计算机辅助设计(CAD)技术是伴随计算机科学技术发展起来的一门新技术，是当今活力最强、渗透最广、影响最深的新技术之一。现代CAD技术已几乎应用到所有技术领域中，全面改变了传统的设计工作方式，提供了高效、可靠、全新的设计手段和方法，甚至对设计思维、分析方式产生了深刻的影响。和许多技术设计领域一样，CAD技术已成为现代包装设计中通行和基本的工具、手段和方法，全面改变了包装设计各个方面的状况和面貌，成为包装设计人员必须掌握的技术之一。
本章主要介绍CAD的含义、CAD技术的发展历史和发展趋势、CAD技术在包装设计中的应用、包装工程CAD技术以及常用包装设计软件应用情况。
一、CAD的含义与发展历史
(一)CAD的含义
CAD(Computer Aided Design)是近20多年来伴随计算机科学技术发展而逐渐发展、成熟起来的一种新技术、新学科。今天，CAD技术的应用已由其初期帮助设计人员甩开图板、计算尺提高设计效率的工具发展到集设计，计算、分析、模拟、数据管理等功能的高质、高效一体化技术，甚至一直延伸到试验、制造、工程管理等方面，全面、彻底地改变了所涉及设计领域的工作状况和方式，成为现代基本和必需的设计手段、方法和工作方式。鉴于此，许多学者认为，引进了电子技术是工业的一次革命，工业的另一次革命则是引入了CAD/CAM(ComputerAided Manufacturing)技术。
顾名思义，CAD是计算机帮助进行设计的意思。有人把设计中使用计算机认为是CAD；有人把用计算机进行计算分析看成是CAD；有人把CAD理解为计算机辅助制图，这样CAD中的“D”实际上不是“Design”，而变成“Drafting”或“Drawing”了，他们把CAD看成是利用人机对话图形处理系统来设计绘图；也有人把CAD理解为在设计中用计算机进行计算加绘图等。总之，对CAD存在不同的理解。从近几年CAD的发展来看，以上看法是不全面的，未能揭示正在发展的CAD的本质。
1972年10月，IFIP（国际信息处理联合会）的第五技术群众会给CAD下了一个定义，即：CAD是一种技术，其中人与机器结合为一个问题的求解组合，紧密配合，各自所长，从而使其工作优于每一方，并为应用多学科的方法的综合性协作提供了可能。该定义突出了“人机配合，取长补短”这一基本性质。
下面从3个方面来说明这一性质。
1．发挥人机各自所长
CAD是人机组合，把各自的特点有机地结合起来，充分发挥各自的特长，各尽其能。
人具有创造性思维能力，能学习和总结，掌握经验，具有逻辑分析、推理和判断能力。
计算机具有大容量的信息存储能力、高速的信息交换功能，能记住大量的设计资料和数据，快速存入或取出数据、检索数据。具有快速和高精度的计算和数值分析能力。还具有很强的图形和文字处理能力，长时间地承受各科平凡重复的工作。
CAD就是将人的创造性、决策作用、组织能力和计算机强的信息处理能力结合起来，使设计发生了巨大变革。
人机结合是以人为主，以机为辅。在CAD中人起主导作用，而计算机只能完成人所规定和安排好的工作。在强调人的作用的同时，又应充分发挥和利用计算机的能力。在设计工作中，凡能用计算机进行的工作，都交付给计算机做，最大限度地减轻人的劳动，使人从繁重的事务中解脱出来，更好地发挥其聪明才智，进行创造性的工作。
2．人、机如何配合
人机配合应具备下面两个条件。
(1)具备一个有快速响应能力的CAD系统。
(2)设计者与CAD系统构成闭环系统。
CAD是人机结合一体化进行设计，需人机对话、互相交换信息。设计过程不是简单的输入程序、数据经处理后输出结果，而是在人机对话、互相问答的形式中进行的。设计者提出方案和设想，请计算机分析后给予回答；计算机问设计者现在要进行什么工作，请设计者输入计算机所需的参数；设计者具体的结果考虑，请计算机显示出来，以便分析比较。设计过程是“试行”的过程，设计过程往往是算算看，参数选择是否合适，性能是否符合要求等。
人机对话过程，实际上是由计算机进行具体处理、人做出决断的过程。
人机对话不仅通过文字符号，而且还通过图形来完成。
3．人机结合、获得最佳设计效果
通过以上讨论，CAD可定义如下：CAD是设计者利用CAD系统进行工程设计的过程。基本特点是“人机配合，取长补短”，“即时观测，即时修改”，“图入图出，随用随出”。
二、CAD技术的发展过程
计算机辅助设计技术是随着计算机硬件、软件技术及其外围辅助设备的发展而发展起来的，其发展过程大致可以分为如下几个阶段。
1．准备和酝酿时期(20世纪50-60年代)
1950年，美国麻省理工|·463.com888学院MIT研制出“旋风一号”类似于一示波器的图形设备，可显示简单图形。1958年，美国Calcomp公司研制出滚筒式绘图仪；Gerber公司研制出平板绘图仪。20世纪50年代，大多采用电子管计算机，用机器语言编程，计算机主要用于科学计算，为之配制的图形设备仅具有输出功能，CAD技术处于被动式的图形处理阶段。
2．蓬勃发展和进入应用时期(20世纪60年代)
1962年，美国MIT林肯实验室的I．E.Sutherland发表了“Sketchpad人机通信的图形系统”的博士论文，首次提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想，从而为CAD技术的发展和应用打下了理论基础。20世纪60年代中期出现了许多商品化的CAD设备，如1964年美国IBM公司推出了商品化的计算机绘图设备；美国通用汽车公司的多路分时图形控制台，实现了各阶段的汽车设计。20世纪60年代末，美国安装的CAD工作站已达200多台。
3．广泛使用时期(20世纪70-80年代)
1970年，美国Applicon公司第一个推出了完整的CAD系统。在此期间出现了廉价的固体电路随机存储器，产学逼真图形的光栅扫描显示器、光笔、图形输入板等图形输入设备，出现了面向中小企业的CAD商品化系统。20世纪70年代末，美国CAD工作站安装数量超过12000台，1983年发展到63000套。CAD技术从大中企业向小企业扩展；从发达国家向发展中国家扩展；从用于产品设计发展到用于工程设计。
4．标准化、集成化、智能化的发展时期(20世纪80年代中期以后)
标准化主要是指图形接口、图形功能的标准化。从1977年由SIGCRAPH特别兴趣小组GSPC推出CORE图形标准以来，又先后出现了计算机图形接口CGI(Computer Craphics Interface)、计算机图形文件标准CCM(ComputerGraphics Metafile)、计算机图形核心系统GKS(Craphics Kernel System)、面向程序员的层次交互式图形标准PHIGS(Programmer's Hierarchical InteractiveG raphics Standard)以及基本图形转换规范ICES(Initial Graphics Exchange Spec-ification)，图形接口、图形功能日趋标准化。上述标准有些是面向图形设备的驱动程序包，有些是面向用户的图形程序包，有些是面向不同的CAD系统的文档规范。这些标准的制定和采用为CAD技术的推广和移植，为资源信息共享起到了重要作用。
集成化主要体现在4个方面：第一，系统构造由过去单一功能变成结合功能，出现了由CAD(计算机辅助设计)/CAM（计算机辅助制造）ICAE(计算机辅助工程)构成的CIMS（计算机集成制造系统）。第二，CAD技术中的有关软件（国际标准）和算法不断固化。即，用集成电路及其功能块来实现有关软件和算法的功能。第三，多处理机、并行处理技术用于CAD中，使工作速度成百倍的增加。第四，网络技术在CAD中被普遍采用，使近程和远程的资源都能得到共享。
智能化即人工智能技术和专家系统技术在CAD中的应用，它大大提高了自动化设计的程度，出现了AICAD新学科。AICAD把工程数据库及其管理系统、知识库及其专家系统以及用户接口管理系统有机地结合起来，从而大大地增强了CAD系统的智能水平。
三、CAD系统的支撑软件
CAD系统的支撑软件是支持软件研制、测试、维护的软件工具及支持应用软件开发、运行的实用程序包。支撑软件具有通用性，通常都已商品化，用户开发CAD应用软件，基本上都是在商品化的支撑软件基础上进行。
从CAD功能特性角度，其常用支撑软件可分为以下几类。
（一）图形支撑软件
在常规的设计工作中，60%以上的设计工作量是设计绘图，而工程CAD最普及的应用就是计算机辅助绘图，所以图形支撑软件是CAD系统中最基本的支撑软件包。目前，在微机上采用的典型产品是美国Autodesk公司的AutoCAD等。
（二）三维造型软件
建立统一的产品模型、获得统一的产品定义，是实现CAD一体化的基础。通过三维立体造型软件，可以建立产品完整的几何描述及特性描述，并能随时提取所需要的信息，支持CAD全过程中的各个环节工作，比如为有限元分析或CAPP提供相关数据等，从而实现系统的集成。
造型软件一般都应包括几何建模、特征建模、物性计算（如质量、重心计算）、真实感图形显示、干涉检查、二维图及二维剖面图生成等功能。
（三）分析软件及优化设计软件
机械设计常用的分析软件主要包括有限元分析软件、机械运动分析软件、动力学分析软件和优化设计软件等。有限元分析软件是CAD应用系统中最重要的分析计算工具软件，配以面向CAD产品模型数据前处理和后处理接口，可构成实用方便的专用产品结构分析软件。产品的设计存在多种可能的设计方案，优化设计软件可在运用数学优化理论和现代数值计算技术寻找最优解。在CAD应用中，优化设计软件常和分析软件联合使用。
（四）工程数据库管理软件及数据交换标准接口软件
工程数据库管理软件用于统一管理整个设计过程和各类工程数据的管理，保证各个用户协调一致地共享数据。目前，CAD工程数据库管理系统的开发多数是在通用关系型数据库管理系统（如Oracle，SQLServer）基础上，根据工程特点，对其功能进行适当补充或修改以建立所谓的工程数据库系统。另外，也有一些专门的工程数据库管理系统可供选用。先进的集成CAD支撑软件（如Pro/E，I-DEAS，UG等）一般都包含自己的数据管理模块，并且带有多种数据接口，可直接与典型的商品化数据库系统连接。
数据交换标准接口软件用于不同系统输入输出数据格式变换。目前主要采用的数据交换标准有交互式图形交换标准(Interface Graphic Exchange Stan-dard，IGES)、ISO已经决定逐步采用内容更加广泛的产品建模数据的交换标准(Standard for Enchange of ProdUGt Modle Data,STEP)。
四、CAD技术的发展趋势
CAD技术的发展趋势主要体现在CAD系统的高度网络化、集成化和智能化。
（一）网络化
把不同地理位置、不同机种、不同运行环境的CAD系统以网络的形式连接起来，已成为现代CAD发展的必然趋势，也是现代CAD系统的基本构成模式和特征。CAD系统的网络化，有利于设计资源的共享和管理，实现高效的协同化设计。
（二）智能化
专家系统ES(EXPERT System)与CAD相结合而形成的智能型CAD系统，是当前CAD研究的一个热点。工程设计本身就包含两方面的内容：一是大量涉及计算的数据处理内容，这可以利用CAD技术来完成；二是逻辑推理、决策分析许多非数据处理的工作。于是ES与CAD相结合，软件开发者将专业领域的知识直接嵌入CAD软件产品中，引导用户完成特定的任务，从而产生了“智能CAD”系统。
（三）集成化
CAD系统在机械、电子、建筑、轻工、包装等方面的应用正在向集成化发展。CAD工作站在制造业的应用集中反映在CAD和CAM的集成上。在包装工程领域，目前，较先进的包装盒(箱)CAD系统已实现纸盒（纸箱）设计、计算、力学分析、排料、纸盒（箱）模切及盒型库管理等功能高度集成一体，不仅大大提高了设计质量、效率，也完成了设计与制造的完美沟通。
制造自动化更高一级的集成是计算机集成制造系统(CIMS)发展。CIMS以工厂内的网络和无人操作为表现形式，主要利用智能机器人、FMS（柔性制造系统）、局域网及互联网技术、几何仿真、CAD/CAM系统、工业控制装置、工厂信息系统、专家系统等软硬件技术，汇集了目前大部分的高技术。CIMS是高知识、高技术的密集，是系统工程、管理科学、计算机技术和制造技术的综合，代表着制造业发展的方向和未来。
