《计算机辅助设计ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机辅助设计ppt课件.ppt（33页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、5 5、计算机辅助设计、计算机辅助设计（1 1）基本概念和特点）基本概念和特点计算机辅助设计（计算机辅助设计（CompaterAidedDesignCAD）是指是指在设计活动中，利用计算机作为工具，帮助工程技术人员进行在设计活动中，利用计算机作为工具，帮助工程技术人员进行设计的一切适用技术的总和。设计的一切适用技术的总和。计算机辅助设计是人和计算机相结合、各尽所长的新型设计算机辅助设计是人和计算机相结合、各尽所长的新型设计方法。计方法。一个好的计算机辅助设计系统既能充分发挥人的创造一个好的计算机辅助设计系统既能充分发挥人的创造性作用，又能充分利用计算机的高速分析计算能力，找到人和性作用，又能充
2、分利用计算机的高速分析计算能力，找到人和计算机最佳结合点。计算机最佳结合点。CAD的过程为：先进行设计方案构思、工作原理拟定等的过程为：先进行设计方案构思、工作原理拟定等创创造性的思维活动造性的思维活动 然后将设计思想、设计方法经过综合、然后将设计思想、设计方法经过综合、分析，转换成计算机可以处理的分析，转换成计算机可以处理的数学模型数学模型 最后编写能解最后编写能解析这些模型的析这些模型的计算机程序计算机程序。计算机辅助设计包括的内容很多，如优化设计、有限元分析、计算机辅助设计包括的内容很多，如优化设计、有限元分析、计算机仿真、计算机绘图等。计算机仿真、计算机绘图等。在在计计算算机机辅辅助助
3、设设计计工工作作中中，计计算算机机的的任任务务实实质质上上是是进进行行大大量量信信息息的的加加工工、管管理理和和交交换换。在在CAD作作业业过过程程中中，逻逻辑辑判判断断、科科学学计计算算和和创创造造性性思思维维是是反反复复交交叉叉进进行行的的。一一个个完完整整的的CAD系系统统，应应在在设设计计过过程程中中的的各各个个阶阶段段都都能能发发挥挥作作用用。而而要要实实现现这这一一点点，就必须具备以下三个条件：就必须具备以下三个条件：建建立立完完备备的的产产品品设设计计数数据据库库。产产品品设设计计数数据据库库是是用用来来存存储设计某类产品所需的各种信息，如标准、规范、公式等。储设计某类产品所需的
4、各种信息，如标准、规范、公式等。建建立立完完备备的的应应用用程程序序库库。即即将将解解决决某某一一类类工工程程设设计计问问题题的通用及专用设计程序，如优化程序、有限元程序等。的通用及专用设计程序，如优化程序、有限元程序等。建建立立多多功功能能交交互互式式图图形形库库。利利用用图图形形库库可可以以进进行行二二维维及及三三维维图图形形的的信信息息处处理理，能能在在此此基基础础上上绘绘制制工工程程设设计计图图，建建立立标标准件库、零部件库等图形处理工作。准件库、零部件库等图形处理工作。与与传传统统的的机机械械设设计计相相比比，CAD技技术术都都有有着着巨巨大大的的优优越越性性。主要表现在：主要表现在
5、：CAD可以提高设计质量。可以提高设计质量。CAD可以节省时间，提高生产率。可以节省时间，提高生产率。CAD可以较大幅度地降低成本。可以较大幅度地降低成本。CAD技术将设计人员从繁琐的计算和绘图工作中解放出技术将设计人员从繁琐的计算和绘图工作中解放出 来，使其可以从事更多的创造性劳动。来，使其可以从事更多的创造性劳动。（2）计算机辅助设计的研究热点及展望）计算机辅助设计的研究热点及展望 CAD技技术术现现今今及及将将来来会会在在以以下下几几方方面面进进行行重重点点研研究究，并并将将取得进展。取得进展。参数化设计参数化设计用用CAD方方法法开开发发产产品品时时，零零件件设设计计模模型型的的建建立
6、立速速度度是是决决定定整整个产品开发效率的关键。个产品开发效率的关键。产产品品开开发发初初期期，零零件件形形状状和和尺尺寸寸有有一一定定模模糊糊性性，要要在在装装配配验验证证、性性能能分分析析和和数数控控编编程程之之后后才才能能确确定定，这这就就希希望望零零件件模模型型具具有易于修改的柔性。有易于修改的柔性。参参数数化化设设计计方方法法就就是是将将模模型型中中的的定定量量信信息息变变量量化化，使使之之成成为为任任意意调调整整的的参参数数。对对于于变变量量化化参参数数赋赋予予不不同同数数值值，就就可可得得到到不不同大小和形状的零件模型。同大小和形状的零件模型。参参数数化化设设计计可可以以大大大大
7、提提高高模模型型的的生生成成和和修修改改速速度度，在在产产品品的的系系列列设设计计、相相似似设设计计及及专专用用CAD系系统统开开发发方方面面都都具具有有较较大大的的应应用价值。用价值。智能智能CAD智智能能CAD是是指指通通过过运运用用专专家家系系统统、人人工工神神经经网网络络等等人人工工智智能能技技术术使使在在作作业业过过程程中中具具有有某某种种程程度度人人工工智智能能的的CAD系系统统。专专家家系系统统是是一一个个能能在在某某个个特特定定领领域域内内，用用人人类类专专家家的的知知识识、经验和能力去解决该领域中复杂困难问题的计算机程序系统。经验和能力去解决该领域中复杂困难问题的计算机程序系
8、统。专专家家系系统统不不同同于于通通常常的的问问题题求求解解系系统统，其其基基本本思思想想是是使使计计算算机机的的工工作作过过程程能能尽尽量量模模似似领领域域专专家家解解决决实实际际问问题题的的过过程程。专专家家系系统统在在CAD作作业业中中适适时时给给出出智智能能化化提提示示，告告诉诉设设计计人人员员下下一一步步该该做做什什么么，当当前前设设计计存存在在的的问问题题，建建议议解解决决问问题题的的途途径径；或或模模拟拟人人的的智智慧慧，根根据据出出现现的的问问题题提提出出合合理理的的解解决决方方案案。专专家家系系统统是是基基于于知知识识的的系系统统，专专家家系系统统技技术术是是知知识识获获取取
9、、处处理理和和运运用用的的技技术术。知知识识工工程程是是专专家家系系统统技技术术的的基基础础。专专家家系系统统通通常常由由知知识识库库、推推理理机机、知知识识获获取取系系统统、解解释释机机构构和和一一些些界界面面组成。组成。人工神经网络人工神经网络具有下列特征：具有下列特征：a.它包含大量的人工神经元，提供了大量可供调节的变量；它包含大量的人工神经元，提供了大量可供调节的变量；b.信息是分布式存储的，从而提供了联想与全息记忆的能力；信息是分布式存储的，从而提供了联想与全息记忆的能力；c.具有高度的自适应能力，高度的容错能力，很强的计算能力具有高度的自适应能力，高度的容错能力，很强的计算能力 以
10、及自组织能力。以及自组织能力。人人工工神神经经网网络络已已在在语语音音识识别别、模模式式分分类类、自自动动控控制制等等领领域域取取得得了了比比较较成成功功的的应应用用，在在工工程程设设计计中中的的应应用用正正在在不不断断地地研研究究发发展展，如如基基于于人人工工神神经经网网络络的的机机械械设设计计领领域域知知识识表表达达方方法法的的研研究究，智智能能系系统统的的知知识识自自动动获获取取、基基因因遗遗传传算算法法的的原原理理在在机机械械工工程程中中的应用。的应用。目目前前，神神经经网网络络和和专专家家系系统统有有联联合合起起来来的的趋趋势势，神神经经网网络络也也可可设设计计成成某某种种专专家家系
11、系统统，实实现现专专家家系系统统的的功功能能。基基于于神神经经网网络络的的专专家家系系统统在在知知识识获获取取、并并行行推推理理、适适应应性性学学习习、联联想想推推理理、容错能力方面明显优于传统的专家系统。容错能力方面明显优于传统的专家系统。基于特征的设计基于特征的设计特特征征设设计计是是用用易易于于识识别别的的、包包含含加加工工信信息息的的几几何何单单元元(如如孔孔、槽槽，倒倒角角等等)来来取取代代以以往往设设计计中中所所用用的的纯纯几几何何描描述述(如如直直线线、圆圆弧等弧等)。特特征征是是构构造造零零件件的的最最基基本本的的单单元元要要素素，它它们们能能以以较较高高的的抽抽象象级级别别、
12、不不需需要要解解释释的的方方式式来来标标示示一一个个产产品品。它它既既反反映映零零件件的的几何信息几何信息，又反映零件的，又反映零件的加工工艺特征信息加工工艺特征信息。例例如如，对对孔孔的的设设计计，非非特特征征的的系系统统常常采采用用圆圆柱柱体体与与某某个个实实体体进进行行逻逻辑辑运运算算来来实实现现，计计算算机机仅仅仅仅知知道道哪哪些些部部分分没没有有材材料料而而已已，并并不不能能“认认识识”哪哪是是一一个个孔孔。对对基基于于特特征征的的设设计计系系统统，孔孔是是一一个个特特征征，具具有有直直径径、长长度度、公公差差、表表面面粗粗糙糙度度、位位置置等等属属性性，并并包包括括它它在在装装配配
13、图图中中的的情情况况,每每一一个个特特征征基基本本上上对对应应一一组组加加工制造方法。工制造方法。特特征征的的“语语义义”，使使设设计计人人员员和和工工艺艺人人员员对对同同一一特特征征有有相相同同的的理理解解，并并且且特特征征定定义义显显式式地地包包含含了了所所有有几几何何和和非非几几何何信信息息。因因此此，基基于于特特征征的的设设计计更更适适合合于于CAD/CAM的的集集成成和和CIMS中中的的建模需要建模需要。相关性设计相关性设计相相关关性性设设计计为为设设计计工工作作提提供供了了极极大大的的方方便便。用用户户无无论论是是在在什什么么地地方方进进行行修修改改，系系统统会会自自动动地地更更新
14、新与与修修改改有有关关的的内内容容。例例如如，当当用用户户在在左左视视图图上上对对某某个个尺尺寸寸进进行行修修改改，主主视视图图、俯俯视视图图和和三三维维模模型型中中相相应应的的尺尺寸寸和和形形状状会会随随之之改改变变。反反之之，在在三三维维模模型型设设计中的修改，同样会在三视图中得到改变。计中的修改，同样会在三视图中得到改变。NURBS几何构型技术几何构型技术NURBS（Non-UnifromRationalB-Spilnes,即即非非均均匀匀有有理理B样样条条曲曲线线)在在CAD中中用用来来定定义义复复杂杂的的几几何何曲曲面面。运运用用NURBS技技术术可可以以使使系系统统在在描描述述自自
15、由由曲曲线线、曲曲面面以以及及精精确确的的二二次次曲曲线线、曲曲面面时时，能能够够采采用用统统一一的的算算法法和和表表示示方方法法。用用NURBS技技术术构构造造的的曲曲面面易易于于生生成成、修修改改和和存存储储，为为系系统统提提高高对对曲曲面面的的构构造造能能力力和和编辑修改能力打下了基础。编辑修改能力打下了基础。装配设计和管理装配设计和管理装装配配设设计计是是指指系系统统能能够够同同时时完完成成产产品品或或装装配配部部件件的的设设计计，而不是个别零件的设计。而不是个别零件的设计。由由于于涉涉及及到到许许多多零零件件的的装装配配关关系系，装装配配设设计计需需要要考考虑虑的的因因素素复复杂杂，
16、具具有有装装配配设设计计功功能能的的系系统统需需要要采采用用的的技技术术和和手手段段也也较较多多，如如前前面面提提及及的的特特征征设设计计、参参数数化化设设计计、相相关关性性设设计计等等。对对于于具具有有装装配配设设计计功功能能的的系系统统还还应应能能够够提提供供有有关关装装配配方方面面的的管管理理能能力力，如如装装配配零零件件逻逻辑辑关关系系、装装配配件件干干涉涉检检查查、生生成成装装配配材材料料明细表、零件装配关系展开图等。明细表、零件装配关系展开图等。CAD系统的集成化系统的集成化CAD系系统统的的集集成成化化是是将将CAD和和CAM集集成成为为一一个个CAD/CAM系系统统。在在这这种
17、种系系统统中中，设设计计师师可可利利用用计计算算机机，经经过过运运动动、动动力力、应应力力分分析析，确确定定零零部部件件的的合合理理结结构构形形状状，自自动动生生成成工工程程图图样样文文件件，存存放放在在数数据据库库中中。再再由由CAD/CAM系系统统对对数数据据库库中中的的图图形形数数据据文文件件进进行行工工艺艺设设计计及及数数控控加加工工编编程程，并并直直接接控控制制数数控控机机床床去加工制造。去加工制造。面向对象的设计方法面向对象的设计方法面面向向对对象象方方法法是是分分析析问问题题和和解解决决问问题题的的新新方方法法。其其基基本本出出发发点点就就是是尽尽可可能能按按照照人人类类认认识识
18、世世界界的的方方法法和和思思维维方方式式来来分分析析和和解解决问题。决问题。客客观观世世界界是是由由许许多多具具体体的的事事物物或或事事件件、抽抽象象的的概概念念、规规则则等等组组成成的的，我我们们将将所所要要研研究究的的事事、物物、概概念念等等都都称称为为对对象象。面面向向对对象象的的方方法法正正是是以以对对象象作作为为最最基基本本的的元元素素，作作为为分分析析问问题题、解决问题的核心。解决问题的核心。实实际际应应用用中中对对象象是是人人们们要要进进行行研研究究的的“任任何何事事物物”。从从最最简简单单的的整整数数到到极极其其复复杂杂的的自自动动化化工工厂厂都都可可以以看看作作对对象象。对对
19、象象的的概概念念是是广广义义的的,不不仅仅能能表表示示具具体体的的实实体体，也也能能表表示示抽抽象象的的规规则则、计计划划或或事事件件。在在CAD/CAM系系统统中中，所所定定义义的的对对象象可可以以是是用用来来描描述述几几何何模模型型的的点点、线线、面面等等，也也可可以以是是用用来来描描述述加加工工过过程程的的零件模型、加工特征、刀具类型、刀位指令等等。零件模型、加工特征、刀具类型、刀位指令等等。6 6、智能计算机辅助设计系统、智能计算机辅助设计系统（1 1）智能计算机辅助设计系统的基本组成）智能计算机辅助设计系统的基本组成 智智能能CAD系系统统是是将将人人工工智智能能原原理理和和CAD技
20、技术术用用于于工工程程设设计计的的程程序序系系统统，它它拥拥有有丰丰富富的的机机构构设设计计公公有有知知识识和和设设计计数数据据资资料料，同同时时拥拥有有众众多多领领域域专专家家的的个个人人经经验验知知识识。在在设设计计时时，能能够够模模仿仿人人类类专专家家进进行行创创造造性性设设计计，并并具具有有自自学学习习功功能能，能能不不断断地地总总结结成成功功经经验验，不不断断地地吸吸取取人人类类专专家家的的知知识识，来来补补充充自自己己的的知知识识，提高自己的创造性能力。提高自己的创造性能力。智能智能CAD系统系统人工智能原理人工智能原理CAD技术技术=+具有丰富的机构具有丰富的机构设计公有知识、设
21、计公有知识、设计数据资料设计数据资料具有众多领域具有众多领域内专家的个人内专家的个人经验、知识经验、知识 能能进进行行创创造造性性设设计计、具具有有自自学学习习功功能能、不不断地总结成功经验断地总结成功经验 智能智能CAD系统应具有下面的三个功能：系统应具有下面的三个功能：该该系系统统能能智智能能地地支支持持设设计计者者，即即在在知知识识库库的的支支持持下下，系系统统具具有有搜搜索索、推推理理决决策策的的能能力力，包包括括理理解解设设计计者者的的意意图图、设设计计条条件件和和约约束束，提提出出各各种种可可行行的的设设计计方方案案及及结结构构，能能正正确确解解释释设设计计者者提提出出的的问问题题
22、，查查找找并并改改正正设设计计错错误误。这这就就要要求求系系统统具具有有一一个个内容丰富的知识库和一个进行理解推理和决策的模块。内容丰富的知识库和一个进行理解推理和决策的模块。系系统统具具备备相相应应的的设设计计资资料料数数据据库库和和计计算算分分析析程程序序库库，还还应应有图形支撑系统和文件产生系统。有图形支撑系统和文件产生系统。系系统统具具有有自自学学习习能能力力，即即能能够够不不断断地地总总结结经经验验，自自动动地地从从知知识识库库将将过过时时的的、不不合合理理的的知知识识删删除除掉掉，并并能能不不断断地地吸吸收收新新的的知识。这就要求系统的知识库具有开放性和灵活性。知识。这就要求系统的
23、知识库具有开放性和灵活性。一个典型的智能一个典型的智能CAD系统的组成如系统的组成如图图1-6所示。所示。绘图及文 件编写推理机领域专家知识获取知识库模式性知识数值分析法规则性知识自学习机逻辑推理模式联想设计资料 数据库分析计算 动态 数据库人机界面图形交互输入输出用 户图图1-6CAD部分部分专家系统部分专家系统部分由图由图1-6可知，一个智能可知，一个智能CAD系统由以下几个部分组成：系统由以下几个部分组成：知识获取，用来获取来自领域专家的知识；知识获取，用来获取来自领域专家的知识；知识库，用来存放各种知识，工作时与推理机交换信息；知识库，用来存放各种知识，工作时与推理机交换信息；自自学学
24、习习机机，在在推推理理过过程程中中进进行行学学习习，将将得得到到的的新新知知识识不不断断充充实知识库，并删除知识库中过时的知识；实知识库，并删除知识库中过时的知识；人机界面，是用户与系统的接口；人机界面，是用户与系统的接口；绘绘图图和和文文件件编编写写，从从中中间间数数据据库库获获取取结结果果数数据据，采采用用交交互互或或自动化的方式产生图样和设计文件；自动化的方式产生图样和设计文件；动动态态数数据据库库，存存放放推推理理过过程程的的中中间间结结果果、用用户户输输入入信信息息及及最最终结果；终结果；推推理理机机是是整整个个系系统统的的核核心心，其其任任务务是是将将输输入入要要求求与与知知识识库
25、库相相匹匹配配，触触发发适适用用的的规规划划，使使有有关关结结论论得得到到执执行行。推推理理机机要要对对各各组组成成部部分分实实现现控控制制，解解决决各各结结论论之之间间的的矛矛盾盾，对对设设计计结结束束进进行行评价和决策，最后得到最佳设计结果；评价和决策，最后得到最佳设计结果；分分析析计计算算部部分分，用用各各种种程程序序进进行行计计算算和和分分析析，给给推推理理机机提提供供定量的评价和决策数据；定量的评价和决策数据；设设计计资资料料数数据据库库，存存放放大大量量的的设设计计标标准准和和参参考考资资料料，用用来来支支持分析计算、评价及决策过程。持分析计算、评价及决策过程。（2 2）人工智能技
26、术与智能设计系统）人工智能技术与智能设计系统 专专家家系系统统、人人工工神神经经网网络络是是人人工工智智能能的的两两个个应应用用分分支支，由由此此而而出出现现了了不不同同特特点点的的智智能能设设计计系系统统，即即基基于于专专家家系系统统、人人工工神神经网络经网络和体现复合智能的和体现复合智能的神经网络专家系统的神经网络专家系统的智能设计系统。智能设计系统。人人工工智智能能技技术术专家专家系统系统人工神人工神经网络经网络人人工工智智能能基基础础理理论论+CADCAD基于神经网络基于神经网络的智能设计系统的智能设计系统基于专家系统基于专家系统的智能设计系统的智能设计系统基于神经网络专家基于神经网络
27、专家系统的智能设计系统系统的智能设计系统不同特点的智能设计系统不同特点的智能设计系统两个应用分支两个应用分支专家系统（专家系统（ExpertSystemES）专专家家系系统统是是一一种种计计算算机机程程序序，是是基基于于知知识识的的智智能能程程序序，是是以专家的水平来完成一些重要问题的计算机应用系统。以专家的水平来完成一些重要问题的计算机应用系统。专专家家系系统统的的知知识识库库存存有有相相当当数数量量的的权权威威性性知知识识，系系统统能能运运用用这这些些知知识识解解决决特特定定领领域域的的实实际际问问题题、或或模模拟拟专专家家运运用用这这些些知知识通过推理作出智能决策。识通过推理作出智能决策
28、。专专家家系系统统擅擅长长符符号号处处理理和和逻逻辑辑推推理理，特特别别适适合合于于解解决决自自动动计计算算、问问诊诊和和启启发发式式推推理理等等基基于于规规则则的的问问题题。专专家家系系统统具具有有强强大大的的解解释释功功能能，对对设设计计推推理理过过程程和和结结果果作作出出解解释释，这这种种推推理理过过程的透明性有利于设计人员理解和使用系统的设计结果。程的透明性有利于设计人员理解和使用系统的设计结果。专专家家系系统统的的知知识识库库和和推推理理机机为为系系统统的的两两大大组组成成部部分分。知知识识库库的的丰丰富富和和修修正正，不不会会涉涉及及推推理理机机的的程程序序体体，这这使使系系统统扩
29、扩充充方方便。便。但专家系统具有两个缺陷：但专家系统具有两个缺陷：知识获取的知识获取的“瓶颈瓶颈”。专专家家系系统统的的智智能能水水平平很很大大程程度度取取决决于于知知识识的的数数量量和和质质量量，而而实实际际工工程程设设计计中中涉涉及及的的因因素素很很多多，很很难难建建立立一一个个完完整整全全面面的的关关系系模模型型。有有些些专专家家的的经经验验知知识识、感感性性知知识识和和潜潜意意识识里里运运用用的的设设计计知知识识，要要归归纳纳和和描描述述成成计计算算机机程程序序或或基基于于规规则则的的知知识识形形式式非非常常困困难难，甚甚至至不不能能实实现现。即即使使能能用用计计算算机机程程序序来来描
30、描述述专专家家的的设设计计知知识识，相相应应的的知知识识库库也也必必然然十十分分庞庞大大，构构造造和和维维护护非非常常不不易。易。推理能力相对较弱。推理能力相对较弱。专专家家系系统统的的本本质质特特征征是是基基于于规规则则的的推推理理思思维维，由由于于逻逻辑辑推推理理理理论论还还不不完完善善，推推理理方方法法简简单单，控控制制策策略略不不灵灵活活，当当多多个个设设计计专专家家的的知知识识间间发发生生矛矛盾盾或或获获取取的的知知识识间间夹夹杂杂有有很很大大干干扰扰时时，容容易易出出现现匹匹配配冲冲突突、组组合合爆爆炸炸及及无无穷穷递递归归等等问问题题，使使专专家家系系统统的处理能力受到很大影响。
31、的处理能力受到很大影响。人人工工神神经经网网络络（Artificial Neural NetworksANN）人人工工神神经经网网络络是是由由大大量量简简单单的的神神经经元元相相互互连连接接而而成成的的自自适适应应非线性动态系统。下图为一多层人工神经网络结构图。非线性动态系统。下图为一多层人工神经网络结构图。x1xixmy1ykyp输入输入层隐层输出层输出1im1jn1kp人人工工神神经经网网络络作作为为生生物物控控制制论论的的一一个个成成果果，其其应应用用几几乎乎已已延延伸伸到到各各个个工工程程领领域域，吸吸引引着着不不同同专专业业的的领领域域专专家家从从事事这这方方面面的研究和开发工作，并
32、且在这些领域中已形成了新的生长点。的研究和开发工作，并且在这些领域中已形成了新的生长点。人人工工神神经经网网络络从从理理论论探探索索进进入入大大规规模模工工程程实实用用阶阶段段，也也只只有有短短短短十十几几年年的的时时间间。它它的的工工作作原原理理和和功功能能特特点点接接近近于于人人脑脑，不不是是按按给给定定的的程程序序一一步步一一步步地地机机械械执执行行，而而是是能能够够自自身身适适应应环环境，总结规律，完成运算、识别和控制等工作。境，总结规律，完成运算、识别和控制等工作。人工神经网络的主要特点为：人工神经网络的主要特点为：a.a.大规模的信息并行处理能力。大规模的信息并行处理能力。所谓所谓
33、并行处理并行处理指在网络的各层中，同层各单元信息传递是指在网络的各层中，同层各单元信息传递是同步的，各层间信息传递是串行的。因此神经网络的推理过程同步的，各层间信息传递是串行的。因此神经网络的推理过程是一种典型的是一种典型的并行推理并行推理，故速度快，这对于规模较大、构成较，故速度快，这对于规模较大、构成较复杂的工程设计问题尤为有效。复杂的工程设计问题尤为有效。b.b.极强的自学、联想和容错能力。极强的自学、联想和容错能力。神神经经网网络络的的推推理理过过程程只只与与自自身身的的参参数数有有关关，其其参参数数通通过过学学习习算算法法进进行行自自适适应应调调节节，因因此此它它有有很很强强的的自自
34、学学和和自自适适应应能能力力。在在工工程程中中只只要要向向它它提提供供足足够够的的样样本本，训训练练后后，网网络络便便学学会会了了蕴蕴藏藏在在样样本本中中的的知知识识，一一旦旦输输入入新新的的样样本本，网网络络便便会会给给出出正正确确结结果果，具具有有联联想想能能力力。网网络络中中部部分分神神经经元元损损坏坏，不不影影响响推推理理结结果果，具有具有容错容错能力。能力。b.b.分布式的信息存储方式分布式的信息存储方式。神神经经网网络络的的知知识识表表达达采采用用的的是是一一种种隐隐式式表表达达，它它把把知知识识蕴蕴含含于于网网络络的的互互连连结结构构与与连连接接权权中中，这这使使工工程程设设计计
35、中中一一些些难难以以规规则则化化或或程程序序化化的的知知识识更更易易于于表表达达出出来来，更更易易于于实实现现经经验验思思维维。工工程程实实际际中中，许许多多设设计计都都是是多多输输入入多多输输出出的的决决策策问问题题，神神经经网网络络的特点使其在解决这类问题上有很大的优势。的特点使其在解决这类问题上有很大的优势。下面用一个简单的故障判断问题来说明专家系统和人工神下面用一个简单的故障判断问题来说明专家系统和人工神经网络在信息存储方式上的差异。经网络在信息存储方式上的差异。所谓故障诊断就是查明导致系统某种功能失调的原因或性所谓故障诊断就是查明导致系统某种功能失调的原因或性质。设备的故障诊断就是根
36、据设备可测量的物理等量等质。设备的故障诊断就是根据设备可测量的物理等量等故障征故障征兆兆来判断设备的来判断设备的故障原因故障原因。即。即故障征兆故障征兆 故障原因故障原因 下下图为图为汽车电气系统故障判断逻辑图。汽车电气系统故障判断逻辑图。专家系统是基于知识的判断系统，因专家系统是基于知识的判断系统，因而必须首先建立知识库。知识库由下列几而必须首先建立知识库。知识库由下列几条规则组成：条规则组成：if仪表亮仪表亮&照明亮照明亮then电气系统正常电气系统正常if仪表亮仪表亮&照明灭照明灭then电气系统正常电气系统正常if仪表灭仪表灭&照明亮照明亮then电气系统正常电气系统正常if仪表灭仪表
37、灭&照明灭照明灭then电气系统异常电气系统异常当给出一个前提（故障征兆），专家当给出一个前提（故障征兆），专家系统会根据知识库系统会根据知识库作出推断，获得结论作出推断，获得结论（故障原因）。（故障原因）。由由此此可可知知，专专家家系系统统中中的的知知识识是是显显式式表表达达的的，其其判判断断是是基基于于规则规则的推理。的推理。现用神经网络来完成这个故障检测任务。现用神经网络来完成这个故障检测任务。x1x2 y1000010100111a.a.建立逻辑表建立逻辑表;b.b.建立训练样本：建立训练样本：x1,x2 y1x1,x2 y1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0
38、 1 0 0 1 1 1 1 1 1c.c.构建一个构建一个2-7-12-7-1的人工神经网络的人工神经网络d.d.以样本训练网络以样本训练网络e.e.训练好的网络可投入使用训练好的网络可投入使用逻辑表逻辑表（0 0正常，正常，1 1故障）故障）神经网络中知识是神经网络中知识是隐式隐式表达的，其判断是基于表达的，其判断是基于计算计算的推理。的推理。人工神经网络也有不足：人工神经网络也有不足：a.神神经经网网络络推推理理过过程程的的不不透透明明性性，使使用用户户只只能能看看到到输输入入和和输输出出，而而看看不不到到中中间间的的分分析析推推理理过过程程及及其其依依据据，无无法法回回答答用用户户的的
39、问诊，不利于用户理解和使用推理结果。问诊，不利于用户理解和使用推理结果。b.系系统统知知识识处处理理的的正正确确性性和和可可靠靠性性很很大大程程度度受受所所选选择择的的训训练练样样本本的的限限制制。若若样样本本的的正正交交性性和和完完备备性性不不好好，往往往往会会使使系系统统的的性性能能恶恶化化。尤尤其其在在工工程程设设计计中中，样样本本太太少少，不不足足以以反反映映设设计计规规则则，这这导导致致目目前前使使用用人人工工神神经经网网络络还还只只能能实实现现一一些些较较小小的的智智能能模块。模块。c.由由于于目目前前理理论论水水平平的的限限制制，人人工工神神经经网网络络在在实实现现连连续续型型的
40、的非线性映射方面还存在精度不高的问题。非线性映射方面还存在精度不高的问题。复合智能（复合智能（Neural-ExpertHybrid）ES和和ANN结结合合起起来来，实实现现优优势势互互补补，便便构构成成了了复复合合智智能能。下下表给出了各系统的智能属性。表给出了各系统的智能属性。1-最好，最好，3-最差最差智能属性人专家系统神经网络数值运算321知识获取132知识表达132并行处理132低层知识处理132高层知识处理123不精确推理123启发式推理123学习能力132容错能力/坚韧性132知识领域的敏感性132创造性思维133应用的成熟程度123从从表表中中可可知知，在在整整体体水水平平上上
41、，人人的的能能力力与与人人工工智智能能系系统统相相比比，仍仍遥遥遥遥领领先先。ESANN都都是是“部部分分智智能能”，并并在在多多方方面面的的属属性性是是互补的：互补的：a.ES擅擅长长基基于于知知识识的的逻逻辑辑推推理理、逻逻辑辑思思维维以以及及在在宏宏观观功功能能上上模模拟拟人人的的知知识识推推理理能能力力，工工作作机机制制是是串串行行处处理理；ANN则则在在知知识识获获取取、经经验验思思维维和和在在微微观观结结构构上上模模拟拟人人的的认认知知能能力力方方面面存存在在优优势，工作机制是并行处理。势，工作机制是并行处理。b.利利用用ES来来求求解解问问题题，若若能能求求出出解解，一一定定是是
42、准准确确的的和和最最优优的的，但但若若求求不不出出，则则彻彻底底失失败败；而而利利用用ANN求求解解问问题题，它它往往往往给给出出的是一个次最优解，并且总能得到解。的是一个次最优解，并且总能得到解。c.ES的的操操作作特特征征是是软软件件编编程程，主主要要用用于于求求解解推推理理学学习习一一类类问问题题；而而ANN的的操操作作特特征征是是非非编编程程的的集集体体计计算算，主主要要用用于于求求解解示示例例学学习一类问题。习一类问题。在在复复合合智智能能系系统统中中，ANN主主要要负负责责知知识识的的获获取取与与表表示示，实实现现知知识识的的利利用用与与推推理理；ES则则负负责责用用户户接接口口界
43、界面面、系系统统内内部部连连接接与与协调、以及基于规则的知识处理。协调、以及基于规则的知识处理。目目前前，两两者者结结合合的的方方式式主主要要有有：分分立立模模型型、交交互互模模型型、松松耦耦合合、紧紧耦耦合合及及完完全全集集成成等等几几种种。常常用用的的复复合合智智能能系系统统由由初初始始方方案案专专家家系系统统、用用户户接接口口、人人工工神神经经网网络络及及方方案案确确定定专专家家系系统统构构成，如图。成，如图。用户人机界面人工神经网络初始方案方案确定专家系统最佳方案候选方案用户接口图形交互输入输出用户接口初始方案专家系统 其其中中，初初始始方方案案专专家家系系统统由由知知识识库库和和推推
44、理理机机组组成成，知知识识库库存存放放与与初初始始方方案案有有关关的的知知识识，一一般般为为产产生生式式规规则则，推推理理机机可可进进行行正向、反向及双向推理；正向、反向及双向推理；用用户户接接口口实实现现用用户户与与专专家家以以及及专专家家系系统统和和神神经经网网络络的的接接口口功功能能，负负责责将将初初始始专专家家系系统统得得到到的的初初始始方方案案转转换换为为神神经经网网络络的的输输入模式，以及将方案确定专家系统选择的最终方案传递给用户；入模式，以及将方案确定专家系统选择的最终方案传递给用户；神神经经网网络络的的输输入入层层对对应应于于设设计计性性能能和和约约束束的的满满足足程程度度，输
45、输出出层层对对应应设设计计参参数数的的调调整整程程度度，训训练练时时将将专专家家的的调调整整示示例例输输入入网网络，通过自我学习得到网络参数；络，通过自我学习得到网络参数；方方案案确确定定专专家家系系统统则则按按基基于于规规则则方方法法从从神神经经网网络络通通过过不不精精确确推理产生的几个可能的输出中选择出最佳的方案。推理产生的几个可能的输出中选择出最佳的方案。（3 3）智能计算机辅助设计的发展方向）智能计算机辅助设计的发展方向 概概念念设设计计（ConceptualDesign），又又叫叫方方案案设设计计，是是产产品品寿寿命命循循环环中中最最重重要要的的工工作作，是是设设计计过过程程中中的的
46、第第一一步步。概概念念设设计计的的作用是为一个设计任务选择最好的解决方案。作用是为一个设计任务选择最好的解决方案。有有关关资资料料指指出出，产产品品寿寿命命循循环环总总价价的的75%80%是是在在概概念念设设计计阶阶段段决决定定的的，在在后后续续设设计计工工作作和和制制造造过过程程中中，不不管管采采取取什什么么样样的的措措施施，对对价价格格的的影影响响也也是是极极其其有有限限的的。可可见见，概概念念设设计计在在整整个个设设计计过过程程中中占占有有十十分分显显要要的的地地位位，然然而而这这也也正正是是智智能能CAD的难点。的难点。在在概概念念设设计计阶阶段段，没没有有尺尺寸寸关关系系的的详详细细
47、要要求求，其其目目标标只只是是用用功功能能来来匹匹配配运运动动结结构构，它它是是一一种种抽抽象象的的构构思思过过程程。概概念念设设计计包包括括功功能能分分解解、功功能能表表示示及及功功能能综综合合三三个个阶阶段段。任任何何机机械械系系统统都都是是由由一一系系列列零零部部件件组组成成的的。产产品品功功能能与与其其零零部部件件之之间间有有着着错错综综复复杂杂的的相相互互关关系系，造造成成了了概概念念设设计计过过程程的的复复杂杂和和困困难难，这这就就要要求求设设计计专专家家不不仅仅要要有有丰丰富富的的设设计计知知识识与与经经验验，而而且且需需要要有有对对问问题的综合能力。题的综合能力。此阶段的目标是
48、为产品设计构思出满足设计要求的原理方此阶段的目标是为产品设计构思出满足设计要求的原理方案，作为下一阶段详细设计的基础。案，作为下一阶段详细设计的基础。原理方案原理方案是一种是一种初步考虑结构形状初步考虑结构形状实现所需功能的综合。实现所需功能的综合。进行这一阶段的一般性步骤是：进行这一阶段的一般性步骤是：从产品功能目标的抽象和总功能的分解与综合开始，接着从产品功能目标的抽象和总功能的分解与综合开始，接着是寻找各分功能的可行解，并加以综合，然后作出方案的粗略是寻找各分功能的可行解，并加以综合，然后作出方案的粗略草图，并分别进行经济技术评价，最后选择最佳方案。草图，并分别进行经济技术评价，最后选择
49、最佳方案。这些活动，涉及到对设计对象领域的详细了解、丰富的设计这些活动，涉及到对设计对象领域的详细了解、丰富的设计经验及良好的创造性思维等能力，这些都是难以用算法表示的经验及良好的创造性思维等能力，这些都是难以用算法表示的活动。而智能活动。而智能CAD技术的研究就是要技术的研究就是要促成计算机技术促成计算机技术对对设计过设计过程程的的全程参与全程参与，因而智能设计系统的研究和实用化，还需要面，因而智能设计系统的研究和实用化，还需要面对如下的一些需要解决的问题。对如下的一些需要解决的问题。设计过程的再认识设计过程的再认识 智能智能CAD系统的发展，乃至设计自动化的实现，从根本上是系统的发展，乃至
50、设计自动化的实现，从根本上是取决于对设计过程本身的理解。尽管人们在设计方法、设计规取决于对设计过程本身的理解。尽管人们在设计方法、设计规律等方面进行了大量的探索，但从计算机化的角度看，设计方律等方面进行了大量的探索，但从计算机化的角度看，设计方法学的水平还远远没有达到此目的，智能法学的水平还远远没有达到此目的，智能CAD系统的发展仍需系统的发展仍需要进一步的探索要进一步的探索适合于计算机程序系统的设计理论和有效的设适合于计算机程序系统的设计理论和有效的设计处理模型计处理模型。知识的表示知识的表示设计过程是一个非常复杂的过程，它涉及到多种不同的类型设计过程是一个非常复杂的过程，它涉及到多种不同的