基于智能CAD的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型和發(fā)展趨勢分析

CAD為Computer Aided Design的縮寫，直接翻譯為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，通常是用計(jì)算機(jī)和一些特殊設(shè)備幫助處理設(shè)計(jì)中的大量計(jì)算，以便更快的確定出一個(gè)最佳的設(shè)計(jì)方案，在實(shí)際的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型等設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員可以把基本的文字和圖形都儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中，一般情況下，設(shè)計(jì)人員在做出草圖之后，計(jì)算機(jī)就可以把草圖直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鲌D，這種利用計(jì)算機(jī)的處理，不但速度很快，做出工作圖之后，設(shè)計(jì)人員對(duì)工作圖的修改也很方便，智能CAD是在普通CAD的基礎(chǔ)上，利用人工智能等高級(jí)的技術(shù)使CAD在工作的過程中，具有一定的智能化，目前智能CAD經(jīng)過了多年的發(fā)展，已經(jīng)在機(jī)械設(shè)計(jì)等領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用，隨著技術(shù)和計(jì)算機(jī)的更新?lián)Q代，智能CAD也在不斷的發(fā)展，使用智能CAD設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)模型也變得越來越簡單。

1.智能CAD的概念

1963年SKETCHPAD-A被人們提出，SKETCHPAD-A既一種人機(jī)對(duì)話系統(tǒng)，通過這套系統(tǒng)初步的實(shí)現(xiàn)了圖形的顯示和修改，這是公認(rèn)的第一次CAD概念的提出，到了20世紀(jì)60年代時(shí)，一些已經(jīng)具有CAD功能的系統(tǒng)被人們開發(fā)出來，70年代時(shí)，就出現(xiàn)了商業(yè)化的CAD系統(tǒng)，但是受當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，那時(shí)的CAD系統(tǒng)都是以小型機(jī)為基礎(chǔ)的，而且CAD的功能也非常有限，80年代時(shí)，隨著互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，CAD軟件已經(jīng)變得很成熟了，隨后CAD軟件開始支持網(wǎng)絡(luò)和智能設(shè)計(jì)。

智能CAD的概念的提出從一定程度上說也是工業(yè)發(fā)展的需要，在CAD提出的初期，在很大程度上提高設(shè)計(jì)人員的制圖效率，但是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)上需要更多的小批量的生產(chǎn)，產(chǎn)品也變得越來越復(fù)雜，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和性能等要求也越來越高，這樣簡單的CAD已經(jīng)無法滿足設(shè)計(jì)者的需求，在需求的推動(dòng)下，CAD又衍生出了計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)（CAPP）、計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）、虛擬制造（VM）等，由此可以看出，隨著時(shí)間的推移，CAD一直在向智能化轉(zhuǎn)變，目前的智能CAD系統(tǒng)已經(jīng)能在設(shè)計(jì)者對(duì)設(shè)計(jì)的整個(gè)思維過程進(jìn)行幫助，極大程度的提高了生產(chǎn)的效率，波音公司的波音777客機(jī)成為了第一個(gè)應(yīng)用智能CAD設(shè)計(jì)成功的商業(yè)客機(jī)，這也標(biāo)志著機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)已經(jīng)開始進(jìn)入了無紙化、智能化的時(shí)代。

目前的智能CAD系統(tǒng)一般都是運(yùn)用專家系統(tǒng)或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種人工智能技術(shù)，其中專家系統(tǒng)是在知識(shí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上衍生的，主要是利用計(jì)算機(jī)對(duì)知識(shí)進(jìn)行獲取和處理的技術(shù)，在實(shí)際的應(yīng)用過程中，就是先把專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)輸入計(jì)算機(jī)中，這和普通的問題求解系統(tǒng)有著本質(zhì)的區(qū)別，普通的問題求解系統(tǒng)是沒有智能化的，而這個(gè)系統(tǒng)可以最大程度上模擬專家處理問題，在設(shè)計(jì)人員處理的過程中，這個(gè)系統(tǒng)會(huì)給設(shè)計(jì)人員進(jìn)行提示，指出當(dāng)前設(shè)計(jì)中存在的一些問題，并對(duì)下一步的工作提出建議，專家系統(tǒng)一般由知識(shí)庫、推理機(jī)、知識(shí)獲取系統(tǒng)和解釋機(jī)構(gòu)等構(gòu)成的。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是最近幾年才發(fā)展起來的一種智能CAD系統(tǒng)，這種系統(tǒng)是模仿人類神經(jīng)元建立的，在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，大部分的變量都是可以調(diào)節(jié)的，對(duì)信息的存儲(chǔ)也是分布式的，與專家系統(tǒng)相比，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)能力和容錯(cuò)能力都要強(qiáng)很多，同時(shí)還具有一定的自組織能力，現(xiàn)在的人工智能網(wǎng)絡(luò)在機(jī)械結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)的領(lǐng)域還存在很大的局限性，如何把人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)中也是目前很多相關(guān)人員研究的一個(gè)重點(diǎn)。

2.當(dāng)前的智能CAD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

     在機(jī)械結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)領(lǐng)域，智能CAD的出現(xiàn)無疑給設(shè)計(jì)者帶來了很大的方便，智能CAD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的CAD結(jié)構(gòu)相比，除了要具有工程的圖形和數(shù)據(jù)庫外，還要具有一個(gè)專家系統(tǒng)的知識(shí)庫和對(duì)圖形、數(shù)據(jù)、知識(shí)的管理系統(tǒng)，如圖2.1就是一個(gè)基本的智能CAD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2.1 智能CAD系統(tǒng)示意圖

由于智能CAD系統(tǒng)要比傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)龐大很多，在數(shù)據(jù)的處理過程中也更加的復(fù)雜，尤其是在專家系統(tǒng)的處理過程中，對(duì)專家知識(shí)的要求和問題求解的過程要求很高，只有各個(gè)模塊嚴(yán)謹(jǐn)?shù)呐浜希拍茼樌耐瓿蓹C(jī)械結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)任務(wù)，在這個(gè)專家系統(tǒng)的智能CAD系統(tǒng)中，專家系統(tǒng)應(yīng)該能夠像人一樣，擁有自主學(xué)習(xí)的功能，通過這種學(xué)習(xí)，不斷的對(duì)系統(tǒng)的知識(shí)水平進(jìn)行提高，在智能CAD系統(tǒng)中，能夠自主學(xué)習(xí)的專家模塊是這個(gè)系統(tǒng)的核心，而要想實(shí)現(xiàn)CAD系統(tǒng)的智能性，黑板模型和設(shè)計(jì)模型是兩個(gè)關(guān)鍵性的技術(shù)。

在實(shí)際的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)中，不同用途的模型對(duì)設(shè)計(jì)的要求也不同，工業(yè)部件已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，機(jī)械結(jié)構(gòu)模型涉及的范圍越來越大，在一些大型的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型中，往往把整個(gè)模型的圖紙分成幾個(gè)部分，而每個(gè)部分涉及的知識(shí)領(lǐng)域也可能大不相同，由于對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)難度越來越高，對(duì)智能CAD系統(tǒng)的要求也相應(yīng)變大，而黑板模型的引入就解決了這種問題，黑板模型的提出最初是應(yīng)用在語音系統(tǒng)中，隨著技術(shù)的發(fā)展，黑板模型慢慢的演變成了一種求解的模型，在黑板模型中，對(duì)問題的求解不是單純的求得問題的最終解，而是把復(fù)雜的問題分成幾個(gè)部分，對(duì)每個(gè)部分都求出一個(gè)解，然后把這些解組合起來，得出一個(gè)最優(yōu)的解。

有以上對(duì)黑板模型的分析可以看出，黑板模型很適合對(duì)一些大型、復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算，黑板模型通常由知識(shí)源、全局?jǐn)?shù)據(jù)庫和控制結(jié)構(gòu)組成，在黑板模型中，知識(shí)源不是作為一個(gè)整體存在的，而是把不同類別的知識(shí)分成不同的部分，對(duì)知識(shí)的存儲(chǔ)也是分布式的，在機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)過程中，涉及到某部分的知識(shí)時(shí)，這部分的知識(shí)就會(huì)被調(diào)用，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的部分進(jìn)行處理，通過知識(shí)源不同部分對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)模型不同部分的求解，最終組合出一個(gè)最優(yōu)解，在對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的處理過程中，知識(shí)源雖然進(jìn)行分布式的存儲(chǔ)，但是各個(gè)部分是可以進(jìn)行通訊的，這樣所有的知識(shí)源就組成了一個(gè)全局的數(shù)據(jù)庫，在黑板模型中，不同的知識(shí)源對(duì)模型進(jìn)行處理時(shí)，還需要一個(gè)控制模塊對(duì)知識(shí)源進(jìn)行調(diào)度，這個(gè)控制模塊就是控制結(jié)構(gòu)，目前使用的專家智能CAD系統(tǒng)，大多都使用黑板模型進(jìn)行問題的求解。

在專家系統(tǒng)的智能CAD中，設(shè)計(jì)模型通常都是對(duì)模型的又一次設(shè)計(jì)，在對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先要對(duì)模型進(jìn)行分解，把整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)模型分解成功若干個(gè)獨(dú)立的小模型，對(duì)于這些小模型的設(shè)計(jì)就會(huì)簡單很多，當(dāng)每個(gè)獨(dú)立的小模型設(shè)計(jì)完成之后，就可以把這些小模型組合起來，最后完成整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)，這種小模型的設(shè)計(jì)過程，通常被成為迭代設(shè)計(jì)，在對(duì)小模型的設(shè)計(jì)過程中，一般都采用啟發(fā)式的設(shè)計(jì)，用邏輯或設(shè)計(jì)出多種方案，每設(shè)計(jì)出一個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)模型方案，就通過人工智能系統(tǒng)對(duì)設(shè)計(jì)出的方案進(jìn)行分析，直到選擇出一個(gè)最適合的設(shè)計(jì)方案，對(duì)于分成的小機(jī)械結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)出方案分析，就要由智能CAD中的專家系統(tǒng)進(jìn)行分析，這個(gè)專家系統(tǒng)中應(yīng)該包括機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的各種標(biāo)準(zhǔn)，.對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的衡量準(zhǔn)則等也輸入到系統(tǒng)中，只有這樣才能得出一個(gè)最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

3.智能CAD的發(fā)展趨勢

    智能CAD的提出最早可以追溯到上世紀(jì)70年代，在智能CAD被提出之后，就一直受到人們的關(guān)注，尤其是隨著工業(yè)設(shè)計(jì)的發(fā)展，越來越多的人工智能設(shè)計(jì)者和CAD設(shè)計(jì)者開始研究智能CAD系統(tǒng)，目前的智能CAD系統(tǒng)已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，但是隨著集成電路的納米化、機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的復(fù)雜化等，都要求智能CAD自身不斷的發(fā)展，通過研究可以發(fā)現(xiàn)，智能CAD未來的發(fā)展趨勢是3個(gè)I和一個(gè)S，既：集成化（Integrated）、網(wǎng)絡(luò)化（Internet work）、人機(jī)交互化（Interactive）和標(biāo)準(zhǔn)化（Standard）。

3.1 集成化

    在CAD系統(tǒng)被提出的初期，CAD與其衍生出的CAM、CAPP、CAE等都是獨(dú)立應(yīng)用的，雖然有很多軟件把這幾種系統(tǒng)都集合到一起，相互之間也可以進(jìn)行一定程度上的調(diào)用，但是這種簡單的把幾個(gè)系統(tǒng)集合到一起還不能稱為集成，真正意義上的集成化應(yīng)該包括不同系統(tǒng)之間功能的集成、信息的集成、過程的集成和動(dòng)態(tài)聯(lián)盟企業(yè)的集成，目前的CAD衍生系統(tǒng)中，CIMS把CAD和CAM很好的高度集成到一起，但是隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，只把CAM和CAD進(jìn)行集成已經(jīng)無法滿足目前機(jī)械結(jié)構(gòu)等模型設(shè)計(jì)的需求，必須把CAPP、CAM、CAE、VM等進(jìn)行高度的集成，才能完成未來機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求。這種集成化不但能提高機(jī)械結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)的效率，而且對(duì)CAD的智能化也會(huì)有所提高，由于CAD和CAM等開發(fā)的初期，都是按照自身的路線發(fā)展，CAM和CAPP等自身都有一定的智能化系統(tǒng)出現(xiàn)，如果把這些系統(tǒng)集成到一起后，不同的智能化系統(tǒng)之間也可以進(jìn)行一定的互補(bǔ)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)化

    隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，各種技術(shù)和系統(tǒng)都有網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢，在網(wǎng)絡(luò)化之后，各個(gè)系統(tǒng)之間進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，例如把智能CAD進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化之后，不同智能CAD系統(tǒng)之間的知識(shí)庫和數(shù)據(jù)庫等都可以進(jìn)行共享，CAD的智能化將會(huì)提高到一個(gè)新的層次，不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，也可以進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)模型往往都是由一個(gè)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行全程的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)效果必然會(huì)受到這個(gè)設(shè)計(jì)人員自身素質(zhì)的影響，如果把智能CAD進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化連接之后，那么多個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)人員就可以進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)人員之間的缺點(diǎn)可以進(jìn)行一定程度上的互補(bǔ)，除了可以利用智能CAD進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)之外，還可以利用網(wǎng)絡(luò)化建立一個(gè)企業(yè)聯(lián)盟，通過互聯(lián)網(wǎng)上的需求關(guān)系，對(duì)市場的反應(yīng)也能夠更加的迅速。

3.3 人機(jī)交互化

    由于智能CAD系統(tǒng)面向的是機(jī)械結(jié)構(gòu)等模型的設(shè)計(jì)者，換而言之，智能CAD系統(tǒng)的使用者是人，所以人機(jī)交互化也是未來智能CAD發(fā)展的一個(gè)趨勢，目前的智能CAD系統(tǒng)中，人機(jī)交互還是利用簡單的鼠標(biāo)和鍵盤進(jìn)行輸入，顯示器和打印機(jī)進(jìn)行輸出，這樣的人機(jī)交互形式單一，效率也比較低，而且要想使用現(xiàn)在的智能CAD系統(tǒng)，必須具有足夠的設(shè)計(jì)知識(shí)才能進(jìn)行使用，如果把人機(jī)交互化變的更加友好、高效、多樣，那么CAD的智能化也會(huì)相應(yīng)的提高，在用戶接口更加擬人化之后，一些沒有CAD專業(yè)知識(shí)的用戶，也可以進(jìn)行一些簡單的設(shè)計(jì)，而專業(yè)的模型設(shè)計(jì)者使用起來，將會(huì)變得更加簡單和方便。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)化

    目前開發(fā)CAD軟件的公司有很多，其中應(yīng)用最廣泛的是美國Autodesk公司開發(fā)的AutoCAD軟件，而在智能CAD軟件領(lǐng)域，目前大多都是針對(duì)性很強(qiáng)的軟件，如針對(duì)服裝和具體的機(jī)械構(gòu)件模型的智能CAD軟件，而這些不同的智能CAD軟件之間，目前還沒有一個(gè)明確的國際化標(biāo)準(zhǔn)，雖然我國在很早就頒布了CAD制圖的國家標(biāo)準(zhǔn)，但是由于CAD制圖的范圍越來越廣，模型的設(shè)計(jì)人員越來越繁雜，國家的制圖標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的不理想，尤其是隨著我國經(jīng)濟(jì)與國際接軌，在機(jī)械結(jié)構(gòu)等模型設(shè)計(jì)的領(lǐng)域越來越多的與國外合作，制圖標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一已經(jīng)成為了重要的問題，為了適應(yīng)未來智能CAD發(fā)展的需求，制定國際通用的CAD制圖標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)成為了智能CAD發(fā)展迫切的需求。

結(jié)語

    智能CAD的概念在上世紀(jì)就被提出了，經(jīng)過了這么多年的發(fā)展，已經(jīng)在機(jī)械機(jī)構(gòu)模型設(shè)計(jì)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而且隨著在工業(yè)設(shè)計(jì)中的使用，智能CAD自身也在不斷的發(fā)展，越來越多成功利用智能CAD制造出實(shí)物的案例表明，智能CAD必然是未來機(jī)械結(jié)構(gòu)等模型設(shè)計(jì)使用的工具，而智能CAD為了滿足越來越繁雜、精細(xì)的工業(yè)設(shè)計(jì)，其自身也將會(huì)向集成化、網(wǎng)絡(luò)化、人機(jī)交互化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。

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