基于智能CAD的机械结构模型和发展趋势分析

钱林权，张 钦，林云峰

(丽水学院机械工程学系，浙江 丽水323000）

CAD为Computer Aided Design的缩写，直接翻译为计算机辅助设计，通常是用计算机和一些特殊设备帮助处理设计中的大量计算，以便更快地确定出一个最佳的设计方案。在实际的机械结构模型等设计过程中，设计人员可以把基本的文字和图形都储存在计算机中，一般情况下，设计人员在做出草图之后，计算机就可以把草图直接转变为工作图，这种利用计算机的处理，不但速度很快，做出工作图之后，设计人员对工作图的修改也很方便。智能CAD是在普通CAD的基础上，利用人工智能等高级的技术使CAD在工作的过程中，具有一定的智能化。目前智能CAD经过了多年的发展，已经在机械设计等领域广泛的应用。随着技术和计算机的更新换代，智能CAD也在不断的发展，使用智能CAD设计机械结构模型也变得越来越简单。

1 智能CAD的概念

1963年SKETCHPAD-A被人们提出，SKETCHPAD-A是一种人机对话系统，通过这套系统初步的实现了图形的显示和修改，这是公认的第一次CAD概念的提出。到了20世纪60年代，一些已经具有CAD功能的系统被人们开发出来。70年代时，就出现了商业化的CAD系统，但是受当时技术的限制，那时的CAD系统都是以小型机为基础的，而且CAD的功能也非常有限。到了80年代，随着互联网的出现，CAD软件已经变得很成熟了，随后CAD软件开始支持网络和智能设计。

智能CAD的概念的提出从一定程度上说也是工业发展的需要，在CAD提出的初期，在很大程度上提高了设计人员的制图效率，但是随着经济的发展，工业上需要更多的小批量的生产，产品也变得越来越复杂，对产品的质量和性能等要求也越来越高，这样简单的CAD已经无法满足设计者的需求。在需求的推动下，CAD又衍生出了计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助工艺设计（CAPP）、计算机辅助工程（CAE）、计算机集成制造系统（CIMS）、虚拟制造（VM）等。由此可以看出，随着时间的推移，CAD一直在向智能化转变，目前的智能CAD系统已经能对设计者在设计的整个思维过程进行帮助，极大程度地提高了生产的效率，波音公司的波音777客机成为了第一个应用智能CAD设计成功的商业客机，这也标志着机械结构模型的设计已经开始进入了无纸化、智能化的时代。

目前的智能CAD系统一般都是运用专家系统或人工神经网络两种人工智能技术。其中，专家系统是在知识系统的基础上衍生的，主要是利用计算机对知识进行获取和处理的技术，在实际的应用过程中，就是先把专家的知识和经验输入计算机中，这和普通的问题求解系统有着本质的区别：普通的问题求解系统是没有智能化的，而这个系统可以最大程度上模拟专家处理问题，在设计人员处理的过程中，这个系统会给设计人员进行提示，指出当前设计中存在的一些问题，并对下一步的工作提出建议，其一般由知识库、推理机、知识获取系统和解释机构等构成。

人工神经网络是最近几年才发展起来的一种智能CAD系统，这种系统是模仿人类神经元建立的，在人工神经网络系统中，大部分的变量都是可以调节的，对信息的存储也是分布式的，与专家系统相比，人工神经网络的适应能力和容错能力都要强很多，同时还具有一定的自组织能力，现在的人工智能网络在机械结构模型设计的领域还存在很大的局限性，如何把人工神经网络应用到机械结构模型的设计中也是目前很多相关人员研究的一个重点。

2 当前的智能CAD系统的结构

在机械结构模型设计领域，智能CAD的出现无疑给设计者带来了很大的方便，智能CAD系统的结构和传统的CAD结构相比，除了要具有工程的图形和数据库外，还要具有一个专家系统的知识库和对图形、数据、知识的管理系统，如图1所示的就是一个基本的智能CAD系统结构示意图。

图1 智能CAD系统示意图

由于智能CAD系统要比传统的CAD系统庞大很多，在数据的处理过程中也更加的复杂，尤其是在专家系统的处理过程中，对专家知识的要求和问题求解的过程要求很高，只有各个模块严谨的配合，才能顺利的完成机械结构模型的设计任务。在这个专家系统的智能CAD系统中，专家系统应该能够像人一样，拥有自主学习的功能，通过这种学习，不断的对系统的知识水平进行提高，在智能CAD系统中，能够自主学习的专家模块是这个系统的核心，而要想实现CAD系统的智能性，黑板模型和设计模型是两个关键性的技术。

在实际的机械结构模型设计中，不同用途的模型对设计的要求也不同，工业部件已经广泛应用到各个领域，机械结构模型涉及的范围越来越大，在一些大型的机械结构模型中，往往把整个模型的图纸分成几个部分，而每个部分涉及的知识领域也可能大不相同。由于对机械结构模型设计难度越来越高，对智能CAD系统的要求也相应变大，而黑板模型的引入就解决了这种问题。黑板模型的提出最初是应用在语音系统中，随着技术的发展，黑板模型慢慢的演变成了一种求解的模型，在黑板模型中，对问题的求解不是单纯的求得问题的最终解，而是把复杂的问题分成几个部分，对每个部分都求出一个解，然后把这些解组合起来，得出一个最优的解。

由以上对黑板模型的分析可以看出，黑板模型很适合对一些大型、复杂的机械结构模型进行计算，黑板模型通常由知识源、全局数据库和控制结构组成，在黑板模型中，知识源不是作为一个整体存在的，而是把不同类别的知识分成不同的部分，对知识的存储也是分布式的，在机械结构模型的设计过程中，涉及到某部分的知识时，这部分的知识就会被调用，对机械结构模型的部分进行处理，通过知识源不同部分对机械结构模型不同部分的求解，最终组合出一个最优解，在对机械结构模型的处理过程中，知识源虽然进行分布式的存储，但是各个部分是可以进行通讯的，这样所有的知识源就组成了一个全局的数据库，在黑板模型中，不同的知识源对模型进行处理时，还需要一个控制模块对知识源进行调度，这个控制模块就是控制结构，目前使用的专家智能CAD系统，大多都使用黑板模型进行问题的求解。

在专家系统的智能CAD中，设计模型通常都是对模型的又一次设计，在对机械结构模型进行设计时，首先要对模型进行分解，把整个机械结构模型分解成功若干个独立的小模型，对于这些小模型的设计就会简单很多，当每个独立的小模型设计完成之后，就可以把这些小模型组合起来，最后完成整个机械结构模型的设计，这种小模型的设计过程，通常被成为迭代设计，在对小模型的设计过程中，一般都采用启发式的设计，用逻辑或设计出多种方案，每设计出一个机械结构模型方案，就通过人工智能系统对设计出的方案进行分析，直到选择出一个最适合的设计方案，对于分成的小机械结构模型设计出方案分析，就要由智能CAD中的专家系统进行分析，这个专家系统中应该包括机械结构模型的各种标准，.对机械结构模型的衡量准则等也输入到系统中，只有这样才能得出一个最优的设计方案。

3 智能CAD的发展趋势

智能CAD的提出最早可以追溯到上世纪70年代，在智能CAD被提出之后，就一直受到人们的关注，尤其是随着工业设计的发展，越来越多的人工智能设计者和CAD设计者开始研究智能CAD系统，目前的智能CAD系统已经在各个领域中广泛应用，但是随着集成电路的纳米化、机械结构模型的复杂化等，都要求智能CAD自身不断的发展，通过研究可以发现，智能CAD未来的发展趋势是3个I和一个S，即集成化（Integrated）、网络化（Internet work）、人机交互化（Interactive）和标准化（Standard）。

3.1 集成化

在CAD系统被提出的初期，CAD与其衍生出的CAM、CAPP、CAE等都是独立应用的，虽然有很多软件把这几种系统都集合到一起，相互之间也可以进行一定程度上的调用，但是这种简单的把几个系统集合到一起还不能称为集成，真正意义上的集成化应该包括不同系统之间功能的集成、信息的集成、过程的集成和动态联盟企业的集成，目前的CAD衍生系统中，CIMS把CAD和CAM很好的高度集成到一起，但是随着工业技术的发展，只把CAM和CAD进行集成已经无法满足目前机械结构等模型设计的需求，必须把CAPP、CAM、CAE、VM等进行高度的集成，才能完成未来机械结构设计的需求。这种集成化不但能提高机械结构模型设计的效率，而且对CAD的智能化也会有所提高，由于CAD和CAM等开发的初期，都是按照自身的路线发展，CAM和CAPP等自身都有一定的智能化系统出现，如果把这些系统集成到一起后，不同的智能化系统之间也可以进行一定的互补。

3.2 网络化

随着互联网的发展，各种技术和系统都有网络化的发展趋势，在网络化之后，各个系统之间进行协同作业，例如把智能CAD进行网络化之后，不同智能CAD系统之间的知识库和数据库等都可以进行共享，CAD的智能化将会提高到一个新的层次，不同的机械结构模型设计人员在进行设计时，也可以进行协同设计，传统的机械结构模型往往都是由一个设计人员进行全程的设计，这种设计效果必然会受到这个设计人员自身素质的影响，如果把智能CAD进行网络化连接之后，那么多个机械结构模型设计人员就可以进行协同设计，这样设计人员之间的缺点可以进行一定程度上的互补，除了可以利用智能CAD进行协同设计之外，还可以利用网络化建立一个企业联盟，通过互联网上的需求关系，对市场的反应也能够更加的迅速。

3.3 人机交互化

由于智能CAD系统面向的是机械结构等模型的设计者，换而言之，智能CAD系统的使用者是人，所以人机交互化也是未来智能CAD发展的一个趋势，目前的智能CAD系统中，人机交互还是利用简单的鼠标和键盘进行输入，显示器和打印机进行输出，这样的人机交互形式单一，效率也比较低，而且要想使用现在的智能CAD系统，必须具有足够的设计知识才能进行使用，如果把人机交互化变的更加友好、高效、多样，那么CAD的智能化也会相应的提高，在用户接口更加拟人化之后，一些没有CAD专业知识的用户，也可以进行一些简单的设计，而专业的模型设计者使用起来，将会变得更加简单和方便。

3.4 标准化

目前开发CAD软件的公司有很多，其中应用最广泛的是美国Autodesk公司开发的AutoCAD软件，而在智能CAD软件领域中，目前大多都是针对性很强的软件，如针对服装和具体的机械构件模型的智能CAD软件，而这些不同的智能CAD软件之间，目前还没有一个明确的国际化标准，虽然我国在很早就颁布了CAD制图的国家标准，但是由于CAD制图的范围越来越广，模型的设计人员越来越繁杂，国家的制图标准执行的不理想，尤其是随着我国经济与国际接轨，在机械结构等模型设计的领域越来越多的与国外合作，制图标准的不统一已经成为了重要的问题，为了适应未来智能CAD发展的需求，制定国际通用的CAD制图标准，已经成为了智能CAD发展迫切的需求。

4 结束语

智能CAD的概念在上世纪就被提出了，经过了这么多年的发展，已经在机械机构模型设计等领域得到了广泛的应用，而且随着其在工业设计中的使用，智能CAD自身也在不断的发展，越来越多成功利用智能CAD制造出实物的案例表明，智能CAD必然是未来机械结构等模型设计使用的工具，而智能CAD为了满足越来越繁杂、精细的工业设计，其自身也将会向集成化、网络化、人机交互化和标准化方向发展。

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