理解CAD：核心优势与快速原型应用

CAD代表计算机辅助设计。它是使用计算机软件创建拟议产品三维模型的过程。许多行业使用此类软件创建草图和模型。它可用于设计具有精确测量的二维图纸和三维模型。

如果您正在阅读本文，可能想了解CAD相对于手工绘图的优势，及其在快速原型和计算机辅助制造中的重要性。必须认识到CAD在设计中的关键作用，以及它如何简化产品开发工作流，尤其是在远程办公成为新常态的时代。

什么是计算机辅助设计（CAD）？

计算机辅助设计软件起源于1963年，Ivan Sutherland开发了Sketchpad，Dr. Patrick J. Hanratty于1971年推出自动绘图与加工（ADAM）。

以来，计算机辅助工程与设计软件已长足发展，随计算机系统改进引入自动化功能集和设计工具，使设计工作流轻松愉悦。CAD开发前，设计师使用铅笔、直尺、圆规、绘图板、三角板等创建二维图纸。

CAD是Computer-Aided Design缩写，指在工程、建筑和工业产品设计中使用计算机软件进行产品和结构的二维和三维建模。它不仅是纸笔草图的替代品，更为工程师、设计师、技术员和建筑师带来全新可能性层级。

CAD相对于手工绘图有何优势？

CAD相对于手工绘图提供诸多优势，使其成为当今设计市场必不可少工具。这些优势在多方面帮助当代工程师或产品设计师。

1. 生产力

CAD程序通过添加各种工具和功能持续进化，提升设计过程生产力。这些工具有助于缩短产品开发时间，进而降低生产成本，减少错误空间，提高产品质量。

手工绘图若需修改，草图须丢弃重头开始。数字图纸可使用CAD设计程序轻松编辑，无需从头重绘即可制作无限修改变体。单一模型不同部分可由不同设计师分别绘制并在CAD中装配。

几乎所有CAD系统都有一套标准组件（如螺栓、螺丝、螺母等紧固件），设计师可选取合适尺寸装配。二维图纸、剖视图、详图和辅助视图可按首选标准规范从三维模型生成。

2. 精度

手工绘图在创建精确技术图纸方面无法与CAD绘图竞争。CAD程序拥有按设计绘图惯例和标准开发的功能和工具，帮助设计师降低错误率。手工绘图极难实现的复杂设计特征在CAD中容易得多。

3. 可读性

手工绘图有时可能不清晰，CAD绘图则不会。即使模型高度复杂，包含大量零件和特征，CAD程序有隐藏和显示工具，可暂时消除不重要部分，聚焦特定细节，这在纸笔绘图中不可能完全实现。

此外，CAD设计中三维等轴测视图和剖视图的可用性增强可见性和理解，因它们使旋转和切片成为可能，这在手工设计中又是极耗时工作。

4. 展示性

用虚拟模型展示设计易于影响客户和同事，无需制造原型即可模拟运动、通过剖面显示内部零件、从不同角度展示。甚至可用渲染三维模型（不同零件不同颜色）轻松向无工程背景的外行传达设计功能和美学。

5. 后续操作

除创建图纸外，CAD软件还具备用数学方程进行工程计算和分析能力。例如，产品设计师通常可在CAD程序中单击一次计算模型几何属性（面积、体积、重心等）和质量属性（质量、密度）。

此外，许多CAD程序支持运动研究和仿真、参数化建模、结构、热、流体等有限元分析，帮助设计师在制造前分析和增强模型强度、功能及其他属性。

共享与协作

CAD绘图相对于手工绘图另一巨大优势是：一位设计师可创建模型并发送给另一位，即使他们身处世界两端。接收者可查看模型历史，准确了解其设计方式并编辑。这在手工绘图中极难实现。

大多数CAD系统通过采用云共享和自动数据管理工具持续简化远程协作，使工程师能从任何地方、任何设备实时同时编辑同一设计。

6. 文档记录

建模后，零件、组件和子组件的线性和角度尺寸测量、物料清单（BOM）被数字化记录保存，供未来参考使用。传统手工绘图中，草图纸需归档，易损坏和劣化。

CAD的行业应用

如今，商业CAD软件包是工厂、设计办公室和学术界必备设计工具，因其节省时间，确保良好协作和与CAM等其他计算机辅助生产系统无缝集成。

许多行业，包括工厂、建筑、产品设计办公室等，利用CAD优化设计工作流和最终产品交付。CAD增强企业内部及跨行业协作和并行工程工作。

CAD与CAM（计算机辅助制造）

除了按想象创建模型外，CAD还与数字化制造结合，在称为CAD/CAM的过程中使用。结合CAM时，CAD协助生产产品的全阶段，包括工艺和生产规划、排程、生产管理和质量控制。

在CAD/CAM中，设计和生产过程融合，因CAD软件电子输出文件用于零件生产过程。这允许在工作流任何部分进行更改，缩短从原材料到成品的时间。

CAD软件使结构、热、振动、运动稳态和瞬态仿真成为可能，以调查和诊断问题。这通过迭代设计参数并查看改进，帮助进行微小更改。

CAD在快速原型与制造中的应用

在快速原型中，设计师可首次将想象和创新想法变为物理现实，无需多次迭代。这为与同事、客户甚至最终用户以视觉和动手体验沟通想法、获取反馈和设计概念验证提供绝佳机会。

快速原型最小化时间和浪费，促进创意设计过程，特别是提供定制和复杂产品的公司。几乎所有快速原型方法依赖计算机辅助设计创建原型，故可说CAD是快速原型核心。让我们简要了解CAD如何自动化加工和增材制造快速原型技术。

1. CAD与CNC加工

CNC原型包含精密多轴铣削、车削、EDM、线切割EDM和磨削，是减材过程，通过移除大量材料制造原型。难以用其他原型方法成型的广泛工程材料可用CNC加工。大多数CNC机床使用G代码，指示切削刀具方向、切削速度、进给率和切削深度。G代码可从CAD文件的DXF格式获得。

2. CAD与3D打印

CAD软件为用户提供从头创建三维模型所需工具。此模型随后可处理、切片并发送至3D打印机打印。创建三维模型是制作物体或概念物理真实复制品的第一步。

使用CAD软件，您可将模型导出为与切片软件兼容的文件格式。切片软件将模型转换为3D打印机可解释的G代码指令。打印机获得这些指令后，可创建原始数字模型的物理复制品。

3. CAD与真空铸造

真空铸造使用硅胶模具在真空下制造高质量塑料和橡胶组件。用于制模的母模由三维CAD模型制作，并用一种原型技术制造。

结论

在快速原型中使用CAD也有诸多优势。CAD软件持续进化并变得更易用，使经验较少者也能创建复杂模型。此外，CAD创建的原型易于修改和测试，实现更高效设计过程。

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常见问题

哪些软件用于CAD？

流行CAD软件有AutoCAD、CATIA、Fusion 360、Inventor、SolidWorks、Onshape和Solid Edge。

三维CAD绘图相对于二维有何优势？

三维模型对无工程制图知识的人可视化更好。设计师查看时满足感更强。当然，我们可从三维模型生成二维视图。

CAD的局限性是什么？

设计师有时脑海中有奇思妙想，可在CAD建模但物理实现成本高昂。CAD用户需培训使用各商业CAD程序。