CAD技术的发展趋势

出处：按学科分类—工业技术 北京出版社《现代综合机械设计手册上》第744页（2905字）

CAD技术的发展，主要包括CAD系统的集成化、CAD系统的智能化和CAD系统的设备现代化等几方面。

(1)CAD系统的集成化

CAD系统集成化的发展，一是将CAD与CAM集成化，实现设计与制造一体化；二是将CAD、CAM和CAE(Computer Aided Enginering即计算机辅助工程)集成化，形成MCAE(Mechanical Computer Aided Engineering即机械计算机辅助工程)；三是将CAD、CAM、CAPP(Computer－Aided Process Planning即计算机辅助工艺规程设计)、GT(Group Technology即成组技术)、FMS(Flexible Manufacturing System即柔性制造系统)、RT(Robotics Technology即机器人技术)以及AMH(Automated Materials Handing即材料搬运系统)等技术集成化，通过网络通信、标准化与统一的工程数据库将其连接起来，形成一个以工厂生产自动化为目标的更广泛意义的计算机集成制造系统CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)。

(2)CAD系统的智能化

机械设计是一种反复制造模型(包括图形、数字、运算等)，即综合和评价模型，也即分析的过程。设计的综合、构思阶段有以下几方面的特性：1．创造性，即建立概念模型需要有想像力；2．多解性，即一项设计可能有多种方案均能符合技术与经济要求；3．近似性，即在设计过程中为减少其复杂性，往往要有一定程度的简化、近似，这就需要权衡；4．经验性；5．综合性。这些特性在设计初期，即概念设计构思阶段尤为明显。而这一阶段对设计又有极重要的影响，同时又很难进行计算机模拟。因此，使CAD系统智能化是极为重要的。

首先用于机械CAD系统的人工智能是专家系统。专家系统是处理知识的程序系统，其内部具有大量的专家水平领域的知识和经验，能利用人类专家可用的知识、解决问题的方法来解决领域问题，常被称为知识基系统，该领域也被称为知识工程。一般专家系统由如下五部分组成：

①知识库。这是知识领域的存贮器。它包括两方面：一是领域的广泛共有的知识，即写在书上的知识及常识；二是试探式知识，是在一个领域中正确的实践和正确的判断的知识，也就是凭经验得到的知识。知识的确定性与完善性决定于领域的专家，而知识的可用性既与领域专家有关，又与计算机工作者有关。建立知识库的第一步是吸取领域专家知识(称为知识获取)，第二步是将获得的知识进行编排，即所谓知识表达问题，也就是将专家知识编排成数据结构，存入计算机，从而形成知识库。

②数据库。用于存贮该领域内初始数据和推理过程中得到的各种中间信息，也即存放用户回答的事实、已知的事实和由推理而得的事实，也就是数据库存的是该系统当前应处理对象的一些事实。

③推理机。这是一组程序，用来控制、协调整个系统。根据输入的数据，利用知识库中的知识，按一定的推理策略来解决问题。由于专家系统模拟人类专家工作，所以其推理过程和专家的推理过程相似，能够正向推理、反向推理和正反向混合推理。

④解释部分。这也是一组程序，负责对推理给出必要的解释，为用户了解推理过程、向系统学习和维护提供方便。

⑤知识获取部分。它具有学习功能，能为修改知识库中原有知识和扩充知识提供手段。

机械设计专家系统主要应用于：初步设计阶段，如拟定设计方案、机构类型等；为CAD提供良好的初始方案；与各种现代设计方法相结合，形成完善的CAD系统。而其任务的核心，是在设计过程中的反复决策。这种决策主要分为概念决策、技术决策与目标决策三种类型。概念决策主要体现在初始方案设计阶段，包括设计任务书的拟定、初步选择总体性能参数和总体结构方案。技术决策是安排特殊的技术问题，如材料选择、加工工序、特殊形状和尺寸等。目标决策是确定候选方案是否充分满足目标要求。在以上的决策中，主要是运用专家的经验性知识和启发性知识，通过分析、推理、判断来完成。在决策过程中，还需要各种支持资源的支持。这些支持资源包括：规划资源、创新资源、分析资源、评价资源、数据资源及图形等，如图3．4－5所示。这些资源是CAD的主要技术基础。专家系统用于机械设计时，应设计出一种适合这种设计过程的问题求解策略，以便更好地运用经验进行决策，并有效地利用它的支持资源。这种求解策略，是把设计问题分为若干子问题，如图3．4－6所示，包括参数方案设计、结构方案设计、工艺参数设计和图形设计。对某一子问题，可应用某一现有求解策略，然后通过过程控制把子问题求解策略有机地结合起来。

图3．4－5 机械设计过程示意图

图3．4－6 机械设计专家系统求解策略

在参数方案设计中，首先按用户要求，根据专家知识、经验由启发式规则推理产生一个初始方案，再用评价函数和决策函数对方案进行评价。在结构设计中，根据已得性能参数进行结构选型，并满足约束条件。工艺参数设计直接运用正向或反向推理策略。过程控制，实质是日程表，决定子问题求解序列，“黑板”用以记录各种信息，包括记录用户的技术要求和以前的决策事实，并记录最后的设计结果。

(3)CAD系统设备的现代化

计算机工业在体系结构方面出现三个重要趋势。第一是减少指令集计算机。这种计算机的CPU计算能力很强，由硬件来完成最经常使用的指令被编成系统的子程序，它们可在一个机器周期(机器操作时，重复一系列事件所需的最短时间)中被执行而不必对主存进行取存。这种计算机最适于大量使用CPU的应用领域。第二是并行处理，它特别适宜CPU使用集中的场合应用。第三是容错系统。这是指在该系统中，不存在简易故障，不会对用户造成功能上的损坏。它备有足够的备件，在机器出现故障时仍能继续工作。

由于集成电路技术的发展，32位微机的产生，已经使单一用户、联网的多道程序设计的32位微机工作站代替了分时的主机系统。它与较大的通信服务器相连，继而连到国内和国际的通信网络上。