淺談計算機輔助概念設計的現狀及發展方向

玄　剛

【摘 要】本文通過全面調研國內外產品設計研究現狀,根據概念設計的特點,探討了計算機輔助概念設計研究中存在的問題及以后的發展方向。

【關鍵詞】CAD 計算機 CACD概念設計

CAD技術在提高設計效率和產品質量等方面貢獻巨大,但此時的計算機輔助設計(CAD)主要解決了在計算和繪圖等設計后續階段對設計者的支持。而對于極富創造性的早期方案設計階段的計算機支持至今沒有取得實質性的進展。而目前的智能CAD系統,所采用的方法的理論基礎一般是基于傳統的人工智能的知識表示與推理方法,即邏輯思維為基礎,其中多以知識工程和專家系統的方法實現。創造性如何在方案設計過程中體現一直是困擾設計理論研究工作者的棘手問題。

近年來,隨著計算機圖形學、多媒體技術、虛擬現實技術的發展以及CAD/CAM應用的深入,現代產品概念設計理論與技術的研究有了長足的進步。計算機輔助概念設計(CACD)已成為CAD/CAM和CIMS領域的一個研究熱點。CACD是CAD領域的一個重要分支,它涉及設計方法學、人機工程學、人工智能技術、CAD技術以及認知與思維學等多種學科的知識。目前,CACD是一種輔助性的設計工具,隨著功能的逐步強大,它必將越來越受到概念設計師的歡迎,從而最終取代傳統的CAD系統。

一、計算機輔助設計的現狀

目前的設計理論研究和設計工具的開發在詳細設計、幾何設計、制造自動化方面已經做了大量研究工作,開發了很多成熟的工具軟件并應用在輔助設計繪圖、設計計算、制造加工、工藝規劃等方面,取得了極大的經濟效益,例如,CAD/CAM/CAPP等方面的工具軟件。但是這些軟件技術大都是在擬定了設計大體方案之后才可以進行的幾何設計和工藝設計,需要設計者有相當的設計經驗、了解客戶期望以及制造工藝和過程,能夠成功地進行初期設計(概念設計)。而經驗不足的設計者在概念設計階段就必須得到各領域有經驗設計者的協助,并且很可能因為某個錯誤而重復設計,造成很大的成本浪費。所以目前很多學者在概念設計智能化研究以及概念設計與其它設計工具的集成等方面進行理論和方法的研究。

在開發輔助工具方面,人們借助人工智能技術和數據庫技術來推動概念設計的智能化。Adzhiev提出面向代理的方法,有利于并行設計環境下使各種設計變量保持高度一致性。Tabel-Bendiab應用基于實例推理和機器學習的技術,學習設計實例,并存儲起來。Li利用定性啟發式搜索方法,輔助機構的概念設計。在基于計算機的設計環境方面,Twent建立了一個機電一體化產品的設計支撐環境,支持多模型狀態。Tomiyama利用大型數據庫建立了一個概念設計開發環境。Sharpe主持開發的環境著重于集成,同時利用了超媒體和超文本技術。在國內,有人提出了基于設計目錄的原理方案求解和基于知識的原理方案設計專家系統等方法與技術的計算機輔助原理方案設計。許多學者從工程設計方法學中概念設計的定位出發,提出層次概念模型、基于廣義特征的概念模型、工程設計概念模型、基于功率鍵圖的概念設計等。許多學者將他們在產品結構設計、裝配設計等方面的研究成果加以拓展,應用在概念設計過程,提出以支持變量特征和概念設計為標志的各類產品模型,如基于特征關聯語義的模型、基于變動特征的模型、信息基因模型、生成型特征設計模型等建模方法。

機械產品的概念設計的發展方向是計算機輔助實現、智能化設計,但由于產品概念設計階段計算機實現的研究起步較晚,目前還沒有成熟的、能夠達到上述目標的概念設計工具軟件。

從國內外的機械產品基于功率鍵圖的概念設計等,許多學者將他們在產品結構設計、裝配設計等方面的研究成果加以拓展,應用在概念設計過程,提出以支持變量特征和概念設計為標志的各類產品模型,如基于特征關聯語義的模型、基于變動特征的模型、信息基因模型、生成型特征設計模型等建模方法。

機械產品的概念設計的發展方向是計算機輔助實現、智能化設計,但由于產品概念設計階段計算機實現的研究起步較晚,目前還沒有成熟的、能夠達到上述目標的概念設計工具軟件。

二、計算機輔助設計的發展方向

從國內外的機械產品計算機輔助概念設計的研究現狀來看,目前多數集中在概念設計建模方面的研究上,也即主要集中在概念功能和概念形狀設計建模上。從發展趨勢而言,概念設計今后的研究重點或方向,主要集中在兩個方面:一方面,是支持概念設計的計算機技術的研究,如計算機輔助概念設計信息建模技術及其相關推理技術的研究。另一方面,是概念設計與其它設計階段集成的研究,如概念設計與結構設計、詳細設計、工藝設計等實現無縫集成,計算機輔助概念設計與其它計算機輔助工具的集成,從而建立支持從概念設計到工藝設計全設計過程的計算機輔助設計環境。

計算機輔助概念設計作為產品設計的一個重要組成部分,必然與上述發展趨勢相一致,因此,建立統一的設計模型將是計算機輔助概念設計的重點研究內容之一。目前,在集成方面的研究上,主要借助于數據庫中間環節或通過映射方式等得以實現,今后,實現計算機輔助概念設計與其它設計階段無縫集成,在產品設計過程中對減少設計誤差、提高設計效率等必將具有重要作用。此外,在概念設計中考慮制造、成本等其它因素的并行設計,以及不同設計者之間或不同地域之間的協同設計,將是計算機輔助概念設計符合發展趨勢的另一項研究內容。

參考文獻:

[1]費麗蘭,張家泰.概念設計及機械產品計算機輔助概念設計過程分析.應用科技,2003,30(11):5-7.

[2]Lancaster international Workshop on Engineering Design CADD94: Conceptual Design.Lancaster, 1994.171-188.

[3]LiC. L., Tan S. T., Chen K.W.A. Qualitative and Heuristic Approach to the Conceptual Design of Mechanisms. Engineering Application of Artificial Intelligence, 1996, 9,(1) :17-31.

[4]馮培恩,徐國容.基于設計目錄的原理方案及其求解過程的特征建模.機械工程學報,1998,34(2):79-86.

[5]張明君.原理方案設計目錄及知識基系統研究(碩士學位論文).浙江大學, 1994.

[6]邵春,孫守遷,許海明.計算機支持的工程設計概念模型.計算機輔助工程, 1998, 7(1):12-17.

[7]檀潤華,謝英俊.基于功率鍵圖的概念設計.機械設計,1997,(7):1-3.

[8]楊晨暉,應道寧.變動產品模型及其研究內容.計算機輔助設計與圖形學學報,1997,9(1):66-71.

[9]顧建新,譚建榮,祁國寧.機械產品信息基因模型.中國機械工程, 1997, 8(2):77-79.

[10]舒慧林,劉繼紅,鐘毅芳.計算機輔助機械產品概念設計研究綜述.計算機輔助設計與圖形學學報,2000,12(12):950-952.