基于智能CAD的機械結(jié)構(gòu)模型和發(fā)展趨勢分析

CAD為Computer Aided Design的縮寫，直接翻譯為計算機輔助設計，通常是用計算機和一些特殊設備幫助處理設計中的大量計算，以便更快的確定出一個最佳的設計方案，在實際的機械結(jié)構(gòu)模型等設計過程中，設計人員可以把基本的文字和圖形都儲存在計算機中，一般情況下，設計人員在做出草圖之后，計算機就可以把草圖直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鲌D，這種利用計算機的處理，不但速度很快，做出工作圖之后，設計人員對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)在機械設計等領(lǐng)域廣泛的應用，隨著技術(shù)和計算機的更新?lián)Q代，智能CAD也在不斷的發(fā)展，使用智能CAD設計機械結(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既一種人機對話系統(tǒng)，通過這套系統(tǒng)初步的實現(xiàn)了圖形的顯示和修改，這是公認的第一次CAD概念的提出，到了20世紀60年代時，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，就出現(xiàn)了商業(yè)化的CAD系統(tǒng)，但是受當時技術(shù)的限制，那時的CAD系統(tǒng)都是以小型機為基礎(chǔ)的，而且CAD的功能也非常有限，80年代時，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)絡和智能設計。

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計人員的制圖效率，但是隨著經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)上需要更多的小批量的生產(chǎn)，產(chǎn)品也變得越來越復雜，對產(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)無法滿足設計者的需求，在需求的推動下，CAD又衍生出了計算機輔助制造（CAM）、計算機輔助工藝設計（CAPP）、計算機輔助工程（CAE）、計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）、虛擬制造（VM）等，由此可以看出，隨著時間的推移，CAD一直在向智能化轉(zhuǎn)變，目前的智能CAD系統(tǒng)已經(jīng)能在設計者對設計的整個思維過程進行幫助，極大程度的提高了生產(chǎn)的效率，波音公司的波音777客機成為了第一個應用智能CAD設計成功的商業(yè)客機，這也標志著機械結(jié)構(gòu)模型的設計已經(jīng)開始進入了無紙化、智能化的時代。

目前的智能CAD系統(tǒng)一般都是運用專家系統(tǒng)或人工神經(jīng)網(wǎng)絡兩種人工智能技術(shù)，其中專家系統(tǒng)是在知識系統(tǒng)的基礎(chǔ)上衍生的，主要是利用計算機對知識進行獲取和處理的技術(shù)，在實際的應用過程中，就是先把專家的知識和經(jīng)驗輸入計算機中，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，而這個系統(tǒng)可以最大程度上模擬專家處理問題，在設計人員處理的過程中，這個系統(tǒng)會給設計人員進行提示，指出當前設計中存在的一些問題，并對下一步的工作提出建議，專家系統(tǒng)一般由知識庫、推理機、知識獲取系統(tǒng)和解釋機構(gòu)等構(gòu)成的。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡是最近幾年才發(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)絡系統(tǒng)中，大部分的變量都是可以調(diào)節(jié)的，對信息的存儲也是分布式的，與專家系統(tǒng)相比，人工神經(jīng)網(wǎng)絡的適應能力和容錯能力都要強很多，同時還具有一定的自組織能力，現(xiàn)在的人工智能網(wǎng)絡在機械結(jié)構(gòu)模型設計的領(lǐng)域還存在很大的局限性，如何把人工神經(jīng)網(wǎng)絡應用到機械結(jié)構(gòu)模型的設計中也是目前很多相關(guān)人員研究的一個重點。

2.當前的智能CAD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

     在機械結(jié)構(gòu)模型設計領(lǐng)域，智能CAD的出現(xiàn)無疑給設計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，還要具有一個專家系統(tǒng)的知識庫和對圖形、數(shù)據(jù)、知識的管理系統(tǒng)，如圖2.1就是一個基本的智能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雜，尤其是在專家系統(tǒng)的處理過程中，對專家知識的要求和問題求解的過程要求很高，只有各個模塊嚴謹?shù)呐浜?，才能順利的完成機械結(jié)構(gòu)模型的設計任務，在這個專家系統(tǒng)的智能CAD系統(tǒng)中，專家系統(tǒng)應該能夠像人一樣，擁有自主學習的功能，通過這種學習，不斷的對系統(tǒng)的知識水平進行提高，在智能CAD系統(tǒng)中，能夠自主學習的專家模塊是這個系統(tǒng)的核心，而要想實現(xiàn)CAD系統(tǒng)的智能性，黑板模型和設計模型是兩個關(guān)鍵性的技術(shù)。

在實際的機械結(jié)構(gòu)模型設計中，不同用途的模型對設計的要求也不同，工業(yè)部件已經(jīng)廣泛應用到各個領(lǐng)域，機械結(jié)構(gòu)模型涉及的范圍越來越大，在一些大型的機械結(jié)構(gòu)模型中，往往把整個模型的圖紙分成幾個部分，而每個部分涉及的知識領(lǐng)域也可能大不相同，由于對機械結(jié)構(gòu)模型設計難度越來越高，對智能CAD系統(tǒng)的要求也相應變大，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，對問題的求解不是單純的求得問題的最終解，而是把復雜的問題分成幾個部分，對每個部分都求出一個解，然后把這些解組合起來，得出一個最優(yōu)的解。

有以上對黑板模型的分析可以看出，黑板模型很適合對一些大型、復雜的機械結(jié)構(gòu)模型進行計算，黑板模型通常由知識源、全局數(shù)據(jù)庫和控制結(jié)構(gòu)組成，在黑板模型中，知識源不是作為一個整體存在的，而是把不同類別的知識分成不同的部分，對知識的存儲也是分布式的，在機械結(jié)構(gòu)模型的設計過程中，涉及到某部分的知識時，這部分的知識就會被調(diào)用，對機械結(jié)構(gòu)模型的部分進行處理，通過知識源不同部分對機械結(jié)構(gòu)模型不同部分的求解，最終組合出一個最優(yōu)解，在對機械結(jié)構(gòu)模型的處理過程中，知識源雖然進行分布式的存儲，但是各個部分是可以進行通訊的，這樣所有的知識源就組成了一個全局的數(shù)據(jù)庫，在黑板模型中，不同的知識源對模型進行處理時，還需要一個控制模塊對知識源進行調(diào)度，這個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行問題的求解。

在專家系統(tǒng)的智能CAD中，設計模型通常都是對模型的又一次設計，在對機械結(jié)構(gòu)模型進行設計時，首先要對模型進行分解，把整個機械結(jié)構(gòu)模型分解成功若干個獨立的小模型，對于這些小模型的設計就會簡單很多，當每個獨立的小模型設計完成之后，就可以把這些小模型組合起來，最后完成整個機械結(jié)構(gòu)模型的設計，這種小模型的設計過程，通常被成為迭代設計，在對小模型的設計過程中，一般都采用啟發(fā)式的設計，用邏輯或設計出多種方案，每設計出一個機械結(jié)構(gòu)模型方案，就通過人工智能系統(tǒng)對設計出的方案進行分析，直到選擇出一個最適合的設計方案，對于分成的小機械結(jié)構(gòu)模型設計出方案分析，就要由智能CAD中的專家系統(tǒng)進行分析，這個專家系統(tǒng)中應該包括機械結(jié)構(gòu)模型的各種標準，.對機械結(jié)構(gòu)模型的衡量準則等也輸入到系統(tǒng)中，只有這樣才能得出一個最優(yōu)的設計方案。

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)設計的發(fā)展，越來越多的人工智能設計者和CAD設計者開始研究智能CAD系統(tǒng)，目前的智能CAD系統(tǒng)已經(jīng)在各個領(lǐng)域中廣泛應用，但是隨著集成電路的納米化、機械結(jié)構(gòu)模型的復雜化等，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I和一個S，既：集成化（Integrated）、網(wǎng)絡化（Internet work）、人機交互化（Interactive）和標準化（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等都是獨立應用的，雖然有很多軟件把這幾種系統(tǒng)都集合到一起，相互之間也可以進行一定程度上的調(diào)用，但是這種簡單的把幾個系統(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進行集成已經(jīng)無法滿足目前機械結(jié)構(gòu)等模型設計的需求，必須把CAPP、CAM、CAE、VM等進行高度的集成，才能完成未來機械結(jié)構(gòu)設計的需求。這種集成化不但能提高機械結(jié)構(gòu)模型設計的效率，而且對CAD的智能化也會有所提高，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)之間也可以進行一定的互補。

3.2 網(wǎng)絡化

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

3.3 人機交互化

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

3.4 標準化

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

結(jié)語

    智能CAD的概念在上世紀就被提出了，經(jīng)過了這么多年的發(fā)展，已經(jīng)在機械機構(gòu)模型設計等領(lǐng)域得到了廣泛的應用，而且隨著在工業(yè)設計中的使用，智能CAD自身也在不斷的發(fā)展，越來越多成功利用智能CAD制造出實物的案例表明，智能CAD必然是未來機械結(jié)構(gòu)等模型設計使用的工具，而智能CAD為了滿足越來越繁雜、精細的工業(yè)設計，其自身也將會向集成化、網(wǎng)絡化、人機交互化和標準化方向發(fā)展。

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