計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)論文1cad與caid計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)（cad），即利用計(jì)算機(jī)軟、硬件系統(tǒng)輔助工程技術(shù)人員或工程進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析、修改以及以交互式顯示或輸出的一種方法（手段），是一門(mén)多學(xué)科的綜合應(yīng)用技術(shù)。目前cad技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，而caid代表cad發(fā)展的最新方向，與cad有什么區(qū)別？傳統(tǒng)型cad的模式是“數(shù)值+計(jì)算”，主要面向于工程與技術(shù)。當(dāng)cad最初應(yīng)用到工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域時(shí)，只是簡(jiǎn)單的“cad+id”1。而現(xiàn)代高技術(shù)caid是cad技術(shù)與工業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是傳統(tǒng)型caid在基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以工業(yè)設(shè)計(jì)知識(shí)為主體在“推理”模式下進(jìn)行一系列創(chuàng)造性活動(dòng)的智能化系統(tǒng)。2與ca

2、id發(fā)展相關(guān)的制造技術(shù)2.1并行工程在經(jīng)濟(jì)全球化主導(dǎo)下，市場(chǎng)環(huán)境瞬息萬(wàn)變，為了適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的形勢(shì)，企業(yè)必須具備對(duì)市場(chǎng)變化作出快速反應(yīng)的能力?；谶@樣的環(huán)境下，以數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造和信息技術(shù)為依托的并行工程技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。并行工程是對(duì)產(chǎn)品及其相關(guān)過(guò)程（包括制造和支持過(guò)程）進(jìn)行集成地并行地設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化工作模式。傳統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程采用從設(shè)計(jì)到制造的串行模式，設(shè)計(jì)質(zhì)量低、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、設(shè)計(jì)成本高。而并行工程恰恰彌補(bǔ)了這一系列的缺點(diǎn)，并行工程的系統(tǒng)化工作模式在強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的集成化和并行化處理的同時(shí)，還要求設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)階段考慮產(chǎn)品全生命周期的所有因素，并與其他部門(mén)的設(shè)計(jì)師建立信任和通信機(jī)制，以減少設(shè)計(jì)過(guò)程

3、的反復(fù)和次數(shù)，提高設(shè)計(jì)效率，縮短開(kāi)發(fā)周期，保證產(chǎn)品質(zhì)量，從而產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益。2.2協(xié)同設(shè)計(jì)與敏捷制造協(xié)同設(shè)計(jì)以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、多媒體、通信技術(shù)為基礎(chǔ)，要求復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)中不同地理位置多個(gè)學(xué)科人員之間的互相協(xié)作，達(dá)到分布式資源合理地利用，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同模式的一種設(shè)計(jì)策略。同時(shí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、多媒體、通信技術(shù)的發(fā)展，使cscw（com-puter-supportedcooperativework）的實(shí)現(xiàn)成為可能，從而將在時(shí)間上間隔、空間上分布的團(tuán)隊(duì)工作人員組織起來(lái)，構(gòu)建共同完成某項(xiàng)工作的分布式計(jì)算機(jī)環(huán)境3。敏捷制造（agilemanufacturing）因網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的產(chǎn)生而興起，并隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展

4、?！懊艚葜圃臁钡母拍钭钤缭?991年由美國(guó)里海大學(xué)發(fā)表的“21世紀(jì)制造企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略”研究報(bào)告中被提出，也就是從適應(yīng)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)、響應(yīng)市場(chǎng)迅速變化的視角，創(chuàng)造性的構(gòu)想了一種依靠現(xiàn)代通信技術(shù)和信息技術(shù)的虛擬企業(yè)或動(dòng)態(tài)聯(lián)盟，以降低生產(chǎn)成本、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、減少生產(chǎn)周期為目標(biāo)，從而獲取競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的全新思維。協(xié)同設(shè)計(jì)與敏捷制造已成為現(xiàn)代產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重要工具，同時(shí)也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。2.3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)“虛擬現(xiàn)實(shí)”（virtualreality，vr）最早被提出是在80年代，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、多媒體、通信技術(shù)的發(fā)展，至90年代逐步受到重視而迅猛發(fā)展，在軍事和娛樂(lè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。而在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，由于

5、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的投資成本過(guò)高，應(yīng)用僅限于汽車(chē)和航空航天等大型工業(yè)產(chǎn)品的內(nèi)飾的人機(jī)交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)匯集了現(xiàn)代多媒體、人工智能、人機(jī)多維界面技術(shù)、傳感器技術(shù)等高科技，并通過(guò)人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、手勢(shì)或語(yǔ)言，建立人、機(jī)、行為一體化的信息空間，形成一種逼真的、動(dòng)態(tài)的、多維的虛擬模型。一些跨國(guó)集團(tuán)公司已試行分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，可在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，充分利用分布在世界各地的各種資源，協(xié)同進(jìn)行互動(dòng)性的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，甚至請(qǐng)顧客在融洽的氣氛中，共同探索產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。2.43d掃描技術(shù)隨著參數(shù)化特征造型技術(shù)的發(fā)展，一般用于正向設(shè)計(jì)的cad/cam技術(shù)已得到了較好的解決。但是在產(chǎn)品仿制、模具快速制造、人體器官?gòu)?fù)制等

6、諸多特殊領(lǐng)域，普通的造型手段已經(jīng)很難有效地解決問(wèn)題，因而迫切需要新型的造型方法。逆向工程技術(shù)正是在數(shù)字化與快速響應(yīng)制造這一大趨勢(shì)下應(yīng)運(yùn)而生的。20世紀(jì)90年代以來(lái)，逆向工程技術(shù)被放到大幅度縮短新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力的主要位置上。逆向工程技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)相當(dāng)成熟，為3d掃描技術(shù)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。3d掃描技術(shù)使設(shè)計(jì)人員能夠快速逆向工程，并隨時(shí)更新以前的設(shè)計(jì)。其中結(jié)構(gòu)光3d掃描技術(shù)已被運(yùn)用在汽車(chē)設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域，例如凱迪拉克公司利用這種技術(shù)在一周內(nèi)完成概念車(chē)從比例模型到全尺寸模型制造的全過(guò)程。2.53d打印技術(shù)3d打印技術(shù)是一個(gè)種類(lèi)繁多、發(fā)展迅速的巨大領(lǐng)域。其興起于上世紀(jì)90年代中期，

7、一直呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)，在世界制造業(yè)領(lǐng)域又一次掀起了變革的浪潮。3d打印技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，能夠“打印”出真實(shí)的3d模型。3d打印技術(shù)市場(chǎng)潛力空前，今后將是caid領(lǐng)域的主流高新技術(shù)之一?！案窭撞舨瑁瑹岬?。”這句話(huà)是星際迷航：下一代中盧克皮卡德艦長(zhǎng)對(duì)著墻上的終端設(shè)備說(shuō)的，幾秒鐘后，他選擇的飲品就出現(xiàn)在面前。這個(gè)虛構(gòu)的設(shè)備叫做“replicator”一種響應(yīng)即時(shí)需求、重組基本材料原子創(chuàng)造新事物的機(jī)器，這種能夠創(chuàng)造出改變分子結(jié)構(gòu)、憑空制造出物品的設(shè)備還需要我們進(jìn)一步探索。2.6caid與先進(jìn)制造技術(shù)的相關(guān)性現(xiàn)代產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)流程是一個(gè)并行的過(guò)程，并行工程是對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式的深刻變革。現(xiàn)代產(chǎn)品

8、開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)依靠先進(jìn)制造技術(shù)，基于開(kāi)放式的知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，在滿(mǎn)足客戶(hù)需求的前提下，全面考慮開(kāi)發(fā)時(shí)間、質(zhì)量、成本、服務(wù)、環(huán)境的關(guān)系，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有同類(lèi)產(chǎn)品、定位設(shè)計(jì)概念的分析，利用相似性推理出初步的解決方案。初步方案還需要完善，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為異地協(xié)同設(shè)計(jì)提供了便利渠道，為滿(mǎn)足產(chǎn)品并行開(kāi)發(fā)的要求，面向網(wǎng)絡(luò)化制造的虛擬技術(shù)為虛擬樣機(jī)和環(huán)境的制造提供了技術(shù)支持，能夠建立基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字化產(chǎn)品模型，并在虛擬環(huán)境下對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行人機(jī)交互性實(shí)驗(yàn)、評(píng)價(jià)并改進(jìn)設(shè)計(jì)。從利用知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)到最終推理出虛擬樣機(jī)的過(guò)程是往復(fù)循環(huán)的，這種無(wú)紙化開(kāi)發(fā)能夠以高效率最大限度縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。3當(dāng)前流行的caid技術(shù)分析當(dāng)前國(guó)內(nèi)

9、外caid的研究主要集中在計(jì)算機(jī)輔助思維技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助造型技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)以及計(jì)算機(jī)輔助管理技術(shù)等方面。3.1計(jì)算機(jī)輔助思維技術(shù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的前期對(duì)知識(shí)的需求與應(yīng)用程度較高。對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中的知識(shí)進(jìn)行分析、獲取與表達(dá),并構(gòu)建知識(shí)輔助的概念設(shè)計(jì)系統(tǒng),是目前cad技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)和概念設(shè)計(jì)領(lǐng)域研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)8?；诰W(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)（icaid）是以internet技術(shù)和caid技術(shù)為基礎(chǔ)，以工業(yè)設(shè)計(jì)的領(lǐng)域知識(shí)表達(dá)和應(yīng)用為主線(xiàn)，旨在解決工業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的知識(shí)輔助和知識(shí)應(yīng)用，以及各設(shè)計(jì)主體間協(xié)同合作等問(wèn)題，針對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程前期的概念產(chǎn)生、方案共享等設(shè)計(jì)要求而提出的具有一定的輔助設(shè)計(jì)功能、群體協(xié)

10、作功能、符合現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念的工業(yè)設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)。用戶(hù)可以根據(jù)需求進(jìn)入icaid系統(tǒng)中的功能模塊，來(lái)完成概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)預(yù)先規(guī)劃的流程，實(shí)現(xiàn)從抽象到具象的設(shè)計(jì)過(guò)程8。3.2計(jì)算機(jī)輔助造型技術(shù)（1）二維造型二維造型技術(shù)，即草圖設(shè)計(jì)技術(shù)，是隨著實(shí)體造型技術(shù)的發(fā)展,為滿(mǎn)足工業(yè)設(shè)計(jì)師傳統(tǒng)的手繪習(xí)慣而發(fā)展起來(lái)的。它是用來(lái)彌補(bǔ)傳統(tǒng)cad系統(tǒng)與工業(yè)設(shè)計(jì)之間鴻溝的有效手段。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)外已建立了一些基于草圖的cad系統(tǒng)11，如alias、pro/e、ug、solidworks等三維軟件都提供了有關(guān)產(chǎn)品早期設(shè)計(jì)的草圖模塊，coreldraw、photoshop、illustrator等二維軟件也被廣泛用于產(chǎn)品效果圖的繪制，

11、但符合設(shè)計(jì)師的創(chuàng)新思維、設(shè)計(jì)習(xí)慣等方面還存在一定的差距12。（2）三維造型工業(yè)設(shè)計(jì)包含了諸多設(shè)計(jì)領(lǐng)域，針對(duì)不同領(lǐng)域的三維造型軟件也有所不同。目前caid應(yīng)用軟件主要分為三類(lèi)，一類(lèi)是以產(chǎn)品效果圖的生成與顯示為目的的軟件，如3dmax、rhino、maya等；一類(lèi)是傳統(tǒng)的cad軟件中提供的工業(yè)設(shè)計(jì)模塊，如pro/e就包含了一個(gè)工業(yè)設(shè)計(jì)模塊，模塊中的核心子系統(tǒng)pro/design包含了用于概念設(shè)計(jì)的二維非參數(shù)化的裝配布局工具、用于概念分析的二維參數(shù)化布局工具和用于組件的三維布局模型；第三類(lèi)是相關(guān)的專(zhuān)業(yè)軟件，如渲染軟件、第三方插件等。3.3計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)目前發(fā)展迅速，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)

12、品的建模、分析、模擬仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)的信息技術(shù)。autocad、solid-works、pro/e等工程軟件具有良好的工程背景，在產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、材料、加工、成型、強(qiáng)度、裝配、檢測(cè)等方面有良好的輔助作用1，例如在整個(gè)汽車(chē)的開(kāi)發(fā)流程中，“classaengineering”工程段就需要利用工程軟件建立a級(jí)曲面，比較流行的有alias、icemsurf、ug、imageware/surfacer、catia等。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法要經(jīng)過(guò)多次反復(fù)過(guò)程，才能進(jìn)入最終生產(chǎn)階段。而計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)是在三維實(shí)體建模的基礎(chǔ)上，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行虛擬仿真與分析、虛擬環(huán)境下的人機(jī)交互性實(shí)驗(yàn)、虛擬制造，并進(jìn)行綜合評(píng)估13，最終得出最

13、優(yōu)解，這是一個(gè)不斷迭代的過(guò)程。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)省時(shí)省錢(qián)。3.4計(jì)算機(jī)輔助管理技術(shù)運(yùn)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)管理設(shè)計(jì)，構(gòu)建知識(shí)交流的管理平臺(tái)，有利于提高設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的工作效率，激發(fā)更具創(chuàng)意的解決方案。（1）設(shè)計(jì)協(xié)同作業(yè)中心：管理系統(tǒng)的核心，用于整合各系統(tǒng)之間的運(yùn)作。（2）設(shè)計(jì)專(zhuān)案管理系統(tǒng)：用于處理專(zhuān)案工作分配與指派，專(zhuān)案列管與統(tǒng)計(jì)以及高階主管決策與核定作業(yè)。（3）創(chuàng)意整合中心：包括創(chuàng)意知識(shí)庫(kù)、創(chuàng)意分析研究、創(chuàng)意歸納與管理及設(shè)計(jì)評(píng)比與考核。（4）資源整合中心：包括設(shè)計(jì)資料管理系統(tǒng)、企業(yè)資源管理系統(tǒng)、人力資源管理系統(tǒng)、設(shè)計(jì)供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)。（5）客戶(hù)資訊中心：crm客戶(hù)關(guān)系管理系統(tǒng)，包括客戶(hù)

14、資料庫(kù)、客戶(hù)需求分析、客戶(hù)溝通機(jī)制與客戶(hù)解答窗口4caid發(fā)展的趨勢(shì)caid代表著cad發(fā)展的新方向，工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)科本身的發(fā)展以及cad技術(shù)的發(fā)展都會(huì)影響到caid的發(fā)展，三者之間相互促進(jìn)。4.1工業(yè)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)分析在信息化時(shí)代，計(jì)算機(jī)軟硬件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了定制化商品服務(wù)的多元化，多元化的商品消費(fèi)模式使計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展更加系統(tǒng)化。因此，工業(yè)設(shè)計(jì)的發(fā)展將與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展同步。caid是工業(yè)設(shè)計(jì)在新時(shí)代的一種表現(xiàn)形式，虛擬環(huán)境下的互動(dòng)模式的caid是工業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，它將使工業(yè)設(shè)計(jì)朝著多元化、優(yōu)化、一體化的方向發(fā)展。4.2caid的發(fā)展趨勢(shì)分析caid作為工業(yè)設(shè)計(jì)尋求方案最優(yōu)解的過(guò)程中的工具，目前還存在很大的局限性，如何幫助人們進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)是亟待解決的問(wèn)題。開(kāi)放的人工智能數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是caid技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)，整個(gè)系統(tǒng)將覆蓋形態(tài)、色彩、人機(jī)、裝飾、評(píng)價(jià)、制造、裝配、管理、銷(xiāo)售、服務(wù)及消費(fèi)產(chǎn)品生命全過(guò)程，使設(shè)計(jì)、制造和使用一體化，更大限度地發(fā)揮設(shè)計(jì)師的創(chuàng)造力。通過(guò)人機(jī)交互，及時(shí)向設(shè)計(jì)師提出合理化建議或自動(dòng)改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率與設(shè)計(jì)質(zhì)量。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程與模式的發(fā)展是隨現(xiàn)代設(shè)