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1CAD與CAID

計算機輔助設計技術（CAD），即利用計算機軟、硬件系統輔助工程技術人員或工程進行設計、分析、修改以及以交互式顯示或輸出的一種方法（手段），是一門多學科的綜合應用技術。目前CAD技術已廣泛應用于各種領域，而CAID代表CAD發展的最新方向，與CAD有什么區別？傳統型CAD的模式是“數值+計算”，主要面向于工程與技術。當CAD最初應用到工業設計領域時，只是簡單的“CAD+ID”[1]。而現代高技術CAID是CAD技術與工業設計技術的有機結合，從本質上來說是傳統型CAID在基于互聯網技術以工業設計知識為主體在“推理”模式下進行一系列創造性活動的智能化系統。

2與CAID發展相關的制造技術

2.1并行工程在經濟全球化主導下，市場環境瞬息萬變，為了適應市場競爭的形勢，企業必須具備對市場變化作出快速反應的能力。基于這樣的環境下，以數字化設計、制造和信息技術為依托的并行工程技術應運而生。并行工程是對產品及其相關過程（包括制造和支持過程）進行集成地并行地設計的系統化工作模式。傳統的產品開發過程采用從設計到制造的串行模式，設計質量低、開發周期長、設計成本高。而并行工程恰恰彌補了這一系列的缺點，并行工程的系統化工作模式在強調產品開發過程中的集成化和并行化處理的同時，還要求設計師在設計階段考慮產品全生命周期的所有因素，并與其他部門的設計師建立信任和通信機制，以減少設計過程的反復和次數，提高設計效率，縮短開發周期，保證產品質量，從而產生顯著的經濟效益。

2.2協同設計與敏捷制造協同設計以計算機網絡、多媒體、通信技術為基礎，要求復雜產品設計中不同地理位置多個學科人員之間的互相協作，達到分布式資源合理地利用，實現網絡化協同模式的一種設計策略。同時計算機網絡、多媒體、通信技術的發展，使CSCW（Com-puter-SupportedCooperativeWork）的實現成為可能，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，構建共同完成某項工作的分布式計算機環境[3]。敏捷制造（AgileManufacturing）因網絡技術的產生而興起，并隨著網絡技術的進步而發展。“敏捷制造”的概念最早在1991年由美國里海大學發表的“21世紀制造企業發展戰略”研究報告中被提出，也就是從適應激烈的市場競爭、響應市場迅速變化的視角，創造性的構想了一種依靠現代通信技術和信息技術的虛擬企業或動態聯盟，以降低生產成本、提高設計質量、減少生產周期為目標，從而獲取競爭優勢的全新思維。協同設計與敏捷制造已成為現代產品開發的重要工具，同時也是先進制造技術領域研究的熱點。

2.3虛擬現實技術“虛擬現實”（VirtualReality，VR）最早被提出是在80年代，隨著計算機網絡、多媒體、通信技術的發展，至90年代逐步受到重視而迅猛發展，在軍事和娛樂領域得到廣泛應用。而在工業設計領域，由于虛擬現實技術的投資成本過高，應用僅限于汽車和航空航天等大型工業產品的內飾的人機交互設計系統領域。虛擬現實技術匯集了現代多媒體、人工智能、人機多維界面技術、傳感器技術等高科技，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實系統，可在網絡環境中，充分利用分布在世界各地的各種資源，協同進行互動性的產品設計，甚至請顧客在融洽的氣氛中，共同探索產品的開發。

2.43D掃描技術隨著參數化特征造型技術的發展，一般用于正向設計的CAD/CAM技術已得到了較好的解決。但是在產品仿制、模具快速制造、人體器官復制等諸多特殊領域，普通的造型手段已經很難有效地解決問題，因而迫切需要新型的造型方法。逆向工程技術正是在數字化與快速響應制造這一大趨勢下應運而生的。20世紀90年代以來，逆向工程技術被放到大幅度縮短新產品開發周期和增強企業競爭能力的主要位置上。逆向工程技術發展到現在已經相當成熟，為3D掃描技術的發展奠定了良好的基礎。3D掃描技術使設計人員能夠快速逆向工程，并隨時更新以前的設計。其中結構光3D掃描技術已被運用在汽車設計制造領域，例如凱迪拉克公司利用這種技術在一周內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3D打印技術是一個種類繁多、發展迅速的巨大領域。其興起于上世紀90年代中期，一直呈現蓬勃發展的態勢，在世界制造業領域又一次掀起了變革的浪潮。3D打印技術顛覆了傳統的生產模式，能夠“打印”出真實的3D模型。3D打印技術市場潛力空前，今后將是CAID領域的主流高新技術之一。“格雷伯爵茶，熱的。”這句話是《星際迷航：下一代》中盧克•皮卡德艦長對著墻上的終端設備說的，幾秒鐘后，他選擇的飲品就出現在面前。這個虛構的設備叫做“replicator”——一種響應即時需求、重組基本材料原子創造新事物的機器，這種能夠創造出改變分子結構、憑空制造出物品的設備還需要我們進一步探索。

2.6CAID與先進制造技術的相關性現代產品的開發流程是一個并行的過程，并行工程是對傳統產品開發模式的深刻變革。現代產品開發設計依靠先進制造技術，基于開放式的知識數據庫系統，在滿足客戶需求的前提下，全面考慮開發時間、質量、成本、服務、環境的關系，通過對現有同類產品、定位設計概念的分析，利用相似性推理出初步的解決方案。初步方案還需要完善，計算機網絡為異地協同設計提供了便利渠道，為滿足產品并行開發的要求，面向網絡化制造的虛擬技術為虛擬樣機和環境的制造提供了技術支持，能夠建立基于計算機的數字化產品模型，并在虛擬環境下對虛擬樣機進行人機交互性實驗、評價并改進設計。從利用知識數據庫系統到最終推理出虛擬樣機的過程是往復循環的，這種無紙化開發能夠以高效率最大限度縮短設計周期，提高設計質量。

3當前流行的CAID技術分析

當前國內外CAID的研究主要集中在計算機輔助思維技術、計算機輔助造型技術、計算機輔助工程技術以及計算機輔助管理技術等方面。

3.1計算機輔助思維技術產品開發的前期對知識的需求與應用程度較高。對設計過程中的知識進行分析、獲取與表達,并構建知識輔助的概念設計系統,是目前CAD技術在工業設計和概念設計領域研究和應用的熱點[8]。基于網絡的計算機輔助工業設計（ICAID）是以Internet技術和CAID技術為基礎，以工業設計的領域知識表達和應用為主線，旨在解決工業設計過程中的知識輔助和知識應用，以及各設計主體間協同合作等問題，針對工業設計過程前期的概念產生、方案共享等設計要求而提出的具有一定的輔助設計功能、群體協作功能、符合現代設計理念的工業設計支持系統。用戶可以根據需求進入ICAID系統中的功能模塊，來完成概念設計系統預先規劃的流程，實現從抽象到具象的設計過程[8]。

3.2計算機輔助造型技術（1）二維造型二維造型技術，即草圖設計技術，是隨著實體造型技術的發展,為滿足工業設計師傳統的手繪習慣而發展起來的。它是用來彌補傳統CAD系統與工業設計之間鴻溝的有效手段。當前,國內外已建立了一些基于草圖的CAD系統[11]，如Alias、Pro/E、UG、Solidworks等三維軟件都提供了有關產品早期設計的草圖模塊，CorelDraw、Photoshop、Illustrator等二維軟件也被廣泛用于產品效果圖的繪制，但符合設計師的創新思維、設計習慣等方面還存在一定的差距[12]。（2）三維造型工業設計包含了諸多設計領域，針對不同領域的三維造型軟件也有所不同。目前CAID應用軟件主要分為三類，一類是以產品效果圖的生成與顯示為目的的軟件，如3Dmax、Rhino、Maya等；一類是傳統的CAD軟件中提供的工業設計模塊，如Pro/E就包含了一個工業設計模塊，模塊中的核心子系統Pro/Design包含了用于概念設計的二維非參數化的裝配布局工具、用于概念分析的二維參數化布局工具和用于組件的三維布局模型[；第三類是相關的專業軟件，如渲染軟件、第三方插件等。

3.3計算機輔助工程技術計算機輔助工程技術目前發展迅速，是實現工業產品的建模、分析、模擬仿真與優化設計的信息技術。AutoCAD、Solid-works、Pro/E等工程軟件具有良好的工程背景，在產品的結構、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。傳統的設計方法要經過多次反復過程，才能進入最終生產階段。而計算機輔助工程技術是在三維實體建模的基礎上，對產品進行虛擬仿真與分析、虛擬環境下的人機交互性實驗、虛擬制造，并進行綜合評估[13]，最終得出最優解，這是一個不斷迭代的過程。與傳統的設計方法相比，計算機輔助工程技術省時省錢。

3.4計算機輔助管理技術運用計算機系統來管理設計，構建知識交流的管理平臺，有利于提高設計團隊的工作效率，激發更具創意的解決方案。（1）設計協同作業中心：管理系統的核心，用于整合各系統之間的運作。（2）設計專案管理系統：用于處理專案工作分配與指派，專案列管與統計以及高階主管決策與核定作業。（3）創意整合中心：包括創意知識庫、創意分析研究、創意歸納與管理及設計評比與考核。（4）資源整合中心：包括設計資料管理系統、企業資源管理系統、人力資源管理系統、設計供應鏈管理系統。（5）客戶資訊中心：CRM客戶關系管理系統，包括客戶資料庫、客戶需求分析、客戶溝通機制與客戶解答窗口

4CAID發展的趨勢

CAID代表著CAD發展的新方向，工業設計學科本身的發展以及CAD技術的發展都會影響到CAID的發展，三者之間相互促進。

4.1工業設計的發展趨勢分析在信息化時代，計算機軟硬件的開發與應用實現了定制化商品服務的多元化，多元化的商品消費模式使計算機技術的發展更加系統化。因此，工業設計的發展將與計算機技術的發展同步。CAID是工業設計在新時代的一種表現形式，虛擬環境下的互動模式的CAID是工業設計發展的必然趨勢，它將使工業設計朝著多元化、優化、一體化的方向發展。

4.2CAID的發展趨勢分析CAID作為工業設計尋求方案最優解的過程中的工具，目前還存在很大的局限性，如何幫助人們進行創新設計是亟待解決的問題。開放的人工智能數據庫系統是CAID技術發展的目標，整個系統將覆蓋形態、色彩、人機、裝飾、評價、制造、裝配、管理、銷售、服務及消費產品生命全過程，使設計、制造和使用一體化，更大限度地發揮設計師的創造力。通過人機交互，及時向設計師提出合理化建議或自動改進設計，提高產品設計效率與設計質量。產品開發過程與模式的發展是隨現代設計方法和CAID相關的先進技術的發展相一致的[1]。隨著科技的進一步發展，CAID將會朝著人性化、數字化、集成化、網絡化、智能化的方向發展。

5結語

CAID是現代工業設計和先進技術結合的產物，是現代技術發展的必然趨勢。CAID與現代設計方法融合，與先進制造技術協同發展，帶來了產品開發方式的革命，引發了設計方式的變革。面對市場經濟競爭日益激烈的21世紀，如何把握機會，抓住CAID的發展應用，促進我國工業設計的長足發展是所有工業設計研究人員和設計人員要直面的重要課題。

作者：欒輝黃晶陳興義單位：河南理工大學建筑與藝術設計學院