迅速发展，基于网络的CAD系统也越来越多。
利用这样的系统，工程技术人员可以实现不同部门、不同地点之间的设计信息交流，提高设计工作的效率与灵活性，实现设计资源的跨平台共享。
z为实现CAM提供了基础采用CAD技术生成的零件模型可以直接由计算机的CAM(ComputerAidedManufacturing，计算机辅助制造)软件转化为加工、管理信息，并传送给数控机床和生产组织者，实现产品设计与制造的一体化。
z使产品快速进入市场在产品设计完成以后，即可根据设计文件及有关数据，利用仿真技术和多媒体技术生成数字样机，通过网络等各种媒体进行产品宣传，提前进行市场拓展。
可以看出，采用CAD技术可以提高设计质量、缩短设计周期、降低设计成本、加快产品的更新换代速度，使企业可以保持良好的竞争能力。
但采用CAD技术也会给企业带来一定的风险和问题，具体体现在以下两个方面。
z一次性资金投入较大采用CAD技术需要较大的资金投入来购买计算机的软硬件系统、支付相关的培训和开发费用，并且需要为软硬件的不断升级提供资金支持，但这些投资可能不会在短期内产生效益，需要有一段滞后期。
z对工程技术人员的素质和技能要求较高设计人员是CAD系统的重要组成部分，并在系统中发挥着主导作用。
如果缺乏具有良好素质并能掌握CAD技术的工程技术人员，则很难使所配置的CAD系统发挥应有的作用。
因此，企业在采用CAD技术时，应根据自身资金及人员结构情况综合考虑，以寻求系统的最佳配置。
1.4习题
1.简述产品设计所经历的主要环节。
2.简述CAD的发展历程。
3.简述CAD技术的特点及应用。
4.就CAD技术的发展趋势阐述个人的观点。
5.查阅相关资料和文献，结合某一具体的CAD设计领域的应用情况，写出一篇综述。
系统，就 CAD 技术在某个产品
7 第2章CAD系统的组成 CAD系统是基于计算机的系统，由软件(又称为程序系统)和硬件设备组成。
其中，软件是CAD系统的核心，而相应的系统硬件设备则为软件的正常运行提供了基础保障和运行环境。
另外，任何功能强大的CAD系统均只是一个辅助设计工具，系统的运行离不开系统使用人员的创造性思维活动。
因此，使用CAD系统的技术人员也属于系统组成的一部分，将软件、硬件以及人这三者有效地融合在一起，是发挥CAD系统强大功能的前提。
CAD系统具有强大的图形交互设计与显示输出能力，因而在软、硬件方面与普通的计算机系统有很大的区别。
CAD技术集中体现在CAD系统上。
计算机技术的迅速发展为各种形式的CAD系统的构建创造了条件。
为适应各种层次和不同规模的CAD作业要求，目前已有形式众多、各具特色的CAD系统。
这些系统为用户提供了用来实现设计思想、提高设计工作效率的信息化工具。
2.1CAD系统的类型和构建模式 CAD系统有着具有自身特点的系统分类方式。
同时，随着计算机及其相关技术的发展，CAD系统的配置形式也在不断发展变化。
2.1.1CAD系统的分类 CAD系统通常根据系统的硬件组成或工作方法及功能进行分类。
1.按硬件组成分类CAD技术是随着计算机技术的发展而迅速发展的。
CAD系统按其硬件组成并结合计算机技术的发展历程一般可分为5类：主机系统、小型机系统、工作站系统、微机系统和基于网络的微机-工作站系统。
z主机系统主机系统又称为大型机系统，这类系统以一台大(中)型计算机为中心，采用分时操作系统集中支持几十个、甚至上百个CAD终端运行。
主机系统通常具有高速、大容量的内存和 第2章CAD系统的组成 外存，可配置高精度、高速度、大幅面的图形输入/输出设备，通常用于运行规模较大的支撑软件或自行开发的大型应用软件，可以将设计、分析、计算、图形处理等工作结合起来进行复杂的CAD工作。
由于是多用户系统，因此，系统共用一个集中的大型数据库。
主机系统具有强大的应用处理功能，但它要求使用单位具有雄厚的资金实力，原始投资一般较大。
另外，一旦主机出现故障，将影响所有用户，而且，随着同时使用终端的用户的增加或计算工作量的加大将使系统响应变慢。
这种情况在进行表面模型处理、消隐、大型有限元分析等工作时尤为显著。
因此，主机系统主要用于支持复杂的工程设计和科学计算，如少数的研究机构或飞机、汽车、船舶等超大型企业会采用该类系统。
主机系统在20世纪70年代较为流行，目前一般已不再采用。
z小型机系统这类系统出现于20世纪70年代后期。
小型机系统以32位超级小型机为主机，通常带有几个到十几个终端，是由从事CAD技术开发的公司专门为用户配置的计算机配套系统。
小型机系统配有专用的硬件和软件，且两者紧密结合、配套使用。
小型机系统具有很强的工作针对性，系统价格昂贵，其CAD作业水平主要取决于所配置的软件功能。
这类CAD系统适于中等规模企业的应用要求，缺点是系统的针对性过强，用户难以进一步开发，应用范围受到限制。
目前，此类系统大多已被淘汰。
z工作站系统工作站包括工程工作站和图形工作站，是为满足用户在工程和图形图像处理上的专业需求和克服原有大型计算机、小型计算机由于其系统庞大，不能适应工程和图形处理中灵活多变的缺点而研制的专用计算机。
工作站具有强大的科学计算、丰富的图形处理、灵活的窗口及网络管理等功能，通过网络可以共享系统资源。
由于工作站具有便于逐步投资、逐步发展等优点，因而受到了用户的广泛欢迎。
目前，大多数高端CAD支撑软件和应用软件主要以工程工作站为运行平台。
随着工作站本身的性能发展，向上越来越多地覆盖了中、小型机乃至大型机、巨型机的应用领域，向下则可与个人计算机争夺巨大的低端市场。
z微机系统微机CAD系统以32位或64位超级微机作为主机，并配有高分辨率图形显示系统、大幅面绘图仪、高容量硬盘等CAD必备硬件，从而保证了CAD作业的顺利进行。
基于微机的CAD系统主要用于绘制二维工程图和一些简单的三维设计。
随着微机运算和图形处理性能的迅速提高，许多过去只能在工作站上运行的著名高端CAD支撑软件如CATIA、UGNX、Pro/ENGINEER、I-DEAS等，目前均有移植到微机上的版本，使微机系统不仅具有较强的分析计算能力，而且还可以满足处理三维图形的要求。
但由于微机总体上在运算和图形处理性能上与工作站仍有相当的差距(尽管随着微机性能的迅速提高，二者的差距正在日益缩小)，微机CAD系统目前主要用于运行中、低端的CAD支撑软件和应用软件。
微机CAD系统具有丰富的商品化支撑软件与应用软件，其原始投资少、见效快、成本低、具有良好的可扩充性。
因此，这类系统受到中小型企业和个人用户的普遍欢迎，成为国内外中小型企业开展CAD工作的主要形式，并在相当长的时期内与工作站互为补充。
z基于网络的微机-工作站系统对于独立的微机CAD系统和在一定范围内联网的工作站CAD系统，其作业的分散性
9 和各自独立或孤岛式的工作方式，使得设计信息无法进行充分的交流，也无法使各种作业协调一致地进行。
由于并行工程的要求和现代网络技术的迅速发展，基于网络的微机-工作站系统得以实现并得到迅速发展。
这类系统可以使分散于同一单位不同部门、不同地点的微机及工作站共享软、硬件资源；充分和准确地交流设计信息；协调各种作业；完成并行工程。
基于网络的微机-工作站系统应用计算机技术和网络通信技术，将分布于各处的多台各类计算机以网络形式连接起来。
目前，采用局域网(LocalAreaNetwork，LAN)可以将一座大楼、一个工厂、一所学校范围内的计算机联网；通过万维网(WorldWideWeb，WWW)则可将多个局域网连接起来，并可以访问分布在世界各地的本部门或本公司的各个设计小组与设计人员，以沟通设计信息。
2.按工作方法及功能分类CAD系统按工作方法及功能大致分为4类：检索型、自动型、交互型和智能型。
z检索型CAD系统检索型CAD系统主要用于已经实现标准化、系列化、模块化的工程或产品结构。
这些产品或工程的图纸、有关程序都已存储在计算机内部。
在设计过程中，用户只需按照要求给出不同的参数与设计数据，自动运行程序即可生成符合要求的电子图纸；或在原有相似图形的基础上，按用户的技术要求及规范检索出所需要的零部件图，再在CAD软件系统中完成产品或工程的修改，组成装配图，并对产品的性能进行校核；在满足设计者要求的前提下，输出所需要的各种技术文件和图纸。
z自动型CAD系统对于自动型CAD系统，用户根据产品或工程的性能、规格、要求输入基本参数后，不需要人工干预，系统即可按照既定的程序自动完成设计工作，并输出产品或工程设计的全部图纸与技术文件。
这类系统可用于设计理论成熟、计算公式确定、设计步骤和判别标准清楚、设计资料完备的产品或工程设计情况。
z交互型CAD系统在一个产品的设计过程中，方案的决策及结构的布置要完全实现自动设计是非常困难的事情。
交互型CAD系统指可以最大限度地发挥计算机系统的高速运算能力、严格的逻辑推理能力以及大容量的信息存储能力，将设计人员在长期设计过程中积累的经验、智慧同计算机CAD系统的优势结合起来，实现在交互方便、界面友好的环境下完成产品或工程的设计工作，使人机得到最佳配合的系统。
交互型CAD系统也是软件开发中最容易实现的系统。
z智能型CAD系统现有的CAD技术在产品或工程设计中的大多数情况下只能做数值型工作，如计算、分析、绘图等。
实际上，在设计过程中还存在着方案构思、最佳方案选择、结构设计优化、设计评价、决策等内容，这类工作往往需要根据一定的知识模型，采用推理的方法才能获得比较圆满的答案。
将人工智能技术，特别是专家系统技术应用于产品和工程设计中，即形成专业领域的设计型专家系统，这就是智能型CAD系统。
智能型CAD系统主要由知识库、推理机、实时系统、知识获取系统和人机接口等组成，还包括各种先进技术的综合运用。
当使用这样的系统时，用户只需要输入设计对象的概念、用途、性能等信息，利用系 10 第2章CAD系统的组成 统提供的推理、决策、计算和电子数据处理等各种机制，即可完成产品或工程的详细设计。
2.1.2CAD系统的构建模式 CAD系统的构建模式与计算机技术和网络通信技术的发展密切相关。
20世纪70～80年代，CAD系统的构建模式主要采用主机-终端结构(也称集中式系统)和分布式计算机结构。
进入20世纪90年代以后，随着网络技术的迅速发展，CAD系统的构建模式以客户机/服务器结构(Client/Server，C/S结构)为主，并向基于Web的浏览器/服务器结构(WebBrowser/WebServer，基于Web的B/S结构)发展。
1.客户机/服务器结构CAD系统的客户机/服务器结构是一种分布式、协同处理的CAD系统构建模式，通常采用局域网，网络协议一般采用TCP/IP。
局域网又分为以太网、令牌环网等类型。
其中，以太网因为其结构简单、使用方便的特点而广泛流行。
客户机/服务器结构将较大的应用任务分解为多个子任务，由多台计算机分别执行，共同完成整个应用，以“请求/服务”方式完成交互操作。
即客户机/服务器结构不再将多个应用放在一台主机上处理，而是将一个应用分布到多台机器上去处理。
采用客户机/服务器结构通常涉及下述组成部分。
z客户机客户机通常为微机或工作站，采用UNIX或Windows操作系统。
客户机软件一般具有输入/输出、多窗口的图形用户界面、应用程序中的编辑、个人数据存储、计算与分析等功能。
z服务器目前在客户机/服务器结构中，高档微机和工作站均可作为网络服务器，并采用UNIX或Windows操作系统。
在CAD实际应用中，工程设计人员对网络的访问十分频繁，常常需要在网络上进行文件的调用、复制、查找等操作。
因此，对服务器的要求比较高，通常应选用性能优良的专用服务器，使其不仅能够快速有效地存储CAD图形文件、读取服务器上的文件，而且能够通过随机提供的服务器软件正确地进行网络系统的设置，迅速判断和排除故障，方便网络系统的维护与管理工作。
服务器通常提供管理和通信服务，管理服务主要包括对数据库、文件、网络等的管理；通信服务主要包括打印、通信、传真、图像传输等。
z网络设施网络设施是指网络系统的硬件和软件组成。
硬件主要包括采用的网络拓扑结构，以及网卡、传输介质、路由器、交换机等。
网络软件是指网络协议及提供的应用接口(如软件工具、编程函数等)。
z中间件中间件负责客户机与服务器的连接，分别安装在客户机和服务器上，使二者得以沟通。
2.基于Web的浏览器/服务器结构近年来，发展迅速的Web应用技术为解决CAD技术应用中的信息集成与共享问题，提供了有效的解决方案。
因此，基于Web的浏览器/服务器结构成为CAD系统构建的最新模式。
采用基于Web的浏览器/服务器结构构建的CAD系统，各种不同类型、采用不同操作 11 系统的计算机均可连接到系统中去。
在用户计算机上安装浏览器软件，通过URL(UniformResourceLocator，统一资源定位符，即通常所说的网址)向Web服务器发送请求，然后接受并解释由服务器发送回来的资源文件，变成用户机上显示出的界面并完成相关的操作。
在服务器计算机上安装相应的Web服务器软件，响应浏览器发送的请求，经过处理后向浏览器发送资源文件。
综上所述，基于Web的浏览器/服务器结构是一种特殊的客户机/服务器结构，但它与客户机/服务器结构的根本区别在于可以实现与计算机软、硬件平台无关，解决了异构计算机系统之间的通信问题，并同时保证了用户界面的统
一。
基于Web的浏览器/服务器结构的CAD系统构建称为WebCAD，它是当前国内外的研究热点和未来CAD系统的发展方向。
2.2CAD系统的硬件组成 通常，将用户可进行CAD作业的独立硬件环境称作CAD硬件系统。
CAD系统的硬件主要由主机、输入设备(键盘、鼠标、扫描仪等)、输出设备(显示器、绘图仪、打印机等)、信息存储设备(主要指外存，如硬盘、光盘、各种移动存储设备等)及网络设备、多媒体设备等组成。
CAD系统的基本硬件组成如图2-1所示。
图形显示器 扫描仪鼠标、键盘 计算机主机 绘图仪、打印机图2-1CAD系统的基本硬件组成 硬盘光盘移动存储设备 2.2.1CAD系统的硬件 如图2-1所示，CAD系统的硬件主要由计算机主机、外存储器(硬盘、光盘和移动存储设备)、图形输入设备(扫描仪、鼠标、键盘)、图形输出设备(图形显示器、绘图仪、打印机)等组成。
1.计算机主机计算机主机主要由中央处理器(CPU)和内存储器(简称内存)等组成，是整个CAD系统的核心。
衡量主机性能的指标主要有两项：CPU性能和内存容量。
zCPU性能CPU的性能决定着计算机的数据处理能力、运算精度和速度。
CPU的性能通常用每秒可执行的指令数目或进行浮点运算的速度来衡量，其单位符号为MIPS(每秒处理1百万条指令)和GIPS(每秒处理10亿条指令)。
该指标越高，说明CPU的数据处理速度越快。
一般情况下，用芯片的时钟频率(或称主频)来表示运算速度更为普遍，时钟频率越高，运算速度越快。
12 第2章CAD系统的组成 此外，字长也是衡量CPU性能的一个重要指标，字长是指CPU在一个指令周期内提取并处理的二进制数据的位数。
字长位数越多，表示CPU一次处理的数据量越大，工作性能越好。
目前CPU的常见字长有32位、64位、128位和256位等。
z内存容量内存是存放运算程序、原始数据、计算结果等内容的记忆装置。
如果内存量过小，将直接影响CAD软件系统的运行。
内存容量越大，主机能容纳和处理的信息量也就越大。
2.外存储器外存储器简称为外存。
虽然内存储器可以直接和运算器、控制器交换信息，存取速度很快，但内存储器成本较高，且其容量受到CPU直接寻址能力的限制。
外存作为内存的后援，使CAD系统将大量的程序、数据库、图形库存放在其中，待需要时再调入内存进行处理。
常见的外存储器通常包括硬盘、光盘等，随着存储技术的发展，尤其是移动存储技术的发展，移动硬盘、U盘等移动存储设备已成为外存储设备的重要组成部分。
3.图形输入设备在CAD作业过程中，不仅要求用户能够快速输入图形，而且还要求能够将输入的图形以人机交互方式进行修改，以及对输入的图形进行图形变换(如缩放、平移、旋转)等操作。
因此，图形输入设备在CAD硬件系统中占有重要的地位。
图形输入设备主要包括定位设备、数字化仪和图像输入设备。
定位设备主要用于控制屏幕上的光标并确定它的位置。
在窗口及菜单环境下，定位设备除了定位功能外，还兼具拾取目标、选择对象、跟踪录入图形以及输入相关的数据和命令等功能。
此类设备主要包括鼠标、键盘、图形输入板及其触笔、触摸屏等。
数字化仪主要用于摘取放置在其上的图形中的大量点，经数字化处理后存储起来，以此作为图形输入的一种手段。
图像输入设备包括扫描仪、数码摄像机、数码相机等，由这些设备输入的图像经数字化及图像处理后输出图形，这些输入方式已经成为CAD系统非常重要的输入方式。
此外，在虚拟现实系统中，数据手套和各种位置传感器等正在成为新的输入手段；研制中的语音输入希望通过人的自然语言来输入图形的特征参数及其属性，得到所要求的图形并显示、输出。
4.图形输出设备图形输出设备包括图形显示器、绘图仪、打印机等。
图形显示器是CAD系统中最为重要的硬件设备之
一，主要用于图形图像的显示和人机交互操作，是一种交互式的图形显示设备。
图形显示器的主要器件是阴极射线管(CRT)，它有3种类型：直接存储管式显示器、射线刷新式显示器、光栅扫描式显示器。
交互式图形系统采用的显示器是基于CRT的光栅扫描式显示器。
其工作原理与电视机相似，不同之处在于电视机利用摄像机产生的模拟信号构成屏幕上的图像，而光栅扫描式显示器则由计算机产生的数字信号构成屏幕上的图像。
衡量显示器性能的主要指标是分辨率和显示速度。
对于光栅扫描式显示器而言，沿水平和垂直方向单位长度上所能识别的最大光点数称之为分辨率(光点也称为像素)。
对于相同尺寸的屏幕，点数越多，距离越小，分 13 辨率就越高，显示的图形也越精细。
显示速度同显示器在输出图形时采用的分辨率以及计算机本身处理图形的速度有关。
从人机工程学的角度来看，通常应满足人眼观察图形时不出现闪烁这一基本要求，图形屏幕的刷新速度应不低于30帧/秒。
随着人们对显示器轻型化、薄型化以及大尺寸的要求，目前液晶显示器和等离子显示器的应用越来越多。
由于这些显示器的制造成本逐渐降低，已取代基于CRT的光栅扫描式显示器。
绘图仪、打印机等也是目前常用的图形输出设备。
目前常用的绘图仪包括笔式绘图仪和喷墨绘图仪，主要采用滚筒式结构，这种结构的绘图仪具有结构简单紧凑、图纸长度不受限制、价格便宜、占用工作面积小等优点。
常用的打印机主要有针式、喷墨、激光打印机等。
2.2.2工作站和微机 工作站和微机是目前CAD系统计算机配置的主流。
CAD系统对硬件的要求一般都比较高，CAD硬件系统主要以工作站和微机为主。
对于运行CAD软件的微机而言，则应选择运算和图形处理能力较强的机型。
1.工作站在计算机硬件领域，工程工作站(简称工作站)是一个比较独特的机种，工作站的概念起源于20世纪70年代，它并不完全指计算机本身，而是指面向专业应用领域并具有强大的数据运算、图形图像处理、网络通信等功能的交互式计算机系统。
通常配有高分辨率的大屏、多屏显示器及容量很大的内存储器和外存储器，并且具有极强的信息和高性能的图形、图像处理功能的计算机。
工作站的应用领域包括CAD、CAM、动画制作、科学研究、软件开发、金融管理、信息服务、模拟仿真等。
根据软、硬件平台的不同，主要有两类工作站，一类是基于RISC处理器(即精简指令系统处理器，采用RISC芯片)的采用UNIX操作系统的工作站，称之为UNIX工作站；另一类是基于Intel处理器架构的采用Windows系列操作系统的工作站，称之为PC工作站。
zUNIX工作站传统的UNIX工作站采用RISC处理器，且可以配置多个处理器，因而具有极高的浮点运算速度。
另外，UNIX工作站有着64位的计算能力。
由于64位UNIX工作站可以突破4GB的32位寻址极限，因此，为复杂的工程应用提供了大的虚拟内存空间，而它的实际物理内存已经超过4GB，可以达到8～16GB，能满足几乎所有的高性能计算要求，可以满足企业级的应用需要。
UNIX操作系统源于已公开源代码的标准操作系统，其发展历史长，系统稳定性好，错误修正快，且在许多年前就已经包含了较为完善的网络功能。
大部分TCP/IP网络服务程序最早都是在UNIX上开发出来的。
目前UNIX工作站使用专有的处理器(英特尔至强XEON、AMD皓龙等)、UNIX系统，具有强大的处理器和优化的内存、I/O(输入/输出)、图形子系统，是一种高性能的专业工作站。
zPC工作站Windows工作站是随着个人计算机性能的不断增强而逐渐发展起来的。
自从Pentium 14 第2章CAD系统的组成 技术发布以来，IntelCPU不断吸收RISC技术，性能日益提高。
在数据处理方面，尤其是在浮点运算方面，性能显著增强。
基于多个CPU的PC系统完全具备了传统的RISC工作站具备的强大功能。
以高性能、高稳定性、高可靠性的Windows系列操作系统和基于OpenGL标准的PC图形技术也日益成熟。
目前PC工作站采用高性能的英特尔至强处理器，使用稳定的Windows32/64位系列操作系统，采用符合专业图形标准(OpenGL4.x和DirectX11)的图形系统，再加上高性能的存储、I/O(输入/输出)、网络等子系统，可以满足专业软件运行的要求。
由于PC工作站采用的是标准的、开放的系统平台，因此成本大幅度降低，升级换代的速度也不断提高。
综上所述，工作站系统的硬件通常具有以下特点：z采用先进的操作系统，如UNIX、Windows操作系统，具有优越的多用户、多任务 功能，并具有可靠的系统安全性。
z具有极高的运算速度。
由于工作站的工作任务主要是解决工程问题和进行图形图像 处理。
因此，通常采用专门设计的CPU和图形处理芯片，并支持多CPU。
z采用专用内存，且内存容量巨大、可扩展性强。
z极强的网络功能。
通过网络能够很方便地提供分布式处理环境，进行网络计算，充 分利用其他工作站的系统资源。
z配备专用的图形加速卡，具有强大的图形功能。
2.微机20世纪90年代以来，微机的性能有了很大的提高，其CPU性能指标已接近工作站指标。
国外一些CAD软件已开始向微机移植，如Pro/ENGINEER、I-DEAS、UGⅡ等。
与此同时，在Windows系统上也出现了一些优秀的CAD软件，如SolidWorks等。
目前，微机上使用的CAD软件有Creo3.0、UGNX10、AutoCAD2018等。
微机CAD系统的硬件配置与普通个人计算机系统有所不同，它更强调运算能力和图形处理能力。
在CAD系统的硬件配置中，应配备功能较强的人机交互设备和图形输入/输出装置，为CAD系统作业时提供一个良好的硬件环境。
微机CAD系统通常采用Windows32/64位系列操作系统，在可能的条件下应选用性能好、主频高、浮点运算能力强的CPU；尽可能大的内存和外存，以及支持标准图形系统且有较大显存的显卡。
2.3CAD系统的软件组成 计算机软件是指控制计算机运行，并使计算机发挥最大功效的各种程序、数据及文档的集合。
在CAD系统中，软件配置水平决定着整个CAD系统的性能优劣。
因此说硬件是CAD系统的物质基础，而软件则是CAD系统的核心。
从CAD系统的发展趋势来看，软件占据着越来越重要的地位，目前，系统配置中的软件成本已经超过了硬件。
可以将CAD系统的软件分为3个层次，即系统软件、支撑软件和应用软件。
系统软件是与计算机硬件直接关联的软件，一般由专业的软件开发人员研制，它起着扩充计算机的功能以及合理调度与运用计算机的作用。
系统软件有两个特点：一是公用性，无 15 论哪个应用领域都要用到它；二是基础性，各种支撑软件及应用软件都需要在系统软件的支撑下运行。
支撑软件是在系统软件的基础上研制的，它包括进行CAD作业时所需的各种通用软件。
应用软件则是在系统软件及支撑软件的支持下，为实现某个应用领域内的特定任务而开发的软件。
下面分别对这3类软件进行具体介绍。
2.3.1系统软件 系统软件主要用于计算机的管理、维护、控制、运行，以及计算机程序的编译、装载和运行。
系统软件包括操作系统和编译系统。
1.操作系统操作系统主要承担对计算机的管理工作，其主要功能包括文件管理(建立、存储、删除、检索文件)、外部设备管理(管理计算机的输入、输出等外部硬件设备)、内存分配管理、作业管理和中断管理。
操作系统的种类很多，在工作站上主要采用UNIX、WindowsServer2008/Windows7/Windows10等；在微机上主要采用UNIX的变种XENIX、ONIX、VENIX，以及Windows系列操作系统。
2.编译系统编译系统的作用是将用高级语言编写的程序翻译成计算机能够直接执行的机器指令。
有了编译系统，用户就可以用接近于人类自然语言和数学语言的方式编写程序，而翻译成机器指令的工作则由编译系统完成。
这样，就可以使非计算机专业的各类工程技术人员很容易地用计算机来实现其设计目的。
目前，国内外广泛应用的高级语言Pascal、C/C#、Java、ASP、ASP.NET、VisualBasic、VisualLISP等均有相应的编译系统。
2.3.2CAD支撑软件 支撑软件是CAD软件系统中的核心，是为满足CAD工作中一些用户的共同需要而开发的通用软件。
近30多年来，由于计算机应用领域的迅速扩大，支撑软件的开发研制有了很大的进展，推出了种类繁多的商品化支撑软件。
CAD支撑软件主要包括图形处理软件、工程分析与计算软件、模拟仿真软件、数据库管理系统、计算机网络工程软件、文档制作软件等。
1.图形处理软件z基本图形资源软件基本图形资源软件是根据各种图形标准或规范实现的软件包，大多是供各种应用程序调用的图形程序库或函数库。
如CGI(图形设备接口标准)、IGES(图形交换规范)、GKS(图形核心系统)、PHIGS(程序员层次交互式图形系统)、OpenGL(OpenGraphicsLibrary，开放的图形程序库)、DirectX(图形等多媒体系统API)等。
这类基本图形资源软件通常与设备无关，支撑软件和应用软件开发人员可以直接调用它们，能够使软件的可移植性得到极大的加强。
z二维和三维绘图软件 16 第2章CAD系统的组成 此类软件采用人机交互方式，主要用于解决零部件的详细设计问题，最后可输出符合工程要求的零件图或装配图。
z几何造型软件几何造型软件主要用于实现零部件的三维结构设计、存储其三维几何数据及相关信息。
通常，几何造型软件包括实体造型和曲面造型，以及近年来得到迅速发展的特征造型、参数化造型、非流形形体造型等。
2.工程分析与计算软件这类软件主要用来解决工程设计中的各种数值计算问题，主要有：z常用数学方法程序库它提供了诸如解微分方程、线性代数方程、数值积分、有限差分，以及曲线曲面拟合等数学问题的计算机程序。
z有限元法结构分析软件目前，有限元法在理论与方法上均已比较成熟，而且求解的范围也日益扩大。
除了应用于固体及流体力学问题外，还应用于金属及塑料成形、电磁场分析、无探损伤等领域，在工程设计上的应用十分广泛。
z优化设计软件优化设计是在最优化数学理论和现代计算技术的基础上，运用计算机寻求设计的最佳方案。
随着优化技术的发展，国内外已有许多成熟的算法和相应的优化设计软件。
z机构分析及机构综合软件机构分析是通过确定机构的构成参数(位置、轨迹、速度、加速度等)，计算机构的节点力和弹簧力、校验干涉、显示机构的动、静态图及各种分析结果曲线。
机构综合就是根据产品的设计要求自动设计出某种机构。
z机械系统动态分析软件采用模态分析法来分析系统的振动、噪音等问题。
z注塑(压铸)模具分析软件可对各种注塑(压铸)模具进行液流的流动分析、冷却分析、翘曲分析、收缩分析及结构应力分析，以帮助用户进行合理的零件结构设计和浇道布置设计。
3.模拟仿真软件模拟仿真软件包括运动仿真、成型仿真和加工仿真。
运动仿真用于大型装配的运动模拟和干涉检验；成型仿真主要用于钣金零件的成型过程模拟及其成型缺陷预测；加工仿真主要用于设计表面的数控加工模拟，以检验过切、少切及加工精度。
4.数据库管理系统为适应数量庞大的数据处理和信息交换的需要，近年来发展了数据库管理系统(DataBaseManagementSystem，DBMS)。
DBMS是在操作系统基础上建立的操纵和管理数据库的软件，该系统除了保证数据资源共享、信息保密、数据安全之外，还能尽量减少数据库内数据的重复。
用户使用数据库都是通过数据库管理系统实现的，因而它也是用户与数据之间的接口。
CAD系统需管理的数据量巨大，数据类型及关系复杂，且信息模式是动态的。
目前， 17 大型CAD支撑软件均有其自身的数据管理系统，用于管理各种工程数据。
近年来，产品数据管理系统软件(ProductDataManagement，PDM)正在产品及工程设计领域的数据管理方面发挥着越来越大的作用。
5.计算机网络工程软件基于网络的微机-工作站CAD系统将成为未来CAD的主要使用环境之
一。
因此，网络工程软件发挥着越来越重要的作用。
网络工程软件主要包括服务器操作系统、文件服务器软件、通信软件等。
应用这些软件可进行网络文件系统管理、存储器管理、任务调度、用户间通信、软硬件共享等工作。
6.文档制作软件文档制作软件主要用于快速生成设计结果的各种报告、表格、文件、说明等，可以方便地对文本及插图进行各种编辑，并支持汉字处理。
2.3.3CAD应用软件 应用软件是在系统软件、支撑软件的基础上，针对某一专门应用领域而开发的软件。
这类软件通常由用户结合当前设计工作的需要自行研究开发或委托开发商进行开发，此项工作又称为“二次开发”。
如模具设计软件、电气设计软件、机械零件设计软件、机床设计软件，以及汽车、船舶、飞机设计制造行业的专用软件均属应用软件。
能否充分发挥已有CAD系统的功能，应用软件的技术开发工作尤为重要，这也是CAD从业人员的主要任务之
一。
2.3.4商品化CAD支撑软件包介绍 目前，商品化CAD支撑软件包品种繁多、功能各异，根据其主要功能特点及运行平台大致可分为3类：高端产品、中端产品和低端产品。
1.高端产品高端产品通常是指具有强大的三维图形处理功能、分析功能、制造功能及网络功能的大型CAD支撑软件包。
这类软件能够完成复杂的三维结构及外形设计；可实现大型装配、自动生成NC程序等；能对设计产品进行各种分析、测量，支持网络通信和数据交换。
此类软件功能强大、性能优异、价格昂贵，通常运行于工作站或高档微机上，一般用于大中型企业或飞机、汽车、船舶、模具等行业的设计工作。
典型的CAD高端软件有法国达索的CATIA、德国西门子旗下的UGNX、PTC公司的Creo/ProE等。
2.中端产品为了解决高端CAD软件产品价格昂贵、硬件配置要求高而难于普及应用，以及低端CAD软件产品功能单
一、三维造型能力差、限制了企业产品开发能力的提高等问题，同时，也为了占领更大的市场份额，一些主要的大型高端CAD软件开发商相继推出了其高端软件的微机移植版本，或开发了一些价格适中、具备基本三维设计功能的三维微机系统CAD软件，我们将此类软件产品称为中端产品。
一般来说，中端产品具有高端产品的三维零件设计、装配功能，能满足一般机械产品 18 第2章CAD系统的组成 设计、绘图的功能要求，但这些产品的曲面造型功能较弱。
中端产品通常运行于Windows操作系统下，硬件配置比低端产品略高，但其三维能力同高端产品相比仍有较大差异，一般也不提供分析软件及其他高级专用软件。
常用的中端产品有德国西门子旗下的SolidEdge、法国达索的CATIA微机版、美国SolidWorks公司的SolidWorks等SolidEdgeCAD软件及美国Autodesk公司的Inventor早期版本。
3.低端产品此类软件主要具备二维绘图能力及一些简单的三维造型功能，用于解决二维绘图问题。
低端产品以普通微机为运行平台，价格便宜，简单易用，常被中小企业所采用。
典型的低端产品如美国Autodesk公司开发的AutoCAD等。
2.4CAD系统的选型原则 CAD系统的构建是一项复杂的系统工程，其构建得是否合理，直接影响到使用单位CAD技术的应用效果，而其中的系统选型工作尤为重要。
2.4.1CAD系统选型工作的重要意义 在CAD技术发展日新月异的今天，无论对企业还是对研究部门来说，都需要建立适合自己需要的计算机系统。
尤其对于产品和工程设计行业，对于那些设计、制造工作相对复杂、繁重的单位则更应该在客观、科学、务实的需求分析及应用规划的指导下，进行科学、合理的CAD系统的选型，为CAD技术的成功运用打下良好的基础，推动CAD技术的应用沿着良性循环的轨道健康地发展。
从宏观角度看，CAD系统的选型应该考虑的问题是：z明确系统的需求企业应根据所处行业领域、产品设计开发特点、企业综合制造水平来确定通过CAD系统配置所要达到的目标、解决问题的深度以及关键技术。
z确定近期目标和长远目标应根据现有人力、资金、技术水平等各方面条件的约束，确定近期目标。
同时，也应该兼顾未来发展的长远目标，从而解决现在与未来、专用与通用、实用与先进等几个矛盾，并处理好相互之间的关系。
z确定CAD系统的集成应用水平值得注意的是，不应该将CAD系统看作孤立的技术系统，而应该将其与数据库技术、网络技术、数据交换技术、CAM技术以及各种接口技术良好地匹配、适应，CAD系统只是其中的重要一环。
只有按照这些观点考虑系统的集成问题，才能够解决好CAD系统的选型问题。
2.4.2CAD系统选型的基本要素 CAD系统选型所涉及的内容较多，归纳起来应该把握几个基本要素，即软件选型、运行环境选型和价格策略等。
19
1.软件选型软件是CAD系统的运行主体，其功能配置与用户的需求密切相关。
在选型过程中，用户可从以下几个方面确定自己所关心的选型内容。
z基本建模能力基本建模能力包括工程制图能力、三维建模能力、装配设计等。
工程制图能力指生成二维视图的能力，如各种投影方向的视图、剖视图、尺寸标注、符号标注、中文输入、与国家标准的相符情况等。
三维建模能力包括草图设计、实体建模、特征建模、曲面造型、系列化设计、工程更改等。
装配设计指装配工具、配对操作、爆炸操作、装配管理、生成装配明细表等。
z系统辅助特性包括界面友好特性、图形操作及显示能力、二次开发工具的易学易用性、标准件和常用零件库及其建库工具、版本的上下兼容性、图形数据交换的广泛性、数据库管理的方便性等。
z专业设计工具根据专业要求选择满足要求的工具。
如模具设计、管路设计与布线设计、电路设计、线路板自动设计以及其他专业工具、软件包。
z工程分析能力例如，有限元分析、机构分析、第三方专业工程分析软件系统或接口等。
z数控加工软件例如，加工模拟仿真、数控编程软件、数控系统后置处理软件等。
z高级建模能力运用现代产品设计技术、方法、工具所开发的新的制作模型的方法。
2.运行环境选型运行环境包括CAD软件所依赖的硬件平台、操作系统和网络环境等。
z硬件平台CAD系统对硬件环境的要求较高，通常需要有较快的速度、较大的内存、大容量的硬盘、高性能的图形显示、快速的网络传输等。
硬件的配置直接影响软件的运行效率，所以，硬件必须与软件功能、数据处理的复杂程度相匹配。
过去，在图形处理方面具有绝对优势的硬件是图形工作站，而在计算机软硬件技术迅速发展的今天，高档微机的各项指标已经接近或超过低端工作站的性能指标，因此，在CAD硬件选择方面有了更大的选择余地，为普及CAD技术创造了有利的条件。
当然，微机毕竟不等同于工程或图形工作站。
在需要大中型的复杂的运算方面，在高清晰度、动态、渲染、仿真方面，以及在大中型产品或工程设计方面，采用图形工作站将比微机工作站更具优势。
对于既支持工作站又支持微机的软件，两种版本的功能有时存在较大差异，而某些高指标特性只能由工作站来实现。
z操作系统UNIX操作系统以其多用户、多任务的特性与数据管理、网络支持能力为CAD系统提供了可靠的工作平台，同时也为CAD的发展做出了重要的贡献。
工作站的操作系统通常运行的是UNIX操作系统。
然而，UNIX操作系统专业性比较强，一般工程技术人员难以掌 20 第2章CAD系统的组成 握。
随着CAD硬件平台不断向微机下移，以及Windows系列操作系统性能的提升，Windows系列操作系统因其界面简单、友好、熟悉而深受广大工程技术人员的欢迎。
另外，它还有很强的数据管理、网络通信及支持能力，同样可以胜任大型CAD应用项目的开展。
所以，无论是UNIX操作系统，还是Windows操作系统的工作站软件，都可以作为选择对象，而且后者也许具有更大的优势。
z网络环境这里所说的网络环境主要指网络硬件。
通常，大型CAD软件的使用权在网络上是浮动的；工作站点在一定范围内时多时少、其位置有时也经常发生变化；设计过程中数据传输量大且比较频繁，可以说具有较大的灵活性。
网络传输特性将直接影响设计工作、协同工作的质量和效率，为使系统配置合理、资源得到充分利用，用户应采用高流量的光缆和集线器，并配置高可靠性的网络服务器。
z技术支持在CAD应用向纵深发展的同时，人们逐渐认识到，购买CAD系统软硬件，绝不是买回来就可以了。
CAD是一项高新技术，应该也必须有完备的售后服务和有效的技术支持。
所以在选型阶段，用户不仅要考察CAD软件的功能，还应考察供应商的售后技术支持、服务及资信等情况。
这方面的内容一般包括以下几个方面：♦软件系统的升级。
软件开发商必须有足够的研发实力，不断推出其软件的新功能、 新版本，并有完善的售后服务。
♦完善的培训体系。
比如应该有培训课程、教材、指导教师、培训用机、场地、习题 及题解、自学教程等，还可以提供初级、中级、高级的CAD技术及软件培训。
♦提供信息发布、咨询、联络的方式。
如为用户提供热线电话、电子邮件答疑、 信息发布、软件刊物、年会、用户协会等措施。
♦为保证用户系统的正常运行，帮助用户解决实际使用、开发工作中遇到的困难，开 发软件的公司应该具有一支素质高、经验丰富、响应快、态度好的技术支持队伍，以保证用户的利益不受损失。
从某种意义上讲，软件工程师应该与用户建立良好的售后服务关系。
因为用户不仅是软件的实际使用者，也是软件的测试者和软件问题的积极反馈者。
3.价格策略由选型确定的方案最终需要通过谈判、签订合同来实现。
如果在价格上买方与卖方不能达成一致，再好的选型方案也不能实现。
所以，价格是决定方案能否顺利实施的关键因素。
事实上，用于项目的投资一开始就左右着选型方案的确定。
选择什么档次的机型与配置，应在与系统供应商的接触以及在考察系统技术特性的过程中，有意识地对其价格和执行方式做必要的了解。
这样，在形成系统配置方案时，逐步形成作为商务谈判的价格体系，以免使双方处于不愉快的境地，而使选型方案不能实施。
通常，小规模的项目，在价格上没有多大的余地，而大型项目由于其投资规模较大，在价格上还是有许多文章可以做的。
大型项目应引入招标机制，通过各供应商的价格竞争以求获得最佳的系统性能价格比。
大型项目的系统供应商更注重与用户的长期合作，因为他们希望日后有不断追加的购买合同。
因此，在首次购买的时候，这些供应商供应的软件价格通常都有比较大的回旋余 21 地，用户可以充分利用这些有利条件，在有限的资金范围内争取办更多的事情，获取更好的配置、更多的使用权限。
当然，商务谈判不是漫天讨价，需要在客观、公正、诚实的基础上互惠互利，不应该提出过分的要求。
有些方案虽然表面看不出什么问题，但有可能不包括升级和售后服务。
因此，购买软件时要考虑到服务和承诺，力求使得软件成为用户手中的得力工具。
2.4.3选择CAD系统的原则 在具体选择和配置CAD系统时，应考虑以下原则：
(1)软件系统的选择应优于硬件且应具有优越的性能。
软件是CAD系统的核心，因此软件的选择应优于硬件，应根据软件的功能需求来配置合适的硬件，而不是让软件来适应已购买的硬件。
软件系统应采用标准的操作系统，具有良好的用户界面、齐全的技术文档，最好还应包括联机帮助功能。
几何造型功能是CAD系统软件的心脏，它应该能够提供绘制丰富的图形实体的方法，有强大的图形编辑能力，使用方便，符合操作者的使用习惯，易学易用，能够支持标准的图形交换规范，具有内部统一的数据库，支持系统内部、外部的软件集成。
另外，根据不同的工作需要，CAD软件还应能够支持对应的各种应用。
例如：可以生成复杂的二维、三维装配图；可以进行物性计算、公差分析、有限元分析、机构分析等工作；在制造方面可以进行数控自动编程、刀具轨迹仿真、数控后置处理、辅助工艺规程设计、机器人仿真等工作，而且应该是尽可能集成的环境。
(2)硬件系统应该符合国际工业标准、具有良好的开放性。
要考虑是否采用先进的操作系统；网络配置是否采用以太网；主机及其系统是否采用流行的CPU芯片。
选择符合国际工业标准、具有良好开放性的硬件系统，将有利于系统的进一步扩充、联网、支持更多的外围设备。
(3)整个软硬件系统运行可靠，维护简单、性价比优越。
(4)具有良好的售后服务体系。
(5)供应商应该有良好的信誉，可以提供培训、故障排除及其他增值服务。
2.5习题
1.CAD硬件系统有几种分类方法？请简单叙述其分类及名称。
2.CAD硬件系统的发展趋势如何？
3.一个CAD硬件系统的基本配置应该包括哪些内容？
4.常用工作站有哪两种？它们所采用的技术和性能如何？
5.如何规划和设计CAD局域网？
6.请简述CAD系统的选型原则。
7.CAD软件系统包括哪几个层次？试分别举例说明。
22
全书共分13章，主要内容包括：CAD概述、CAD系统的软硬件组成、CAD接口技术及图形标准、CAD软件工程技术、计算机图形处理技术基础、几何造型系统、自由曲线与自由曲面、通用绘图软件包AutoCAD及其二次开发技术、工程数据的计算机处理、CAM(计算机辅助制造)技术、Mastercam软件包，以及平面连杆机构的计算机辅助运动分析等。
本书结构清晰、内容翔实，既可作为高等院校相关专业的教材，也可作为从事CAD技术研究与应用人员的参考书。
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本书封面贴有清华大学出版社防伪标签，无标签者不得销售。
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侵权举报电话：010-62782989 图书在版编目(CIP)数据 计算机辅助设计基础及应用/薛山编著.—北京：清华大学出版社，2018(高等学校计算机应用规划教材)ISBN978-7-302-50632-
4 Ⅰ.①计…Ⅱ.①薛…Ⅲ.①计算机辅助设计－高等学校－教材Ⅳ.①TP391.72 中国版本图书馆CIP数据核字(2018)第156514号 责任编辑：胡辰浩李维杰封面设计：孔祥峰版式设计：思创景点责任校对：牛艳敏责任印制：丛怀宇 出版发行：清华大学出版社 网址：， 地址：北京清华大学学研大厦A座 邮编：100084 社总机：010-62770175 邮购：010-62786544 投稿与读者服务：010-62776969，c-service@ 质量反馈：010-62772015，zhiliang@ 印装者：北京密云胶印厂 经销：全国新华书店 开本：185mm×260mm 印张：21.75 字数：516千字 版次：2018年8月第1版 印次：2018年8月第1次印刷 定价：58.00元 ——————————————————————————————————————————— 产品编号：072467-01 前言 计算机辅助设计(ComputerAidedDesign，CAD)是一项多学科的综合性应用技术，是现代设计方法及手段的综合体现。
CAD技术在产品设计中发挥着重要的作用，是利用计算机软件、硬件系统辅助工程技术人员对产品或工程进行设计、分析、修改以及交互式显示输出的一种方法(或手段)。
随着计算机技术的迅猛发展，CAD技术已广泛应用于机械、电子、建筑、纺织、航空、航天、汽车、化工、冶金、环境工程、土木工程等领域，并已成为提高产品与工程设计水平、缩短产品开发周期、增强产品市场竞争力、提高劳动生产率的重要手段。
CAD技术的发展和形成至今已有60余年的历史。
自20世纪50年代交互式图形处理技术出现以来，CAD技术经历了由单纯的二维、三维绘图到覆盖几何造型、工程分析、模拟仿真、设计文档生成等大量产品设计活动的发展过程。
CAD的造型技术不断完善，广泛采用了特征造型和基于约束的参数化和变量化造型方法，并向能将线框、表面、实体模型统一表示的非流形形体造型发展。
随着信息技术的发展，CAD技术也由过去的单机或局部分布式联网工作方式向基于网络的设计发展，且支持协同的概念设计。
CAD技术的未来发展集中体现在集成化、网络化、智能化和标准化的实现上。
我国十分重视CAD技术的普及与深化。
早在20世纪80年代，原国家科学技术委员会(现更名为科学技术部)及有关部委就将CAD技术的应用提到重要日程。
20世纪90年代，原国家科学技术委员会又协同各部委成立了全国CAD应用工程协调小组，开展我国的CAD应用工程，以将CAD技术转化为现实的生产力。
与此同时，各高等院校和研究机构也对CAD技术的基础理论与软件开发进行了大量的研究，并取得了丰硕的成果。
经过十几年的努力，我国已初步建立起具有一定市场规模的拥有自主版权的CAD软件产业，在全国范围内建立了CAD应用培训网络和咨询服务体系；制订了一批CAD技术标准，结合我国CAD应用工程的需要，创建了一套CAD应用工程管理工作体系、措施和办法。
目前，我国在涉及产品及工程设计的各领域中都已广泛采用CAD技术。
由于计算机技术的迅速发展，知识更新周期的缩短，为使读者尽可能多地掌握最新的CAD技术，我们编写了本书。
本书涉及的内容较为广泛，既包括CAD技术的基本原理、基本理论，又包括CAD技术的具体应用及相关应用软件(2D绘图、3D实体造型、参数化设计与建模、工程计算、模拟与仿真分析、CAM等)，并力求反映CAD领域的新发展。
全书共分13章，第1章和第2章主要介绍CAD的基本概念、基本知识、发展概况，以及CAD系统的软硬件组成等内容；第3章介绍CAD系统的接口技术与图形标准；第4章介绍CAD 软件工程技术；第5章～第7章介绍计算机图形处理技术基础、几何造型技术，以及有关自由曲线与自由曲面方面的知识；第8章主要介绍通用绘图软件包——AutoCAD；第9章介绍如何用VisualLISP对AutoCAD进行二次开发；第10章介绍工程数据处理及产品数据管理技术；第11章介绍CAM技术；第12章主要介绍CAD/CAM一体化软件——Mastercam；第13章为CAD应用部分，介绍平面连杆机构的计算机辅助设计等内容。
本书是作者在总结多年教学经验与科研成果及工程应用的基础上编写而成的，既可作为高等院校相关专业的教材，也可作为从事计算机绘图技术研究与应用的人员的参考书。
除封面署名的作者外，参加本书编写的人员还有宋志辉、侯友山、裴淑娟、李辉、张宇怀、徐晓明、薛继军、岳殿召、陈添荣、侯铁国、刘军勇、李淑萍、尹志亮、陈光训、吴超群、郑玉祥、付君泽、黄怀春和靳廷喜等。
由于作者水平所限，本书难免有不足之处，欢迎广大读者批评指正。
我们的邮箱是huchenhao@，电话是010-62796045。
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作者2018年5月 II 目录 第1章1.11.2 1.3 1.4 概述···········································1现代产品设计与CAD技术············11.1.1现代产品设计概述··················11.1.2CAD技术与现代产品设计·······2CAD技术的发展历程及发展趋势··············································21.2.1CAD技术的发展历程··············3 1.2.2CAD技术在我国的发展和 应用········································41.2.3CAD技术的发展趋势··············4CAD技术的特点与应用················51.3.1CAD技术的特点······················51.3.2CAD技术的应用······················6 1.3.3采用CAD技术的优点和 风险········································6习题··············································
7 第2章2.1 2.2 2.3 CAD系统的组成·························8CAD系统的类型和构建模式········82.1.1CAD系统的分类······················82.1.2CAD系统的构建模式···········11CAD系统的硬件组成·················122.2.1CAD系统的硬件···················122.2.2工作站和微机·······················14CAD系统的软件组成·················152.3.1系统软件······························162.3.2CAD支撑软件·······················162.3.3CAD应用软件·······················18 2.3.4商品化CAD支撑软件包 介绍······································182.4CAD系统的选型原则·················19 2.4.1CAD系统选型工作的重要 意义······································192.4.2CAD系统选型的基本要素····192.4.3选择CAD系统的原则············222.5习题············································22 第3章3.13.23.3 3.4 CAD接口技术及图形标准·········23交互技术与用户接口··················233.1.1交互任务与交互技术············233.1.2输入控制方式·······················263.1.3交互系统的构造····················26计算机图形接口及计算机图形元文件········································283.2.1计算机图形接口(CGI)···········283.2.2计算机图形元文件(CGM)·····29计算机图形软件标准··················30 3.3.1图形核心系统(GKS和 GKS-3D)·······························30 3.3.2程序员层次交互式图形系统 (PHIGS)································313.3.3图形程序库(OpenGL)···········32产品数据交换标准······················33 3.4.1基于DXF文件的图形数据 交换······································333.4.2基本图形交换规范(IGES)·····37 3.4.3产品模型数据转换标准 (STEP)··································383.5习题············································41 第4章4.14.24.3 4.4 CAD软件工程技术···················42软件工程的基本概念··················424.1.1软件与软件工程···················424.1.2软件工程过程模型···············44CAD应用软件开发·····················474.2.1CAD软件工程的特点···········474.2.2CAD软件工程的开发流程····47CAD软件的文档编制规范··········494.3.1可行性研究报告···················494.3.2项目开发计划·······················504.3.3软件需求说明书···················504.3.4数据要求说明书···················514.3.5概要设计说明书···················514.3.6详细设计说明书···················524.3.7测试计划······························524.3.8测试分析报告·······················534.3.9项目开发总结报告···············53习题·············································54 第5章5.15.25.3 5.4 计算机图形处理技术基础·········55图形处理的数学基础··················555.1.1向量运算······························555.1.2矩阵运算······························565.1.3齐次坐标······························59图形程序库·································605.2.1设备驱动程序·······················605.2.2图形程序库···························60坐标系·········································615.3.1设备坐标系···························61 5.3.2虚拟设备坐标系(规格化的 设备坐标系)·························61 5.3.3世界坐标系、造型坐标系和 观察坐标系··························625.3.4坐标变换······························63窗口与视区·································63 IV 5.4.1窗口······································635.4.2视区······································645.4.3窗口-视区变换······················645.5图形的裁剪与消隐······················655.5.1图形的裁剪···························655.5.2图形的消隐···························665.6二维图形几何变换······················67 5.6.1二维图形几何变换的一般 表示······································67 5.6.2平移变换与点的齐次坐标 表示······································705.6.3二维组合变换·······················725.7三维图形几何变换······················735.7.1三维基本变换·······················735.7.2三维组合变换与投影变换·····755.8习题············································76 第6章6.16.26.36.4 6.56.6 6.7 几何造型系统···························77空间几何元素的定义··················77线框造型·····································80曲面造型·····································80实体造型·····································816.4.1基本造型功能·······················816.4.2实体造型的数据结构············846.4.3基于特征的造型····················876.4.4参数化造型···························88非流形形体造型·························89装配造型·····································906.6.1装配造型的功能····················906.6.2装配浏览·······························916.6.3并行设计功能·······················926.6.4装配模型的使用····················926.6.5装配简化·······························93习题············································93 第7章7.1 自由曲线和自由曲面················94基本概念·····································947.1.1曲线和曲面的数学表示········947.1.2基本术语·······························95 目录 7.2自由曲线·····································967.2.1Hermite曲线··························967.2.2Bezier曲线····························987.2.3B样条曲线··························103 7.3自由曲面···································1087.3.1双线性参数曲面·················109 7.3.2Coons曲面片与双三次参数 曲面片································1107.3.3Bezier曲面··························1137.3.4B样条曲面··························1147.3.5曲面片的连续·····················1157.4习题··········································116 第8章8.1 8.28.3 8.4 AutoCAD绘图软件包··············117概述··········································1178.1.1AutoCAD的发展历史·········117 8.1.2AutoCAD2018的主要 功能···································118 8.1.3AutoCAD2018的工作 界面···································1208.1.4图形文件管理·····················127绘图设置及绘图实用工具········1288.2.1图层、线型、线宽及颜色··1288.2.2样板文件····························1308.2.3绘图实用工具·····················131 8.2.4配置AutoCAD2018绘图 环境···································135二维绘图与编辑·······················1378.3.1二维绘图····························1388.3.2二维编辑····························138 8.3.3图案填充、面域与图形 信息···································1398.3.4使用文字与表格·················1428.3.5标注图形尺寸·····················1468.3.6图形显示控制·····················147三维建模···································1498.4.1基本概念、基本操作··········1498.4.2绘制三维点和线·················153 8.4.3绘制三维网格·····················1548.4.4实体建模·····························1578.4.5三维曲面建模·····················1608.5三维编辑···································1618.5.1三维移动·····························1618.5.2三维镜像·····························1618.5.3三维旋转·····························1628.5.4三维阵列·····························1628.5.5对齐位置·····························1638.5.6布尔操作·····························1638.5.7其他编辑操作·····················1648.5.8标注三维对象的尺寸··········1658.6渲染··········································1658.7AutoCAD的功能···········1678.8习题··········································168 第9章9.19.2 9.3 9.4 9.59.69.79.8 二次开发技术·························170LISP、AutoLISP及VisualLISP··········································170VisualLISP集成开发环境·········1709.2.1菜单栏、工具栏和状态栏···1719.2.2文本编辑器·························1729.2.3控制台窗口和跟踪窗口······173加载、运行AutoLISP程序········174 9.3.1在VisualLISP集成开发环境中加载、运行AutoLISP 程序····································174 9.3.2在AutoCAD环境中加载、运行 AutoLISP程序·····················174AutoLISP编程···························175 9.4.1AutoLISP程序文件及其 结构····································1769.4.2AutoLISP数据类型··············177AutoLISP函数···························179在VisualLISP集成开发环境中调试程序···································185应用举例···································189习题··········································190
V 第10章10.110.2 10.3 10.410.510.6 10.7 10.8 10.9 工程数据的计算机处理·········192概述········································192数表的计算机处理··················19310.2.1数表程序化···························19310.2.2一元函数插值······················19310.2.3二元函数插值························195线图的程序化·························19610.3.1建立拟合公式的方法·············196 10.3.2最小二乘法拟合的基本 思想········································19610.3.3最小二乘法多项式拟合·········19710.3.4最小二乘法其他函数拟合·····198通用数据处理软件介绍··········199工程数据文件处理··················200数据库管理系统在CAD中的应用·········································20110.6.1数据库系统概述····················20110.6.2数据库在CAD中的应用·········202工程数据库系统简介··············21210.7.1工程数据库系统的概念·········21210.7.2工程数据库系统的特点·········213 10.7.3工程数据库系统的构成 方法·······································214产品数据管理技术及其发展····21410.8.1PDM的产生····························21510.8.2PDM的基本概念····················21510.8.3PDM的发展····························21610.8.4PDM的功能分析····················21610.8.5PDM技术分析························218习题········································219 第11章11.1 11.2 计算机辅助制造技术············220计算机辅助制造·····················22011.1.1概述········································22011.1.2CAM系统的典型体系结构····22111.1.3数控编程································221计算机辅助工艺规程设计······22211.2.1CAPP概述······························222 11.311.411.5 11.2.2CAPP的系统原理和系统 结构·······································22411.2.3派生式CAPP系统···················22511.2.4创成式CAPP系统···················232CAD/CAM系统集成···············24011.3.1系统集成的必要性·················24011.3.2CAD/CAM系统集成的程度···241 11.3.3CAD/CAM系统集成的关键 技术········································242先进制造技术概述··················24311.4.1计算机集成制造系统·············24311.4.2并行工程································24611.4.3虚拟制造技术·························249习题·········································251 第12章12.1 12.212.312.4 12.512.6 Mastercam软件包················252概述·········································25212.1.1Mastercam的基本情况············25212.1.2Mastercam的主要功能············25312.1.3MastercamX6的工作界面······25312.1.4文件管理································255系统设置和基本操作··············25712.2.1系统配置································25712.2.2基本概念与操作·····················259CAD零件设计·························26212.3.1二维造型································26212.3.2三维曲面设计·························26512.3.3三维实体设计·························268数控加工基础·························27212.4.1数控编程的基本过程·············27212.4.2参数设置································27612.4.3操作管理································28112.4.4刀具路径编辑·························286CAM刀具路径设计·················28712.5.1二维加工································28712.5.2三维加工································28812.5.3多轴加工································292Mastercam综合实例················293 VI 目录 12.7 12.6.1零件模型设计························29312.6.2零件刀具路径设计·················297习题········································301 第13章13.1 13.2 平面连杆机构CAD···············303矢量三角形法运动分析的数学模型·········································30313.1.1四杆机构的位置分析·············304 13.1.2简单平面连杆机构的运动 分析········································305 13.1.3复杂平面连杆机构运动 分析········································312杆组法运动分析的数学模型····31513.2.1基本杆组的划分方法·············31513.2.2同一构件上点的运动分析·····317 13.313.413.5 13.6 13.2.3RRR杆组的运动分析·············31813.2.4RRP杆组的运动分析··············32013.2.5RPR杆组的运动分析··············322杆机构运动分析与模拟··········324平面连杆机构设计的类型······326连杆机构的综合······················32713.5.1连杆机构的综合方法·············32813.5.2刚体导引机构的设计·············32813.5.3函数变换机构的设计·············33113.5.4轨迹发生机构的设计·············332习题·········································333 参考文献·············································336 VII 第1章 概述 CAD技术是现代产品设计中广泛采用的现代设计方法和手段。
本章结合现代产品设计的主要设计环节和基本设计要求，介绍CAD技术的发展历史及发展趋势，以及CAD技术的特点与应用。
1.1现代产品设计与CAD技术 产品设计是将创新构思转化为有竞争力的产品的一个创新过程。
因此，设计是产品的生命，也是产品制造的前提和基础。
现代产品设计强调采用先进的设计方法和手段。
作为一项多学科的综合性应用技术，CAD技术是现代设计方法及手段的综合体现。
1.1.1现代产品设计概述 现代产品设计是一门多学科相交融的综合性学科。
所谓设计，是指根据使用要求确定产品应具备的功能，构思产品的工作原理、总体布局、运动方式、力和能量的传递、结构形式、产品形状，以及色彩、材质、工艺、人机工程等事项，并转化为工程描述(图纸、设计文件等)，以此作为制造的依据。
一般情况下，一个产品的设计要经历如下环节。
(1)需求分析和可行性研究。
通过市场调研分析用户的需求，进行产品开发的可行性研究与分析。
(2)概念设计。
在需求分析和可行性研究的基础上，确定产品应具备的功能，进行方案的构思、分析和论证，确定一组可行的原理性方案。
概念设计主要包括功能设计、原理设计、形状设计、布局设计和人机工程设计等。
(3)初步设计。
从原理性方案中选择优化方案，进行初步的总体设计，确定各部件的基本结构、形状以及协调尺寸，建立相应的数学模型，进行主要设计参数的分析计算与优化。
(4)详细设计。
确定设计对象的细节结构，进行详细的总体设计和零、部件设计，完成产品的工程描述。
(5)试制与测试。
完成产品的样机生产及有关测试项目，并进行设计反馈与修改。
(6)设计定型。
完成产品设计定型的各种技术文件，投入批量生产。
(7)设计完善。
根据产品投入市场后的用户意见和批量生产中的问题反馈，对产品的设计不断进行完善和修改。
现代产品设计强调全生命周期设计，即产品设计是一个“设计-评价-再设计”的反复迭代过程。
在产品的整个生命周期中，设计定型并不意味着设计工作的结束，只要产品还在生产和销售，就必将反馈大量的用户信息和生产制造信息，并要求对产品不断进行修改。
因此，设计贯穿于产品的整个生命周期。
现代产品应采用现代设计方法进行设计，并应面向产品的开发和创新。
以现代工业产品为例，产品已由传统的机械产品向机电一体化产品、信息电子产品发展，技术含量大为增加；产品的功能已不再是消费者决定是否购买该产品的唯一因素，产品的创新性、宜人性、环保性(绿色设计)以及外观造型等因素越来越受到重视，并逐渐在竞争中占据重要地位。
但长期以来，我国的制造业主要是面向加工，产品的开发和应变能力较差，从而造成了产品品种单
一，市场竞争能力较弱的局面。
随着中国经济与世界经济的全面接轨，尤其在中国加入WTO以后，国内企业面临巨大的挑战，产品研发能力的高低有可能决定企业能否继续生存下去。
因此，现代产品应采用现代设计方法进行产品设计，以提高设计效率、缩短设计周期、加速产品的更新换代，并增强产品的市场竞争力。
1.1.2CAD技术与现代产品设计 产品设计是一个创造性思维和反复迭代的寻优过程。
作为现代产品设计方法及手段的综合体现，计算机辅助设计技术在产品设计中发挥着重要的作用。
计算机辅助设计(ComputerAidedDesign，CAD)指利用计算机软件、硬件系统辅助工程技术人员对产品或工程进行设计、分析、修改以及交互式显示输出的一种方法(或手段)，是一项多学科的综合性应用技术。
该技术已广泛应用于机械、电子、建筑、航空、航天、汽车、化工、冶金、环境工程等领域。
任何产品设计或工程设计都表现为一种设计过程，每个设计过程都由一系列设计活动组成，这些活动既有串行的设计活动，也有并行的设计活动。
目前，产品设计中的大多数设计活动可以用CAD技术来实现，但对于诸如需求分析、可行性研究以及概念设计等仍需要大量的人类创造性思维活动的前期设计工作，目前还很难用CAD技术实现。
将设计过程中可以用CAD技术实现的设计活动集合起来，就构成了CAD过程。
随着CAD技术的发展，产品设计过程中越来越多的设计活动可以采用CAD工具加以实现，CAD技术的覆盖面也会越来越宽。
1.2CAD技术的发展历程及发展趋势 CAD技术的发展和形成至今已有50余年的历史。
自20世纪50年代交互式图形处理技术出现以来，CAD技术经历了由单纯的二维、三维绘图到覆盖几何造型、工程分析、模拟仿真、设计文档生成等大量产品设计活动的发展过程。
目前，CAD技术正经历着由传统CAD技术到现代CAD技术的转变。
了解CAD技术的发展历程和趋势有助于我们今后有效地应用和发展这项技术。
2 第1章概述 1.2.1CAD技术的发展历程 CAD技术的核心和基础是计算机图形处理技术，因此，CAD技术的发展与计算机图形学的发展密切相关，并伴随计算机及其外围设备的发展而发展。
计算机图形学(ComputerGraphics，CG)是研究通过计算机将数据转换成图形，并在专用设备上显示的原理、方法和技术的学科。
计算机图形学是一门独立的学科，具有丰富的技术内涵，其有关图形处理的理论和方法构成了CAD技术的重要基础。
综观CAD技术的发展历程，主要经历了下述主要发展阶段。
20世纪50年代，作为美国麻省理工学院(MassachusettsInstituteofTechnology，MIT)研制的旋风I号(WhirlwindI)计算机的附件，第一台图形显示器诞生。
该显示器可以显示一些简单的图形，但因其只能进行显示输出，故称之为“被动式”图形处理。
随后，MIT林肯实验室在旋风计算机上开发出了SAGE空中防御系统，第一次使用了具有指挥和控制功能的CRT显示器。
利用该显示器，使用者可以用光笔进行简单的图形交互操作，这预示着交互式计算机图形处理技术的诞生和CAD技术雏形的出现。
20世纪60年代是交互式计算机图形学和以其为基础的CAD技术发展的重要时期。
1962年，MIT林肯实验室的IvanE.Sutherland在其博士论文“Sketchpad：一个人机通信的图形系统”中，首次提出了“计算机图形学”这个术语，并提出了“交互技术”“分层存储符号的数据结构”等一些至今还在使用的基本概念与技术。
他开发的Sketchpad图形软件包可以实现在计算机屏幕上进行图形显示与修改的交互操作。
在此基础上，美国的一些大公司和实验室开展了计算机图形学的大规模研究，并开始出现CAD这一技术术语。
20世纪60年代中后期，开始出现了具有实用功能的CAD系统，如美国通用汽车公司用于汽车车身三维曲面设计的DAC-1系统、洛克希德飞机制造公司集设计、分析、制造于一体的CADAM系统、贝尔电话公司用于印制电路设计的GRAPHIC-1系统等。
但由于当时刷新式图形显示器的价格十分昂贵，CAD技术的应用仅限于经济实力雄厚的公司和研究机构，很难普及和推广。
20世纪60年代后期，随着廉价的存储管式显示器进入市场以及计算机其他硬件设备价格的下降，CAD系统逐渐被许多企业所接受，并逐渐形成了CAD技术产业。
20世纪70年代，交互式计算机图形处理技术日趋成熟，在此期间出现了大量的研究成果，计算机绘图技术也得到了广泛的应用。
与此同时，基于电视技术的光栅扫描显示器的出现也极大地推动了计算机图形学和CAD技术的发展。
但当时的CAD技术只能解决一些简单的产品设计问题，如二维绘图及三维线框造型等。
20世纪70年代末到80年代，随着工程工作站和微型计算机的出现，计算机图形学进入了一个新的发展时期，并推动了CAD技术的普及。
同时，由于工业界意识到了CAD技术对生产的巨大促进作用，对CAD技术提出了各种要求和期望，从而导致了新理论、新算法的大量涌现。
其中，最重要的是实体造型理论及系统的发展与应用。
在当时，分布式联网的工作站是CAD系统的典型硬件环境，并开始出现了运行在微型计算机上的CAD应用软件；CAD技术由绘制二维工程图，发展到三维造型、自由曲面设计、有限元分析、机构分析与仿真等工程应用，出现了许多成熟的CAD软件。
为了提高CAD软件的与设备无关性和可移植性，同时为了满足不同CAD系统间的数据交换
3 要求，在此期间相继推出了有关的图形标准，如计算机图形接口(ComputerGraphicsInterface，CGI)、图形核心系统(GraphicsKernelSystem，GKS)、程序员层次交互式图形系统(Programmer’sHierarchicalInteractiveGraphicsSystem，PHIGS)，以及初始图形交换规范(InitialGraphicsExchangeSpecification，IGES)、产品模型数据转换标准(StandardfortheExchangeofProductmodelData，STEP)等。
20世纪90年代以来，CAD的造型技术不断完善，广泛采用了特征造型和基于约束的参数化和变量化造型方法，并向能将线框、表面、实体模型统一表示的非流形形体造型发展。
随着信息技术的发展，CAD技术也由过去的单机或局部分布式联网工作方式向基于网络的设计发展，且支持协同的概念设计。
同时，计算机技术的飞速发展，也为CAD技术的应用提供了强大的硬件支持环境。
1.2.2CAD技术在我国的发展和应用 我国CAD技术的研究始于20世纪60年代，但当时的研究应用范围极小，主要集中于少数高等院校和军工系统。
20世纪70年代末80年代初，我国航空系统的高等院校和研究机构率先开始进行较大规模的CAD技术研究和技术引进，并开始开发国产化CAD软件、在全系统推广CAD技术。
从20世纪80年代中期开始，原国家科委及有关部委将CAD技术的应用提到了重要日程，开始在相关行业推广CAD应用技术。
20世纪90年代，原国家科委又协同各部委成立了全国CAD应用工程协调小组，开展我国的CAD应用工程，以将CAD技术转化为现实的生产力。
与此同时，各高等院校和研究机构对CAD技术的基础理论与软件开发进行了大量的研究，并取得了丰硕的成果。
经过十几年的努力，我国已初步建立起具有一定市场规模的拥有自主版权的CAD软件产业；在全国范围内建立了CAD应用培训网络和咨询服务体系；制定了一批我国的CAD技术标准；结合CAD应用工程的需要，富有成效地开展了科学研究；创建了一套CAD应用工程管理工作体系、措施和办法。
目前，CAD技术在我国的产品及工程设计的各领域已广泛采用，并发挥着重要的作用。
1.2.3CAD技术的发展趋势 目前，CAD技术仍在不断发展。
未来的CAD技术将为新产品的设计提供一个综合性的环境支持系统，它能全面支持异地的、数字化的、采用不同设计原理与方法的设计工作。
近年来，先进制造技术的快速发展带动了先进设计技术的同步发展，使传统的CAD技术有了很大的发展，CAD技术正经历着由传统技术向现代技术的转变。
为此，清华大学的童秉枢等教授提出了“现代CAD技术”这一概念。
“现代CAD技术”是指在复杂的大系统下，支持产品自动化设计的设计理论、设计方法、设计环境和设计工具各相关技术的总称，它们能使设计工作实现集成化、网络化、智能化和标准化，达到提高产品设计质量和缩短设计周期的目的。
CAD技术的未来发展集中体现在集成化、网络化、智能化和标准化的实现上。
集成化、网络化、智能化和标准化是现代CAD技术所追求的功能目标。
4 第1章概述 z集成化在一个由各种应用软件组成的复杂系统中，集成涉及功能集成、信息集成、过程集成与动态联盟中的企业集成。
为提高系统的集成水平，CAD技术需要在数字化建模、产品数据管理、过程协调与管理、产品数据交换及各种CAx(CAD、CAM等技术的总称)工具的集成等方面加以提高。
z网络化网络技术的飞速发展，改变了产品设计的模式。
基于网络的CAD技术，要求能够提供基于网络的完善的协同设计环境，提供网上多种CAD应用服务。
z智能化在实现集成化和网络化的同时，将人工智能技术，特别是专家系统技术，与传统的CAD技术结合起来，形成能够完成方案构思与拟定、设计方案评价与选择、结构设计、参数确定等设计活动的智能化CAD系统，这是CAD技术发展的必然趋势。
智能化CAD技术涉及新的设计理论和方法、设计型专家系统的基本理论与技术等方面。
z标准化随着CAD技术的发展，工业标准化问题日益显示出它的重要性。
目前已制定了一系列相关标准，如面向图形设备的标准计算机图形接口(CGI)和计算机图形元文件(CGM)、面向图形应用软件的标准GKS和PHIGS、面向图形应用系统中工程和产品数据模型及其文件格式的标准IGES和STEP等与CAD技术相关的计算机图形标准，以及最新颁布的《CAD文件管理》《CAD电子文件应用光盘存储与档案管理要求》等标准。
这些标准规范了CAD技术的应用和发展。
随着技术的进步，还会陆续推出相关的标准。
1.3CAD技术的特点与应用 CAD技术具有与传统设计方法和手段不同的特点，其应用领域涵盖了产品的主要设计活动。
采用CAD技术对企业提高市场竞争能力和经济效益有重要的意义。
1.3.1CAD技术的特点 CAD技术具有以下特点。
zCAD技术是多学科的综合性应用技术经过近50年的不断发展和完善，CAD技术已由初期单一的图形交互处理功能转化为综合性的、技术复杂的系统工程，所涉及的学科领域在不断扩大，是多学科相互交融、综合应用的产物，并逐渐向集成化、网络化和智能化发展。
CAD技术主要涉及的学科领域包括计算机科学、计算机图形学、计算数学、工程分析技术、数据管理及数据交换技术、软件工程技术、网络技术、人机工程、人工智能技术、多媒体技术及文档处理技术等。
zCAD技术是现代设计方法和手段的综合体现设计是一项复杂的创造性工作。
人们一直在探索各种设计理论，以期利用它们来有效地指导实际的设计工作。
基于计算机的先进设计理论与方法集中体现在CAD技术。
CAD技术涵盖了现代产品设计的主要设计活动，其中包括传统的几何造型设计、工程
5 分析以及目前广泛研究的支持协同的概念设计和基于Web的设计等。
zCAD技术是人类创造性思维活动同计算机系统的有机融合随着基于计算机的先进设计理论与方法的不断发展，CAD系统的智能化程度也会越 来越高。
但任何智能化的CAD系统都只是一个辅助设计工具，均离不开使用者(人)的创造性思维活动和主导控制，将人的创造性思维能力、综合分析和逻辑判断能力与CAD系统强大的数据、图形以及文档处理能力结合起来，才能使CAD技术发挥出巨大作用。
1.3.2CAD技术的应用 CAD技术是适应现代生产技术发展和市场需求快速变换的产物。
目前，CAD技术在产品或工程设计中主要应用于以下几个方面。
z绘制二维、三维工程图主要用来取代传统的手工绘图工作，这是最普遍和最广泛的一种应用，也是中小企业采用得最多的一种CAD应用方式。
z建立图形及符号库主要用于建立常用图形和符号库，以便于设计时调用，提高设计效率。
z参数化设计对于那些具有相似结构的标准化或系列化零部件，通过对其结构尺寸和几何约束关系进行参数化定义，建立专用的图形程序库，调出时通过对设计参数进行赋值，即可生成所需的几何图形。
例如，对标准件、典型零件的设计(轴类零件、齿轮、皮带轮等)以及形状相似但尺寸不同的系列产品的设计等。
z三维造型根据设计需求，采用线框、曲面或实体造型技术对产品的零部件进行三维造型设计，并可进行装配和运动仿真。
z工程分析现代CAD技术提供了强大的工程分析工具，如有限元分析、优化设计、运动学以及动力学分析、模拟仿真等。
这些分析工具可帮助设计人员进行合理的结构、强度、运动等设计工作。
z生成设计文档或报表可以将设计属性制成说明文档或输出报表，其中有些设计参数可以用各种形式的图表表示，如直方图、扇形图、曲线图等，以使设计实施过程更清晰、形象、直观。
1.3.3采用CAD技术的优点和风险 从CAD技术的特点和应用范围来看，采用CAD技术具有以下优点。
z提高设计效率、缩短设计周期利用CAD技术，可减小设计人员的工作量和劳动强度，降低设计成本，从而能够提高设计效率、缩短设计周期、加速产品的更新换代、增强产品的市场竞争力。
z提高设计质量利用标准数据库、图形库和应用软件提供的优化技术和设计计算功能，可以减少人
6 第1章概述 为的设计误差，达到最佳设计效果。
z便于产品标准化、系列化利用CAD技术的参数化设计功能，可以方便地实现产品的系列设计；利用存储于计算机中的标准设计信息，能够实现设计过程中的资源共享。
z在设计阶段可预估产品的特性利用CAD技术中的运动分析、有限元分析、动态仿真等技术，可以在设计阶段预估产品的特性。
因此，可以及早发现设计缺陷，从而能够提高设计质量、提高产品的可靠性、缩短新产品的试制周期。
z易于实现网络化设计随着网络技术的迅速发展，基于网络的CAD系统也越来越多。
利用这样的系统，工程技术人员可以实现不同部门、不同地点之间的设计信息交流，提高设计工作的效率与灵活性，实现设计资源的跨平台共享。
z为实现CAM提供了基础采用CAD技术生成的零件模型可以直接由计算机的CAM(ComputerAidedManufacturing，计算机辅助制造)软件转化为加工、管理信息，并传送给数控机床和生产组织者，实现产品设计与制造的一体化。
z使产品快速进入市场在产品设计完成以后，即可根据设计文件及有关数据，利用仿真技术和多媒体技术生成数字样机，通过网络等各种媒体进行产品宣传，提前进行市场拓展。
可以看出，采用CAD技术可以提高设计质量、缩短设计周期、降低设计成本、加快产品的更新换代速度，使企业可以保持良好的竞争能力。
但采用CAD技术也会给企业带来一定的风险和问题，具体体现在以下两个方面。
z一次性资金投入较大采用CAD技术需要较大的资金投入来购买计算机的软硬件系统、支付相关的培训和开发费用，并且需要为软硬件的不断升级提供资金支持，但这些投资可能不会在短期内产生效益，需要有一段滞后期。
z对工程技术人员的素质和技能要求较高设计人员是CAD系统的重要组成部分，并在系统中发挥着主导作用。
如果缺乏具有良好素质并能掌握CAD技术的工程技术人员，则很难使所配置的CAD系统发挥应有的作用。
因此，企业在采用CAD技术时，应根据自身资金及人员结构情况综合考虑，以寻求系统的最佳配置。
1.4习题
1.简述产品设计所经历的主要环节。
2.简述CAD的发展历程。
3.简述CAD技术的特点及应用。
4.就CAD技术的发展趋势阐述个人的观点。
5.查阅相关资料和文献，结合某一具体的CAD设计领域的应用情况，写出一篇综述。
系统，就 CAD 技术在某个产品
7 第2章CAD系统的组成 CAD系统是基于计算机的系统，由软件(又称为程序系统)和硬件设备组成。
其中，软件是CAD系统的核心，而相应的系统硬件设备则为软件的正常运行提供了基础保障和运行环境。
另外，任何功能强大的CAD系统均只是一个辅助设计工具，系统的运行离不开系统使用人员的创造性思维活动。
因此，使用CAD系统的技术人员也属于系统组成的一部分，将软件、硬件以及人这三者有效地融合在一起，是发挥CAD系统强大功能的前提。
CAD系统具有强大的图形交互设计与显示输出能力，因而在软、硬件方面与普通的计算机系统有很大的区别。
CAD技术集中体现在CAD系统上。
计算机技术的迅速发展为各种形式的CAD系统的构建创造了条件。
为适应各种层次和不同规模的CAD作业要求，目前已有形式众多、各具特色的CAD系统。
这些系统为用户提供了用来实现设计思想、提高设计工作效率的信息化工具。
2.1CAD系统的类型和构建模式 CAD系统有着具有自身特点的系统分类方式。
同时，随着计算机及其相关技术的发展，CAD系统的配置形式也在不断发展变化。
2.1.1CAD系统的分类 CAD系统通常根据系统的硬件组成或工作方法及功能进行分类。
1.按硬件组成分类CAD技术是随着计算机技术的发展而迅速发展的。
CAD系统按其硬件组成并结合计算机技术的发展历程一般可分为5类：主机系统、小型机系统、工作站系统、微机系统和基于网络的微机-工作站系统。
z主机系统主机系统又称为大型机系统，这类系统以一台大(中)型计算机为中心，采用分时操作系统集中支持几十个、甚至上百个CAD终端运行。
主机系统通常具有高速、大容量的内存和 第2章CAD系统的组成 外存，可配置高精度、高速度、大幅面的图形输入/输出设备，通常用于运行规模较大的支撑软件或自行开发的大型应用软件，可以将设计、分析、计算、图形处理等工作结合起来进行复杂的CAD工作。
由于是多用户系统，因此，系统共用一个集中的大型数据库。
主机系统具有强大的应用处理功能，但它要求使用单位具有雄厚的资金实力，原始投资一般较大。
另外，一旦主机出现故障，将影响所有用户，而且，随着同时使用终端的用户的增加或计算工作量的加大将使系统响应变慢。
这种情况在进行表面模型处理、消隐、大型有限元分析等工作时尤为显著。
因此，主机系统主要用于支持复杂的工程设计和科学计算，如少数的研究机构或飞机、汽车、船舶等超大型企业会采用该类系统。
主机系统在20世纪70年代较为流行，目前一般已不再采用。
z小型机系统这类系统出现于20世纪70年代后期。
小型机系统以32位超级小型机为主机，通常带有几个到十几个终端，是由从事CAD技术开发的公司专门为用户配置的计算机配套系统。
小型机系统配有专用的硬件和软件，且两者紧密结合、配套使用。
小型机系统具有很强的工作针对性，系统价格昂贵，其CAD作业水平主要取决于所配置的软件功能。
这类CAD系统适于中等规模企业的应用要求，缺点是系统的针对性过强，用户难以进一步开发，应用范围受到限制。
目前，此类系统大多已被淘汰。
z工作站系统工作站包括工程工作站和图形工作站，是为满足用户在工程和图形图像处理上的专业需求和克服原有大型计算机、小型计算机由于其系统庞大，不能适应工程和图形处理中灵活多变的缺点而研制的专用计算机。
工作站具有强大的科学计算、丰富的图形处理、灵活的窗口及网络管理等功能，通过网络可以共享系统资源。
由于工作站具有便于逐步投资、逐步发展等优点，因而受到了用户的广泛欢迎。
目前，大多数高端CAD支撑软件和应用软件主要以工程工作站为运行平台。
随着工作站本身的性能发展，向上越来越多地覆盖了中、小型机乃至大型机、巨型机的应用领域，向下则可与个人计算机争夺巨大的低端市场。
z微机系统微机CAD系统以32位或64位超级微机作为主机，并配有高分辨率图形显示系统、大幅面绘图仪、高容量硬盘等CAD必备硬件，从而保证了CAD作业的顺利进行。
基于微机的CAD系统主要用于绘制二维工程图和一些简单的三维设计。
随着微机运算和图形处理性能的迅速提高，许多过去只能在工作站上运行的著名高端CAD支撑软件如CATIA、UGNX、Pro/ENGINEER、I-DEAS等，目前均有移植到微机上的版本，使微机系统不仅具有较强的分析计算能力，而且还可以满足处理三维图形的要求。
但由于微机总体上在运算和图形处理性能上与工作站仍有相当的差距(尽管随着微机性能的迅速提高，二者的差距正在日益缩小)，微机CAD系统目前主要用于运行中、低端的CAD支撑软件和应用软件。
微机CAD系统具有丰富的商品化支撑软件与应用软件，其原始投资少、见效快、成本低、具有良好的可扩充性。
因此，这类系统受到中小型企业和个人用户的普遍欢迎，成为国内外中小型企业开展CAD工作的主要形式，并在相当长的时期内与工作站互为补充。
z基于网络的微机-工作站系统对于独立的微机CAD系统和在一定范围内联网的工作站CAD系统，其作业的分散性
9 和各自独立或孤岛式的工作方式，使得设计信息无法进行充分的交流，也无法使各种作业协调一致地进行。
由于并行工程的要求和现代网络技术的迅速发展，基于网络的微机-工作站系统得以实现并得到迅速发展。
这类系统可以使分散于同一单位不同部门、不同地点的微机及工作站共享软、硬件资源；充分和准确地交流设计信息；协调各种作业；完成并行工程。
基于网络的微机-工作站系统应用计算机技术和网络通信技术，将分布于各处的多台各类计算机以网络形式连接起来。
目前，采用局域网(LocalAreaNetwork，LAN)可以将一座大楼、一个工厂、一所学校范围内的计算机联网；通过万维网(WorldWideWeb，WWW)则可将多个局域网连接起来，并可以访问分布在世界各地的本部门或本公司的各个设计小组与设计人员，以沟通设计信息。
2.按工作方法及功能分类CAD系统按工作方法及功能大致分为4类：检索型、自动型、交互型和智能型。
z检索型CAD系统检索型CAD系统主要用于已经实现标准化、系列化、模块化的工程或产品结构。
这些产品或工程的图纸、有关程序都已存储在计算机内部。
在设计过程中，用户只需按照要求给出不同的参数与设计数据，自动运行程序即可生成符合要求的电子图纸；或在原有相似图形的基础上，按用户的技术要求及规范检索出所需要的零部件图，再在CAD软件系统中完成产品或工程的修改，组成装配图，并对产品的性能进行校核；在满足设计者要求的前提下，输出所需要的各种技术文件和图纸。
z自动型CAD系统对于自动型CAD系统，用户根据产品或工程的性能、规格、要求输入基本参数后，不需要人工干预，系统即可按照既定的程序自动完成设计工作，并输出产品或工程设计的全部图纸与技术文件。
这类系统可用于设计理论成熟、计算公式确定、设计步骤和判别标准清楚、设计资料完备的产品或工程设计情况。
z交互型CAD系统在一个产品的设计过程中，方案的决策及结构的布置要完全实现自动设计是非常困难的事情。
交互型CAD系统指可以最大限度地发挥计算机系统的高速运算能力、严格的逻辑推理能力以及大容量的信息存储能力，将设计人员在长期设计过程中积累的经验、智慧同计算机CAD系统的优势结合起来，实现在交互方便、界面友好的环境下完成产品或工程的设计工作，使人机得到最佳配合的系统。
交互型CAD系统也是软件开发中最容易实现的系统。
z智能型CAD系统现有的CAD技术在产品或工程设计中的大多数情况下只能做数值型工作，如计算、分析、绘图等。
实际上，在设计过程中还存在着方案构思、最佳方案选择、结构设计优化、设计评价、决策等内容，这类工作往往需要根据一定的知识模型，采用推理的方法才能获得比较圆满的答案。
将人工智能技术，特别是专家系统技术应用于产品和工程设计中，即形成专业领域的设计型专家系统，这就是智能型CAD系统。
智能型CAD系统主要由知识库、推理机、实时系统、知识获取系统和人机接口等组成，还包括各种先进技术的综合运用。
当使用这样的系统时，用户只需要输入设计对象的概念、用途、性能等信息，利用系 10 第2章CAD系统的组成 统提供的推理、决策、计算和电子数据处理等各种机制，即可完成产品或工程的详细设计。
2.1.2CAD系统的构建模式 CAD系统的构建模式与计算机技术和网络通信技术的发展密切相关。
20世纪70～80年代，CAD系统的构建模式主要采用主机-终端结构(也称集中式系统)和分布式计算机结构。
进入20世纪90年代以后，随着网络技术的迅速发展，CAD系统的构建模式以客户机/服务器结构(Client/Server，C/S结构)为主，并向基于Web的浏览器/服务器结构(WebBrowser/WebServer，基于Web的B/S结构)发展。
1.客户机/服务器结构CAD系统的客户机/服务器结构是一种分布式、协同处理的CAD系统构建模式，通常采用局域网，网络协议一般采用TCP/IP。
局域网又分为以太网、令牌环网等类型。
其中，以太网因为其结构简单、使用方便的特点而广泛流行。
客户机/服务器结构将较大的应用任务分解为多个子任务，由多台计算机分别执行，共同完成整个应用，以“请求/服务”方式完成交互操作。
即客户机/服务器结构不再将多个应用放在一台主机上处理，而是将一个应用分布到多台机器上去处理。
采用客户机/服务器结构通常涉及下述组成部分。
z客户机客户机通常为微机或工作站，采用UNIX或Windows操作系统。
客户机软件一般具有输入/输出、多窗口的图形用户界面、应用程序中的编辑、个人数据存储、计算与分析等功能。
z服务器目前在客户机/服务器结构中，高档微机和工作站均可作为网络服务器，并采用UNIX或Windows操作系统。
在CAD实际应用中，工程设计人员对网络的访问十分频繁，常常需要在网络上进行文件的调用、复制、查找等操作。
因此，对服务器的要求比较高，通常应选用性能优良的专用服务器，使其不仅能够快速有效地存储CAD图形文件、读取服务器上的文件，而且能够通过随机提供的服务器软件正确地进行网络系统的设置，迅速判断和排除故障，方便网络系统的维护与管理工作。
服务器通常提供管理和通信服务，管理服务主要包括对数据库、文件、网络等的管理；通信服务主要包括打印、通信、传真、图像传输等。
z网络设施网络设施是指网络系统的硬件和软件组成。
硬件主要包括采用的网络拓扑结构，以及网卡、传输介质、路由器、交换机等。
网络软件是指网络协议及提供的应用接口(如软件工具、编程函数等)。
z中间件中间件负责客户机与服务器的连接，分别安装在客户机和服务器上，使二者得以沟通。
2.基于Web的浏览器/服务器结构近年来，发展迅速的Web应用技术为解决CAD技术应用中的信息集成与共享问题，提供了有效的解决方案。
因此，基于Web的浏览器/服务器结构成为CAD系统构建的最新模式。
采用基于Web的浏览器/服务器结构构建的CAD系统，各种不同类型、采用不同操作 11 系统的计算机均可连接到系统中去。
在用户计算机上安装浏览器软件，通过URL(UniformResourceLocator，统一资源定位符，即通常所说的网址)向Web服务器发送请求，然后接受并解释由服务器发送回来的资源文件，变成用户机上显示出的界面并完成相关的操作。
在服务器计算机上安装相应的Web服务器软件，响应浏览器发送的请求，经过处理后向浏览器发送资源文件。
综上所述，基于Web的浏览器/服务器结构是一种特殊的客户机/服务器结构，但它与客户机/服务器结构的根本区别在于可以实现与计算机软、硬件平台无关，解决了异构计算机系统之间的通信问题，并同时保证了用户界面的统
一。
基于Web的浏览器/服务器结构的CAD系统构建称为WebCAD，它是当前国内外的研究热点和未来CAD系统的发展方向。
2.2CAD系统的硬件组成 通常，将用户可进行CAD作业的独立硬件环境称作CAD硬件系统。
CAD系统的硬件主要由主机、输入设备(键盘、鼠标、扫描仪等)、输出设备(显示器、绘图仪、打印机等)、信息存储设备(主要指外存，如硬盘、光盘、各种移动存储设备等)及网络设备、多媒体设备等组成。
CAD系统的基本硬件组成如图2-1所示。
图形显示器 扫描仪鼠标、键盘 计算机主机 绘图仪、打印机图2-1CAD系统的基本硬件组成 硬盘光盘移动存储设备 2.2.1CAD系统的硬件 如图2-1所示，CAD系统的硬件主要由计算机主机、外存储器(硬盘、光盘和移动存储设备)、图形输入设备(扫描仪、鼠标、键盘)、图形输出设备(图形显示器、绘图仪、打印机)等组成。
1.计算机主机计算机主机主要由中央处理器(CPU)和内存储器(简称内存)等组成，是整个CAD系统的核心。
衡量主机性能的指标主要有两项：CPU性能和内存容量。
zCPU性能CPU的性能决定着计算机的数据处理能力、运算精度和速度。
CPU的性能通常用每秒可执行的指令数目或进行浮点运算的速度来衡量，其单位符号为MIPS(每秒处理1百万条指令)和GIPS(每秒处理10亿条指令)。
该指标越高，说明CPU的数据处理速度越快。
一般情况下，用芯片的时钟频率(或称主频)来表示运算速度更为普遍，时钟频率越高，运算速度越快。
12 第2章CAD系统的组成 此外，字长也是衡量CPU性能的一个重要指标，字长是指CPU在一个指令周期内提取并处理的二进制数据的位数。
字长位数越多，表示CPU一次处理的数据量越大，工作性能越好。
目前CPU的常见字长有32位、64位、128位和256位等。
z内存容量内存是存放运算程序、原始数据、计算结果等内容的记忆装置。
如果内存量过小，将直接影响CAD软件系统的运行。
内存容量越大，主机能容纳和处理的信息量也就越大。
2.外存储器外存储器简称为外存。
虽然内存储器可以直接和运算器、控制器交换信息，存取速度很快，但内存储器成本较高，且其容量受到CPU直接寻址能力的限制。
外存作为内存的后援，使CAD系统将大量的程序、数据库、图形库存放在其中，待需要时再调入内存进行处理。
常见的外存储器通常包括硬盘、光盘等，随着存储技术的发展，尤其是移动存储技术的发展，移动硬盘、U盘等移动存储设备已成为外存储设备的重要组成部分。
3.图形输入设备在CAD作业过程中，不仅要求用户能够快速输入图形，而且还要求能够将输入的图形以人机交互方式进行修改，以及对输入的图形进行图形变换(如缩放、平移、旋转)等操作。
因此，图形输入设备在CAD硬件系统中占有重要的地位。
图形输入设备主要包括定位设备、数字化仪和图像输入设备。
定位设备主要用于控制屏幕上的光标并确定它的位置。
在窗口及菜单环境下，定位设备除了定位功能外，还兼具拾取目标、选择对象、跟踪录入图形以及输入相关的数据和命令等功能。
此类设备主要包括鼠标、键盘、图形输入板及其触笔、触摸屏等。
数字化仪主要用于摘取放置在其上的图形中的大量点，经数字化处理后存储起来，以此作为图形输入的一种手段。
图像输入设备包括扫描仪、数码摄像机、数码相机等，由这些设备输入的图像经数字化及图像处理后输出图形，这些输入方式已经成为CAD系统非常重要的输入方式。
此外，在虚拟现实系统中，数据手套和各种位置传感器等正在成为新的输入手段；研制中的语音输入希望通过人的自然语言来输入图形的特征参数及其属性，得到所要求的图形并显示、输出。
4.图形输出设备图形输出设备包括图形显示器、绘图仪、打印机等。
图形显示器是CAD系统中最为重要的硬件设备之
一，主要用于图形图像的显示和人机交互操作，是一种交互式的图形显示设备。
图形显示器的主要器件是阴极射线管(CRT)，它有3种类型：直接存储管式显示器、射线刷新式显示器、光栅扫描式显示器。
交互式图形系统采用的显示器是基于CRT的光栅扫描式显示器。
其工作原理与电视机相似，不同之处在于电视机利用摄像机产生的模拟信号构成屏幕上的图像，而光栅扫描式显示器则由计算机产生的数字信号构成屏幕上的图像。
衡量显示器性能的主要指标是分辨率和显示速度。
对于光栅扫描式显示器而言，沿水平和垂直方向单位长度上所能识别的最大光点数称之为分辨率(光点也称为像素)。
对于相同尺寸的屏幕，点数越多，距离越小，分 13 辨率就越高，显示的图形也越精细。
显示速度同显示器在输出图形时采用的分辨率以及计算机本身处理图形的速度有关。
从人机工程学的角度来看，通常应满足人眼观察图形时不出现闪烁这一基本要求，图形屏幕的刷新速度应不低于30帧/秒。
随着人们对显示器轻型化、薄型化以及大尺寸的要求，目前液晶显示器和等离子显示器的应用越来越多。
由于这些显示器的制造成本逐渐降低，已取代基于CRT的光栅扫描式显示器。
绘图仪、打印机等也是目前常用的图形输出设备。
目前常用的绘图仪包括笔式绘图仪和喷墨绘图仪，主要采用滚筒式结构，这种结构的绘图仪具有结构简单紧凑、图纸长度不受限制、价格便宜、占用工作面积小等优点。
常用的打印机主要有针式、喷墨、激光打印机等。
2.2.2工作站和微机 工作站和微机是目前CAD系统计算机配置的主流。
CAD系统对硬件的要求一般都比较高，CAD硬件系统主要以工作站和微机为主。
对于运行CAD软件的微机而言，则应选择运算和图形处理能力较强的机型。
1.工作站在计算机硬件领域，工程工作站(简称工作站)是一个比较独特的机种，工作站的概念起源于20世纪70年代，它并不完全指计算机本身，而是指面向专业应用领域并具有强大的数据运算、图形图像处理、网络通信等功能的交互式计算机系统。
通常配有高分辨率的大屏、多屏显示器及容量很大的内存储器和外存储器，并且具有极强的信息和高性能的图形、图像处理功能的计算机。
工作站的应用领域包括CAD、CAM、动画制作、科学研究、软件开发、金融管理、信息服务、模拟仿真等。
根据软、硬件平台的不同，主要有两类工作站，一类是基于RISC处理器(即精简指令系统处理器，采用RISC芯片)的采用UNIX操作系统的工作站，称之为UNIX工作站；另一类是基于Intel处理器架构的采用Windows系列操作系统的工作站，称之为PC工作站。
zUNIX工作站传统的UNIX工作站采用RISC处理器，且可以配置多个处理器，因而具有极高的浮点运算速度。
另外，UNIX工作站有着64位的计算能力。
由于64位UNIX工作站可以突破4GB的32位寻址极限，因此，为复杂的工程应用提供了大的虚拟内存空间，而它的实际物理内存已经超过4GB，可以达到8～16GB，能满足几乎所有的高性能计算要求，可以满足企业级的应用需要。
UNIX操作系统源于已公开源代码的标准操作系统，其发展历史长，系统稳定性好，错误修正快，且在许多年前就已经包含了较为完善的网络功能。
大部分TCP/IP网络服务程序最早都是在UNIX上开发出来的。
目前UNIX工作站使用专有的处理器(英特尔至强XEON、AMD皓龙等)、UNIX系统，具有强大的处理器和优化的内存、I/O(输入/输出)、图形子系统，是一种高性能的专业工作站。
zPC工作站Windows工作站是随着个人计算机性能的不断增强而逐渐发展起来的。
自从Pentium 14 第2章CAD系统的组成 技术发布以来，IntelCPU不断吸收RISC技术，性能日益提高。
在数据处理方面，尤其是在浮点运算方面，性能显著增强。
基于多个CPU的PC系统完全具备了传统的RISC工作站具备的强大功能。
以高性能、高稳定性、高可靠性的Windows系列操作系统和基于OpenGL标准的PC图形技术也日益成熟。
目前PC工作站采用高性能的英特尔至强处理器，使用稳定的Windows32/64位系列操作系统，采用符合专业图形标准(OpenGL4.x和DirectX11)的图形系统，再加上高性能的存储、I/O(输入/输出)、网络等子系统，可以满足专业软件运行的要求。
由于PC工作站采用的是标准的、开放的系统平台，因此成本大幅度降低，升级换代的速度也不断提高。
综上所述，工作站系统的硬件通常具有以下特点：z采用先进的操作系统，如UNIX、Windows操作系统，具有优越的多用户、多任务 功能，并具有可靠的系统安全性。
z具有极高的运算速度。
由于工作站的工作任务主要是解决工程问题和进行图形图像 处理。
因此，通常采用专门设计的CPU和图形处理芯片，并支持多CPU。
z采用专用内存，且内存容量巨大、可扩展性强。
z极强的网络功能。
通过网络能够很方便地提供分布式处理环境，进行网络计算，充 分利用其他工作站的系统资源。
z配备专用的图形加速卡，具有强大的图形功能。
2.微机20世纪90年代以来，微机的性能有了很大的提高，其CPU性能指标已接近工作站指标。
国外一些CAD软件已开始向微机移植，如Pro/ENGINEER、I-DEAS、UGⅡ等。
与此同时，在Windows系统上也出现了一些优秀的CAD软件，如SolidWorks等。
目前，微机上使用的CAD软件有Creo3.0、UGNX10、AutoCAD2018等。
微机CAD系统的硬件配置与普通个人计算机系统有所不同，它更强调运算能力和图形处理能力。
在CAD系统的硬件配置中，应配备功能较强的人机交互设备和图形输入/输出装置，为CAD系统作业时提供一个良好的硬件环境。
微机CAD系统通常采用Windows32/64位系列操作系统，在可能的条件下应选用性能好、主频高、浮点运算能力强的CPU；尽可能大的内存和外存，以及支持标准图形系统且有较大显存的显卡。
2.3CAD系统的软件组成 计算机软件是指控制计算机运行，并使计算机发挥最大功效的各种程序、数据及文档的集合。
在CAD系统中，软件配置水平决定着整个CAD系统的性能优劣。
因此说硬件是CAD系统的物质基础，而软件则是CAD系统的核心。
从CAD系统的发展趋势来看，软件占据着越来越重要的地位，目前，系统配置中的软件成本已经超过了硬件。
可以将CAD系统的软件分为3个层次，即系统软件、支撑软件和应用软件。
系统软件是与计算机硬件直接关联的软件，一般由专业的软件开发人员研制，它起着扩充计算机的功能以及合理调度与运用计算机的作用。
系统软件有两个特点：一是公用性，无 15 论哪个应用领域都要用到它；二是基础性，各种支撑软件及应用软件都需要在系统软件的支撑下运行。
支撑软件是在系统软件的基础上研制的，它包括进行CAD作业时所需的各种通用软件。
应用软件则是在系统软件及支撑软件的支持下，为实现某个应用领域内的特定任务而开发的软件。
下面分别对这3类软件进行具体介绍。
2.3.1系统软件 系统软件主要用于计算机的管理、维护、控制、运行，以及计算机程序的编译、装载和运行。
系统软件包括操作系统和编译系统。
1.操作系统操作系统主要承担对计算机的管理工作，其主要功能包括文件管理(建立、存储、删除、检索文件)、外部设备管理(管理计算机的输入、输出等外部硬件设备)、内存分配管理、作业管理和中断管理。
操作系统的种类很多，在工作站上主要采用UNIX、WindowsServer2008/Windows7/Windows10等；在微机上主要采用UNIX的变种XENIX、ONIX、VENIX，以及Windows系列操作系统。
2.编译系统编译系统的作用是将用高级语言编写的程序翻译成计算机能够直接执行的机器指令。
有了编译系统，用户就可以用接近于人类自然语言和数学语言的方式编写程序，而翻译成机器指令的工作则由编译系统完成。
这样，就可以使非计算机专业的各类工程技术人员很容易地用计算机来实现其设计目的。
目前，国内外广泛应用的高级语言Pascal、C/C#、Java、ASP、ASP.NET、VisualBasic、VisualLISP等均有相应的编译系统。
2.3.2CAD支撑软件 支撑软件是CAD软件系统中的核心，是为满足CAD工作中一些用户的共同需要而开发的通用软件。
近30多年来，由于计算机应用领域的迅速扩大，支撑软件的开发研制有了很大的进展，推出了种类繁多的商品化支撑软件。
CAD支撑软件主要包括图形处理软件、工程分析与计算软件、模拟仿真软件、数据库管理系统、计算机网络工程软件、文档制作软件等。
1.图形处理软件z基本图形资源软件基本图形资源软件是根据各种图形标准或规范实现的软件包，大多是供各种应用程序调用的图形程序库或函数库。
如CGI(图形设备接口标准)、IGES(图形交换规范)、GKS(图形核心系统)、PHIGS(程序员层次交互式图形系统)、OpenGL(OpenGraphicsLibrary，开放的图形程序库)、DirectX(图形等多媒体系统API)等。
这类基本图形资源软件通常与设备无关，支撑软件和应用软件开发人员可以直接调用它们，能够使软件的可移植性得到极大的加强。
z二维和三维绘图软件 16 第2章CAD系统的组成 此类软件采用人机交互方式，主要用于解决零部件的详细设计问题，最后可输出符合工程要求的零件图或装配图。
z几何造型软件几何造型软件主要用于实现零部件的三维结构设计、存储其三维几何数据及相关信息。
通常，几何造型软件包括实体造型和曲面造型，以及近年来得到迅速发展的特征造型、参数化造型、非流形形体造型等。
2.工程分析与计算软件这类软件主要用来解决工程设计中的各种数值计算问题，主要有：z常用数学方法程序库它提供了诸如解微分方程、线性代数方程、数值积分、有限差分，以及曲线曲面拟合等数学问题的计算机程序。
z有限元法结构分析软件目前，有限元法在理论与方法上均已比较成熟，而且求解的范围也日益扩大。
除了应用于固体及流体力学问题外，还应用于金属及塑料成形、电磁场分析、无探损伤等领域，在工程设计上的应用十分广泛。
z优化设计软件优化设计是在最优化数学理论和现代计算技术的基础上，运用计算机寻求设计的最佳方案。
随着优化技术的发展，国内外已有许多成熟的算法和相应的优化设计软件。
z机构分析及机构综合软件机构分析是通过确定机构的构成参数(位置、轨迹、速度、加速度等)，计算机构的节点力和弹簧力、校验干涉、显示机构的动、静态图及各种分析结果曲线。
机构综合就是根据产品的设计要求自动设计出某种机构。
z机械系统动态分析软件采用模态分析法来分析系统的振动、噪音等问题。
z注塑(压铸)模具分析软件可对各种注塑(压铸)模具进行液流的流动分析、冷却分析、翘曲分析、收缩分析及结构应力分析，以帮助用户进行合理的零件结构设计和浇道布置设计。
3.模拟仿真软件模拟仿真软件包括运动仿真、成型仿真和加工仿真。
运动仿真用于大型装配的运动模拟和干涉检验；成型仿真主要用于钣金零件的成型过程模拟及其成型缺陷预测；加工仿真主要用于设计表面的数控加工模拟，以检验过切、少切及加工精度。
4.数据库管理系统为适应数量庞大的数据处理和信息交换的需要，近年来发展了数据库管理系统(DataBaseManagementSystem，DBMS)。
DBMS是在操作系统基础上建立的操纵和管理数据库的软件，该系统除了保证数据资源共享、信息保密、数据安全之外，还能尽量减少数据库内数据的重复。
用户使用数据库都是通过数据库管理系统实现的，因而它也是用户与数据之间的接口。
CAD系统需管理的数据量巨大，数据类型及关系复杂，且信息模式是动态的。
目前， 17 大型CAD支撑软件均有其自身的数据管理系统，用于管理各种工程数据。
近年来，产品数据管理系统软件(ProductDataManagement，PDM)正在产品及工程设计领域的数据管理方面发挥着越来越大的作用。
5.计算机网络工程软件基于网络的微机-工作站CAD系统将成为未来CAD的主要使用环境之
一。
因此，网络工程软件发挥着越来越重要的作用。
网络工程软件主要包括服务器操作系统、文件服务器软件、通信软件等。
应用这些软件可进行网络文件系统管理、存储器管理、任务调度、用户间通信、软硬件共享等工作。
6.文档制作软件文档制作软件主要用于快速生成设计结果的各种报告、表格、文件、说明等，可以方便地对文本及插图进行各种编辑，并支持汉字处理。
2.3.3CAD应用软件 应用软件是在系统软件、支撑软件的基础上，针对某一专门应用领域而开发的软件。
这类软件通常由用户结合当前设计工作的需要自行研究开发或委托开发商进行开发，此项工作又称为“二次开发”。
如模具设计软件、电气设计软件、机械零件设计软件、机床设计软件，以及汽车、船舶、飞机设计制造行业的专用软件均属应用软件。
能否充分发挥已有CAD系统的功能，应用软件的技术开发工作尤为重要，这也是CAD从业人员的主要任务之
一。
2.3.4商品化CAD支撑软件包介绍 目前，商品化CAD支撑软件包品种繁多、功能各异，根据其主要功能特点及运行平台大致可分为3类：高端产品、中端产品和低端产品。
1.高端产品高端产品通常是指具有强大的三维图形处理功能、分析功能、制造功能及网络功能的大型CAD支撑软件包。
这类软件能够完成复杂的三维结构及外形设计；可实现大型装配、自动生成NC程序等；能对设计产品进行各种分析、测量，支持网络通信和数据交换。
此类软件功能强大、性能优异、价格昂贵，通常运行于工作站或高档微机上，一般用于大中型企业或飞机、汽车、船舶、模具等行业的设计工作。
典型的CAD高端软件有法国达索的CATIA、德国西门子旗下的UGNX、PTC公司的Creo/ProE等。
2.中端产品为了解决高端CAD软件产品价格昂贵、硬件配置要求高而难于普及应用，以及低端CAD软件产品功能单
一、三维造型能力差、限制了企业产品开发能力的提高等问题，同时，也为了占领更大的市场份额，一些主要的大型高端CAD软件开发商相继推出了其高端软件的微机移植版本，或开发了一些价格适中、具备基本三维设计功能的三维微机系统CAD软件，我们将此类软件产品称为中端产品。
一般来说，中端产品具有高端产品的三维零件设计、装配功能，能满足一般机械产品 18 第2章CAD系统的组成 设计、绘图的功能要求，但这些产品的曲面造型功能较弱。
中端产品通常运行于Windows操作系统下，硬件配置比低端产品略高，但其三维能力同高端产品相比仍有较大差异，一般也不提供分析软件及其他高级专用软件。
常用的中端产品有德国西门子旗下的SolidEdge、法国达索的CATIA微机版、美国SolidWorks公司的SolidWorks等SolidEdgeCAD软件及美国Autodesk公司的Inventor早期版本。
3.低端产品此类软件主要具备二维绘图能力及一些简单的三维造型功能，用于解决二维绘图问题。
低端产品以普通微机为运行平台，价格便宜，简单易用，常被中小企业所采用。
典型的低端产品如美国Autodesk公司开发的AutoCAD等。
2.4CAD系统的选型原则 CAD系统的构建是一项复杂的系统工程，其构建得是否合理，直接影响到使用单位CAD技术的应用效果，而其中的系统选型工作尤为重要。
2.4.1CAD系统选型工作的重要意义 在CAD技术发展日新月异的今天，无论对企业还是对研究部门来说，都需要建立适合自己需要的计算机系统。
尤其对于产品和工程设计行业，对于那些设计、制造工作相对复杂、繁重的单位则更应该在客观、科学、务实的需求分析及应用规划的指导下，进行科学、合理的CAD系统的选型，为CAD技术的成功运用打下良好的基础，推动CAD技术的应用沿着良性循环的轨道健康地发展。
从宏观角度看，CAD系统的选型应该考虑的问题是：z明确系统的需求企业应根据所处行业领域、产品设计开发特点、企业综合制造水平来确定通过CAD系统配置所要达到的目标、解决问题的深度以及关键技术。
z确定近期目标和长远目标应根据现有人力、资金、技术水平等各方面条件的约束，确定近期目标。
同时，也应该兼顾未来发展的长远目标，从而解决现在与未来、专用与通用、实用与先进等几个矛盾，并处理好相互之间的关系。
z确定CAD系统的集成应用水平值得注意的是，不应该将CAD系统看作孤立的技术系统，而应该将其与数据库技术、网络技术、数据交换技术、CAM技术以及各种接口技术良好地匹配、适应，CAD系统只是其中的重要一环。
只有按照这些观点考虑系统的集成问题，才能够解决好CAD系统的选型问题。
2.4.2CAD系统选型的基本要素 CAD系统选型所涉及的内容较多，归纳起来应该把握几个基本要素，即软件选型、运行环境选型和价格策略等。
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1.软件选型软件是CAD系统的运行主体，其功能配置与用户的需求密切相关。
在选型过程中，用户可从以下几个方面确定自己所关心的选型内容。
z基本建模能力基本建模能力包括工程制图能力、三维建模能力、装配设计等。
工程制图能力指生成二维视图的能力，如各种投影方向的视图、剖视图、尺寸标注、符号标注、中文输入、与国家标准的相符情况等。
三维建模能力包括草图设计、实体建模、特征建模、曲面造型、系列化设计、工程更改等。
装配设计指装配工具、配对操作、爆炸操作、装配管理、生成装配明细表等。
z系统辅助特性包括界面友好特性、图形操作及显示能力、二次开发工具的易学易用性、标准件和常用零件库及其建库工具、版本的上下兼容性、图形数据交换的广泛性、数据库管理的方便性等。
z专业设计工具根据专业要求选择满足要求的工具。
如模具设计、管路设计与布线设计、电路设计、线路板自动设计以及其他专业工具、软件包。
z工程分析能力例如，有限元分析、机构分析、第三方专业工程分析软件系统或接口等。
z数控加工软件例如，加工模拟仿真、数控编程软件、数控系统后置处理软件等。
z高级建模能力运用现代产品设计技术、方法、工具所开发的新的制作模型的方法。
2.运行环境选型运行环境包括CAD软件所依赖的硬件平台、操作系统和网络环境等。
z硬件平台CAD系统对硬件环境的要求较高，通常需要有较快的速度、较大的内存、大容量的硬盘、高性能的图形显示、快速的网络传输等。
硬件的配置直接影响软件的运行效率，所以，硬件必须与软件功能、数据处理的复杂程度相匹配。
过去，在图形处理方面具有绝对优势的硬件是图形工作站，而在计算机软硬件技术迅速发展的今天，高档微机的各项指标已经接近或超过低端工作站的性能指标，因此，在CAD硬件选择方面有了更大的选择余地，为普及CAD技术创造了有利的条件。
当然，微机毕竟不等同于工程或图形工作站。
在需要大中型的复杂的运算方面，在高清晰度、动态、渲染、仿真方面，以及在大中型产品或工程设计方面，采用图形工作站将比微机工作站更具优势。
对于既支持工作站又支持微机的软件，两种版本的功能有时存在较大差异，而某些高指标特性只能由工作站来实现。
z操作系统UNIX操作系统以其多用户、多任务的特性与数据管理、网络支持能力为CAD系统提供了可靠的工作平台，同时也为CAD的发展做出了重要的贡献。
工作站的操作系统通常运行的是UNIX操作系统。
然而，UNIX操作系统专业性比较强，一般工程技术人员难以掌 20 第2章CAD系统的组成 握。
随着CAD硬件平台不断向微机下移，以及Windows系列操作系统性能的提升，Windows系列操作系统因其界面简单、友好、熟悉而深受广大工程技术人员的欢迎。
另外，它还有很强的数据管理、网络通信及支持能力，同样可以胜任大型CAD应用项目的开展。
所以，无论是UNIX操作系统，还是Windows操作系统的工作站软件，都可以作为选择对象，而且后者也许具有更大的优势。
z网络环境这里所说的网络环境主要指网络硬件。
通常，大型CAD软件的使用权在网络上是浮动的；工作站点在一定范围内时多时少、其位置有时也经常发生变化；设计过程中数据传输量大且比较频繁，可以说具有较大的灵活性。
网络传输特性将直接影响设计工作、协同工作的质量和效率，为使系统配置合理、资源得到充分利用，用户应采用高流量的光缆和集线器，并配置高可靠性的网络服务器。
z技术支持在CAD应用向纵深发展的同时，人们逐渐认识到，购买CAD系统软硬件，绝不是买回来就可以了。
CAD是一项高新技术，应该也必须有完备的售后服务和有效的技术支持。
所以在选型阶段，用户不仅要考察CAD软件的功能，还应考察供应商的售后技术支持、服务及资信等情况。
这方面的内容一般包括以下几个方面：♦软件系统的升级。
软件开发商必须有足够的研发实力，不断推出其软件的新功能、 新版本，并有完善的售后服务。
♦完善的培训体系。
比如应该有培训课程、教材、指导教师、培训用机、场地、习题 及题解、自学教程等，还可以提供初级、中级、高级的CAD技术及软件培训。
♦提供信息发布、咨询、联络的方式。
如为用户提供热线电话、电子邮件答疑、 信息发布、软件刊物、年会、用户协会等措施。
♦为保证用户系统的正常运行，帮助用户解决实际使用、开发工作中遇到的困难，开 发软件的公司应该具有一支素质高、经验丰富、响应快、态度好的技术支持队伍，以保证用户的利益不受损失。
从某种意义上讲，软件工程师应该与用户建立良好的售后服务关系。
因为用户不仅是软件的实际使用者，也是软件的测试者和软件问题的积极反馈者。
3.价格策略由选型确定的方案最终需要通过谈判、签订合同来实现。
如果在价格上买方与卖方不能达成一致，再好的选型方案也不能实现。
所以，价格是决定方案能否顺利实施的关键因素。
事实上，用于项目的投资一开始就左右着选型方案的确定。
选择什么档次的机型与配置，应在与系统供应商的接触以及在考察系统技术特性的过程中，有意识地对其价格和执行方式做必要的了解。
这样，在形成系统配置方案时，逐步形成作为商务谈判的价格体系，以免使双方处于不愉快的境地，而使选型方案不能实施。
通常，小规模的项目，在价格上没有多大的余地，而大型项目由于其投资规模较大，在价格上还是有许多文章可以做的。
大型项目应引入招标机制，通过各供应商的价格竞争以求获得最佳的系统性能价格比。
大型项目的系统供应商更注重与用户的长期合作，因为他们希望日后有不断追加的购买合同。
因此，在首次购买的时候，这些供应商供应的软件价格通常都有比较大的回旋余 21 地，用户可以充分利用这些有利条件，在有限的资金范围内争取办更多的事情，获取更好的配置、更多的使用权限。
当然，商务谈判不是漫天讨价，需要在客观、公正、诚实的基础上互惠互利，不应该提出过分的要求。
有些方案虽然表面看不出什么问题，但有可能不包括升级和售后服务。
因此，购买软件时要考虑到服务和承诺，力求使得软件成为用户手中的得力工具。
2.4.3选择CAD系统的原则 在具体选择和配置CAD系统时，应考虑以下原则：
(1)软件系统的选择应优于硬件且应具有优越的性能。
软件是CAD系统的核心，因此软件的选择应优于硬件，应根据软件的功能需求来配置合适的硬件，而不是让软件来适应已购买的硬件。
软件系统应采用标准的操作系统，具有良好的用户界面、齐全的技术文档，最好还应包括联机帮助功能。
几何造型功能是CAD系统软件的心脏，它应该能够提供绘制丰富的图形实体的方法，有强大的图形编辑能力，使用方便，符合操作者的使用习惯，易学易用，能够支持标准的图形交换规范，具有内部统一的数据库，支持系统内部、外部的软件集成。
另外，根据不同的工作需要，CAD软件还应能够支持对应的各种应用。
例如：可以生成复杂的二维、三维装配图；可以进行物性计算、公差分析、有限元分析、机构分析等工作；在制造方面可以进行数控自动编程、刀具轨迹仿真、数控后置处理、辅助工艺规程设计、机器人仿真等工作，而且应该是尽可能集成的环境。
(2)硬件系统应该符合国际工业标准、具有良好的开放性。
要考虑是否采用先进的操作系统；网络配置是否采用以太网；主机及其系统是否采用流行的CPU芯片。
选择符合国际工业标准、具有良好开放性的硬件系统，将有利于系统的进一步扩充、联网、支持更多的外围设备。
(3)整个软硬件系统运行可靠，维护简单、性价比优越。
(4)具有良好的售后服务体系。
(5)供应商应该有良好的信誉，可以提供培训、故障排除及其他增值服务。
2.5习题
1.CAD硬件系统有几种分类方法？请简单叙述其分类及名称。
2.CAD硬件系统的发展趋势如何？
3.一个CAD硬件系统的基本配置应该包括哪些内容？
4.常用工作站有哪两种？它们所采用的技术和性能如何？
5.如何规划和设计CAD局域网？
6.请简述CAD系统的选型原则。
7.CAD软件系统包括哪几个层次？试分别举例说明。
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