计算机辅助工业设计论文

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1CAD与CAID

计算机辅助设计技术（CAD），即利用计算机软、硬件系统辅助工程技术人员或工程进行设计、分析、修改以及以交互式显示或输出的一种方法（手段），是一门多学科的综合应用技术。目前CAD技术已广泛应用于各种领域，而CAID代表CAD发展的最新方向，与CAD有什么区别？传统型CAD的模式是“数值+计算”，主要面向于工程与技术。当CAD最初应用到工业设计领域时，只是简单的“CAD+ID”[1]。而现代高技术CAID是CAD技术与工业设计技术的有机结合，从本质上来说是传统型CAID在基于互联网技术以工业设计知识为主体在“推理”模式下进行一系列创造性活动的智能化系统。

2与CAID发展相关的制造技术

2.1并行工程在经济全球化主导下，市场环境瞬息万变，为了适应市场竞争的形势，企业必须具备对市场变化作出快速反应的能力。基于这样的环境下，以数字化设计、制造和信息技术为依托的并行工程技术应运而生。并行工程是对产品及其相关过程（包括制造和支持过程）进行集成地并行地设计的系统化工作模式。传统的产品开发过程采用从设计到制造的串行模式，设计质量低、开发周期长、设计成本高。而并行工程恰恰弥补了这一系列的缺点，并行工程的系统化工作模式在强调产品开发过程中的集成化和并行化处理的同时，还要求设计师在设计阶段考虑产品全生命周期的所有因素，并与其他部门的设计师建立信任和通信机制，以减少设计过程的反复和次数，提高设计效率，缩短开发周期，保证产品质量，从而产生显著的经济效益。

2.2协同设计与敏捷制造协同设计以计算机网络、多媒体、通信技术为基础，要求复杂产品设计中不同地理位置多个学科人员之间的互相协作，达到分布式资源合理地利用，实现网络化协同模式的一种设计策略。同时计算机网络、多媒体、通信技术的发展，使CSCW（Com-puter-SupportedCooperativeWork）的实现成为可能，从而将在时间上间隔、空间上分布的团队工作人员组织起来，构建共同完成某项工作的分布式计算机环境[3]。敏捷制造（AgileManufacturing）因网络技术的产生而兴起，并随着网络技术的进步而发展。“敏捷制造”的概念最早在1991年由美国里海大学发表的“21世纪制造企业发展战略”研究报告中被提出，也就是从适应激烈的市场竞争、响应市场迅速变化的视角，创造性的构想了一种依靠现代通信技术和信息技术的虚拟企业或动态联盟，以降低生产成本、提高设计质量、减少生产周期为目标，从而获取竞争优势的全新思维。协同设计与敏捷制造已成为现代产品开发的重要工具，同时也是先进制造技术领域研究的热点。

2.3虚拟现实技术“虚拟现实”（VirtualReality，VR）最早被提出是在80年代，随着计算机网络、多媒体、通信技术的发展，至90年代逐步受到重视而迅猛发展，在军事和娱乐领域得到广泛应用。而在工业设计领域，由于虚拟现实技术的投资成本过高，应用仅限于汽车和航空航天等大型工业产品的内饰的人机交互设计系统领域。虚拟现实技术汇集了现代多媒体、人工智能、人机多维界面技术、传感器技术等高科技，并通过人的视觉、听觉、触觉、手势或语言，建立人、机、行为一体化的信息空间，形成一种逼真的、动态的、多维的虚拟模型。一些跨国集团公司已试行分布式虚拟现实系统，可在网络环境中，充分利用分布在世界各地的各种资源，协同进行互动性的产品设计，甚至请顾客在融洽的气氛中，共同探索产品的开发。

2.43D扫描技术随着参数化特征造型技术的发展，一般用于正向设计的CAD/CAM技术已得到了较好的解决。但是在产品仿制、模具快速制造、人体器官复制等诸多特殊领域，普通的造型手段已经很难有效地解决问题，因而迫切需要新型的造型方法。逆向工程技术正是在数字化与快速响应制造这一大趋势下应运而生的。20世纪90年代以来，逆向工程技术被放到大幅度缩短新产品开发周期和增强企业竞争能力的主要位置上。逆向工程技术发展到现在已经相当成熟，为3D扫描技术的发展奠定了良好的基础。3D扫描技术使设计人员能够快速逆向工程，并随时更新以前的设计。其中结构光3D扫描技术已被运用在汽车设计制造领域，例如凯迪拉克公司利用这种技术在一周内完成概念车从比例模型到全尺寸模型制造的全过程。

2.53D打印技术3D打印技术是一个种类繁多、发展迅速的巨大领域。其兴起于上世纪90年代中期，一直呈现蓬勃发展的态势，在世界制造业领域又一次掀起了变革的浪潮。3D打印技术颠覆了传统的生产模式，能够“打印”出真实的3D模型。3D打印技术市场潜力空前，今后将是CAID领域的主流高新技术之一。“格雷伯爵茶，热的。”这句话是《星际迷航：下一代》中卢克•皮卡德舰长对着墙上的终端设备说的，几秒钟后，他选择的饮品就出现在面前。这个虚构的设备叫做“replicator”——一种响应即时需求、重组基本材料原子创造新事物的机器，这种能够创造出改变分子结构、凭空制造出物品的设备还需要我们进一步探索。

2.6CAID与先进制造技术的相关性现代产品的开发流程是一个并行的过程，并行工程是对传统产品开发模式的深刻变革。现代产品开发设计依靠先进制造技术，基于开放式的知识数据库系统，在满足客户需求的前提下，全面考虑开发时间、质量、成本、服务、环境的关系，通过对现有同类产品、定位设计概念的分析，利用相似性推理出初步的解决方案。初步方案还需要完善，计算机网络为异地协同设计提供了便利渠道，为满足产品并行开发的要求，面向网络化制造的虚拟技术为虚拟样机和环境的制造提供了技术支持，能够建立基于计算机的数字化产品模型，并在虚拟环境下对虚拟样机进行人机交互性实验、评价并改进设计。从利用知识数据库系统到最终推理出虚拟样机的过程是往复循环的，这种无纸化开发能够以高效率最大限度缩短设计周期，提高设计质量。

3当前流行的CAID技术分析

当前国内外CAID的研究主要集中在计算机辅助思维技术、计算机辅助造型技术、计算机辅助工程技术以及计算机辅助管理技术等方面。

3.1计算机辅助思维技术产品开发的前期对知识的需求与应用程度较高。对设计过程中的知识进行分析、获取与表达,并构建知识辅助的概念设计系统,是目前CAD技术在工业设计和概念设计领域研究和应用的热点[8]。基于网络的计算机辅助工业设计（ICAID）是以Internet技术和CAID技术为基础，以工业设计的领域知识表达和应用为主线，旨在解决工业设计过程中的知识辅助和知识应用，以及各设计主体间协同合作等问题，针对工业设计过程前期的概念产生、方案共享等设计要求而提出的具有一定的辅助设计功能、群体协作功能、符合现代设计理念的工业设计支持系统。用户可以根据需求进入ICAID系统中的功能模块，来完成概念设计系统预先规划的流程，实现从抽象到具象的设计过程[8]。

3.2计算机辅助造型技术（1）二维造型二维造型技术，即草图设计技术，是随着实体造型技术的发展,为满足工业设计师传统的手绘习惯而发展起来的。它是用来弥补传统CAD系统与工业设计之间鸿沟的有效手段。当前,国内外已建立了一些基于草图的CAD系统[11]，如Alias、Pro/E、UG、Solidworks等三维软件都提供了有关产品早期设计的草图模块，CorelDraw、Photoshop、Illustrator等二维软件也被广泛用于产品效果图的绘制，但符合设计师的创新思维、设计习惯等方面还存在一定的差距[12]。（2）三维造型工业设计包含了诸多设计领域，针对不同领域的三维造型软件也有所不同。目前CAID应用软件主要分为三类，一类是以产品效果图的生成与显示为目的的软件，如3Dmax、Rhino、Maya等；一类是传统的CAD软件中提供的工业设计模块，如Pro/E就包含了一个工业设计模块，模块中的核心子系统Pro/Design包含了用于概念设计的二维非参数化的装配布局工具、用于概念分析的二维参数化布局工具和用于组件的三维布局模型[；第三类是相关的专业软件，如渲染软件、第三方插件等。

3.3计算机辅助工程技术计算机辅助工程技术目前发展迅速，是实现工业产品的建模、分析、模拟仿真与优化设计的信息技术。AutoCAD、Solid-works、Pro/E等工程软件具有良好的工程背景，在产品的结构、材料、加工、成型、强度、装配、检测等方面有良好的辅助作用[1]，例如在整个汽车的开发流程中，“ClassAEngineering”工程段就需要利用工程软件建立A级曲面，比较流行的有Alias、ICEMSurf、UG、Imageware/Surfacer、CATIA等。传统的设计方法要经过多次反复过程，才能进入最终生产阶段。而计算机辅助工程技术是在三维实体建模的基础上，对产品进行虚拟仿真与分析、虚拟环境下的人机交互性实验、虚拟制造，并进行综合评估[13]，最终得出最优解，这是一个不断迭代的过程。与传统的设计方法相比，计算机辅助工程技术省时省钱。

3.4计算机辅助管理技术运用计算机系统来管理设计，构建知识交流的管理平台，有利于提高设计团队的工作效率，激发更具创意的解决方案。（1）设计协同作业中心：管理系统的核心，用于整合各系统之间的运作。（2）设计专案管理系统：用于处理专案工作分配与指派，专案列管与统计以及高阶主管决策与核定作业。（3）创意整合中心：包括创意知识库、创意分析研究、创意归纳与管理及设计评比与考核。（4）资源整合中心：包括设计资料管理系统、企业资源管理系统、人力资源管理系统、设计供应链管理系统。（5）客户资讯中心：CRM客户关系管理系统，包括客户资料库、客户需求分析、客户沟通机制与客户解答窗口

4CAID发展的趋势

CAID代表着CAD发展的新方向，工业设计学科本身的发展以及CAD技术的发展都会影响到CAID的发展，三者之间相互促进。

4.1工业设计的发展趋势分析在信息化时代，计算机软硬件的开发与应用实现了定制化商品服务的多元化，多元化的商品消费模式使计算机技术的发展更加系统化。因此，工业设计的发展将与计算机技术的发展同步。CAID是工业设计在新时代的一种表现形式，虚拟环境下的互动模式的CAID是工业设计发展的必然趋势，它将使工业设计朝着多元化、优化、一体化的方向发展。

4.2CAID的发展趋势分析CAID作为工业设计寻求方案最优解的过程中的工具，目前还存在很大的局限性，如何帮助人们进行创新设计是亟待解决的问题。开放的人工智能数据库系统是CAID技术发展的目标，整个系统将覆盖形态、色彩、人机、装饰、评价、制造、装配、管理、销售、服务及消费产品生命全过程，使设计、制造和使用一体化，更大限度地发挥设计师的创造力。通过人机交互，及时向设计师提出合理化建议或自动改进设计，提高产品设计效率与设计质量。产品开发过程与模式的发展是随现代设计方法和CAID相关的先进技术的发展相一致的[1]。随着科技的进一步发展，CAID将会朝着人性化、数字化、集成化、网络化、智能化的方向发展。

5结语

CAID是现代工业设计和先进技术结合的产物，是现代技术发展的必然趋势。CAID与现代设计方法融合，与先进制造技术协同发展，带来了产品开发方式的革命，引发了设计方式的变革。面对市场经济竞争日益激烈的21世纪，如何把握机会，抓住CAID的发展应用，促进我国工业设计的长足发展是所有工业设计研究人员和设计人员要直面的重要课题。

作者：栾辉黄晶陈兴义单位：河南理工大学建筑与艺术设计学院