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第第 11 章 绪论章 绪论第第 11 章 绪论章 绪论

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课程要求

•考试形式：平时作业、测验占 10% ； 上机实验占 20% ； 笔试占 70% 。

•教材及主要参考书

1 、程凯、李任江、李静等编，《计算机辅助设计技术基础》2 、崔鸿斌、方忆湘等编，《计算机辅助设计基础及应用》 北京：清华大学出版社3 、王炽鸿、欧宗瑛编，《计算机辅助设计》 . 北京：机械工业出版社

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主要内容• CAD 技术的基本概念；•CAD 技术的发展史；•CAD 技术的应用；•CAD 系统的软件；•CAD 系统的硬件；•CAD 系统的基本类型；•CAD 系统的选型原则。

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引言机械设计定义• 机械设计就是根据使用要求确定产品应该具

备的功能，构想出产品的工作原理、结构形状、运动方式、力和能量的传递、以及所用材料等事项，并转化为具体的描述，例如图纸和设计文件等，以此作为制造的依据。

• 机械设计是产品从需求分析、设计、制造、销售、使用和回收整个产品全生命周期中的一个重要环节，对产品成本的影响占 80 ％。

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机械设计主要过程 市场需求调查 提出开发计划 设计任务书

功能分析寻求解决方案拟订总体布局

机械运动方案设计

原理方案图

主要尺寸及参数设计

总体结构设计装配图

零部件结构设计

零件图 技术文档

产品规划阶段( 需求分析 )

方案设计阶段（概念设计）

技术设计阶段（详细设计）

调查研究、分析用户需求、收集资料，在此基础上确定产品功能，提出需求 报告

构思方案，分析和论证，获得的原理性方案，确定设计大的框架，主要设计参数分析计算与优化

确定对象的细部结构，完成装配图和零件图的绘制，编写技术文件

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传统设计工具： 绘图板， 计算器（尺） 产生设计蓝图

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机械 CAD 过程辅助工具、组件

应用

数据库

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CAD 设计工具各种 CAx 软件工具： CAD （ 2D 、 3D ） CAE 、 CAPP 、 CAM 等

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对比分析传统机械设计过程：• 每一环节靠手工完成• 设计方案靠经验，方案少，

不优化• 不能进行复杂的力学分析 ，

难以按动态的、精确的的方法计算，容易出错

• 大部分时间在零件图、装配图上，可重用性差

• 设计周期长、效率低

CAD 作业过程：• 设计工具软件化（ CA

x ）• 强有力的计算、图形、

数据处理能力• 设计、分析综合，性能

选优 • 提高了设计精度和可靠

性• 信息共享、资源共享、

设计过程共享 • 设计效率高、周期短

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1.1 CAD 技术的发展及应用 1.1.1 CAD 的内涵、功能和任务 1 、 CAD 定义： Computer Aided Design( 计算机辅助设计 ) 的简称。计算机辅助设计是将人和计算机的最佳特性结合起来，辅助进行产品的设计与分析的一种技术，是综合了计算机与工程设计方法的最新发展而形成的一门新兴学科。 可以定义为：工程技术人员以计算机为工具，用各自的专业知识，对产品进行几何造型、分析计算、绘图和编写技术文件等设计活动的总称。

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图 1-1 CAD 系统的功能

2 、 CAD 的功能：工程设计的过程包括设计需求分析、概念设计、设计建模、设计分析、设计评价和设计表示， CAD 的功能就是在工程设计的过程中起相应的作用，如图 1-1所示。

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3 、 CAD 技术是一门多学科的综合性应用新技术，它涉及到以下基础技术：

图形处理技术 工程分析技术 数据管理与数据交换技术 文档处理技术 软件设计技术

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1.1.2 CAD 技术的发展历程

提出： 1959年美国麻省理工学院（MIT）召开 的 CAD 规划会议。实施： 1963年MIT小组在美国计算机联合会年 会上发表了 CAD 方面的五篇论文给工程技 术界以很大的震动 , 也由此 CAD 技术得以 出现 ,并进入了实施阶段。

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CAD 技术自产生以来发展比较迅速，大致经历了以下四个主要发展时期： 1.1 、孕育形成阶段（ 20世纪 40年代—50年代末）

特点： 真空管计算机； 机器语言； 编制程序设计变压器、电动机、 发电机等； 美国、欧洲、日本；

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1.2 、成长发展阶段（ 20世纪 50年代末—60年代）

特点 : • 晶体管式计算机取代真空管式计算机• 高级语言 (FORTRAN,ALGOL,COBOL）• 文件系统 (数据管理 )（ 60年代初）• 磁带、磁鼓、磁盘 （数据存储)• CRT+光笔的图形显示系统• 交互式图形生成技术 (人机交互， 1953 ）

– I.E.Sutherland– “人机图形通信系统”– SKETCHPAD

• 发展很快，但规模大，价格昂贵• 存储管式显示器。

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3 、开发拓展阶段（ 20世纪 70年代—80年代）特点：计算机已进入大规模集成电路时代； 数据处理技术已从文件系统发展到数据库系统， 系统具有统一的数据结构和内部数据库； 几何造型技术已经成熟； 有较好的集成，实现了 CAD/CAE/CAM的集成； 出现特征建模及二、三维参数化设计系统。

4、应用普及阶段（ 20世纪 90年代以后）特点：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，并向集线框、表面、实体 造型统一表示的非流形形体造型发展； 由单机或局部分布式联网工作方式向基于网 络的设计发展。

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CAD 技术的发展

2D 绘图

3D 设计

工程分析

数字样机

集成平台CUSTOMER

TOOLS

CAETOOLS

COSTMODELING

PRODUCI-BILITY

KBE

DESIGNDRIVERS

LIBRARY

DRM

B2B

WEBSERVER

WORKFLOW

3rd PartyCommercial

DRM CADTOOLS

DATAEXCHANGE

ADDITIONALCOMPONENTS..

ADDITIONALEXTENSIONS..

3rd PartyCommercial

PDM3rd Party

CommercialDatabases

CUSTOMERTOOLS

CAETOOLS

COSTMODELING

PRODUCI-BILITY

KBE

DESIGNDRIVERS

LIBRARY

DRM

B2B

WEBSERVER

WORKFLOW

3rd PartyCommercial

DRM CADTOOLS

DATAEXCHANGE

ADDITIONALCOMPONENTS..

ADDITIONALEXTENSIONS..

3rd PartyCommercial

PDM3rd Party

CommercialDatabases

CUSTOMERTOOLS

CAETOOLS

COSTMODELING

PRODUCI-BILITY

KBE

DESIGNDRIVERS

LIBRARY

DRM

B2B

WEBSERVER

WORKFLOW

3rd PartyCommercial

DRM CADTOOLS

DATAEXCHANGE

ADDITIONALCOMPONENTS..

ADDITIONALEXTENSIONS..

3rd PartyCommercial

PDM3rd Party

CommercialDatabases

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目前国际知名 CAD 软件公司

两大阵营 ： CATIA 为代表（整体方案） UG 为代表（整体方案）其它： Pro/E 为表（整体方案） AutoCAD 为代表

高档： CATIA 、 UG中档： Pro/E低档： Solidworks 、 Solidedges 、 Invento

r二维： AutoCAD

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CAD 在我国的发展

•清华、华科大、浙大、北航等– 华中科技大学：天喻 InteCAD 、 InteSoli

d ， KMCAD 等 – 清华： TiOpenCAD ， TiGEMS 等– 北航海尔： CAXA ，金银花等– 浙大大天： ZDDS– 新洲软件： Solid 2000技术、市场份额与国外差距很大

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1.1.3 CAD 技术的应用 CAD 技术在机械工业中的主要应用有以下几个方面： (1) 二维绘图。 (2) 图形及符号库。 (3) 参数化设计。 (4) 三维造型。 (5) 工程分析。 (6) 生成设计文档及报表。

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1.2 CAD 系统的软件 系统软件 CAD 系统的软件可分为三个层次 支撑软件 应用软件

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1.2.1 系统软件 系统软件指操作系统和系统实用程序等，它用于计算机的管理、控制和维护。 1．操作系统。如Windows 2000/xp/NT、UNIX（工作站，微机）等。 2．计算机语言及编译系统。如Basic、 Fortran、 Pascal、 C/C++等，这些高级语言均有相应的编译系统。 3．系统实用程序。

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1.2.2支撑软件 1 、图形处理软件。负责 CAD 的绘图，如 AutoCAD。 2 、几何建模软件。 Pro/E 等。 3 、数据库管理系统。如 FoxBASE ， FoxPRO ，工程 数据库等。

计算方法库：如解线性方程组 优化方法软件 4 、工程分析及计算软件 有限元分析软件：如 ANSYS 等 机构分析及机构综合的软件 系统动态分析软件 5 、文档制作软件。如WPS ， WORD 等。

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1.2.3 应用软件

应用软件是用户为解决各类实际问题，在系统软件的支持下而设计、开发的程序，或利用支撑软件进行二次开发形成的程序，如模具设计软件、电器设计软件等。应用软件的功能和质量直接影响 CAD 系统的功能和质量。

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1.3 CAD/CAM系统的硬件CAD 系统的硬件组成 实际上也就是 CAD 系统的计算机硬

件配置问题，但 CAD 系统的硬件配置与通用计算机系统有所不同，主要区别是 CAD 系统的硬件配置中要求有较强的人机交互设备以及图形输入、输出装置，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。

典型的 CAD 系统的硬件计算机主机、信息存储设备（主要指外存、如硬盘、软盘、光盘等）、图形输入设备（键盘、鼠标、扫描仪等）、图形输出设备（显示器、绘图仪、打印机等）及网络设备、多媒体设备等组成。

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下面我们分别介绍这几部分： 1 、计算机主机 计算机主机由中央处理器 (CPU)和内存储器 (简称为

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： CPU性能、字节长度、内存容量。（大中型、小型、工作站、微机）

2 、信息存储设备 信息存储设备主要指外存储器，外存储器简称为外存。

用来存放暂时不用或等待调用的程序、数据等信息。当使用这些数据时，由操作系统根据命令调入内存，接受cpu处理。

• 外存 优点：容量大。 缺点：存储速度慢。• 常见的外存储器有软盘、优盘、硬盘和光盘。

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3 、图形输入设备 在 CAD/CAM系统中，经常需要交互地输入和修改

产品设计方案和图形，对图形进行各种变换（缩放、平移、旋转）等操作，所以需要高效的图形输入设备。

• 鼠标：主要用来控制屏幕上光标的位置。• 键盘：输入各种参数、命令及字符串。• 数字化仪：专门用于二维绘图工作。是由一块尺寸为 A4~A0 的图版和一个类似于鼠标的游标器（定位器）组

成。 • 扫描仪：可以将图像扫描到计算机内存储。

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4、图形显示设备 图形显示设备（ CRT）是 CAD 系统中最重要的设备，它不仅能随时显示所设计的图形，而且还能让用户对这些图形进行增、删、改、移动等操作。因此，它不单纯是被动地显示图形，而是一种交互式的图形显示。

衡量显示器性能的主要指标是分辨率和显示速度，对于相同尺寸的屏幕，点数越多，距离越小，分辨率就越高，显示的图形越精细。常用光栅扫描式显示器。目前，液晶显示器和等离子显示器的应用越来越广泛，有逐渐取代它的优势。

分辨率 1280×1024 水平扫描线有 1280个点。垂直扫描线有 1024条。

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• 电子束在 CRT屏幕上从左到右做水平扫描，当达到线右终点时，电子束快速回到下一条的起始位置，逐行扫描，当达到屏幕右下角时，回到起始点，开始下一轮的扫描。

5、图形输出设备• 打印机：针式、喷墨、激光。• 绘图仪：笔式绘图仪（平板、滚筒）、喷墨绘图仪。• 快速成型机：使三维 CAD模型快速成型。

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1.4CAD 系统的组成1.4.1CAD 系统的分类 CAD/CAM系统的分类方法有很多，本节主要介绍两种分类方式。1.4.1.1 按计算机的配置分类1 、集中式主机型系统（集中式 CAD 系统，多用户分

时处理，多用户共享一台计算机） 这种配置适用于大型 CAD/CAM系统，一般以大（中）

型机为主机，集中配备某些公用的外部设备。如绘图机、打印机等。同时接出许多用户工作站及字符终端，其中每个用

户工作站有一个图形终端，并配有文本输入设备 （键盘）。

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• 优点：主机功能强，能进行大信息量作业，如大型分析计算，复杂模拟和管理等。

• 缺点：因为这种系统采用的是多用户分时系统结构，所以当终端用户过多时，会使系统过载，响应速度变慢，而且

一旦出现主机发生故障，整个系统不能工作，此外，价格昂贵。

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2 、分布式工程工作站系统 这种系统配置时遵循这样一种思想：一个工程师使用一台计算机，而且还能使用所有计算机，前半句意味着屏弃了多用户分时系统的结构，后半句意味着采用网络技术。由于单用户性质，保证了优良的时间响应，提高了用户的工作效率。这种系统类型具有下列三个显著特点：

①分布式计算能力，能支持复杂的 CAD/CAM作业 ②图形智能化程度高 ③网络能力强

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3 、微型计算机系统

其构成与工作站 CAD/CAM系统构成类似。这种类型的系统主机为微型机配有图形终端、绘图机、打印机等。 微机在运算速度、精度、内外存容量等方面都已能满足 CAD/CAM应用的需要。另外，微机上的各种软件、图形软件、工程分析软件及各种应用软件都能满足用户的大部分要求，网络技术的发展使微机 CAD/CAM系统也达到资源共享，并且微机的价格越来越便宜，因此，它在中小型企业中得到了广泛的应用，是它们的最佳选择。

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4、基于网络的微机 -工程工作站系统 网络 CAD/CAM系统是一种新型的计算机系统，它既具有良好的交互性和快速响应的性能，又能使多用户共享硬件资源。

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1.4.1.2 按工作方法及功能分类

1 、检索型 CAD 系统 检索型 CAD 系统主要用于产品结构及其零部件已实现标准化、系列化及模块化的产品，它们的零部件图及装配图已转化为程序存储于计算机中，在设计过程中，根据给出参数的具体数值按要求检索出所需要的零部件图，在计算机上装配成产品图，并对产品性能进行校核，满足要求后，输出所需的各种技术文件及图纸。

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2 、自动型 CAD 系统

自动型 CAD/CAM系统能根据产品性能规格要求在输入基本参数后，不需人工干预，计算机能根据规定的程序，自动完成设计工作，输出产品设计全部图纸及技术文件，仅适用于设计理论成熟；计算公式确定；设计步骤及判别标准清楚；资料数据完备的产品。

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3 、交互型 CAD 系统 在机械产品设计过程中，方案的决策及结构布置要完全实现自动化设计是非常困难的，有时也是不可行的，设计过程中往往需要设计人员的随时参与，由此产生了交互型 CAD 系统。它充分发挥了人与计算机二者的长处，即：计算机的高速运算能力和严格的逻辑判断及大量信息的存储能力和设计人员长期积累的智慧和丰富的经验。交互型 CAD 系统在产品设计工作中具有较实用的价值，并且在实现上相对也容易一些。

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4、智能型 CAD 系统 将人工智能技术、专家系统技术与普通 CAD 系统结合起来，便产生了智能型 CAD 系统。它主要由知识库、推理机、实时系统、知识获取系统以及人机接口等组成。智能型 CAD 系统可以对产品设计的全过程进行支持。

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1.4.2 CAD/CAM分类与选择原则系统的选择原则 遵循“提前培训，以软件为主，适当配置硬件系

统”的原则”。在建立过程中还应考虑以下原则： 1 、软件系统的选择应优于硬件且应具有优越的性能。 2 、硬件系统要有良好的开放性且符合工业标准 3 、整个软硬件系统运行可靠，维护简单、性能价格比优越。

4、具有良好的售后服务体系。 5、供应商应该有较好的信誉、可以提供培训、故障排除

及其他增值服务

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1.5 机械 CAD 技术的发展趋势 • 集成化 • 智能化 • 网络化• 标准化

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1.5.1 集成化• CAD/CAPP/CAM/CAE集成• 计算机集成制造系统 CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)

• 提高集成水平是 CAD/CAM系统发展的一个重要方向 ,必须在以下几方面提高水平： – 从传统的实体造型到参数化特征造型的转变 – 必须有自己统一的数据库及其管理系统 – 解决好不同 CAD 系统间产品模型数据的转换问题 – 集成系统内部应该包括种类更多、功能更为完善的

设计与制造应用软件 – 解决好网络通信问题，使不同节点及不同地区的用

户能够协同工作

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CAX

PLM

PKM

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1.5.2网络化•提供多学科领域开发团队的协同产品开发•支持跨部门、跨行业、跨地域的企业协作•提供数据共享、知识共享、资源共享

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2 发展方向 BuxtehudeBuxtehude

LaupheimLaupheim

HamburgHamburg

BremenBremen

NordheimNordheim

VarelVarel

MeaulteMeaulteSt. NazaireSt. NazaireNantesNantes

BrougltonBrouglton

FiltonFilton

ToulouseToulouse

GetateGetateIllescasIllescas

Puerto RealPuerto Real

StadeStadeHamburgHamburg

德国德国

法国法国

英国英国

西班牙西班牙

空客 A380 在 4 国进行协同研制

CAD CAE CAM

CAD CAE CAM

研制ERP

SCM SC

MER

P

数据 /BOM表

项目 需求CPC 平台

机舱内装饰机舱内装饰

前后机身前后机身

驾驶舱和中段驾驶舱和中段

机翼机翼

发动机机架发动机机架

垂直尾翼

水平尾翼

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BuxtehudeBuxtehude

LaupheimLaupheim

HamburgHamburg

BremenBremen

NordheimNordheim

VarelVarel

MeaulteMeaulteSt. NazaireSt. NazaireNantesNantes

BrougltonBrouglton

FiltonFilton

ToulouseToulouse

GetateGetateIllescasIllescas

Puerto RealPuerto Real

StadeStadeHamburgHamburg

德国德国

法国法国

英国英国

西班牙西班牙

机舱内装饰机舱内装饰

前后机身前后机身

驾驶舱和中段驾驶舱和中段

机翼机翼

发动机机架发动机机架

垂直尾翼

水平尾翼 空中客车在 4国进行异地专业化联合设计，之后分别在这 4个国家的多家生产基地进行异地专业化制造，最后在法国的图卢兹和德国的汉堡进行最后的总装配。 空中客车公司的采购网络遍布全球 30个国家，有 1500家以上的供应商加盟，为了保证整个供应链采购信息的及时沟通，空客建立了采购门户网站，使空客实现了采购过程的和 谐化、自动化和简化，并加强了与供应商之间的合作。

空中客车公司由欧洲航空防务及航天公司和英宇航系统公司共同拥有，拥有最先进的产品和最齐全的生产线。总部位于法国图卢兹的空中客车公司，设计机构和工厂属于四个全资子公司：空中客车法国公司、德国公司、西班牙公司、英国公司。

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1.5.3智能化• 现有的 CAD 技术在机械设计中只能处理数值型

的工作，包括计算、分析与绘图• 在设计活动中存在另一类符号推理型工作 • 将人工智能技术，特别是专家系统的技术，与传

统 CAD 技术结合起来，形成智能化 CAD 系统是机械 CAD 发展的必然趋势。

需求 方案设计 建模 分析 改进

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1.5.4 标准化 • 七十年代末八十年代初，为避免不同应用系统之间点

对点的网型数据转换对多种数据转换接口开发的要求 ,国际上许多国家和组织机构对数据交换标准进行了大量的研究、制定工作，诞生了许多区域性的标准。 – 面向图形设备的标准 CGI – 面向用户的图形标准GKS ,OPENGL– 面向不同 CAD 系统的数据交换标准 IGES和 STEP

– 事实标准： CATIA 与 UG文件格式， DXF， X_T，SET等

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CAD

CAPP

CAM

DFX

系统间直接交换数据

通过中性的标准格式交换数据

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思考题

• CAD 的定义、功能及应用• 举例说明 CAD 系统的硬件及软件• CAD 系统的类型• CAD 技术的发展趋势