CAD技術的發(fā)展回顧

1、CAD技術的發(fā)展回顧計算機輔助設計（CAD Computer Aided Design）技術是以計算機、外圍設備及其系統(tǒng)軟件 為基礎，包括二維繪圖設計、三維幾何造型設計、有限元分析（ FEA及優(yōu)化設計、數(shù)控加工編 程（NCP、仿真模擬及產品數(shù)據(jù)管理等內容。隨著 Internet/Intranet網(wǎng)絡和并行、高性能計算及事務處理的普及，異地、協(xié)同、虛擬設計及實時仿真也得到廣泛應用。一、CAEK術的產生及發(fā)展過程準備和醞釀時期（5060年代初）CA叱術處于被動式的圖形處理階段。.蓬勃發(fā)展和進入應用時期（60年代）提出了計算機圖形學、交互技術、分層存儲符號的數(shù)據(jù)結構等新思想， 從而為CAD&術的發(fā)展

2、和應用打下了理論基礎。60年代中期出現(xiàn)了許多商品化的CA彼備，60年代末，美國安裝的 CAD工作站已達200多臺，可供幾百人使用。.廣泛使用的時期（70年代） 1970年美國Applicon公司第一個推出完整的 CAD系 統(tǒng)。出現(xiàn)了面向中小企業(yè)的 CACA喇品化系統(tǒng)。70年代末，美國CADX作站安裝數(shù)量超過12000 臺，使用人數(shù)超過2. 5萬。,突飛猛進的時期（80年代） 在這個時期，圖形系統(tǒng)和 CA*CAME作站的銷售量 與日俱增，美國實際安裝 CAD系統(tǒng)至1988年發(fā)展到63000套。CA*CAMfe術從大中企業(yè)向小企 業(yè)擴展；從發(fā)達國家向發(fā)展中國家擴展；從用于產呂設計發(fā)展到用于工程設計

3、和工藝設計。.開放式、標準化、集成化和智能化的發(fā)展時期（90年代）由于微機加視窗95/98/NT操作系統(tǒng)與工作站加 Unix操作系統(tǒng)在以太網(wǎng)白環(huán)境下構成了CAD系統(tǒng)的主流工作平臺，因此現(xiàn)在的CAW術和系統(tǒng)都具有良好的開放性。圖形接口、圖形功能日趨標準化。在CAD系統(tǒng)中，綜合應用正文、圖形、圖像、語音等多媒體技術和人工智能、專家系統(tǒng) 等技術大大提高了自動化設計的程度，出現(xiàn)了智能CA的學科。智能CADK工程數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)、知識庫及其專家系統(tǒng)、擬人化用戶接口管理系統(tǒng)集于一體，形成如圖1示所示的結構。圖1 智能CA而統(tǒng)二、CA面統(tǒng)的構成及分類CAD技術集中體現(xiàn)在CAD系統(tǒng)上，CAD系統(tǒng)是最終用戶用

4、來實現(xiàn)設計思想、加速產品和工 程設計的信息化工具。. CAD系統(tǒng)的構成CAD系統(tǒng)硬件構成如圖2所示，從其體系結構講可分為三個層次，如圖3所示。基礎由計算機、外圍設備和系統(tǒng)軟件組成。 系統(tǒng)軟件在工作站上流行 Unix加Motif 操作系統(tǒng)，在彳機上流行 Win95/98/NT操作系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件還包括支撐軟件、系統(tǒng)開發(fā)和維護的 工具軟件。支撐層包含了圖 3中部所示內容，隨著網(wǎng)絡的廣泛使用，異地協(xié)同虛擬CAM境將是CADS撐層的重要發(fā)展趨勢。應用層針對不同應用領域的需求有各自的CAD用軟件來支持相應的CAD工作。示弊端圖2 CAD系統(tǒng)的硬件基本組成機械CAD建筑CAD交逋CAD輕工C網(wǎng)口ms CAD

5、航空 航天 CAD船殖CAD汽車CAD福具CAD外走 CAD廣告CAD品規(guī) CAD * 龍用層面向應用的一次開發(fā)環(huán)境 -,_二維 三維蓼數(shù)比特亞幾何造型支撐層一3單嗖房由形顯示j:異礴f虛擬設計一InterneUln&anet 應用支撐j產品薊據(jù)菅理圖3 CAD系統(tǒng)的三層結構2 . CA晾統(tǒng)的分類CAD系統(tǒng)作為計算機應用系統(tǒng)的一個重要分支，經歷了三個發(fā)展階段，即：多用戶共享一臺計算機；一個用戶使用一臺計算機；一個用戶共享多臺計算 機。從系統(tǒng)結構上看，CA晾統(tǒng)大致可分為兩類，即集中式系統(tǒng)和網(wǎng)絡系統(tǒng)。集中式系統(tǒng)要求有 功能較強的計算機，一次投資大，使用起來不靈活，在 80年代中期以前應用比較廣泛。

6、從工作 站和高性能微機問世以后，大多數(shù)用戶采用工作站和微機網(wǎng)絡系統(tǒng)來代替這類集中式CAD系統(tǒng),形成網(wǎng)絡化的系統(tǒng)。三、CADS撐軟件CAD支撐軟件主要包括：.設備驅動程序，如 Windows操作系統(tǒng)支持的設備驅動程序集，ISO通過的標準程序庫CGI(Computer Graphics Interface) ,又如HP公司提供的繪圖儀、打印機設備驅動程序等；,窗口管理系統(tǒng)，工作站上流行Motif窗口系統(tǒng)；微機上 Win95、Win98、WinNT窗口系統(tǒng)，微機上的窗口系統(tǒng)已代替了過去的DOSM乍系統(tǒng)，成為最大眾化的操作系統(tǒng)。窗口系統(tǒng)中包含了豐富的圖形用戶接口（GUI）程序，多媒體用戶接口程序（MU

7、I）和網(wǎng)絡用戶接口程序 （NOI）;.漢字輸入輸出程序，除了中文之星專用漢字處理程序外，中文Windows操作系統(tǒng)也已廣泛應用；二維計算機輔助設計繪圖系統(tǒng)；三維線框、曲面、實體和特征統(tǒng)一表示的數(shù)字化建模系統(tǒng)；三維真實圖形實時顯示系統(tǒng)；產品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)PDM（ Product Data Management System ） ；異地協(xié)同虛擬設計系統(tǒng)；.智能CAD系統(tǒng)；CAB卜延系統(tǒng)技術的發(fā)展回顧一、計算機輔助工藝設計（CAPP）工藝設計是連接產品設計和產品制造的橋梁，是制造系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，對產品質量和制造成本具有重要影響。 60 年代末， 人們開始計算機輔助工藝設計（ CAPP： Compute

8、r Aided ProcessPlanning ） 的研究開發(fā)， 但由于工藝設計對千差萬別的實際生產環(huán)境具有很強的依賴性和技術復雜性，CAPP乃然是計算機輔助技術中的薄弱環(huán)節(jié)。從 60 年代末到目前的三十年間，先后出現(xiàn)了在設計方式上不同的兩類系統(tǒng)，即派生式系統(tǒng)和創(chuàng)成式系統(tǒng)。派生式（ Variant ）系統(tǒng)已從單純的檢索式發(fā)展成為今天具有不同程序的修改、編輯和自動篩選功能的系統(tǒng)，融合了部分創(chuàng)成式的原則和方法。創(chuàng)成式（ Generative ）系統(tǒng)的研究與開發(fā)始于70 年代中期，而且很快得到普遍重視，被認為是有前途的方法，但實踐的結果并不理想。近年來，這兩類系統(tǒng)都在發(fā)展中不斷改進提高和互相滲透，從

9、80 年代開始探索將人工智能（AI）、專家系統(tǒng)技術等應用于CAPPK統(tǒng)的研究和開發(fā)，研制成功了基于知識（Knowledge-based ）的創(chuàng)成式CAPPS統(tǒng)或CAP進家系統(tǒng)。近幾年來，有人將人工神經元網(wǎng)絡 技術、模糊推理以及基于實例的推理等用于CAP吃中，也有人提出了 CAPPK統(tǒng)構造工具的思路，并進行了卓有成效的實踐。還有人將傳統(tǒng)派生法、傳統(tǒng)創(chuàng)成法與人工智能結合在一起，綜合它們的優(yōu)點，構造了混合式CAPPK統(tǒng)。CAPP系統(tǒng)功能包括：（ 1）零件信息的輸入：零件信息是系統(tǒng)進行工藝設計的對象和依據(jù)，計算機目前還不能象人一樣識別零件圖上的所有信息， 所以在計算機內部必須有一個專門的數(shù)據(jù)結構來對零

10、件信息進行描述，如何輸入和描述零件信息是CAPPIM否實用化的關鍵問題之一。（ 2）工藝決策：工藝決策是系統(tǒng)的控制指揮中心，它的作用是；以零件信息為依據(jù)，按預先規(guī)定的順序或邏輯，調用有關工藝數(shù)據(jù)或規(guī)則，進行必要的比較、計算和決策，生成零件的 工藝規(guī)程。（ 3）工藝數(shù)據(jù)知識庫：工藝數(shù)據(jù)知識庫是系統(tǒng)的支撐工具，它包含了工藝設計所要求的所有工藝數(shù)據(jù)（如加工方法、余量、切削用量、機床、刀具、夾具、量具、輔具以及材料、工時、成本核算等多方面的信息）和規(guī)則（包括工藝決策邏輯、決策習慣、經驗等眾多內容，如加工方法選擇、排序規(guī)則等） 。（ 4）人機界面：人機界面是用戶的工作平臺，包括系統(tǒng)菜單、工藝設計的界面、

11、工藝數(shù)據(jù)知識的輸入和管理界面，以及工藝文件的顯示、編輯與管理界面等。（ 5）工藝文件管理與輸出：一個系統(tǒng)可能有成百上千個工藝文件，如何管理和維護這些文件，既是CAPPK統(tǒng)的重要內容，也是整個CACAP+ CAM!1成系統(tǒng)的重要組成部分。輸出部分包括工藝文件格式化顯示、存儲、打印等。二、計算機輔助制造（CAM）計算機輔助制造（CAM Computer Aided Manufacturing ）是利用 CAD CAPP勺信息在數(shù) 控加工設備上實現(xiàn)制造自動化。CAM勺主要任務是選擇加工工具、生成加工路徑、消除加工干涉、配置加工驅動、仿真加工過程等，以滿足小批量、高精度、短周期和加工一致性要求高的產品

12、制 造的需要，進而實現(xiàn) CACAP+CAM勺集成。計算機輔助制造中最核心的技術是數(shù)控技術。40 年代末，美國開始研究數(shù)控加工技術，并于1952 年生產出第一臺數(shù)控機床，1957 年第一批數(shù)控機床投入使用。 我國在 1958 年試制成功第一臺配有電子管數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機床， 1965 年開始成批生產配有晶體管數(shù)控系統(tǒng)的三坐標數(shù)控銑床。 90 年代國內外已有數(shù)百種先進的數(shù)控機 床，并得到廣泛應用。數(shù)控加工主要分下述兩個步驟：程序編制根據(jù)圖紙， 按數(shù)控機床控制系統(tǒng)要求確定加工指令， 完成零件數(shù)控程 序編制；加工過程將得到的數(shù)控程序傳輸給數(shù)控機床， 控制機床各坐標的伺服系統(tǒng)， 驅 動機床，使刀具和工件嚴

13、格執(zhí)行程序規(guī)定的相對運動，加工出符合圖紙的零件。（ 1）數(shù)控自動編程技術編制零件加工程序是數(shù)控應用的重要環(huán)節(jié)，靠手工編程無法滿足數(shù)控加工（特別是復雜零件）的需求，在50 年代初期，美國開始了數(shù)控自動編程技術APT語言的研究，形成了早期的CAD系統(tǒng)。此后在數(shù)控技術的發(fā)展和生產應用需求拉動下，CAM技術不斷發(fā)展，從語言編程發(fā)展為圖形交互編程，進而實現(xiàn)了CA*CAM-體化?，F(xiàn)代的CAM支術已經成為CAX體系的重要組成部分，與CAD系統(tǒng)集成在一起，直接在 CADt立起來的參數(shù)化、全相關的三維幾何模型（實體曲面）上進行加工編程，生成正確的加工軌跡。（ 2） 數(shù)控加工過程的仿真模擬 數(shù)控加工過程仿真模擬的

14、意義在于利用計算機圖形的手段， 對實際加工過程進行快速有效的模擬。 隨著高速計算機和圖形顯示設備及算法的不斷研究發(fā)展，仿真模擬的技術逐漸廣泛地應用在生產中，虛擬加工的實際過程，通過控制加工過程的進行，不斷改變觀察方向和位置，并利用其它一些必要的圖形手段，在虛擬的加工環(huán)境中及早地發(fā)現(xiàn)問題，以求替代或大幅度地減少試切加工，從而達到降低生產成本、提高產品質量的目的。三、計算機輔助工程分析（CAE）有限元法（或稱有限單元法、有限元素法）是求解復雜工程和產品的結構強度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動力響應、熱傳導、三維形體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算，以及結構性能的優(yōu)化設計等問題的一種近似數(shù)值分析方法。有限元

15、法從 60 年代初開始在工程上應用到今天， 已經歷了三十多年的發(fā)展歷史， 其理論和算法都經歷了從蓬勃發(fā)展到日趨成熟的過程， 現(xiàn)已成為工程和產品結構分析中 （如航空、 航天、機械、土木結構等領域）必不可少的數(shù)值計算工具，同時也是分析連續(xù)力學各類問題的一種重要手段。隨著計算機技術的普及和不斷提高，有限元分析系統(tǒng)的功能和計算精度都在很大提高，各種基于幾何造型系統(tǒng)的有限元分析系統(tǒng)應運而生， 計算機輔助有限元分析（ CAEFA： Computer AidedFinite Element Analysis ）已成為計算機輔助工程（CAa的重要組成部分，是結構分析和結構 優(yōu)化的重要工具，同時也是計算機輔助

16、4c系統(tǒng)（CA CAE/ CAP% CAM的重要環(huán)節(jié)。有限元法的核心思想是結構的離散化，就是將實際結構假想地離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體， 實際結構的物理性能可以通過對離散體進行分析，得出滿足工程精度的近似結果來替代對實際結構的分析，這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復雜問題。根據(jù)經驗，有限元分析各階段所用的時間為： 4045用于模型的建立和數(shù)據(jù)輸入，50 55用于分析結果的判讀和評定，而分析計算只占5左右。針對這種情況采用計算機輔助設計技術來建立有限元分析的幾何模型和物理模型， 完成分析數(shù)據(jù)的輸入，通常稱這一過程為有限元分析的前處理。同樣，對有限元分析的結果也需要用CA

17、限術生成形象的圖形輸出，如生成位移圖、應力、溫度、壓力分布的等值線圖，表示應力、溫度、壓力分布的彩色明暗圖，以及隨機 械載荷和溫度載荷變化生成位移、應力、溫度、應力等分布的動態(tài)顯示圖。我們稱這一過程為有 限元的后處理。在計算機輔助有限元分析的過程中，前、后處理是最主要的工作。四、CAW術的集成傳統(tǒng)意義上的CA晾統(tǒng)只能產生工程圖紙及其有關的技術說明，只有通過工程數(shù)據(jù)庫， STEP IGES以及有關應用接口，實現(xiàn) CACAP%CAM勺集成，把CA蹄口生產制造結合成一體， 才能進一步提高生產力和加工精度， 才能實現(xiàn)設計生產的自動化，進一步發(fā)展的趨勢是現(xiàn)代集成 制造系統(tǒng)（CIMS） ，用以真正實現(xiàn)企業(yè)

18、信息化。1 .信息集成從發(fā)展的過程來看，CA CA& CAP% CA睇統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和集成方式有以下三種：1）松散集成方式各系統(tǒng)建立的產品模型各不相同，相互間的數(shù)據(jù)交換需要在每兩個系統(tǒng)間進行數(shù)據(jù)格式轉換，因此系統(tǒng)間模型存在無法轉換部分，造成產品數(shù)據(jù)的不完整性。一 般只能提供批量數(shù)據(jù)的傳輸。2）中性文件集成方式存在一個與各系統(tǒng)無關的中性文件格式，各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)均轉變成標準格式的中性文件，每個系統(tǒng)只與標準格式文件打交道, 無需知道別的系統(tǒng)的細節(jié)。這種方式為系統(tǒng)開發(fā)者和使用者提供了較大的便利，但仍需要解決各系統(tǒng)間模型統(tǒng)一的問題， 只有這 樣才能保證數(shù)據(jù)交換順利進行。數(shù)據(jù)交換的功能也主要提供批量數(shù)據(jù)的傳輸

19、。3）共享數(shù)據(jù)庫方式 各個系統(tǒng)在一個統(tǒng)一的產品數(shù)據(jù)模型指導下，通過數(shù)據(jù)庫存取接口在集成的產品數(shù)據(jù)庫內存取各種產品數(shù)據(jù)，同一對象的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中只存在一份， 各系統(tǒng) 對它操作的一致性由數(shù)據(jù)庫保證。在這種方式下，各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換和共享達到很高的程度， 數(shù)據(jù)庫提供各系統(tǒng)存取產品數(shù)據(jù)的并發(fā)控制， 能夠使產品開發(fā)的各階段工作在共享數(shù)據(jù)庫上并發(fā) 進行，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅動的并行工程。這種集成方式的優(yōu)點是在統(tǒng)一的產品數(shù)據(jù)模型指導下集成，數(shù) 據(jù)庫提供了強有力的數(shù)據(jù)建模、存貯、查詢、控制等管理功能。CAD/ CA& CAPiy CA麻統(tǒng)的集成技術是隨著產品數(shù)據(jù)交換技術的發(fā)展而發(fā)展的。在產品數(shù)據(jù)交換出現(xiàn)以前，CAD系統(tǒng)

20、只能采用松散的集成方式。隨著數(shù)據(jù)交換標準的出現(xiàn)，中性文件交 換數(shù)據(jù)逐漸得到應用。STE刖準的提出，第一步是要解決以文件交換為基礎的集成方式，第二步則是以共享數(shù)據(jù)庫的集成方式作為目標。STE明由國際標準化組織ISO制定的產品數(shù)據(jù)與交換標準，編號為ISO10303。2 .過程集成包括以并行工程哲理推動的CACAPP/CA幟叉并行設計，以及 DFX（DFM DFA）的研究與實施，其中DFM位在設計階段，充分進行可制造性分析、性能/價格比的成本分析等。CA/術的發(fā)展趨勢展望一、CA成術的發(fā)展趨勢CAD 技術作為成熟的普及技術已在企業(yè)中廣泛應用， 并已成為企業(yè)的現(xiàn)實生產力。 圍繞企 業(yè)創(chuàng)新設計能力的提高

21、和網(wǎng)絡計算環(huán)境的普及，CAD&術的發(fā)展趨勢主要圍繞在標準化、開放式、集 成化、智能化四方面。.標準化 除了 CAD支撐軟件逐步實現(xiàn)ISO標準和工業(yè)標準外，面向應用的標準構件 （零部件庫）、標準化方法也已成為CAD系統(tǒng)中的必備內容，且向著合理化工程設計的應用方向發(fā)展。傳統(tǒng)形式的手畫工程圖已經有了成熟的國際標準，相互都能理解。而存儲在磁盤、光盤上的形形色色的CAD二進制數(shù)字記錄，要想實現(xiàn)標準化就復雜、困難得多。從 80年代中期起， ISO國際標準化組織著手醞釀制訂這類標準，稱作ISO10303產品數(shù)據(jù)表達與交換標準，簡稱STEP它要涵蓋所有人工設計的產品，采用統(tǒng)一的數(shù)字化定義方法。由于STEP標準

22、涉及的面非常寬，眾口難調，標準的制定過程十分緩慢，存在問題很多。而在我國，CA而用工程的實施具有更加嚴密的組織領導體系，而且實際從事CAD應用軟件開發(fā)的單位相對比較集中，起步比國外晚，不存在要與過去開發(fā)的老系統(tǒng)保持兼容問題。如果我國采取主動貫徹 STE時極思想的方針，不糾纏于過分繁瑣的技術細節(jié)， 針對我國的現(xiàn)實需要和技術發(fā)展前景， 及早統(tǒng)一協(xié)調自主開發(fā)軟 件的數(shù)據(jù)模型，這將有助于推動國內 CA型的學術研究風氣，促進 CADC件開發(fā)水平的大幅度提 高。這種主動出擊的策略要比單純等待STEP 標準草案一版一版更新有利得多?；仡櫄v史， CAD和計算機圖形學的國際標準制定總是滯后于市場上的工業(yè)標準。C

23、AD產品更新頻繁。誰家產品的技術思想領先，性能最好，用戶最多，主導了市場，誰就是事實上的工業(yè)標準。CAD&術的發(fā)展不是一種 純學術行為，它是在高技術產品所固有的激烈市場競爭中不斷向前推進，永無止境。 CAD 軟件一般應集成在一個異構的工作平臺之上，為了支持異構跨平臺的環(huán)境， 就要求它應是 一個開放的系統(tǒng)，這里主要是靠標準化技術來解決這個問題。目前標準有兩大類：一是公用標準，主要來自國家或國際標準制定單位；另一是市場標準，或行業(yè)標準，屬私有性質。前者注重標準的開放性和所采用技術的先進性，而后者以市場為 導向，注重考慮有效性和經濟利益。后者容易導致壟斷和無謂的標準戰(zhàn)。通過總結這個領域幾十 年標準化

24、工作的經驗， 不少標準化專家已認識到存在的問題， 這已經成為進一步制定標準的障礙。 因此提出應對傳統(tǒng)的標準化工作進行革新。 有專家建議標準革新的目標是公用標準應變成工業(yè)標 準， 也就是說革新后仍應以公用標準為基礎， 不過要從工業(yè)標準中吸收其注重經濟利益和效率的 優(yōu)點。另外，也有人提出現(xiàn)在制定標準的單位很多，但是標準制定過程卻沒有標準，這也是標準 革新過程中值得考慮的問題。這些觀點對我國制定CA麗準也許有所啟迪。.開放性 CAD系統(tǒng)目前廣泛建立在開放式操作系統(tǒng)窗口95/98/NT和UNIX平臺上，在Java LINUX平臺上也有CADT品，此外CAD系統(tǒng)都為最終用戶提供二次開發(fā)環(huán)境，甚至這類 環(huán)

25、境可開 發(fā)其內核源碼，使用戶可定制自已的CAD系統(tǒng)。 集 成 化 CAD 技 術 的 集 成 化 體 現(xiàn) 在 三 個 層 次 上 ： 其 一 是 廣 義 CAD 功 能 CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/E RPi多種集成形式成為企業(yè)一體化解決方案，推動企業(yè)信息化進程。目前創(chuàng)新設計能力（CAD與現(xiàn)代企業(yè)管理能力（ERP PDM的集成，已成為企業(yè)信息化的 重點；其二，是將CADK術能采用的算法，甚至功能模塊或系統(tǒng)，做成專用芯片，以提高CAD系統(tǒng)的效率；其三是 CAD1于網(wǎng)絡計算環(huán)境實現(xiàn)異地、異構系統(tǒng)在企業(yè)間的集成。應運而生的虛擬 設計、虛擬制造、虛擬企業(yè)就是該集成層次上的應用。國

26、際CA而品系統(tǒng)開發(fā)的另一個趨勢是在全球范圍內優(yōu)選最成功的功能構件，進行集成。至今最成熟的幾何造型平臺有兩家：Parasolid和ACIS;幾何約束求解構件有一家，它的主要產品是2D和3D DCM我國開發(fā)的機械 CAD用系統(tǒng)已經部分采用 ACIS和Parasolid 平臺，這 是合理的。但是國際上近來又有一種思潮，要求軟件開發(fā)自由化，以免受制于一、二家公司壟斷 性產品的束縛。這就是選用 Linux 操作系統(tǒng)以及在它基礎上開發(fā)各種共享軟件，開放源程序。我 國也在醞釀自主開發(fā)因特網(wǎng)、操作系統(tǒng)、以及各種辦公的國產化系統(tǒng)。這時，自研制幾何造型通 用平臺和各種功能構件也將提上議事日程，我們要及早做好準備。

27、.智能化設計是一個含有高度智能的人類創(chuàng)造性活動領域，智能CAD CAD發(fā)展的必然方向。從人類認識和思維的模型來看，現(xiàn)有的人工智能技術對模擬人類的思維活動（包括形象思維、抽象思維和創(chuàng)造性思維等多種形式）往往是束手無策的。因此，智能CAX僅僅是簡單地將現(xiàn)有的智能技術與CAW術相結合，更要深入研究人類設計的思維模型，并用信息技術來表達和模擬它。這樣不僅會產生高效的CAD系統(tǒng)，而且必將為人工智能領域提供新的理論和方法。CAD勺這個發(fā)展趨勢，將對信息科學的發(fā)展產生深刻的影響。二、CADU術研究開發(fā)熱點1 計算機輔助概念設計一方面， 根據(jù)有關的統(tǒng)計資料表明， 產品工本費的 70 是在產品設計階段決定的。

28、同時， 一旦概念設計被確定下來， 產品設計的 6070也就被確定下來。尤其需要提及的是，即使詳細設計再好，也難以彌補概念設計階段所出現(xiàn)的缺陷。還有產品的創(chuàng)新及其所具有的競爭能力基本上也是在概念設計階段就被確定下的。 故概念設計是設計過程中一個非常重要的階段， 它已成為企業(yè)競爭的一個制高點。因此計算機輔助概念設計愈來愈受到重視。但另一方面，在概念設計期間，所涉及的設計需求和約束的種種知識，往往是不精確的、近似的或未知的，也就是說復雜性很高，這給CAD技術帶來很大的難度。概念設計的過程主要是評價和決策的過程，它涉及到產品功能、動作和結構等因素，它對產品的價格性能、可靠性、安全性等等起決定性的影響作

29、用。正因為應考慮的因素和目標是多方面的。因此評價和決策過程是一個很復雜的，難度很大的過程。目前計算機輔助概念設計的方法可分為兩大類：即自動生成方案和交互生成方案。當然，應用時這兩種方法可以混合使用。（ 1）自動生成方案 目前主要采用人工智能技術。為了使計算機有效地支持概念設計活動，需要解決兩大難題。即建模問題和推理問題：A.前者是對產品的功能、動作和結構諸因素之間相互影響的復雜關系進行建?；虮磉_。例如汽鍋的蒸汽閥門，基功能是防止汽鍋爆炸，它的動作是當檢測到一定的壓力差時， 它會自動打開，而其結構是所用的實際構件的布局及其連接關系，建模的結果提供推理用；B.而推理問題實際上就是生成和選擇合適的方

30、案。建模問題主要是建模的表示法，目前已提出各種各樣的表示法。如語言、幾何模型、圖形、對象、知識模型和圖象法等等，語言表示法屬于一種形式描述方法，它能保證計算機有效地進行推理， 稱為面向機器的表示法。 而圖象表示法是一種高可視化的表示法 （即可視化思維模型） ， 它側重于提供一種有助于輔助設計人員創(chuàng)新工作的建模環(huán)境，稱它為面向人的表示法，而上列其它表示法依次界于這兩者之間。盡管已有很多不同的建模表示法，但它們往往只支持描述概念設計的某一方面，缺少一種能描述概念設計各種因素的統(tǒng)一表示法，這正是下一步的目標。推理問題的重點是在轉換過程，即把用戶需求映射到實現(xiàn)所給需求集合的一些實際的結構上。難點在于產

31、生和選擇合適的映射方法。同樣也有很多推理方法支持概念設計活動，如神經網(wǎng)絡、基于實例的推理法、基于知識的推理技術、優(yōu)化、價值工程和定性推理等等。但目前也只能設計一些特定領域的例子，離全面應用還有差距。但從長遠來看，這方面的許多工作還應繼續(xù)進行。例如知識獲取是人工智能領域中一個大難題， 為了解活這一問題， 可以采用數(shù)據(jù)挖掘技術從已有的設計庫中自動獲取感興趣的領域知識。交互技術生成方案 由于概念設計的復雜性， 自動地生成合適的方案是很困難的。在自動生成和選比方案尚未成熟之前， 交互技術是重要手段。在概念設計階段可充分利用多媒體技術，如包括有效的信息搜索技術，以便在網(wǎng)上可查到大量對概念設計有用的設計例

32、子。又如研究協(xié)同概念設計技術，使群體成員易于參與概念設計，并作出積極的貢獻。2 、計算機支持的協(xié)同設計設計工作是一個典型的群體工作。群體成員既有分工，又有合作。 因此群體的工作由兩個部分組成： 一是個體工作， 群體成員應完成的各自分工的任務；另一是協(xié)同工作， 因為群體工作不可能分解為互相獨立的個體工作，群體成員之間存在相互關聯(lián)的問題。一般稱為接口問題，接口難免會出現(xiàn)矛盾和沖突，如不及時發(fā)現(xiàn)和協(xié)調解決，就會造成返工和損失。傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)只支持分工后各自應完成的具體任務，至于成員間接口問題，計算機不能支持， 主要靠面談或某種通訊工具進行討論并加以解決。 但這些方式很難做到及時并充分地協(xié)商和講討論

33、。 因而一項大的設計任務接口問題難免要出差錯，這正是為什么設計工作會出現(xiàn)不斷反復、不斷修改這一過程的主要原因。計算機支持的協(xié)同設計是計算機支持的協(xié)同工作（CSCW技術在設計領域的一種應用。用于支持設計群體成員交流設計思想、講討論設計結果、發(fā)現(xiàn)成員間接口的矛盾和沖突，及時地加以協(xié)調和解決，減少以至避免設計的反復，從而進一步提高設計工作的效率和質量。協(xié)同設計倍受人們的關注，已有不少原型系統(tǒng)，也有一些產品已在市場上出售了。已有工作中，有些屬基礎性工作，如建模、系統(tǒng)結構、適用于CSCW勺支撐環(huán)境等等。但從建立實用協(xié)同設計 系統(tǒng)的角度來說，主要面臨如下三大問題：群體成員間多媒體信息傳輸 目前在局域網(wǎng)上通

34、訊方法已較成熟， 但在遠程網(wǎng)上，交換數(shù)據(jù)時，異步傳輸，現(xiàn)有網(wǎng)絡平臺問題不大，但實時交換數(shù)據(jù)問題較多。首要的是傳輸媒體的選擇問題，即基于公用網(wǎng)（如WWW還是基于專用網(wǎng)（如語音傳輸可借用電話專線，又如租用ISDN總線）。目前多數(shù)研究是集中在公用網(wǎng)Internet和Intranet上。但商品開發(fā)上更多考慮專用線。從實用效果來說，公用網(wǎng)效果較差，而專用線雖然效果好些，但價格太高。（ 2）異構平臺參與協(xié)同設計的成員是分散在各地，且設備條件多種多樣。因此，實用的協(xié)同設計系統(tǒng)必須能在異構環(huán)境中運行， 包括數(shù)據(jù)傳輸、 工具集成， 還有跨平臺的交互界面，這主要依靠標準化工作來解決異構環(huán)境問題，目前普通采用的是C

35、ORBA JAVA技術和通信領域的標準等。不過這類技術目前對CSCW勺支持還有不足之處，有待增強功能。至于跨平臺的交互界面的 研制，雖有不少進展，但是至今尚未見到支持它的工業(yè)標準。人人交互應該說支持設計群體人員間的人人交互是協(xié)同設計的核心問題之一，特別是目前自動發(fā)現(xiàn)矛盾和沖突，并進行自動協(xié)同和解決的技術還不成熟，因此人人交互的手段尢為重要。當前，最為普遍的是利用電子會議（包括白板、語音、視頻等等工具）支持成員間進行討論，它比較適用于交流設計思想，不過用它來討論設計結果就很費勁，共同修改設計結果就更不可能了。目前討論設計結果主要是依靠應用共享這一工具，這一工具能夠達到一人對一個CADX具進行操作

36、，其它成員均能在自已的終端上看到操作過程和結果。這個工具也可以和電子會議系統(tǒng)集成，用語音等工具進行討論，但應用共享最大的問題在于對于沒有源程序的CAD工具，一個時刻只允許一個人操作，其它人希望操作必須事先申請，獲準并在當前操作者退出后方可操作，故很不方便，成員間不能直接互操作，這是需要進一步解決的問題。總而言之，協(xié)同設計系統(tǒng)的現(xiàn)狀是局域網(wǎng)已達到實用階段，在異步工作方式下，遠程協(xié)同設計問題也較小，但遠程實時工作方式下，特別是基于公用網(wǎng)，尚處實驗階段，當然整個協(xié)同設計系統(tǒng)離成熟階段尚有一定距離，很多問題有待解決。3、海量信息存儲、管理和檢索CAD系統(tǒng)處理的信息愈來愈多，而且是多媒體信息。盡管磁盤容

37、量增長速度很快，但仍遠不能滿足信息量快速增長的需求。海量信息的存儲、管理和快速檢索已成為世人矚目的問題。這除了依靠硬件來解決問題外，DBM混一重要技術，實踐證明，傳統(tǒng)的關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)口8仙已難已適應要求而采用面向對象和關系相結合的模型可能是個過渡的解決方案。4、 設計法研究及其相關問題 設計工作是項復雜的且知識密集的群體活動， 為了提高效率必須遵循某種正確的設計方法，雖然設計方法學的研究已有半個多世紀了，但針對CAD勺設計法卻是最近才有的， 稱為正規(guī)設計流程法， 它不僅讓我們知道設計是一種流程， 還為開發(fā) CAD工具提供了依據(jù)， 因此了解和識別設計過程的不同方面 （即不同的設計活動） ，

38、是開發(fā)新一代 CAD 系統(tǒng)的關鍵。現(xiàn)在已出現(xiàn)許多設計流程法。過去常用的是自頂向下、自底向上的自然可行方法，但這種方法只適用于詳細設計階段。 現(xiàn)在為了支持整個設計工作，設計法的研究重點應在支持概念設計方法和協(xié)同設計方法之上。例如，新的CAD系統(tǒng)可消除許多由于距離和時間所造成對工作方法和組織的限制，協(xié)同設計面臨的不但有人-機交互、還有人-人交互，因而CAD勺過程更復雜了，盡管人們都在期望提供一種靈活的，可移動的、安全可靠的遠程協(xié)同設計環(huán)境，但如果沒有正確的方法來指導，將很難達到預期的效果。目前企業(yè)的組織基本上是一種很嚴謹?shù)膶哟谓Y構組織，在這種組織內民主有限，雖然它可防止出現(xiàn)人多嘴雜和無休止爭論的現(xiàn)象， 但它又束縛著人們聰明才智的充分發(fā)揮