基于智能CAD的機械結構模型和發(fā)展趨勢分析

錢林權，張 欽，林云峰

(麗水學院機械工程學系，浙江 麗水323000）

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，以便更快地確定出一個最佳的設計方案。在實際的機械結構模型等設計過程中，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的基礎上，利用人工智能等高級的技術使CAD在工作的過程中，具有一定的智能化。目前智能CAD經過了多年的發(fā)展，已經在機械設計等領域廣泛的應用。隨著技術和計算機的更新換代，智能CAD也在不斷的發(fā)展，使用智能CAD設計機械結構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是一種人機對話系統(tǒng)，通過這套系統(tǒng)初步的實現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，一些已經具有CAD功能的系統(tǒng)被人們開發(fā)出來。70年代時，就出現了商業(yè)化的CAD系統(tǒng)，但是受當時技術的限制，那時的CAD系統(tǒng)都是以小型機為基礎的，而且CAD的功能也非常有限。到了80年代，隨著互聯網的出現，CAD軟件已經變得很成熟了，隨后CAD軟件開始支持網絡和智能設計。

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，在很大程度上提高了設計人員的制圖效率，但是隨著經濟的發(fā)展，工業(yè)上需要更多的小批量的生產，產品也變得越來越復雜，對產品的質量和性能等要求也越來越高，這樣簡單的CAD已經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一直在向智能化轉變，目前的智能CAD系統(tǒng)已經能對設計者在設計的整個思維過程進行幫助，極大程度地提高了生產的效率，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，這也標志著機械結構模型的設計已經開始進入了無紙化、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)或人工神經網絡兩種人工智能技術。其中，專家系統(tǒng)是在知識系統(tǒng)的基礎上衍生的，主要是利用計算機對知識進行獲取和處理的技術，在實際的應用過程中，就是先把專家的知識和經驗輸入計算機中，這和普通的問題求解系統(tǒng)有著本質的區(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，其一般由知識庫、推理機、知識獲取系統(tǒng)和解釋機構等構成。

人工神經網絡是最近幾年才發(fā)展起來的一種智能CAD系統(tǒng)，這種系統(tǒng)是模仿人類神經元建立的，在人工神經網絡系統(tǒng)中，大部分的變量都是可以調節(jié)的，對信息的存儲也是分布式的，與專家系統(tǒng)相比，人工神經網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，現在的人工智能網絡在機械結構模型設計的領域還存在很大的局限性，如何把人工神經網絡應用到機械結構模型的設計中也是目前很多相關人員研究的一個重點。

2 當前的智能CAD系統(tǒng)的結構

在機械結構模型設計領域，智能CAD的出現無疑給設計者帶來了很大的方便，智能CAD系統(tǒng)的結構和傳統(tǒng)的CAD結構相比，除了要具有工程的圖形和數據庫外，還要具有一個專家系統(tǒng)的知識庫和對圖形、數據、知識的管理系統(tǒng)，如圖1所示的就是一個基本的智能CAD系統(tǒng)結構示意圖。

圖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，在數據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，只有各個模塊嚴謹的配合，才能順利的完成機械結構模型的設計任務。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CAD系統(tǒng)的智能性，黑板模型和設計模型是兩個關鍵性的技術。

在實際的機械結構模型設計中，不同用途的模型對設計的要求也不同，工業(yè)部件已經廣泛應用到各個領域，機械結構模型涉及的范圍越來越大，在一些大型的機械結構模型中，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域也可能大不相同。由于對機械結構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。

由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、復雜的機械結構模型進行計算，黑板模型通常由知識源、全局數據庫和控制結構組成，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，在機械結構模型的設計過程中，涉及到某部分的知識時，這部分的知識就會被調用，對機械結構模型的部分進行處理，通過知識源不同部分對機械結構模型不同部分的求解，最終組合出一個最優(yōu)解，在對機械結構模型的處理過程中，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據庫，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度，這個控制模塊就是控制結構，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，在對機械結構模型進行設計時，首先要對模型進行分解，把整個機械結構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構模型的設計，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構模型方案，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構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)中應該包括機械結構模型的各種標準，.對機械結構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)已經在各個領域中廣泛應用，但是隨著集成電路的納米化、機械結構模型的復雜化等，都要求智能CAD自身不斷的發(fā)展，通過研究可以發(fā)現，智能CAD未來的發(fā)展趨勢是3個I和一個S，即集成化（Integrated）、網絡化（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)技術的發(fā)展，只把CAM和CAD進行集成已經無法滿足目前機械結構等模型設計的需求，必須把CAPP、CAM、CAE、VM等進行高度的集成，才能完成未來機械結構設計的需求。這種集成化不但能提高機械結構模型設計的效率，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，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 網絡化

隨著互聯網的發(fā)展，各種技術和系統(tǒng)都有網絡化的發(fā)展趨勢，在網絡化之后，各個系統(tǒng)之間進行協(xié)同作業(yè)，例如把智能CAD進行網絡化之后，不同智能CAD系統(tǒng)之間的知識庫和數據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，不同的機械結構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)的機械結構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的影響，如果把智能CAD進行網絡化連接之后，那么多個機械結構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，還可以利用網絡化建立一個企業(yè)聯盟，通過互聯網上的需求關系，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)面向的是機械結構等模型的設計者，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軟件領域中，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，尤其是隨著我國經濟與國際接軌，在機械結構等模型設計的領域越來越多的與國外合作，制圖標準的不統(tǒng)一已經成為了重要的問題，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，已經成為了智能CAD發(fā)展迫切的需求。

4 結束語

智能CAD的概念在上世紀就被提出了，經過了這么多年的發(fā)展，已經在機械機構模型設計等領域得到了廣泛的應用，而且隨著其在工業(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必然是未來機械結構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、網絡化、人機交互化和標準化方向發(fā)展。

[1]杜勇鍵.機械產品概念設計中智能CAD技術[J].黑龍江科技信息，2009(20)：58.

[2]劉雪紅，劉雪燕.信息時代智能CAD技術特點及發(fā)展研究[J].大眾科技，2006(01)：30-31.

[3]高金燕，王彥輝，李秀娜.智能CAD技術在農業(yè)機械設計中的應用[J].農機化研究，2007(09)：179-181.

[4]石林祥，葉建平，魏淑桃.基于專家系統(tǒng)技術的智能CAD系統(tǒng)的研究與設計[J].微計算機信息，2005(11)：133-135.

[5]張俊華，韓華偉.基于知識的CAD研究現狀及進展[J].機械設計，2006(06)：1-4.