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产品设计是产品全生命周期的前端，其中的大部分活动都可以应用CAD技术来实现，随着计算机技术及先进制造技术的不断发展应运而生的新的制造模式，还将继续对CAD技术产生更深刻的影响，对CAD技术提出更新、更高的集成要求。同时，从系统功能的角度，还包括有限元分析、工艺设计、数控编程及数据管理等软件单元，它们能够按照需求有机集成，在功能上实现互操作。
智能设计是指将智能优化方法应用到产品设计中，利用计算机模拟人的思维活动进行辅助决策，以建立支持产品设计的智能设计系统，从而使计算机能够更多、更好地承担设计过程中的各种复杂任务，成为设计人员的重要辅助工具。智能CAD系统应具有下面的三个功能。
1）该系统能智能地支持设计者，即在知识库的支持下，系统具有搜索、推理决策的能力，包括理解设计者的意图、设计条件和约束，提出各种可行的设计方案及结构，能正确解释设计者提出的问题，查找并改正设计错误。这就要求系统具有一个内容丰富的知识库和一个进行理解推理和决策的模块。
2）系统具备相应的设计资料数据库和计算分析程序库，还有图形支撑系统和文件产生系统。
3）系统具有自学习能力，即能够不断地总结经验，自动从知识库将过时、不合理的知识删除，并不断吸收新知识。这就要求系统的知识库具有开放性和灵活性。一个典型的智能CAD系统组成如图1-4所示。
图1-4 智能CAD系统的组成
（Computer Aided Engineering, CAE）将计算机技术应用到工程分析领域，是一种集计算力学、计算数学、信息科学等计算机辅助工程于一体的综合性工程技术，是支持设计人员进行创新研究和创新设计的重要工具和手段，能够对产品的设计方案、性能、可靠性、安全性、经济性等进行分析评价，以改进产品研发过程。运用CAE技术可以将部分试验过程在计算机上实现，通过相关软件对产品的数字化模型进行各种分析及优化设计，如应力/应变分析、振动仿真、温度分布分析等，从而缩短产品的研制周期，降低产品的研发费用。CAE技术被引入设计领域后，给现代产品设计带来了巨大变革。工程技术人员进行结构分析的主要任务就是设法将复杂的工程实际问题加以简化、建立合理的计算力学模型，然后再按所选程序的要求，准备好全部所需的数据和信息，运用计算机进行求解，最后再检查计算结果的合理性。
1）有限元法：首先假想将连续的结构分割（离散）成数目有限的小块，称为有限单元，各单元之间仅在有限个指定结合点处相连接，用组成单元的集合体近似代替原来的结构，在节点之间引入有效节点力以代替实际作用在单元上的载荷。对每个单元，选择一个简单的函数来近似地表达单元位移分量的分布规律，并按弹性力学中的变分原理建立单元节点力与节点位移（速度、加速度）的关系（质量、阻尼和刚度矩阵），最后把所有单元的这种关系集合起来，就可以得到以节点位移为基本未知量的力学方程，给定初始条件和边界条件就可以求解力学方程。
2）模态分析法：主要用于分析冲击和变载荷的动态结构，可以用有限元法或模态分析法计算每个零件的变形或振动量，根据装配的连接条件求得整体结构的变形和振动。
3）运动仿真：CAE系统可以对运动机构进行动态分析，并可显示机构运动的动态过程，以便检查机构的运动轨迹，校核运动件的干涉情况，还可计算出构件的运动速度、加速度和受力的大小，可以仿真运动组件的加速力和重力的反作用力。同时，还可以综合考虑弹簧弹力、电动机驱动力、摩擦力和重力等动力的影响，调整产品的结构及设计参数。
4）方案优选：CAE系统采用参数优化方法进行方案优选，使方案设计考虑的因素更为全面和合理。
5）可靠性分析：通过计算机进行的可靠性分析，设计人员能够预测和改善其设计方案的疲劳性能，减少可靠性试验次数。
6）制造过程仿真：对金属切削加工、装配和物料流动等工艺过程进行仿真，除了对产品加工质量进行预测外，还可以深入研究这些工艺过程的机理和规律，了解产品设计的合理性、可加工性和加工方法，并可选用机床和优化工艺参数。
7）产品装配仿真：采用产品装配仿真技术可以在产品设计阶段进行可装配性验证，避免零件的报废和工期的延误，确保设计的正确性。
计算机辅助工艺设计（Computer Aided Process Planning, CAPP）是利用计算机来进行零件加工工艺过程的制订，目的是把毛坯加工成工程图样上所要求的零件。它是通过向计算机输入被加工零件的几何信息（形状、尺寸等）和工艺信息（材料、热处理、批量等），由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程。
CAPP是利用计算机快速处理信息的功能和具有各种决策功能的软件来自动生成工艺文件的过程。CAPP能迅速编制出完整而详尽的工艺文件，大大提高了工艺人员的工作效率，可以获得符合企业实际条件的优化工艺方案，给出合理的工时定额和材料消耗，并有助于对工艺人员的宝贵经验进行总结和继承。CAPP不仅能实现工艺设计自动化，还能把生产实践中行之有效的若干工艺设计原则及方法转换成工艺决策模型，并建立科学的决策逻辑，从而编制出最优的制造方案。CAPP是连接CAD和CAM的桥梁，是实现CAD/CAM集成的一项重要技术。
CAPP系统一般具有以下功能：输入设计信息；选择工艺路线，确定工序、机床、刀具；确定切削用量；估算工时与成本；输出工艺文件以及向CAM提供零件加工所需的设备、工装、切削参数、装夹参数以及反映零件切削过程的刀具轨迹文件等。
CAPP系统是根据企业的类别、产品类型、生产组织状况、工艺基础及资源条件等因素而开发的，不同的系统有不同的工作原理，目前常用的CAPP系统可分为派生式、创成式和综合式三大类。CAPP系统的种类很多，但其基本结构主要为五大组成模块：零件信息获取、工艺决策、工艺数据库/知识库、人机界面和工艺文件管理/输出，如图1-5所示。
图1-5 CAPP系统的构成
计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing, CAM）指的是从产品设计到加工制造之间的一切生产准备活动，它包括CAPP、数控编程、工时定额的计算、生产计划的制订、资源需求计划的制订等，还包括制造活动中与物流有关的所有过程（加工、装配、检验、存储、输送）的监视、控制和管理。随着技术的发展，CAPP已作为一个专门的子系统，而工时定额的计算、生产计划的制订、资源需求计划的制订则划分给MRPⅡ（制造资源计划）/ERP（企业资源计划）系统来完成，CAM的概念有时可进一步缩小为数控编程的同义词。可将CAM功能分为直接应用功能和间接应用功能。
1）直接应用功能：是指计算机通过接口直接与物流系统连接，用以控制、监视、协调物流过程，它包括物流运行控制、生产控制和质量控制。物流运行控制是指根据生产作业计划的生产进度信息控制物料的流动；生产控制指在生产过程中随时收集和记录物流过程的数据，当发现工况偏离作业计划时，即予以协调与控制；质量控制是指通过现场检测随时记录现场数据，当发现偏离或即将偏离预定质量指标时，向工序作业级发出命令，予以校正。
2）间接应用功能：是指计算机与物流系统没有直接的硬件连接，它支持车间的制造活动并提供物流过程和工序作业所需数据与信息，它包括CAPP、计算机辅助数控程序编制、计算机辅助工装设计及计算机辅助编制作业计划。如前所述，CAPP本质上就是用计算机模拟人工编制工艺规程的方法编制工艺文件。
计算机辅助数控程序编制是指根据CAPP所指定的工艺路线和所选定的数控机床，用计算机编制数控机床的加工程序；计算机辅助工装设计包括专用夹具、刀具的设计与制造，这也是工艺准备工作中的重要内容；计算机辅助编制作业计划是指当生产计划确定了在规定期内应生产的零件品种、数量和时间之后，用计算机根据数据库中人员、设备、资源的情况以及生产计划和工艺设计的数据，编制出详细的生产作业计划，确定在哪台设备加工，由谁何时进行何种作业以及何时完工，以作为车间的生产命令。
进入21世纪以后，现代CAD技术开始向集成化、网络化、智能化发展。随着数字化设计的逐步应用，产品设计中运用了各类软件系统。由于各系统具有独立性，使得信息传递困难，无法快速准确地交换信息，这种现象称为信息化“孤岛”。为了解决这个问题，研究人员提出了设计制造集成的解决思路，即采用集成的方法将各个系统联系起来，形成统一的信息传递平台，从而实现信息资源的共享和传递。随着集成技术、网络技术和信息技术的不断发展，产品数据管理技术应运而生。产品数据管理（Product Data Management, PDM）是指对企业内分布于各种系统和介质中的产品、产品数据信息和应用的集成与管理。产品数据管理集成了所有与产品相关的信息。
PDM将所有与产品相关的信息和所有与产品有关的过程集成在一起。与产品相关的信息包括任何属于产品的数据，如CAD/CAE/CAM文件、物料清单（Bill of Material, BOM）、产品配置、事务文件、产品订单、电子表格、生产成本、供应商状况等。与产品有关的过程包括任何有关的加工工序、加工指南和有关批准、使用权、安全、工作标准和方法、工作流程、机构关系等所有过程处理的程序。它包括了产品生命周期的各个方面，PDM能使最新的数据为全部有关用户所应用，工程设计人员、数控机床操作人员、财会人员及销售人员都能按要求方便地存取、使用有关数据。PDM是依托信息技术实现企业最优化管理的有效方法，是科学的管理框架与企业现实问题相结合的产物，是计算机技术与企业文化结合的一种产品。
1）提供产品设计集成化的使能技术，如资源共享、信息服务、合作建模、产品数据管理与设计过程管理等技术。
2）提供支持产品设计的网络化平台及相关技术的解决方案，如3W技术、邮件通信、远程传输和安全保密等。
PDM集成框架如图1-6所示。
图1-6 PDM集成框架
虚拟现实（Virtual Reality）是传感技术、多媒体技术、控制技术和模拟仿真技术的完美结合，其核心是一台高性能的虚拟现实计算机，通过多种输入、输出设备构造出所谓虚拟环境来模拟仿真技术，在虚拟技术中得到充分的应用和发展。虚拟现实标志着模拟仿真技术的最新发展成果。
用户戴上特制的头盔、眼镜、耳机和手套，立刻置身于计算机营造的虚拟三维空间之中，眼中看到立体彩色图像，耳中听到立体声，用户动作能对虚拟环境中的事物产生预期的影响。因而可以“身临其境”，用人类本身的感觉器官体验计算机营造出的逼真环境。如可以打开一台虚拟轿车的车门，坐进驾驶室中，操纵开动，驾驶前进，如同操纵一辆真实的轿车一样。应用虚拟现实技术进行产品开发，不仅可以使产品的设计者在产品尚未制造出之前就充分检验各种设计细节和最终的设计效果，而且可以使用户能尽早地充分体验产品的各种性能。虚拟现实系统组成如图1-7所示。搭建的虚拟样机可以在虚拟现实环境下进行产品工作性能测评，首先运用CAD技术进行产品的实体建模，然后将该模型置于虚拟环境中进行仿真和分析，可以在设计阶段对装配、加工和运行过程进行仿真，解决不可预见的问题，提高物理样机的一次试验成功率，可以方便直观地进行工作性能验证。
图1-7 虚拟现实系统组成
增材制造（Additive Manufacturing）技术是集数字化建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等学科于一体的，依据产品的三维CAD模型，基于离散材料逐层叠加的成形原理，通过有序控制将材料逐层堆积，制造出指定形状的实体零件的数字化制造技术，又称为快速原型技术、3D打印技术。与传统的加工方法相比，增材制造具有以下优点：擅长制造具有复杂曲面和内腔的结构，加工材料可以达到近净成形，大大节省了加工时间，节约了生产成本；非常适合个性化小批量复杂曲面的加工；无需多余的工艺装备，不需要刀具、模具，工装夹具较少。其制造工艺流程最短，因此一旦增材制造技术克服了加工速度慢的局限性，就将成为一种真正的敏捷制造模式，符合先进制造业敏捷化的需求。增材制造技术是21世纪机械制造工业领域一次跨时代的工艺技术革新。
传统CAD设计因其自身的局限性，只能利用数字化方法描述零件的表面信息，而难以描述其内部结构、组织和材料信息，极大地限制了增材制造的发展空间，因此通过产品建模技术最大限度地发挥增材制造的优势已成为CAD领域的研究热点之一。增材制造对CAD技术提出了以下要求。
1）建立提高成形精度和速度的数据处理方法，制订能较好保持CAD模型的几何及拓扑信息、减少数据转换精度丢失的适用于增材制造的数据交换格式和自适应分层算法。
2）完善CAD技术，完善复杂几何形体的建模方法及工艺过程；研究多尺度建模和逆向设计方法；研究具有形状、性能、工艺等可变性的建模和设计方法。
3）提供支持增材制造的设计技术，如基于互联网的开放式创新服务、材料—性能—工艺—结构一体化设计优化等设计技术。
20世纪90年代以来，我国吸取国外先进制造技术，开展了以计算机集成制造、并行工程、敏捷制造和网络化制造等为代表的制造业信息化相关技术的研究与应用，并取得了显著成果。网络技术、云计算等信息技术的快速发展，也为制造业向敏捷化、服务化、智能化发展提供了机遇。基于知识的创新能力、对各类制造资源的整合与协同能力以及对环境的友好性，已成为制造业信息化发展的趋势。在这种背景下，中国工程院院士李伯虎等提出一种面向服务、高效低耗和基于知识的网络化智能新模式—云制造。云制造是一种利用网络和云制造服务平台，按用户需求组织网上制造资源（制造云），为用户提供各类按需制造服务的一种网络化制造新模式。它融合现有信息化制造、云计算、物联网、语义Web、高性能计算等技术，通过对现有网络化制造与服务技术进行延伸和变革，将各类制造资源和制造能力虚拟化、服务化，并进行统一、集中的智能化管理和经营，实现智能化、多方共赢、普适化、高效的共享和协同，通过网络为制造全生命周期过程提供可随时获取、按需使用、安全可靠的共享资源。在云制造的实施过程中，需要CAD技术为其提供技术支撑。
1）为云制造系统的资源层提供技术支持，包括CAD/CAM/CAPP/PDM等的集成技术、资源共享、数据管理与设计过程管理。
2）提供构建云制造体系的相关技术，包括虚拟化技术、人机交互技术、多主体协同的可视化终端交互技术、可信与安全制造服务技术等。