淺談計算機輔助創新設計

摘 要:隨著計算機技術的不斷提高、應用的不斷拓展，計算機圖形學、計算機虛擬技術的深入發展，在機械創新設計方面，出現了一系列新技術，提高了產品設計和制造過程的效率，大幅降低了產品的成本，帶來了機械行業的飛速發展。本文淺談幾種以計算機技術為支撐的機械創新設計模式、創新設計領域中前沿設計方法及理論，最終提出一些意見和自己的看法。

關鍵詞:創新設計 協同設計 虛擬設計 智能設計

中圖分類號:G642文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)11-0153-01]

計算機輔助設計就是在計算機技術的支持下，在設計領域完成的創造性、突破性活動，是當今科技高速發展、信息產業不斷優化的時代產物。在設計思路、描述手段、制造方法等方面都有著根本性的變化。

1 計算機輔助創新設計常見的方法

計算機科學技術的飛速發展，直接對社會產生了不小的影響。計算機輔助設計(CAD)技術興起于上個世紀50年代的工業發達國家，主要是飛機與汽車制造業等大型工業。60年代初的迅速發展基礎是在把計算機屏幕上繪圖變為可能之后。最初設計人員只是借助此來擺脫低效率低精度，繁瑣的傳統手工制圖，因此CAD的發展前期，僅僅是Computer Aided Drawing也就是圖版。隨著計算機技術的提高，CAD技術在工業工程上的應用功能不斷擴展，目前， CAD技術已經發展到計算機為整個產品的輔助設計，即包括產品的構思、功能設計、結構分析、加工制造等;集成的、智能化的CAD系統也即將成為當今CAD工程的發展主流;所以CAD已經不再僅僅是計算機輔助繪圖，而已演變成為計算機輔助設計Computer Aided Design。同時，現代的CAD與CAE、CAM、CAPP、CNC、CIMS等技術結合起來，促使一些新的設計技術和手段出現并在一定程度上得到了應用，主要表現在基于CAD軟件的創新設計、虛擬設計、協同設計、智能設計等等。這些技術的應用和推廣起到了提高設計效率、優化設計方案、減輕技術人員工作強度、縮短設計周期、提高設計的標準化等作用，使工業產品的更新換代周期大幅度縮短，同時降低生產成本，推動機械行業快速發展[1]。

2 基于CAD軟件的創新設計

在軟件更新如此迅猛的時期，CAD軟件在應用方面可分為兩個基本方面:一方面是二維設計，另一類是以三維建模為基礎的大型CAD/CAM軟件。二維計算機輔助設計如THCAD、PCCA等以美國Autodesk公司AutoCAD為基礎開發的輔助設計軟件等。三維建模的CAD軟件比較常用的有CATIA，Solidworks，UG，Pro/E等。以上軟件不僅有著很強的繪圖功能，還可以進行實體建模，繪制各種產品的零部件，同時對零部件進行裝配、動態演示、模擬仿真和工程分析，這些功能大大提高了機械產品的設計制造效率還減少了傳統設計制造過程中資源的浪費。相對于傳統產品計劃和大批大量生產來說，它就具有更強的靈活自主性，縮短了生產準備周期，減少了資源閑置浪費。[2]

3 協同設計技術

協同設計或計算機支持的協同設計CSCD的概念源于CSCW，即計算機支持的協同工作。它具有分布性、共享和通信、開放性、異步性、自動化支持、工作協同性、信息共享性和異質性等特點。目前協同設計的主要研究內容有以下幾點:(1)協同設計求解模型。(2)協同設計體系結構及系統。(3)在網絡通信基礎上，如何實現整個群組的協同工作。找到協同設計沖突消解方法。隨著計算機技術的進步和Internet的發展，協同設計實現網絡資源共享，減少同一設計的異地資源浪費，節省人力物力資源輾轉和運輸成本的優越性就能充分體現出來。

4 虛擬設計技術

虛擬設計也是計算機技術高速發展的必然產物。它涉及多方面的學科研成果與專業技術，通過以虛擬現實技術為基礎，以機械產品為對象，把設計人員從傳統的感器與多維的信息環境進行交互，同時利用這項技術也可以大大地減少實物模型和樣同的制造。虛擬設計是一種新的設計概念和技術。是將產品從概念設計到投入使用的全過程在計算機上構造的虛擬環境中虛擬地實現，其目標不僅是對產品的物質形態和制造過程進行模擬和可視化，而是對產品的性能，行為和功能以及在產品實現的各個階段中實施方案進行預測、評價和優化。與傳統的模擬技術完全不同，是將模擬環境、視景系統和仿真系統合三為一，并利用傳感裝置，把操作者與計算機生成的三維虛擬環境連結在一起。通過傳感器裝置與虛擬環境交互作用，可獲得視覺、聽覺、觸覺等多種感知，并按照意愿去改變的虛擬環境。在應用方面虛擬設計不僅可以實現對產品的設計，還能夠進行虛擬裝配設計、虛擬人機工程設計等。在21世紀，人類將進入虛擬現實的嶄新時代。

5 智能設計技術

隨著科技的進步和生產的需求，自然地會提出人類智力活動能不能由計算機來實現的問題。CAD技術逐漸發展到ICAD (智能CAD)階段。ICAD系統中的智能設計和基于知識庫系統的工程是出現在產品處理發展過程中的新趨勢。CAD技術的思想是使用計算機來輔助人類完成設計活動。傳統的CAD系統能幫助工程技術人員完成的都是后兩類設計工作，但卻缺少智力創造的成分，ICAD技術的研究重點就是建立能夠幫助輔助設計人員完成設計工作中包括智力創造在內的各種設計活動的ICAD系統或環境，從而進一步增強CAD系統對設計工作的支持強度，提高設計的自動化程度。ICAD是一種多個智能體與多種CAD功能模塊有機集成的支持產品設計的復雜設計系統。但要注意的是它也并不是真正的能做到完全的“自主設計”，在設計的過程中，ICAD仍然強調計算機在設計工作中的“輔助地位”，設計者仍然需要參與設計活動，并且仍然是設計活動的主宰者。基于CAD軟件的創新設計，協同設計，虛擬設計，智能設計等都將成為常見的機電系統創新設計方法，這些方法和技術必定能在推動未來社會生產進步中發揮越來越重要的作用。

6 結語

隨著計算機技術的飛速發展，先進設計制造技術手段突飛猛進，必定在社會生產中扮演著重要角色，新的計算機輔助創新設計方法越來越多的實現和應用必將成為發展趨勢。不光光是在機械行業的大力推廣，因為目前我國工業化、信息化起步較晚，必須加強自主研發和創新能力，另外還要借鑒國外的先進研究成果，盡快加速先進設計模式在我們國家大中小型產業中的發展，還要努力實現多方向、廣覆蓋、重應用。相信隨著計算機輔助創新設計在我國的發展和應用，能給我們指引更長遠的目標。

參考文獻

[1] 童秉樞，李學志，吳志軍，張新鳳.機械CAD技術基礎.北京:清華大學出版社，1996.

[2] 張新昌.CAD技術[J].科學大眾，2003，(5):99～101.