計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)是伴隨計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一門新技術(shù)，是當(dāng)今活力最強(qiáng)、滲透最廣、影響最深的新技術(shù)之一?，F(xiàn)代CAD技術(shù)已幾乎應(yīng)用到所有技術(shù)領(lǐng)域中，全面改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作方式，提供了高效、可靠、全新的設(shè)計(jì)手段和方法，甚至對(duì)設(shè)計(jì)思維、分析方式產(chǎn)生了深刻的影響。和許多技術(shù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域一樣，CAD技術(shù)已成為現(xiàn)代包裝設(shè)計(jì)中通行和基本的工具、手段和方法，全面改變了包裝設(shè)計(jì)各個(gè)方面的狀況和面貌，成為包裝設(shè)計(jì)人員必須掌握的技術(shù)之一。
本章主要介紹CAD的含義、CAD技術(shù)的發(fā)展歷史和發(fā)展趨勢(shì)、CAD技術(shù)在包裝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用、包裝工程CAD技術(shù)以及常用包裝設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用情況。
一、CAD的含義與發(fā)展歷史
(一)CAD的含義
CAD(Computer Aided Design)是近20多年來(lái)伴隨計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)發(fā)展而逐漸發(fā)展、成熟起來(lái)的一種新技術(shù)、新學(xué)科。今天，CAD技術(shù)的應(yīng)用已由其初期幫助設(shè)計(jì)人員甩開(kāi)圖板、計(jì)算尺提高設(shè)計(jì)效率的工具發(fā)展到集設(shè)計(jì)，計(jì)算、分析、模擬、數(shù)據(jù)管理等功能的高質(zhì)、高效一體化技術(shù)，甚至一直延伸到試驗(yàn)、制造、工程管理等方面，全面、徹底地改變了所涉及設(shè)計(jì)領(lǐng)域的工作狀況和方式，成為現(xiàn)代基本和必需的設(shè)計(jì)手段、方法和工作方式。鑒于此，許多學(xué)者認(rèn)為，引進(jìn)了電子技術(shù)是工業(yè)的一次革命，工業(yè)的另一次革命則是引入了CAD/CAM(ComputerAided Manufacturing)技術(shù)。
顧名思義，CAD是計(jì)算機(jī)幫助進(jìn)行設(shè)計(jì)的意思。有人把設(shè)計(jì)中使用計(jì)算機(jī)認(rèn)為是CAD；有人把用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算分析看成是CAD；有人把CAD理解為計(jì)算機(jī)輔助制圖，這樣CAD中的“D”實(shí)際上不是“Design”，而變成“Drafting”或“Drawing”了，他們把CAD看成是利用人機(jī)對(duì)話圖形處理系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)繪圖；也有人把CAD理解為在設(shè)計(jì)中用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算加繪圖等。總之，對(duì)CAD存在不同的理解。從近幾年CAD的發(fā)展來(lái)看，以上看法是不全面的，未能揭示正在發(fā)展的CAD的本質(zhì)。
1972年10月，IFIP（國(guó)際信息處理聯(lián)合會(huì)）的第五技術(shù)群眾會(huì)給CAD下了一個(gè)定義，即：CAD是一種技術(shù)，其中人與機(jī)器結(jié)合為一個(gè)問(wèn)題的求解組合，緊密配合，各自所長(zhǎng)，從而使其工作優(yōu)于每一方，并為應(yīng)用多學(xué)科的方法的綜合性協(xié)作提供了可能。該定義突出了“人機(jī)配合，取長(zhǎng)補(bǔ)短”這一基本性質(zhì)。
下面從3個(gè)方面來(lái)說(shuō)明這一性質(zhì)。
1．發(fā)揮人機(jī)各自所長(zhǎng)
CAD是人機(jī)組合，把各自的特點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮各自的特長(zhǎng)，各盡其能。
人具有創(chuàng)造性思維能力，能學(xué)習(xí)和總結(jié)，掌握經(jīng)驗(yàn)，具有邏輯分析、推理和判斷能力。
計(jì)算機(jī)具有大容量的信息存儲(chǔ)能力、高速的信息交換功能，能記住大量的設(shè)計(jì)資料和數(shù)據(jù)，快速存入或取出數(shù)據(jù)、檢索數(shù)據(jù)。具有快速和高精度的計(jì)算和數(shù)值分析能力。還具有很強(qiáng)的圖形和文字處理能力，長(zhǎng)時(shí)間地承受各科平凡重復(fù)的工作。
CAD就是將人的創(chuàng)造性、決策作用、組織能力和計(jì)算機(jī)強(qiáng)的信息處理能力結(jié)合起來(lái)，使設(shè)計(jì)發(fā)生了巨大變革。
人機(jī)結(jié)合是以人為主，以機(jī)為輔。在CAD中人起主導(dǎo)作用，而計(jì)算機(jī)只能完成人所規(guī)定和安排好的工作。在強(qiáng)調(diào)人的作用的同時(shí)，又應(yīng)充分發(fā)揮和利用計(jì)算機(jī)的能力。在設(shè)計(jì)工作中，凡能用計(jì)算機(jī)進(jìn)行的工作，都交付給計(jì)算機(jī)做，最大限度地減輕人的勞動(dòng)，使人從繁重的事務(wù)中解脫出來(lái)，更好地發(fā)揮其聰明才智，進(jìn)行創(chuàng)造性的工作。
2．人、機(jī)如何配合
人機(jī)配合應(yīng)具備下面兩個(gè)條件。
(1)具備一個(gè)有快速響應(yīng)能力的CAD系統(tǒng)。
(2)設(shè)計(jì)者與CAD系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。
CAD是人機(jī)結(jié)合一體化進(jìn)行設(shè)計(jì)，需人機(jī)對(duì)話、互相交換信息。設(shè)計(jì)過(guò)程不是簡(jiǎn)單的輸入程序、數(shù)據(jù)經(jīng)處理后輸出結(jié)果，而是在人機(jī)對(duì)話、互相問(wèn)答的形式中進(jìn)行的。設(shè)計(jì)者提出方案和設(shè)想，請(qǐng)計(jì)算機(jī)分析后給予回答；計(jì)算機(jī)問(wèn)設(shè)計(jì)者現(xiàn)在要進(jìn)行什么工作，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)者輸入計(jì)算機(jī)所需的參數(shù)；設(shè)計(jì)者具體的結(jié)果考慮，請(qǐng)計(jì)算機(jī)顯示出來(lái)，以便分析比較。設(shè)計(jì)過(guò)程是“試行”的過(guò)程，設(shè)計(jì)過(guò)程往往是算算看，參數(shù)選擇是否合適，性能是否符合要求等。
人機(jī)對(duì)話過(guò)程，實(shí)際上是由計(jì)算機(jī)進(jìn)行具體處理、人做出決斷的過(guò)程。
人機(jī)對(duì)話不僅通過(guò)文字符號(hào)，而且還通過(guò)圖形來(lái)完成。
3．人機(jī)結(jié)合、獲得最佳設(shè)計(jì)效果
通過(guò)以上討論，CAD可定義如下：CAD是設(shè)計(jì)者利用CAD系統(tǒng)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的過(guò)程?；咎攸c(diǎn)是“人機(jī)配合，取長(zhǎng)補(bǔ)短”，“即時(shí)觀測(cè)，即時(shí)修改”，“圖入圖出，隨用隨出”。
二、CAD技術(shù)的發(fā)展過(guò)程
計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)及其外圍輔助設(shè)備的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，其發(fā)展過(guò)程大致可以分為如下幾個(gè)階段。
1．準(zhǔn)備和醞釀時(shí)期(20世紀(jì)50-60年代)
1950年，美國(guó)麻省理工學(xué)院MIT研制出“旋風(fēng)一號(hào)”類似于一示波器的圖形設(shè)備，可顯示簡(jiǎn)單圖形。1958年，美國(guó)Calcomp公司研制出滾筒式繪圖儀；Gerber公司研制出平板繪圖儀。20世紀(jì)50年代，大多采用電子管計(jì)算機(jī)，用機(jī)器語(yǔ)言編程，計(jì)算機(jī)主要用于科學(xué)計(jì)算，為之配制的圖形設(shè)備僅具有輸出功能，CAD技術(shù)處于被動(dòng)式的圖形處理階段。
2．蓬勃發(fā)展和進(jìn)入應(yīng)用時(shí)期(20世紀(jì)60年代)
1962年，美國(guó)MIT林肯實(shí)驗(yàn)室的I．E.Sutherland發(fā)表了“Sketchpad人機(jī)通信的圖形系統(tǒng)”的博士論文，首次提出了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、交互技術(shù)、分層存儲(chǔ)符號(hào)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等新思想，從而為CAD技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用打下了理論基礎(chǔ)。20世紀(jì)60年代中期出現(xiàn)了許多商品化的CAD設(shè)備，如1964年美國(guó)IBM公司推出了商品化的計(jì)算機(jī)繪圖設(shè)備；美國(guó)通用汽車公司的多路分時(shí)圖形控制臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了各階段的汽車設(shè)計(jì)。20世紀(jì)60年代末，美國(guó)安裝的CAD工作站已達(dá)200多臺(tái)。
3．廣泛使用時(shí)期(20世紀(jì)70-80年代)
1970年，美國(guó)Applicon公司第一個(gè)推出了完整的CAD系統(tǒng)。在此期間出現(xiàn)了廉價(jià)的固體電路隨機(jī)存儲(chǔ)器，產(chǎn)學(xué)逼真圖形的光柵掃描顯示器、光筆、圖形輸入板等圖形輸入設(shè)備，出現(xiàn)了面向中小企業(yè)的CAD商品化系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代末，美國(guó)CAD工作站安裝數(shù)量超過(guò)12000臺(tái)，1983年發(fā)展到63000套。CAD技術(shù)從大中企業(yè)向小企業(yè)擴(kuò)展；從發(fā)達(dá)國(guó)家向發(fā)展中國(guó)家擴(kuò)展；從用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)展到用于工程設(shè)計(jì)。
4．標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、智能化的發(fā)展時(shí)期(20世紀(jì)80年代中期以后)
標(biāo)準(zhǔn)化主要是指圖形接口、圖形功能的標(biāo)準(zhǔn)化。從1977年由SIGCRAPH特別興趣小組GSPC推出CORE圖形標(biāo)準(zhǔn)以來(lái)，又先后出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)圖形接口CGI(Computer Craphics Interface)、計(jì)算機(jī)圖形文件標(biāo)準(zhǔn)CCM(ComputerGraphics Metafile)、計(jì)算機(jī)圖形核心系統(tǒng)GKS(Craphics Kernel System)、面向程序員的層次交互式圖形標(biāo)準(zhǔn)PHIGS(Programmer's Hierarchical InteractiveG raphics Standard)以及基本圖形轉(zhuǎn)換規(guī)范ICES(Initial Graphics Exchange Spec-ification)，圖形接口、圖形功能日趨標(biāo)準(zhǔn)化。上述標(biāo)準(zhǔn)有些是面向圖形設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序包，有些是面向用戶的圖形程序包，有些是面向不同的CAD系統(tǒng)的文檔規(guī)范。這些標(biāo)準(zhǔn)的制定和采用為CAD技術(shù)的推廣和移植，為資源信息共享起到了重要作用。
集成化主要體現(xiàn)在4個(gè)方面：第一，系統(tǒng)構(gòu)造由過(guò)去單一功能變成結(jié)合功能，出現(xiàn)了由CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))/CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）ICAE(計(jì)算機(jī)輔助工程)構(gòu)成的CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）。第二，CAD技術(shù)中的有關(guān)軟件（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）和算法不斷固化。即，用集成電路及其功能塊來(lái)實(shí)現(xiàn)有關(guān)軟件和算法的功能。第三，多處理機(jī)、并行處理技術(shù)用于CAD中，使工作速度成百倍的增加。第四，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在CAD中被普遍采用，使近程和遠(yuǎn)程的資源都能得到共享。
智能化即人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)技術(shù)在CAD中的應(yīng)用，它大大提高了自動(dòng)化設(shè)計(jì)的程度，出現(xiàn)了AICAD新學(xué)科。AICAD把工程數(shù)據(jù)庫(kù)及其管理系統(tǒng)、知識(shí)庫(kù)及其專家系統(tǒng)以及用戶接口管理系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，從而大大地增強(qiáng)了CAD系統(tǒng)的智能水平。
三、CAD系統(tǒng)的支撐軟件
CAD系統(tǒng)的支撐軟件是支持軟件研制、測(cè)試、維護(hù)的軟件工具及支持應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)、運(yùn)行的實(shí)用程序包。支撐軟件具有通用性，通常都已商品化，用戶開(kāi)發(fā)CAD應(yīng)用軟件，基本上都是在商品化的支撐軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行。
從CAD功能特性角度，其常用支撐軟件可分為以下幾類。
（一）圖形支撐軟件
在常規(guī)的設(shè)計(jì)工作中，60%以上的設(shè)計(jì)工作量是設(shè)計(jì)繪圖，而工程CAD最普及的應(yīng)用就是計(jì)算機(jī)輔助繪圖，所以圖形支撐軟件是CAD系統(tǒng)中最基本的支撐軟件包。目前，在微機(jī)上采用的典型產(chǎn)品是美國(guó)Autodesk公司的AutoCAD等。
（二）三維造型軟件
建立統(tǒng)一的產(chǎn)品模型、獲得統(tǒng)一的產(chǎn)品定義，是實(shí)現(xiàn)CAD一體化的基礎(chǔ)。通過(guò)三維立體造型軟件，可以建立產(chǎn)品完整的幾何描述及特性描述，并能隨時(shí)提取所需要的信息，支持CAD全過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)工作，比如為有限元分析或CAPP提供相關(guān)數(shù)據(jù)等，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成。
造型軟件一般都應(yīng)包括幾何建模、特征建模、物性計(jì)算（如質(zhì)量、重心計(jì)算）、真實(shí)感圖形顯示、干涉檢查、二維圖及二維剖面圖生成等功能。
（三）分析軟件及優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件
機(jī)械設(shè)計(jì)常用的分析軟件主要包括有限元分析軟件、機(jī)械運(yùn)動(dòng)分析軟件、動(dòng)力學(xué)分析軟件和優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件等。有限元分析軟件是CAD應(yīng)用系統(tǒng)中最重要的分析計(jì)算工具軟件，配以面向CAD產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)前處理和后處理接口，可構(gòu)成實(shí)用方便的專用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析軟件。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)存在多種可能的設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件可在運(yùn)用數(shù)學(xué)優(yōu)化理論和現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算技術(shù)尋找最優(yōu)解。在CAD應(yīng)用中，優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件常和分析軟件聯(lián)合使用。
（四）工程數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件及數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)接口軟件
工程數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件用于統(tǒng)一管理整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程和各類工程數(shù)據(jù)的管理，保證各個(gè)用戶協(xié)調(diào)一致地共享數(shù)據(jù)。目前，CAD工程數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)多數(shù)是在通用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（如Oracle，SQLServer）基礎(chǔ)上，根據(jù)工程特點(diǎn)，對(duì)其功能進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)充或修改以建立所謂的工程數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。另外，也有一些專門的工程數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)可供選用。先進(jìn)的集成CAD支撐軟件（如Pro/E，I-DEAS，UG等）一般都包含自己的數(shù)據(jù)管理模塊，并且?guī)в卸喾N數(shù)據(jù)接口，可直接與典型的商品化數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)連接。
數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)接口軟件用于不同系統(tǒng)輸入輸出數(shù)據(jù)格式變換。目前主要采用的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)有交互式圖形交換標(biāo)準(zhǔn)(Interface Graphic Exchange Stan-dard，IGES)、ISO已經(jīng)決定逐步采用內(nèi)容更加廣泛的產(chǎn)品建模數(shù)據(jù)的交換標(biāo)準(zhǔn)(Standard for Enchange of ProdUGt Modle Data,STEP)。
四、CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在CAD系統(tǒng)的高度網(wǎng)絡(luò)化、集成化和智能化。
（一）網(wǎng)絡(luò)化
把不同地理位置、不同機(jī)種、不同運(yùn)行環(huán)境的CAD系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)的形式連接起來(lái)，已成為現(xiàn)代CAD發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是現(xiàn)代CAD系統(tǒng)的基本構(gòu)成模式和特征。CAD系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，有利于設(shè)計(jì)資源的共享和管理，實(shí)現(xiàn)高效的協(xié)同化設(shè)計(jì)。
（二）智能化
專家系統(tǒng)ES(EXPERT System)與CAD相結(jié)合而形成的智能型CAD系統(tǒng)，是當(dāng)前CAD研究的一個(gè)熱點(diǎn)。工程設(shè)計(jì)本身就包含兩方面的內(nèi)容：一是大量涉及計(jì)算的數(shù)據(jù)處理內(nèi)容，這可以利用CAD技術(shù)來(lái)完成；二是邏輯推理、決策分析許多非數(shù)據(jù)處理的工作。于是ES與CAD相結(jié)合，軟件開(kāi)發(fā)者將專業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)直接嵌入CAD軟件產(chǎn)品中，引導(dǎo)用戶完成特定的任務(wù)，從而產(chǎn)生了“智能CAD”系統(tǒng)。
（三）集成化
CAD系統(tǒng)在機(jī)械、電子、建筑、輕工、包裝等方面的應(yīng)用正在向集成化發(fā)展。CAD工作站在制造業(yè)的應(yīng)用集中反映在CAD和CAM的集成上。在包裝工程領(lǐng)域，目前，較先進(jìn)的包裝盒(箱)CAD系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)紙盒（紙箱）設(shè)計(jì)、計(jì)算、力學(xué)分析、排料、紙盒（箱）模切及盒型庫(kù)管理等功能高度集成一體，不僅大大提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量、效率，也完成了設(shè)計(jì)與制造的完美溝通。
制造自動(dòng)化更高一級(jí)的集成是計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)發(fā)展。CIMS以工廠內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)和無(wú)人操作為表現(xiàn)形式，主要利用智能機(jī)器人、FMS（柔性制造系統(tǒng)）、局域網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、幾何仿真、CAD/CAM系統(tǒng)、工業(yè)控制裝置、工廠信息系統(tǒng)、專家系統(tǒng)等軟硬件技術(shù)，匯集了目前大部分的高技術(shù)。CIMS是高知識(shí)、高技術(shù)的密集，是系統(tǒng)工程、管理科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和制造技術(shù)的綜合，代表著制造業(yè)發(fā)展的方向和未來(lái)。
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