計算機輔助工業(yè)設(shè)計論文.doc

1、.計算機輔助工業(yè)設(shè)計論文1CAD與CAID計算機輔助設(shè)計技術(shù)（CAD），即利用計算機軟、硬件系統(tǒng)輔助工程技術(shù)人員或工程進行設(shè)計、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)計領(lǐng)域時，只是簡單的“CAD+ID”1。而現(xiàn)代高技術(shù)CAID是CAD技術(shù)與工業(yè)設(shè)計技術(shù)的有機結(jié)合，從本質(zhì)上來說是傳統(tǒng)型CAID在基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以工業(yè)設(shè)計知識為主體在“推理”模式下進行一系列創(chuàng)造性活動的智能化系統(tǒng)。2與C

2、AID發(fā)展相關(guān)的制造技術(shù)2.1并行工程在經(jīng)濟全球化主導(dǎo)下，市場環(huán)境瞬息萬變，為了適應(yīng)市場競爭的形勢，企業(yè)必須具備對市場變化作出快速反應(yīng)的能力?；谶@樣的環(huán)境下，以數(shù)字化設(shè)計、制造和信息技術(shù)為依托的并行工程技術(shù)應(yīng)運而生。并行工程是對產(chǎn)品及其相關(guān)過程（包括制造和支持過程）進行集成地并行地設(shè)計的系統(tǒng)化工作模式。傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)過程采用從設(shè)計到制造的串行模式，設(shè)計質(zhì)量低、開發(fā)周期長、設(shè)計成本高。而并行工程恰恰彌補了這一系列的缺點，并行工程的系統(tǒng)化工作模式在強調(diào)產(chǎn)品開發(fā)過程中的集成化和并行化處理的同時，還要求設(shè)計師在設(shè)計階段考慮產(chǎn)品全生命周期的所有因素，并與其他部門的設(shè)計師建立信任和通信機制，以減少設(shè)計過

3、程的反復(fù)和次數(shù)，提高設(shè)計效率，縮短開發(fā)周期，保證產(chǎn)品質(zhì)量，從而產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益。2.2協(xié)同設(shè)計與敏捷制造協(xié)同設(shè)計以計算機網(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)計中不同地理位置多個學(xué)科人員之間的互相協(xié)作，達到分布式資源合理地利用，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同模式的一種設(shè)計策略。同時計算機網(wǎng)絡(luò)、多媒體、通信技術(shù)的發(fā)展，使CSCW（Com-puter-SupportedCooperativeWork）的實現(xiàn)成為可能，從而將在時間上間隔、空間上分布的團隊工作人員組織起來，構(gòu)建共同完成某項工作的分布式計算機環(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)的進步而發(fā)

4、展?！懊艚葜圃臁钡母拍钭钤缭?991年由美國里海大學(xué)發(fā)表的“21世紀(jì)制造企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略”研究報告中被提出，也就是從適應(yīng)激烈的市場競爭、響應(yīng)市場迅速變化的視角，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)或動態(tài)聯(lián)盟，以降低生產(chǎn)成本、提高設(shè)計質(zhì)量、減少生產(chǎn)周期為目標(biāo)，從而獲取競爭優(yōu)勢的全新思維。協(xié)同設(shè)計與敏捷制造已成為現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)的重要工具，同時也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點。2.3虛擬現(xiàn)實技術(shù)“虛擬現(xiàn)實”（VirtualReality，VR）最早被提出是在80年代，隨著計算機網(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，在軍事和娛樂領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。而在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域，由

5、于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的投資成本過高，應(yīng)用僅限于汽車和航空航天等大型工業(yè)產(chǎn)品的內(nèi)飾的人機交互設(shè)計系統(tǒng)領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實技術(shù)匯集了現(xiàn)代多媒體、人工智能、人機多維界面技術(shù)、傳感器技術(shù)等高科技，并通過人的視覺、聽覺、觸覺、手勢或語言，建立人、機、行為一體化的信息空間，形成一種逼真的、動態(tài)的、多維的虛擬模型。一些跨國集團公司已試行分布式虛擬現(xiàn)實系統(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)同進行互動性的產(chǎn)品設(shè)計，甚至請顧客在融洽的氣氛中，共同探索產(chǎn)品的開發(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、人體器官復(fù)制

6、等諸多特殊領(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)制造這一大趨勢下應(yīng)運而生的。20世紀(jì)90年代以來，逆向工程技術(shù)被放到大幅度縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期和增強企業(yè)競爭能力的主要位置上。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)計人員能夠快速逆向工程，并隨時更新以前的設(shè)計。其中結(jié)構(gòu)光3D掃描技術(shù)已被運用在汽車設(shè)計制造領(lǐng)域，例如凱迪拉克公司利用這種技術(shù)在一周內(nèi)完成概念車從比例模型到全尺寸模型制造的全過程。2.53D打印技術(shù)3D打印技術(shù)是一個種類繁多、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，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”出真實的3D模型。3D打印技術(shù)市場潛力空前，今后將是CAID領(lǐng)域的主流高新技術(shù)之一。“格雷伯爵茶，熱的?！边@句話是星際迷航：下一代中盧克皮卡德艦長對著墻上的終端設(shè)備說的，幾秒鐘后，他選擇的飲品就出現(xiàn)在面前。這個虛構(gòu)的設(shè)備叫做“replicator”一種響應(yīng)即時需求、重組基本材料原子創(chuàng)造新事物的機器，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)備還需要我們進一步探索。2.6CAID與先進制造技術(shù)的相關(guān)性現(xiàn)代產(chǎn)品的開發(fā)流程是一個并行的過程，并行工程是對傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)模式的深刻變革?，F(xiàn)代產(chǎn)

8、品開發(fā)設(shè)計依靠先進制造技術(shù)，基于開放式的知識數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，在滿足客戶需求的前提下，全面考慮開發(fā)時間、質(zhì)量、成本、服務(wù)、環(huán)境的關(guān)系，通過對現(xiàn)有同類產(chǎn)品、定位設(shè)計概念的分析，利用相似性推理出初步的解決方案。初步方案還需要完善，計算機網(wǎng)絡(luò)為異地協(xié)同設(shè)計提供了便利渠道，為滿足產(chǎn)品并行開發(fā)的要求，面向網(wǎng)絡(luò)化制造的虛擬技術(shù)為虛擬樣機和環(huán)境的制造提供了技術(shù)支持，能夠建立基于計算機的數(shù)字化產(chǎn)品模型，并在虛擬環(huán)境下對虛擬樣機進行人機交互性實驗、評價并改進設(shè)計。從利用知識數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)到最終推理出虛擬樣機的過程是往復(fù)循環(huán)的，這種無紙化開發(fā)能夠以高效率最大限度縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計質(zhì)量。3當(dāng)前流行的CAID技術(shù)分析當(dāng)前國

9、內(nèi)外CAID的研究主要集中在計算機輔助思維技術(shù)、計算機輔助造型技術(shù)、計算機輔助工程技術(shù)以及計算機輔助管理技術(shù)等方面。3.1計算機輔助思維技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)的前期對知識的需求與應(yīng)用程度較高。對設(shè)計過程中的知識進行分析、獲取與表達,并構(gòu)建知識輔助的概念設(shè)計系統(tǒng),是目前CAD技術(shù)在工業(yè)設(shè)計和概念設(shè)計領(lǐng)域研究和應(yīng)用的熱點8?；诰W(wǎng)絡(luò)的計算機輔助工業(yè)設(shè)計（ICAID）是以Internet技術(shù)和CAID技術(shù)為基礎(chǔ)，以工業(yè)設(shè)計的領(lǐng)域知識表達和應(yīng)用為主線，旨在解決工業(yè)設(shè)計過程中的知識輔助和知識應(yīng)用，以及各設(shè)計主體間協(xié)同合作等問題，針對工業(yè)設(shè)計過程前期的概念產(chǎn)生、方案共享等設(shè)計要求而提出的具有一定的輔助設(shè)計功能、群體

10、協(xié)作功能、符合現(xiàn)代設(shè)計理念的工業(yè)設(shè)計支持系統(tǒng)。用戶可以根據(jù)需求進入ICAID系統(tǒng)中的功能模塊，來完成概念設(shè)計系統(tǒng)預(yù)先規(guī)劃的流程，實現(xiàn)從抽象到具象的設(shè)計過程8。3.2計算機輔助造型技術(shù)（1）二維造型二維造型技術(shù)，即草圖設(shè)計技術(shù)，是隨著實體造型技術(shù)的發(fā)展,為滿足工業(yè)設(shè)計師傳統(tǒng)的手繪習(xí)慣而發(fā)展起來的。它是用來彌補傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)與工業(yè)設(shè)計之間鴻溝的有效手段。當(dāng)前,國內(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)計師的創(chuàng)新思維、設(shè)計習(xí)慣等方面還存在一定的差距12。（2）三維造型工業(yè)設(shè)計包含了諸多設(shè)計領(lǐng)域，針對不同領(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，一類是以產(chǎn)品效果圖的生成與顯示為目的的軟件，如3Dmax、Rhino、Maya等；一類是傳統(tǒng)的CAD軟件中提供的工業(yè)設(shè)計模塊，如Pro/E就包含了一個工業(yè)設(shè)計模塊，模塊中的核心子系統(tǒng)Pro/Design包含了用于概念設(shè)計的二維非參數(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；第三類是相關(guān)的專業(yè)軟件，如渲染軟件、第三方插件等。3.3計算機輔助工程技術(shù)計算機輔助工程技術(shù)目前發(fā)展迅速，是實現(xiàn)工業(yè)

12、產(chǎn)品的建模、分析、模擬仿真與優(yōu)化設(shè)計的信息技術(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、強度、裝配、檢測等方面有良好的輔助作用1，例如在整個汽車的開發(fā)流程中，“ClassAEngineering”工程段就需要利用工程軟件建立A級曲面，比較流行的有Alias、ICEMSurf、UG、Imageware/Surfacer、CATIA等。傳統(tǒng)的設(shè)計方法要經(jīng)過多次反復(fù)過程，才能進入最終生產(chǎn)階段。而計算機輔助工程技術(shù)是在三維實體建模的基礎(chǔ)上，對產(chǎn)品進行虛擬仿真與分析、虛擬環(huán)境下的人機交互性實驗、虛擬制造，并進行綜合評估13，最終得出

13、最優(yōu)解，這是一個不斷迭代的過程。與傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比，計算機輔助工程技術(shù)省時省錢。3.4計算機輔助管理技術(shù)運用計算機系統(tǒng)來管理設(shè)計，構(gòu)建知識交流的管理平臺，有利于提高設(shè)計團隊的工作效率，激發(fā)更具創(chuàng)意的解決方案。（1）設(shè)計協(xié)同作業(yè)中心：管理系統(tǒng)的核心，用于整合各系統(tǒng)之間的運作。（2）設(shè)計專案管理系統(tǒng)：用于處理專案工作分配與指派，專案列管與統(tǒng)計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)意知識庫、創(chuàng)意分析研究、創(chuàng)意歸納與管理及設(shè)計評比與考核。（4）資源整合中心：包括設(shè)計資料管理系統(tǒng)、企業(yè)資源管理系統(tǒng)、人力資源管理系統(tǒng)、設(shè)計供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)。（5）客戶資訊中心：CRM客戶關(guān)系管理系統(tǒng)，包括客

14、戶資料庫、客戶需求分析、客戶溝通機制與客戶解答窗口4CAID發(fā)展的趨勢CAID代表著CAD發(fā)展的新方向，工業(yè)設(shè)計學(xué)科本身的發(fā)展以及CAD技術(shù)的發(fā)展都會影響到CAID的發(fā)展，三者之間相互促進。4.1工業(yè)設(shè)計的發(fā)展趨勢分析在信息化時代，計算機軟硬件的開發(fā)與應(yīng)用實現(xiàn)了定制化商品服務(wù)的多元化，多元化的商品消費模式使計算機技術(shù)的發(fā)展更加系統(tǒng)化。因此，工業(yè)設(shè)計的發(fā)展將與計算機技術(shù)的發(fā)展同步。CAID是工業(yè)設(shè)計在新時代的一種表現(xiàn)形式，虛擬環(huán)境下的互動模式的CAID是工業(yè)設(shè)計發(fā)展的必然趨勢，它將使工業(yè)設(shè)計朝著多元化、優(yōu)化、一體化的方向發(fā)展。4.2CAID的發(fā)展趨勢分析CAID作為工業(yè)設(shè)計尋求方案最優(yōu)解的過程中的工具，目前還存在很大的局限性，如何幫助人們進行創(chuàng)新設(shè)計是亟待解決的問題。開放的人工智能數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是CAID技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)，整個系統(tǒng)將覆蓋形態(tài)、色彩、人機、裝飾、評價、制造、裝配、管理、銷售、服務(wù)及消費產(chǎn)品生命全過程，使設(shè)計、制造和使用一體化，更大限度地發(fā)揮設(shè)計師的創(chuàng)造力。通過人機交互，及時向設(shè)計師提出合理化建議或自動改進設(shè)計，提高產(chǎn)品設(shè)計效率與設(shè)計質(zhì)量。產(chǎn)品開發(fā)過程與模式的發(fā)展是隨現(xiàn)代設(shè)計方