浅谈计算机辅助概念设计的现状及发展方向

玄　刚

【摘 要】本文通过全面调研国内外产品设计研究现状,根据概念设计的特点,探讨了计算机辅助概念设计研究中存在的问题及以后的发展方向。

【关键词】CAD 计算机 CACD概念设计

CAD技术在提高设计效率和产品质量等方面贡献巨大,但此时的计算机辅助设计(CAD)主要解决了在计算和绘图等设计后续阶段对设计者的支持。而对于极富创造性的早期方案设计阶段的计算机支持至今没有取得实质性的进展。而目前的智能CAD系统,所采用的方法的理论基础一般是基于传统的人工智能的知识表示与推理方法,即逻辑思维为基础,其中多以知识工程和专家系统的方法实现。创造性如何在方案设计过程中体现一直是困扰设计理论研究工作者的棘手问题。

近年来,随着计算机图形学、多媒体技术、虚拟现实技术的发展以及CAD/CAM应用的深入,现代产品概念设计理论与技术的研究有了长足的进步。计算机辅助概念设计(CACD)已成为CAD/CAM和CIMS领域的一个研究热点。CACD是CAD领域的一个重要分支,它涉及设计方法学、人机工程学、人工智能技术、CAD技术以及认知与思维学等多种学科的知识。目前,CACD是一种辅助性的设计工具,随着功能的逐步强大,它必将越来越受到概念设计师的欢迎,从而最终取代传统的CAD系统。

一、计算机辅助设计的现状

目前的设计理论研究和设计工具的开发在详细设计、几何设计、制造自动化方面已经做了大量研究工作,开发了很多成熟的工具软件并应用在辅助设计绘图、设计计算、制造加工、工艺规划等方面,取得了极大的经济效益,例如,CAD/CAM/CAPP等方面的工具软件。但是这些软件技术大都是在拟定了设计大体方案之后才可以进行的几何设计和工艺设计,需要设计者有相当的设计经验、了解客户期望以及制造工艺和过程,能够成功地进行初期设计(概念设计)。而经验不足的设计者在概念设计阶段就必须得到各领域有经验设计者的协助,并且很可能因为某个错误而重复设计,造成很大的成本浪费。所以目前很多学者在概念设计智能化研究以及概念设计与其它设计工具的集成等方面进行理论和方法的研究。

在开发辅助工具方面,人们借助人工智能技术和数据库技术来推动概念设计的智能化。Adzhiev提出面向代理的方法,有利于并行设计环境下使各种设计变量保持高度一致性。Tabel-Bendiab应用基于实例推理和机器学习的技术,学习设计实例,并存储起来。Li利用定性启发式搜索方法,辅助机构的概念设计。在基于计算机的设计环境方面,Twent建立了一个机电一体化产品的设计支撑环境,支持多模型状态。Tomiyama利用大型数据库建立了一个概念设计开发环境。Sharpe主持开发的环境着重于集成,同时利用了超媒体和超文本技术。在国内,有人提出了基于设计目录的原理方案求解和基于知识的原理方案设计专家系统等方法与技术的计算机辅助原理方案设计。许多学者从工程设计方法学中概念设计的定位出发,提出层次概念模型、基于广义特征的概念模型、工程设计概念模型、基于功率键图的概念设计等。许多学者将他们在产品结构设计、装配设计等方面的研究成果加以拓展,应用在概念设计过程,提出以支持变量特征和概念设计为标志的各类产品模型,如基于特征关联语义的模型、基于变动特征的模型、信息基因模型、生成型特征设计模型等建模方法。

机械产品的概念设计的发展方向是计算机辅助实现、智能化设计,但由于产品概念设计阶段计算机实现的研究起步较晚,目前还没有成熟的、能够达到上述目标的概念设计工具软件。

从国内外的机械产品基于功率键图的概念设计等,许多学者将他们在产品结构设计、装配设计等方面的研究成果加以拓展,应用在概念设计过程,提出以支持变量特征和概念设计为标志的各类产品模型,如基于特征关联语义的模型、基于变动特征的模型、信息基因模型、生成型特征设计模型等建模方法。

机械产品的概念设计的发展方向是计算机辅助实现、智能化设计,但由于产品概念设计阶段计算机实现的研究起步较晚,目前还没有成熟的、能够达到上述目标的概念设计工具软件。

二、计算机辅助设计的发展方向

从国内外的机械产品计算机辅助概念设计的研究现状来看,目前多数集中在概念设计建模方面的研究上,也即主要集中在概念功能和概念形状设计建模上。从发展趋势而言,概念设计今后的研究重点或方向,主要集中在两个方面:一方面,是支持概念设计的计算机技术的研究,如计算机辅助概念设计信息建模技术及其相关推理技术的研究。另一方面,是概念设计与其它设计阶段集成的研究,如概念设计与结构设计、详细设计、工艺设计等实现无缝集成,计算机辅助概念设计与其它计算机辅助工具的集成,从而建立支持从概念设计到工艺设计全设计过程的计算机辅助设计环境。

计算机辅助概念设计作为产品设计的一个重要组成部分,必然与上述发展趋势相一致,因此,建立统一的设计模型将是计算机辅助概念设计的重点研究内容之一。目前,在集成方面的研究上,主要借助于数据库中间环节或通过映射方式等得以实现,今后,实现计算机辅助概念设计与其它设计阶段无缝集成,在产品设计过程中对减少设计误差、提高设计效率等必将具有重要作用。此外,在概念设计中考虑制造、成本等其它因素的并行设计,以及不同设计者之间或不同地域之间的协同设计,将是计算机辅助概念设计符合发展趋势的另一项研究内容。

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