计算机辅助设计

⑦ CAD系统的集成化 CAD系统的集成化是将CAD和CAM集成为一个CAD/CAM
系统。在这种系统中，设计师可利用计算机，经过运动、动力、 应力分析，确定零部件的合理结构形状，自动生成工程图样文 件，存放在数据库中。再由CAD/CAM系统对数据库中的图形 数据文件进行工艺设计及数控加工编程，并直接控制数控机床 去加工制造。
人工神经网络具有下列特征： a.它包含大量的人工神经元，提供了大量可供调节的变量； b.信息是分布式存储的，从而提供了联想与全息记忆的能力； c.具有高度的自适应能力，高度的容错能力，很强的计算能力
以及自组织能力。
人工神经网络已在语音识别、模式分类、自动控制等领域取 得了比较成功的应用，在工程设计中的应用正在不断地研究发 展，如基于人工神经网络的机械设计领域知识表达方法的研究， 智能系统的知识自动获取、基因遗传算法的原理在机械工程中 的应用。
目前，神经网络和专家系统有联合起来的趋势，神经网络也 可设计成某种专家系统，实现专家系统的功能。基于神经网络 的专家系统在知识获取、并行推理、适应性学习、联想推理、 容错能力方面明显优于传统的专家系统。
③ 基于特征的设计 特征设计是用易于识别的、包含加工信息的几何单元(如孔、
槽，倒角等)来取代以往设计中所用的纯几何描述(如直线、圆 弧等)。
6、智能计算机辅助设计系统
（1）智能计算机辅助设计系统的基本组成 智能CAD系统是将人工智能原理和CAD技术用于工程设计
的程序系统，它拥有丰富的机构设计公有知识和设计数据资料， 同时拥有众多领域专家的个人经验知识。在设计时，能够模仿 人类专家进行创造性设计，并具有自学习功能，能不断地总结 成功经验，不断地吸取人类专家的知识，来补充自己的知识， 提高自己的创造性能力。
与传统的机械设计相比，CAD技术都有着巨大的优越性。
主要表现在： ① CAD可以提高设计质量。 ② CAD可以节省时间，提高生产率。 ③ CAD可以较大幅度地降低成本。 ④ CAD技术将设计人员从繁琐的计算和绘图工作中解放出
来，使其可以从事更多的创造性劳动。
（2）计算机辅助设计的研究热点及展望 CAD技术现今及将来会在以下几方面进行重点研究，并将
⑤ NURBS几何构型技术 NURBS（Non-Unifrom Rational B-Spilnes,即非均匀有理B
样条曲线)在CAD中用来定义复杂的几何曲面。运用NURBS技 术可以使系统在描述自由曲线、曲面以及精确的二次曲线、曲 面时，能够采用统一的算法和表示方法。用NURBS技术构造 的曲面易于生成、修改和存储，为系统提高对曲面的构造能力 和编辑修改能力打下了基础。
① 建立完备的产品设计数据库。产品设计数据库是用来存 储设计某类产品所需的各种信息，如标准、规范、公式等。
② 建立完备的应用程序库。即将解决某一类工程设计问题 的通用及专用设计程序，如优化程序、有限元程序等。
③ 建立多功能交互式图形库。利用图形库可以进行二维及 三维图形的信息处理，能在此基础上绘制工程设计图，建立标 准件库、零部件库等图形处理工作。
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⑧ 面向对象的设计方法 面向对象方法是分析问题和解决问题的新方法。其基本出发
点就是尽可能按照人类认识世界的方法和思维方式来分析和解 决问题。
客观世界是由许多具体的事物或事件、抽象的概念、规则 等组成的，我们将所要研究的事、物、概念等都称为对象。面 向对象的方法正是以对象作为最基本的元素，作为分析问题、 解决问题的核心。
取得进展。 ① 参数化设计 用CAD方法开发产品时，零件设计模型的建立速度是决定整
个产品开发效率的关键。 产品开发初期，零件形状和尺寸有一定模糊性，要在装配验
证、性能分析和数控编程之后才能确定，这就希望零件模型具 有易于修改的柔性。
参数化设计方法就是将模型中的定量信息变量化，使之成为 任意调整的参数。对于变量化参数赋予不同数值，就可得到不 同大小和形状的零件模型。
5、计算机辅助设计
（1）基本概念和特点
计算机辅助设计（Compater Aided Design——CAD）是指
在设计活动中，利用计算机作为工具，帮助工程技术人员进行
设计的一切适用技术的总和。
计算机辅助设计是人和计算机相结合、各尽所长的新型设
计方法。一个好的计算机辅助设计系统既能充分发挥人的创造
性作用，又能充分利用计算机的高速分析计算能力，找到人和
② 系统具备相应的设计资料数据库和计算分析程序库，还应 有图形支撑系统和文件产生系统。
③ 系统具有自学习能力，即能够不断地总结经验，自动地从 知识库将过时的、不合理的知识删除掉，并能不断地吸收新的 知识。这就要求系统的知识库具有开放性和灵活性。
一个典型的智能CAD系统的组成如图1-6所示。
领域专家
（2）人工智能技术与智能设计系统
专家系统、人工神经网络是人工智能的两个应用分支，由此 而出现了不同特点的智能设计系统，即基于专家系统、人工神 经网络和体现复合智能的神经网络专家系统的智能设计系统。
人 专家
人
工
系统
基于专家系统 的智能设计系统
工智
智能 能基
+ CAD
基于神经网络 的智能设计系统
技
础 人工神
知识获取
专家系统部分
人机界面
知识库 模式性知识 数值分析法 规则性知识
自学习机
推理机
设计资料 数据库
逻辑推理 模式联想
分析计算
CAD部分
用户
图形交互 输入输出
绘图及文 件编写
动态 数据库
图1-6
由图1-6可知，一个智能CAD系统由以下几个部分组成： ① 知识获取，用来获取来自领域专家的知识；
② 知识库，用来存放各种知识，工作时与推理机交换信息； ③ 自学习机，在推理过程中进行学习，将得到的新知识不断充 实知识库，并删除知识库中过时的知识； ④ 人机界面，是用户与系统的接口； ⑤ 绘图和文件编写，从中间数据库获取结果数据，采用交互或 自动化的方式产生图样和设计文件； ⑥ 动态数据库，存放推理过程的中间结果、用户输入信息及最 终结果； ⑦ 推理机是整个系统的核心，其任务是将输入要求与知识库相 匹配，触发适用的规划，使有关结论得到执行。推理机要对各 组成部分实现控制，解决各结论之间的矛盾，对设计结束进行 评价和决策，最后得到最佳设计结果； ⑧ 分析计算部分，用各种程序进行计算和分析，给推理机提供 定量的评价和决策数据； ⑨ 设计资料数据库，存放大量的设计标准和参考资料，用来支 持分析计算、评价及决策过程。
术
理 经网络
论
基于神经网络专家 系统的智能设计系统
两个应用分支
不同特点的智能设计系统
①专家系统（Expert System——ES） 专家系统是一种计算机程序，是基于知识的智能程序，是
以专家的水平来完成一些重要问题的计算机应用系统。 专家系统的知识库存有相当数量的权威性知识，系统能运
用这些知识解决特定领域的实际问题、或模拟专家运用这些知 识通过推理作出智能决策。
算机的工作过程能尽量模似领域专家解决实际问题的过程。专 家系统在CAD作业中适时给出智能化提示，告诉设计人员下一 步该做什么，当前设计存在的问题，建议解决问题的途径；或 模拟人的智慧，根据出现的问题提出合理的解决方案。
专家系统是基于知识的系统，专家系统技术是知识获取、处
理和运用的技术。知识工程是专家系统技术的基础。专家系统 通常由知识库、推理机、知识获取系统、解释机构和一些界面 组成。
计算机最佳结合点。
CAD的过程为：先进行设计方案构思、工作原理拟定等创
造性的思维活动
然后将设计思想、设计方法经过综合、
分析，转换成计算机可以处理的数学模型
最后编写能解
析这些模型的计算机程序。
计算机辅助设计包括的内容很多，如优化设计、有限元分析、 计算机仿真、计算机绘图等。
在计算机辅助设计工作中，计算机的任务实质上是进行大量 信息的加工、管理和交换。在CAD作业过程中，逻辑判断、科 学计算和创造性思维是反复交叉进行的。一个完整的CAD系统， 应在设计过程中的各个阶段都能发挥作用。而要实现这一点， 就必须具备以下三个条件：
但专家系统具有两个缺陷： ①知识获取的“瓶颈”。 专家系统的智能水平很大程度取决于知识的数量和质量， 而实际工程设计中涉及的因素很多，很难建立一个完整全面的 关系模型。有些专家的经验知识、感性知识和潜意识里运用的 设计知识，要归纳和描述成计算机程序或基于规则的知识形式 非常困难，甚至不能实现。即使能用计算机程序来描述专家的 设计知识，相应的知识库也必然十分庞大，构造和维护非常不 易。 ②推理能力相对较弱。 专家系统的本质特征是基于规则的推理思维，由于逻辑推 理理论还不完善，推理方法简单，控制策略不灵活，当多个设 计专家的知识间发生矛盾或获取的知识间夹杂有很大干扰时， 容易出现匹配冲突、组合爆炸及无穷递归等问题，使专家系统 的处理能力受到很大影响。
参数化设计可以大大提高模型的生成和修改速度，在产品的 系列设计、相似设计及专用CAD系统开发方面都具有较大的应 用价值。
② 智能CAD 智能CAD是指通过运用专家系统、人工神经网络等人工智
能技术使在作业过程中具有某种程度人工智能的CAD系统。 专家系统是一个能在某个特定领域内，用人类专家的知识、
经验和能力去解决该领域中复杂困难问题的计算机程序系统。 专家系统不同于通常的问题求解系统，其基本思想是使计
实际应用中对象是人们要进行研究的“任何事物”。从最
简单的整数到极其复杂的自动化工厂都可以看作对象。对象的 概念是广义的,不仅能表示具体的实体，也能表示抽象的规则、 计划或事件。在CAD/CAM系统中，所定义的对象可以是用来 描述几何模型的点、线、面等，也可以是用来描述加工过程的 零件模型、加工特征、刀具类型、刀位指令等等。
智能CAD系统 =
⇕
能进行创造性设计、 具有自学习功能、不 断地总结成功经验
人工智能原理 +
⇕
CAD技术
⇕
具有众多领域 内专家的个人 经验、知识
具有丰富的机构 设计公有知识、 设计数据资料
智能CAD系统应具有下面的三个功能： ① 该系统能智能地支持设计者，即在知识库的支持下，系统 具有搜索、推理决策的能力，包括理解设计者的意图、设计条 件和约束，提出各种可行的设计方案及结构，能正确解释设计 者提出的问题，查找并改正设计错误。这就要求系统具有一个 内容丰富的知识库和一个进行理解推理和决策的模块。
特征的“语义”，使设计人员和工艺人员对同一特征有相
同的理解，并且特征定义显式地包含了所有几何和非几何信息。 因此，基于特征的设计更适合于CAD/CAM的集成和CIMS中的 建模需要。
④ 相关性设计 相关性设计为设计工作提供了极大的方便。用户无论是在什
么地方进行修改，系统会自动地更新与修改有关的内容。例如， 当用户在左视图上对某个尺寸进行修改，主视图、俯视图和三 维模型中相应的尺寸和形状会随之改变。反之，在三维模型设 计中的修改，同样会在三视图中得到改变。
⑥ 装配设计和管理 装配设计是指系统能够同时完成产品或装配部件的设计，
而不是个别零件的设计。 由于涉及到许多零件的装配关系，装配设计需要考虑的因
素复杂，具有装配设计功能的系统需要采用的技术和手段也较 多，如前面提及的特征设计、参数化设计、相关性设计等。对 于具有装配设计功能的系统还应能够提供有关装配方面的管理 能力，如装配零件逻辑关系、装配件干涉检查、生成装配材料 明细表、零件装配关系展开图等。
专家系统擅长符号处理和逻辑推理，特别适合于解决自动 计算、问诊和启发式推理等基于规则的问题。专家系统具有强 大的解释功能，对设计推理过程和结果作出解释，这种推理过 程的透明性有利于设计人员理解和使用系统的设计结果。
专家系统的知识库和推理机为系统的两大组成部分。知识 库的丰富和修正，不会涉及推理机的程序体，这使系统扩充方 便。
特征是构造零件的最基本的单元要素，它们能以较高的抽 象级别、不需要解释的方式来标示一个产品。它既反映零件的 几何信息，又反映零件的加工工艺特征信息。
例如，对孔的设计，非特征的系统常采用圆柱体与某个实
体进行逻辑运算来实现，计算机仅仅知道哪些部分没有材料而 已，并不能“认识”哪是一个孔。对基于特征的设计系统，孔 是一个特征，具有直径、长度、公差、表面粗糙度、位置等属 性，并包括它在装配图中的情况,每一个特征基本上对应一组加 工制造方法。