第2章 电脑帮人脑——计算机辅助设计与制造

计算机辅助设计与计算机辅助制造（英文名缩写为CAD 与CAM），顾名思义，是指利用计算机辅助设计人员与第一线工人进行设计与制造。传统设计需要人工设计图纸，制造样件，测取大量数据，工作量大的惊人。

一架大型飞机，单本体的设计图纸就有十几万张。为了减轻劳动强度，提高速度和精确度，人们利用计算机的功能，通过人机对话，输入设计数据，直接在屏幕上作图、修改、放缩、拼接，并可按需要输出所需的图纸，这就是计算机辅助设计。如飞机客舱座位布置图，只要输入座椅形状和排列要求的各种数据，马上可显出座舱布置图。还可能通过计算机把设计的数据直接输入数控机床，按要求加工出零部件，这就是计算机辅助制造技术。

由于计算机具备较强的数据处理和模拟功能，并且能够高速而准确的进行数值计算，因而在飞机、船舶、光学仪器、土木建筑等领域，日益发挥着举足轻重的作用。目前CAD 技术已从产品设计发展到工程设计，许多工程产品的投标项目一改往常接受手工绘图的习惯，而规定必须提交CAD 技术产生的设计施工图；一般采用CAD 技术后，可节省方案设计时间约90％、投标时间30％、重复制图作业费用90％。并且可对建筑模型、城市规划项目等进行栩栩如生的仿真，可以对大量不同的设计方案进行对比选择，还可以快速列出详细的工程造价清单；高性能的CAD 工作站，可以模拟机械零件的加工工艺，飞机的升降，船舶的进出港口，物体受力破坏等现象。一般来说，CAD 系统只能产生工程图纸及有关的技术说明，只有把CAD/CAM 技术二者合为一体，才能有效的提高生产力和加工精度。如超大规模集成电路掩膜版图的生成，由于现今电路的集成度愈来愈高，电路设计愈来愈复杂，线路版图的规模愈来愈大，制造工艺要求愈来愈精细，所以CAD/CAM 技术贯穿了设计与制造的各个阶段，已无法用人工替代，在这一领域现在非CAD/CAM 莫属。再如在电影界，该项技术则被广泛用来产生动画和电影中惊险的特技镜头，使其更加逼真刺激。各行各业很多项目均是采用了该项技术才达到了自动化或半自动化程度。

在产品的设计中采用计算机辅助设计，是现代生产必不可少的一种方法，且效果很是令人满意。例如，美国波音727型飞机由于采用计算机辅助设计，使得该飞机几乎同时与早2年开始设计的英国三叉戟飞机同在蓝天中翱翔，并获得了第二代亚音速喷气式大型客机代表的美名。到了20世纪90年代中期，波音777客机飞上了蓝天，波音777的成功显示了计算机辅助设计的威力。

波音777是世界上第一架全部由计算机设计的客机，是采用巨型计算机处理4×10112个比特（bit）的数据才完成设计的。比如说，要在立体范围模拟机翼的空气动力学扰流，计算机计算网目数为100万个，如果对整个飞机进行模拟，计算的“网目”数高达几千万个。而计算“网目”，需解高阶方程式，这要求巨型机进行数量特别大的计算。如果没有高速运算的巨型机，这样的计算工作量是不可想象的。

波音777能成功飞上蓝天与采用计算机辅助设计是有关系的。用计算机不仅可以设计主要构件、安装系统，进行数学模型计算，还可对复杂的部件进行预装配，检查驾驶员操作环境和机械师维修环境。用计算机辅助设计方法，不用生产样件，就可进行检查，可以防止设计中的失误。采用计算机辅助设计，可以提高装配协调精度，它可精确到小数点后6位数。波音777从机头到机尾长63米，误差只有0.6毫米。采用计算机辅助设计，有利于全球协作，有利于并行作业。波音777有13万种零件，分别由13个国家的60家工厂生产，如果不是计算机进行设计，协作工作就是很复杂的问题。第一架无纸化设计的飞机获得了成功。

现在该讲讲计算机辅助设计是怎么回事了。计算机辅助设计（CAD）是用计算机帮助设计人员进行设计的专门技术。设计产品的过程一般是：总体设计（提出方案，建立图形模型并显示出来，以及修改、增删、合成）；进行功能设计和详细计算（分析计算、作出评价、进行优化）；根据新的信息进行改进。计算机辅助设计系统包括数据库、方法库（程序库）和通信系统，其中有用户与计算机对话模块、数据输入输出模块、图形信息处理模块。

计算机很早以前就可以帮助人进行设计，也就是由计算机完成产品设计工作中的计算、分析、模拟、制图等工作。采用计算机辅助设计，除可以减轻人的劳动强度外，还可以缩短产品的设计周期，提高设计质量。

计算机辅助设计系统主要由计算机主机、输入装置（键盘、鼠标器、光笔、数字板、扫描仪等）、显示器、快速绘图机、数据库以及程序软件等组成。使用计算机辅助设计系统，方法是设计人员用输入装置把设计必要的数据、要求输入到计算机中，就可以在显示器上看见设计出的产品，它是立体的，很清晰。图样可以进行放大、缩小、平移、旋转，以便从各个角度观察所设计的产品，并按照设计人员的需要进行修改，直到满意为止。计算机能自动进行大量计算，并选出最好的设计，控制绘图机画出产品所有的总体图、部件图、零件图。

计算机辅助设计应用是十分广泛的，可以设计飞机、汽车、印刷电路板、电子产品……