計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design，簡稱為CAD）是指工程技術(shù)人員以計算機技術(shù)為基本工具，用各自的 專業(yè)知識，對產(chǎn)品進行總體設(shè)計、繪圖、分析和編寫技術(shù)文檔等設(shè)計活動的總稱。一般認為CAD的功能可歸納為四 大類：建立幾何模型、工程分析、動態(tài)模擬、自動繪圖等。因而，一個完整的CAD系統(tǒng)，應(yīng)由科學計算、圖形系統(tǒng) 和工程數(shù)據(jù)庫等組成。若加入人工智能和專家系統(tǒng)技術(shù)，可大大提高設(shè)計的自動化水平，可對產(chǎn)品進行總體方案設(shè) 計，實現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計的全過程提供支持。科學計算包括有限元分析、可靠性分析、動態(tài)分析、產(chǎn)品的常規(guī)設(shè)計和優(yōu) 化設(shè)計等；圖形系統(tǒng)包括幾何（特征）造型、自動繪圖（二維工程圖、三維實體圖）、動態(tài)仿真等；工程數(shù)據(jù)庫對 設(shè)計過程中需要使用和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、圖形、文檔等進行存貯和管理。

　　傳統(tǒng)意義上的CAD系統(tǒng)（軟件）技術(shù)已進入了成熟的發(fā)展時期，今后CAD技術(shù)的總體發(fā)展趨勢是不斷地向設(shè)計、產(chǎn) 品、開發(fā)和應(yīng)用的全過程拓展其內(nèi)涵，在更高的層次上、更廣泛的范圍內(nèi)，向智能化與一體化、集成化與并行工程 、通用化與標準化以及商品化與實用化等方向發(fā)展。

　　目前CAD軟件一般分為三維造型設(shè)計軟件和二維工程設(shè)計（或繪圖）軟件，它們的參數(shù)化設(shè)計方法也不同。三維造 型設(shè)計軟件用于產(chǎn)品的實體造型，其主要技術(shù)為參數(shù)化特征造型（構(gòu)造三維模型）技術(shù)，代表產(chǎn)品為Por/Engineer 、I－Deas、CADDS－5、GS－CAD2000等等。二維工程設(shè)計（繪圖）軟件用于產(chǎn)品的工程圖（二維平面）設(shè)計， 其主要技術(shù)為構(gòu)造幾何約束以實現(xiàn)尺寸驅(qū)動的參數(shù)化設(shè)計和繪圖，代表產(chǎn)品為Sigraph－desghn、AutoCAD Designer、GS－ZDDS等等。

　　在二維CAD系統(tǒng)中，系統(tǒng)參數(shù)化技術(shù)分為參數(shù)化設(shè)計（Parameric Design）和參數(shù)化繪圖（Parameric Drawing ）兩種。該兩種技術(shù)所代表的設(shè)計思路不同，即參數(shù)化設(shè)計以設(shè)定驅(qū)動參數(shù)和尺寸驅(qū)動為主要技術(shù)原理，而參數(shù)化 繪圖則以計算機高級語言編程使具體圖形實現(xiàn)參數(shù)化為主要技術(shù)原理。

　　一、參數(shù)化設(shè)計概述

　　參數(shù)化設(shè)計的主體思想是用幾何約束、工程方程與關(guān)系來說明產(chǎn)品模型的形狀特征，從而達到設(shè)計一簇在形狀或功 能上具有相似性的設(shè)計方案。目前，能處理的幾何約束類型基本上是組成產(chǎn)品形體的幾何實體公稱尺寸關(guān)系和尺寸 之間的工程關(guān)系，因此，參數(shù)化造型技術(shù)又稱初次驅(qū)動幾何技術(shù)。參數(shù)化實體造型中的關(guān)鍵是幾何約束關(guān)系的提取 和表達、幾何約束的求解以及參數(shù)化幾何模型的構(gòu)造。目前二維參數(shù)化技術(shù)已發(fā)展得較為成熟，在參數(shù)化設(shè)計與繪 圖方面已得到了廣泛應(yīng)用。

　　⒈何謂參數(shù)化設(shè)計

　　參數(shù)化設(shè)計（Parameric Design）也稱變量化設(shè)計（Variational Design）是美國麻省理工學院Gossard教授提出 的，它是CAD領(lǐng)域里的一大研究熱點。近十幾年來，國內(nèi)外從事CAD研究的專家學者之所對其投入極大的精力和熱 情進行研究，是因為參數(shù)化設(shè)計在工程實際中有廣泛的應(yīng)用價值。

　　在有關(guān)CAD的科技書刊或論文中經(jīng)常出現(xiàn)下列術(shù)語：參數(shù)化設(shè)計、草圖設(shè)計、參數(shù)化繪圖、圖形參數(shù)化等。何謂參 數(shù)化設(shè)計？為了回答這個問題，首先要搞清參數(shù)化設(shè)計的目的。軟件設(shè)計者無論采用何種方法，基于何種環(huán)境開發(fā) 參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，其目的都是通過圖形驅(qū)動（或尺寸驅(qū)動）方式在設(shè)計繪圖狀態(tài)下修改圖形。參數(shù)化設(shè)計通常是指 軟件設(shè)計者為繪圖及修改圖形提供一個軟件環(huán)境，工程技術(shù)人員在這個環(huán)境下所繪制的任意圖形均可以被參數(shù)化， 修改圖中的任一尺寸，均可實現(xiàn)尺寸驅(qū)動，引起相關(guān)圖形的改變。

　　草圖設(shè)計是近十年出現(xiàn)的新提法，具有草圖設(shè)計功能的系統(tǒng)，允許用戶在設(shè)計繪圖中首先進行草圖設(shè)計，即不必關(guān) 心線段連續(xù)是否準確，線段是否水平或垂直，在草圖上標出重要的尺寸，系統(tǒng)會自動使線段連接準確及位置準確， 從而實現(xiàn)尺寸驅(qū)動。草圖設(shè)計與參數(shù)化設(shè)計的目的是相同的，盡管草圖設(shè)計的設(shè)計階段有一定的靈活性，但有些 CAD系統(tǒng)已具備正交功能和目標捕捉功能，因此，草圖設(shè)計實質(zhì)上也可以統(tǒng)一到參數(shù)化設(shè)計上來。#p#分頁標題#e#

　　⒉參數(shù)化設(shè)計的實現(xiàn)方法

　　近十幾年來，國內(nèi)外學者對參數(shù)化設(shè)計，從方法上做了大量的研究和嘗試，取得了重大成果，目前參數(shù)化設(shè)計方法 主要有以下幾種：

　　⑴.基于幾何約束的數(shù)學方式

　　利用尺寸約束建立方程組，將幾何約束轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗幸蕴卣鼽c為變元的非線性方程組，對于給定的約束，通過數(shù)值 方法解非線性方程組，一次解出所有特征點的坐標值，確定出幾何細節(jié)。采用該方法必須輸入充分且一致的尺寸約 束，才能求解約束方程組。

　　⑵.基于幾何推理的人工智能方法

　　人工智能的發(fā)展，促進了參數(shù)化設(shè)計方法的發(fā)展，產(chǎn)生了幾何推理法。這種方法又有兩個方面：一是建立在專家系 統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用謂語表示幾何約束，通過推理機制導出幾何細節(jié)。這種方法可檢驗幾何約束模型的合理性并能處 理局部修改，但系統(tǒng)龐大，對遞歸約束無法處理。二是擴展現(xiàn)有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使其包含拓撲信息，并通過程序?qū)崿F(xiàn) 從幾何約束到幾何細節(jié)的推理。

　　⑶.基于特征的實體造型方法

　　特征是作為捕捉設(shè)計者意圖的方式而提出的，以取代用直線、圓弧、圓等基本幾何元素構(gòu)圖的方式。特征實體具有 一定的智慧，它們不但具有明確的工藝特征結(jié)構(gòu)，而且能始終記憶自己的功能屬性和與其它相關(guān)實體的適應(yīng)關(guān)系。 修改某一特征實體，會自動引起整個設(shè)計模型的相關(guān)變化，其中包括實體本身的物理量（如質(zhì)心和慣性矩等數(shù)據(jù)） 的變化。例如，孔特征會始終記憶自己當前的形狀、位置和負體積特征，機械設(shè)計師能利用自己熟悉的工藝特征（ 如孔、倒角、倒圓等），而非純幾何意義上的體素來組織設(shè)計意圖，使設(shè)計變得容易。

　　⑷.基于關(guān)系的建模方法

　　以關(guān)系型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造參數(shù)化模型是德國西門子公司首先提出來的。在系統(tǒng)內(nèi)，關(guān)系可建立在所在系統(tǒng)能識別的對 象之間，也可在任意大的模型中建立任意復雜的關(guān)系模型，這種關(guān)系的建立過程是以符合設(shè)計師設(shè)計習慣的、非常 簡便自然的方式進行的。關(guān)系模型的建立能方便地進行修改以適應(yīng)不同用戶的特殊要求，從而大大提高設(shè)計速度。 ⑸.基于作圖輔助線法

　　工程設(shè)計人員在設(shè)計繪圖時，往往先畫一些基準線，稱為輔助線，由輔助線出發(fā)一步步繪圖，先勾畫總體輪廓，然 后再作細化處理完成圖紙的繪制。系統(tǒng)把幾何約束及矢量圖等方法，交互地建立工程圖紙的參數(shù)化模型上，實現(xiàn)對 任意尺寸的參數(shù)化設(shè)計。

　　二、參數(shù)化繪圖概述

　　帶有參數(shù)化設(shè)計功能的CAD系統(tǒng)固然在設(shè)計繪圖上有某些顯著特點，如不需要編程就可實現(xiàn)圖形的參數(shù)化，修改圖 形及其方便，工作量小，且可由草圖生成正式圖。然而，當零件結(jié)構(gòu)非常復雜及形狀極不規(guī)則時，參數(shù)化設(shè)計就顯 得力不從心。為了區(qū)別于參數(shù)化設(shè)計，把應(yīng)用高級語言編程使具體圖形實現(xiàn)參數(shù)化稱為參數(shù)化繪圖（Parameric Drawing），在參數(shù)化繪圖中，圖中的部分尺寸（或全部尺寸）被事項定義為參數(shù)尺寸，當交互輸入?yún)?shù)值后，即 可畫出圖形。

　　參數(shù)化繪圖是通過編程實現(xiàn)具體圖形參數(shù)化的，因此要求設(shè)計者具備編程能力，存在工作量大，修改圖形不方便等 問題。但它應(yīng)用靈活，適應(yīng)面廣。對某些應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)解決不了的問題，通常可采用參數(shù)化繪圖的方法加以 解決，例如在開發(fā)某些機器的CAD系統(tǒng)時，要求設(shè)計、計算、查表、繪圖一體化時，顯然適合采用參數(shù)化繪圖的方 法加以解決。

　　通過編程實現(xiàn)參數(shù)化繪圖，其程序設(shè)計的總體思路是：將設(shè)計計算的關(guān)系式融入程序中，在程序的控制下，執(zhí)行計 算及交互輸入主要參數(shù)，程序應(yīng)能對參數(shù)輸入進行有效性檢驗，根據(jù)用戶的交互輸入完成視圖的繪制。

　　三、典型的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)

　　七十年代末，美國麻省理工學院Gossard教授提出了他的參數(shù)化設(shè)計思想，但他的倡導在當時CAD領(lǐng)域并未引起重視 ，直到1987年底美國PTC公司（Parametric Technology Corporation）推出了以參數(shù)化、特征設(shè)計為基礎(chǔ)的新一 代實體造型軟件Pro/Engineer后，CAD領(lǐng)域才真正認識到參數(shù)化設(shè)計的巨大威力。而德國西門子公司提出把初次設(shè) 計從生產(chǎn)過程中分離出去，通過標準化、系列化來減少產(chǎn)品零件數(shù)量的“合理化工程”思想，使具有參數(shù)化設(shè)計功能 的CAD系統(tǒng)，進一步把初次設(shè)計從生產(chǎn)過程中分離出來，有效地縮短設(shè)計周期，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。#p#分頁標題#e#
現(xiàn)在許多著名的CAD系統(tǒng)（如UG－II、I－DEAS，Applicon，CV，Euclid等）均已增加了參數(shù)化設(shè)計功能。應(yīng)用 于PC機上典型的參數(shù)化系統(tǒng)是AutoCAD Designer、Sigraph－desghn和GS－ZDDS等。

　　⒈AutoCAD Designer

　　美國Autodesk公司的AutoCAD Designer二維參數(shù)化設(shè)計軟件是基于特征的參數(shù)化設(shè)計軟件，它運行于AutoCAD平 臺之中，采用與其一致的交互界面，以便于用戶學習和掌握。它使機械設(shè)計師能草繪出具有完整尺寸約束的二維圖 形。在勾畫二維草圖時，設(shè)計者不必拘于精確的尺寸數(shù)值，以便能先著力于零部件的功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計，而后可利用 尺寸約束的機制來規(guī)范草圖。但由于AutoCAD平臺的核心技術(shù)并不具有參數(shù)化設(shè)計技術(shù)，導致AutoCAD Designer 二維參數(shù)化設(shè)計軟件在應(yīng)用上存在著種種影響繪圖速度的因素，同時，建立參數(shù)化標準零件庫方面需要使用者熟練 掌握有關(guān)AutoCAD基礎(chǔ)軟件的編程語言和技巧，妨礙該軟件的普及。

　　AutoCAD Designer會按照設(shè)計者的需要由三維特征實體自動生成各向二維視圖及全部尺寸標注，在任一視圖中修 改尺寸，均會自動更新特征實體的形狀及物理屬性，而對特征實體的修改也會自動傳給各向視圖及其尺寸標注。 AutoCAD Designer的最新版本提供了更為強勁的設(shè)計功能，如具有尺寸約束的裝配特征造型、干涉檢查、明細表 生成、裝配模型關(guān)聯(lián)變化、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和零部件關(guān)系的全面管理等。這些先進的參數(shù)化特征實體結(jié)構(gòu)及其簡明的生成 和修改方法，使AutoCAD Designer成為PC平臺上用于工程設(shè)計方面最富競爭力的CAD軟件。

　　⒉Sigraph－desghn

　　Sigraph－desghn二維參數(shù)化設(shè)計軟件是德國西門子（Siemens）公司推出的基于智能關(guān)系型的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)。 該系統(tǒng)核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是關(guān)系型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，關(guān)系可在系統(tǒng)能識別所有對象之間建立，如圖素之間的聯(lián)系，視圖之間的 對應(yīng)關(guān)系，設(shè)計公式與設(shè)計表達式的相互對應(yīng)關(guān)系，裝配圖與零件圖之間的對應(yīng)關(guān)系，零件間的運動聯(lián)系。為表達 這些關(guān)系，Sigraph－desghn提供了設(shè)計師非常熟悉的幾何聯(lián)系變量與分式、表格等工具，通過綜合應(yīng)用這些工具 ，設(shè)計所需的知識與約束可在計算機內(nèi)獲得充分的表達和處理。

　　Sigraph－desghn是專門的機械設(shè)計CAD系統(tǒng)，為用戶提供了建立常用件和標準件參數(shù)化圖庫功能，支持從概念設(shè) 計到結(jié)構(gòu)設(shè)計，從部件設(shè)計到零件設(shè)計。它還包含以下功能：圖形與尺寸的雙向驅(qū)動、可參數(shù)化的用戶元素、分級 式層功能、可見性優(yōu)先級控制和面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)化圖標界面等。Sigraph－desghn充分體現(xiàn)了“合理化工程”的思想 。

　　⒊GS－iCAD

　　GS－iCAD參數(shù)化二維繪圖系統(tǒng)是浙大大天信息有限公司推出的基于作圖輔助線方法并結(jié)合幾何 約束、實體造型、關(guān)系型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及人工智能等部分理論的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，它運行在Windows 9x／NT基礎(chǔ)平 臺上，采用圖標化、指令全漢化和在線幫助，使設(shè)計命令結(jié)構(gòu)簡單、智能化程度高、操作自然流暢、界面友好、整 體結(jié)構(gòu)美觀大方，便于用戶學習、掌握與操作。設(shè)計者在設(shè)計（勾畫）二維工程草圖時，可不拘于圖形的尺寸精確 性，利用系統(tǒng)的導航功能，快速、準確地進行產(chǎn)品零部件的功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后以尺寸約束的原理來對草圖規(guī)范 草圖，形成全參數(shù)化二維工程設(shè)計圖和不同的設(shè)計方案。是企業(yè)實現(xiàn)或體現(xiàn)“合理化工程”思想的主要工具之一。

　　GS－iCAD是一套專業(yè)機械設(shè)計CAD系統(tǒng)，它向用戶提供了參數(shù)化標準件圖庫和各種符號庫，并向用戶開放建庫功 能，支持從產(chǎn)品概念設(shè)計到具體結(jié)構(gòu)設(shè)計，從部件設(shè)計到零件設(shè)計。