ＣＡＤ在機械設計中的應用

摘 要：ICAD技術主要研究3方面問題：設計知識的表示與建模方法、知識利用和ICAD體系結構。方案設計（或稱概念設計）與支持變型設計的裝配建模、三維CAD/ICAD關鍵技術，是ICAD技術中的三個重要環節。

關鍵詞：CAD /ICAD 變形設計 三維CAD 機械設計

引言

隨著工業技術的發展和激烈的市場競爭，產品更新換代越來越快，產品的設計周期越來越短，現代CAD技術也在沿著信息集成——過程集成——企業集成的道路發展。傳統的CAD技術以計算為基礎，處理符號推理（方案設計、評價、決策、結構設計等）工作很困難，在機械設計工作中符號推理有著舉足輕重的地位，因此必須引入人工智能方法，采用專家系統技術，發展智能CAD（Intelligent CAD， ICAD）技術，以適應創造性設計的要求。ICAD是一種由多個智能體（或稱專家系統）與多種CAD功能模塊有機集成的支持產品設計的復雜系統。

基于以上認識，結合近年我校機械設計課程體系、課程內容以及立體化教學模式的改革和重點課程建設，在近兩屆學生機械設計課程設計和畢業設計實踐中，筆者主要從機械設計課程設計的設計方法和手段的改進等方面進行了大膽的改革與實踐，逐步實施了從手工繪圖到二維AutoCAD的應用最終到變形CAD/ICAD（三維CAD）的過渡，在學生中起到了積極的作用，在提高學生的設計能力和綜合素質方面收到了較好的效果。

在機械設計中引入ICAD技術，可以解決機械企業中重復性設計多、信息資源利用率低的難題，縮短產品開發周期，具有巨大的經濟效益和應用前景。下面分析目前支持概念設計與變型設計的CAD理論、方法和存在問題及三維CAD/ICAD關鍵技術。

1 產品概念設計及關鍵技術

概念設計是從產品開發需求到功能原理解的映射過程。為完成從需求到概念產品解的設計過程，產品概念設計要通過需求分析(RA)——需求形式化（RF）——辨別、抽象問題（IP）——過程分解（PD）——功能分解（FD）——子功能分解（SFD）——功能元分解（FED）——原理解答搜索（SS）——原理解答組合（SC）——方案評價（PE）等一系列推理步驟，得到概念產品方案（CP）。

計算機對概念設計階段進行支持，主要包括以下幾項關鍵技術：

1.1產品信息建模和功能推理技術

現有的CAD信息建模技術中，幾何信息占有統治地位。隨著信息建模技術的發展，這種現象在逐漸發生變化。在支持概念設計的建模技術中，功能信息應代替幾何信息占主導地位。因為幾何信息的構筑對象是零件，信息只能隸屬于零件，而功能往往表示兩個以上零件相互作用的結果。為了與后續設計過程相兼容，幾何信息在概念設計階段的產品信息建模中也必不可少。

在概念設計階段的集成產品信息模型綜合了功能、幾何和設計意圖建模技術。其結構體系如圖1。

為方便設計修改和變形設計，在概念設計階段產品信息建模中還要考慮到設計意圖建模。設計意圖記錄了設計人員的思維過程，包括功能到功能的分解、功能到結構的轉化和結構約束求解過程，描述了滿足設計需求的幾何形狀和技術參數是如何產生和確定的。

1.2設計全過程的集成

設計是一個漸進和反復的過程，對于支持設計全過程的CAD系統應具有以下特征：

①要支持Top-down設計方式，就必須以概念設計得到的草圖為基礎進行后續設計。在后續設計中，前一步設計方案將成為約束來控制后續設計的進行。

②設計意圖在一定程度上反映了設計對象的整個歷史過程，因此設計意圖信息在設計過程中的繼承使設計人員隨時針對某個零件或結構調整其設計意圖，從而方便修改和再設計。

③要支持Top-down設計方式，面向裝配的建模技術是必需的，為支持從概念設計到詳細設計的全過程，不同設計過程的幾何建模技術應互相兼容。

2 支持變形設計的CAD理論和方法

變形設計是關于設計方法和過程的一種分類定義，是指提取已存在的設計和設計計劃、作特定的修改以產生一個和原設計相似的新產品。Pahl和Beitz最早將設計分為初次設計(original desugn)、適應設計(adaptive design)和變型設計(variant design)，并指出在實際的設計工作中大約70%屬于適應性設計和變型設計。變型設計如此重要，要求CAD系統能夠支持這種設計方法，但目前CAD系統對這種設計方法的支持程度還十分有限，因而有關變型設計的理論和方法成為CAD技術研究的一個重點。目前支持變型設計的理論和方法主要有：

2.1基于裝配模型的變型設計理論

目前的CAD系統建立產品幾何模型是從零件建模開始的，這種方法難以表達產品的功能信息、裝配信息和設計意圖。裝配建模旨在建立完整的描述產品裝配信息的數據模型，不僅表達零件幾何信息，還可以通過零件之間的裝配關系反映產品的功能要求和設計者的設計意圖。常用的描述零件之間裝配關系的數據模型有兩種：關系模型和層次模型。裝配模型比較符合人們的自然設計過程，是一種良好的變型設計方法。近年來國內外對裝配模型及建模方法進行了深入的研究，但目前還未形成完整的理論體系和實用的建模手段。

2.2 模塊化變型設計

模塊化設計是以功能分析為基礎，通過功能相同而用途不同的各模塊組合實現各種基型產品和變型產品。模塊化設計可以使產品設計制造周期大大縮短，使產品具有更大的靈活性和適應性，使產品具有很強的市場競爭力。

模塊化設計是建立在模塊的定義和組織管理基礎上的，對特定的產品模塊的劃分、模塊與模塊之間的裝配關系是預先確定的，不能隨意改變，因而限定了其使用范圍。

2.3 基于特征的變型設計理論

特征設計是面向產品設計和制造的全過程，以幾何模型為基礎并包括零件設計、生產過程所需的各種信息的一種產品模型方案。它允許設計者通過組合常見形體（如槽、筋、凸臺、鍵槽等）來完成產品的設計，而不是抽象的點、線、面。系統提供用不同屬性值實例化特征的能力，一般常用的形狀特征由系統特征庫提供，許多系統還可由用戶自定義特征擴展特征庫。

特征技術的發展給產品變型設計提供了一種手段，用戶通過對一系列特征的實例化和特征自動維護達到產品變型設計的目的。特征技術存在的問題：①用戶設計使必須采用系統預定義的特征設計產品，使概念設計、技術設計完全受加工方法的限制；②特征設計用于變型設計時，一般和參數化相結合，但特征間的交互作用對特征的影響和設計過程特征有效性的維護，是這種方法的致命缺陷。

2.4基于參數設計和變量設計的變型設計

參數設計一般是指設計對象的結構形狀比較定型，可用一組參數來約定尺寸關系。生產中常用的系列化、標準化設計就是屬于這種類型。變量設計是設計對象的修改需要更大的自由度，通過求解一組約束方程來確定產品的尺寸和形狀。

參數設計和變量設計適用于產品的初始設計和定型設計，使產品設計圖紙可隨某些結構尺寸的修改和環境變化而自動修改。在變量設計中需著重考慮的是約束滿足（Constraint Satisfaction Problem， CPS），設計一個高效的約束求解器是變量設計的難點。

2.5基于實例推理技術的變型設計理論

國內外基于實例推理技術（Case-based reasoning， CBR）研究分為兩類：一類是設計支持系統，該系統是一個瀏覽器，提供給用戶眾多實例，按新的設計要求自動選取一些實例供用戶選擇，實例修改由用戶和系統交互完成。另一類是自動設計系統，希望找到自動修改實例的方法。

以上變型設計理論和方法均不同程度地解決了變型設計中一些重要問題，達到了一定的要求。有待進一步解決的問題：研究能夠表達設計意圖、支持產品設計全過程的產品數據管理技術；提供對已有產品資源的有效組織和管理手段和多層次的變形方法，充分利用企業現有資源；研究有效的支持變型設計的人機協作環境。

3 機械設計實踐的現狀和存在的問題

目前，CAD技術主要以二維繪圖軟件AutoCAD為代表，在機械設計實踐中只是教會學生操作和繪制簡單的零件圖，而用AutoCAD繪制裝配圖以及進行有關的工程分析是非常不便且很難實現的。為此，為了能夠方便地繪制裝配圖，在機械設計實踐教學和畢業設計中逐步地采用了ICAD、開設CAD等二維繪圖軟件作為繪圖工具，輔助完成零部件設計。圖2所示為用AutoCAD繪制的齒輪軸的二維裝配圖。隨著技術的發展，CAD技術正從二維CAD向三維ICAD過渡，有相當一部分CAD應用較早的企業已完成了從二維CAD向三維ICAD轉換，并取得了巨大的經濟效益和社會效益。企業需要掌握三維CAD/ICAD技術的專業人才，掌握三維CAD/ICAD技術已成為工科院校畢業生最基本的要求。因此，在機械設計實踐教學中采用三維CAD/ICAD技術，已成為我們現在機械設計實踐教學改革的重要內容和亟待解決的問題。

4 三維CAD/ICAD關鍵技術

三維ICAD造型技術也稱建模技術，它是CAD技術的核心。三維ICAD以三維造型設計為基礎，只要形成了三維模型，各種二維視圖唾手可得。三維CAD/ICAD技術在產品的三維造型、虛擬狀配、工程圖生成、動態干涉檢驗、機構運動分析和動態仿真、有限元分析等方面帶來了革命性得突破，提高了設計效率和設計質量。三維設計的真正意義不僅僅在于設計模型本身，而是設計出模型的后處理工作。它的基本思路如圖所3所示。

三維CAD/ICAD技術主要包括以下內容：三維造型/三維設計、計算機輔助工程分析、機構運動分析/仿真、裝配干涉檢驗、三維轉二維、圖樣檔案管理等。利用這種全過程的三維CAD/ICAD系統完成設計以后，不僅使設計對象的幾何形狀和性能滿足要求，而且使各方面的指標（強度、剛度、重量和成本等）都達到最佳狀態，這是計算機輔助設計和輔助工程分析的根本目的。

結論

CAD系統必須支持產品的設計全過程，解決概念設計模型和結構設計模型兼容性和互補性，為大量存在的變型設計提供支持。在機械設計中引入ICAD技術，不僅要支持三維設計信息模型，還應研究支持二維設計的全過程產品設計模型，對企業已有的產品信息進行改造和重建，提高信息資源的利用率。

基于參數化設計和裝配模型的智能設計框架為解決ICAD技術中的問題提供了一種有效途徑，使產品數據管理和設計過程緊密結合起來，提高了ICAD系統對概念設計和變型設計的支持能力。

參考文獻:

[1]趙艷霞，李軍，盧正明編.Auto CAD 2004中文版.高等教育出版社.

[2]黃森彬主編.機械設計基礎.高等教育出版社.