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在工程設(shè)計(jì)研究13(2002)55±64 工業(yè)部10.1007 / s00163 - 001 -0007- 4 針對(duì)理想的機(jī)械工程設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)的研究 大衛(wèi)G.Ullman 摘要：本文詳細(xì)介紹了在開(kāi)發(fā)進(jìn)展理想的機(jī)械設(shè)計(jì)的支持系統(tǒng)。它試圖填補(bǔ)這個(gè)工程師的需求和目前市面上的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)系統(tǒng)之間的差距。自從強(qiáng)調(diào)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD) 這個(gè)術(shù)語(yǔ)，電腦已成為人類設(shè)計(jì)師的強(qiáng)有力的助手，這篇文章的內(nèi)容是設(shè)計(jì)師的的中心任務(wù)。它緊緊根據(jù)設(shè)計(jì)師所做的項(xiàng)目和他們開(kāi)發(fā)的信號(hào)系統(tǒng)項(xiàng)目的類型。17項(xiàng)關(guān)于理想機(jī)械設(shè)計(jì)的支持系統(tǒng)在這里被一一列舉出來(lái)。這些先進(jìn)的信號(hào)系統(tǒng)直接應(yīng)用于設(shè)計(jì)過(guò)程和實(shí)際應(yīng)用與發(fā)展中，對(duì)于這十七項(xiàng)中的任何一項(xiàng),根據(jù)目前他們的發(fā)展情況，他們是目前最先進(jìn)也是有很大未來(lái)發(fā)展空間的研究項(xiàng)目。 關(guān)鍵詞：機(jī)械工程設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD),支持系統(tǒng)。 1 介紹 本文總結(jié)了理想機(jī)械工程設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)程。近30年來(lái),計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)已經(jīng)被他們的開(kāi)發(fā)者作為支持系統(tǒng)工程設(shè)計(jì),發(fā)展產(chǎn)品的系統(tǒng)加以吹捧。這是說(shuō)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)系統(tǒng)在關(guān)于怎樣在工作場(chǎng)所使設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)方面有重大的影響…,令人驚訝的是,很少有關(guān)于這個(gè)系統(tǒng)的對(duì)設(shè)計(jì)者和最終產(chǎn)品方面影響的正式研究。這篇文章介紹了一種討論這些效應(yīng)結(jié)構(gòu)。 2000年2月11日收到:/2000年12月9日校稿: 2001年9月19日接受: /2001年11月13在線發(fā)表 2001年Springer-Verlag D.G.Ullman 俄勒岡州立大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)方面的榮譽(yù)退休教授,機(jī)械工程研究所碩士論文。具有較強(qiáng)的權(quán)威性性公司的董事長(zhǎng),Corvallis大街800號(hào),美國(guó)俄勒岡州97330。 電子郵件：ullman@robustdecisions.com: 本文由Autodesk資助;但是, 聲明這些意見(jiàn)和結(jié)論的作者主要是基于他的工作。 最近,并被認(rèn)為是徹底的,全身心投入此項(xiàng)尖端研究的學(xué)者只有八個(gè)，他們大多集中在二維 [1,15,17,18,22,23,24,25]。作者沒(méi)有發(fā)現(xiàn)他們關(guān)于影響參數(shù)系統(tǒng)的研究性文章被出版。 在這樣做的同時(shí),他們總結(jié)了目前已知的和需要的研究東西。最后,探討了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)系統(tǒng)發(fā)展來(lái)支持增加用于開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品活動(dòng)部分。 這個(gè)學(xué)期的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)對(duì)于人類的設(shè)計(jì)師是一種援助,所以本文的主旨是中心設(shè)計(jì)者。它是根據(jù)這個(gè)活動(dòng)緊緊依賴這個(gè)活動(dòng)的設(shè)計(jì)師和他們開(kāi)發(fā)的信息系統(tǒng)執(zhí)行。在許多方面,這是以前發(fā)表的兩個(gè)文件的一個(gè)更新（“繪制圖紙?jiān)跈C(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要性”和“設(shè)計(jì)的發(fā)展史存在的問(wèn)題、設(shè)計(jì)合理性以及設(shè)計(jì)意向系統(tǒng)”）。 最近的一些文章提出13個(gè)突出的問(wèn)題需要解決去實(shí)現(xiàn)并且提出了一種去改進(jìn)設(shè)計(jì)過(guò)程和有此引起的設(shè)計(jì)信息潛在的工程設(shè)計(jì)的疑問(wèn)。 這第一筆由基金會(huì)出資進(jìn)行研究研究的論文是有五個(gè)具有不同的背景和經(jīng)驗(yàn)的機(jī)械設(shè)計(jì)工程師發(fā)表的。他們每個(gè)人都會(huì)給于關(guān)于其中一兩項(xiàng)的詳細(xì)說(shuō)明書，但是實(shí)際的機(jī)械設(shè)計(jì)中的問(wèn)題的還是在現(xiàn)實(shí)的實(shí)踐中遇到。當(dāng)工程師們正著手于解決問(wèn)題時(shí)，他們被強(qiáng)烈的要求去思考解決辦法。他們的口頭報(bào)告,圖紙,手勢(shì)被錄像和錄音大約能夠持續(xù)6到10 小時(shí)。根據(jù)被謄寫的這些錄音資料數(shù)據(jù)獲得一個(gè)關(guān)于這次設(shè)計(jì)會(huì)議的草案。每一個(gè)設(shè)計(jì)者都在他們解決問(wèn)題的方法中繪制了幾張圖紙加以說(shuō)明。所有的這些都是在圖紙上。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)系統(tǒng)沒(méi)有被用于研究,因?yàn)闆](méi)有設(shè)計(jì)者在他們的日常設(shè)計(jì)中使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)它的使用對(duì)一個(gè)已經(jīng)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)會(huì)增加勞動(dòng)強(qiáng)度。 根據(jù)長(zhǎng)達(dá)40多個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)顯示,15節(jié)關(guān)于每門科目的概念、布局、詳細(xì)的典型設(shè)計(jì)被精選出來(lái)。這個(gè)草擬數(shù)據(jù)中其中的15個(gè)章節(jié)涵蓋了這些數(shù)據(jù)的174數(shù)據(jù)單元。通過(guò)總結(jié)分析觀測(cè)結(jié)果得出結(jié)論繪制成圖紙并將將之運(yùn)用于以下幾個(gè)方面: 1、檔案的幾何形態(tài)設(shè)計(jì)的 2、設(shè)計(jì)師之間和設(shè)計(jì)師和生產(chǎn)人員之間的思想交流 3、作為一種分析工具，通常, 不確定的尺寸和圖上的公差進(jìn)行開(kāi)發(fā) 4、模擬的設(shè)計(jì) 5、作為一個(gè)完整性檢查者，作為草圖或者其他正在繪制中的圖紙剩下的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，這些對(duì)于設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)變得清晰。實(shí)際上,幫助建立一個(gè)完成剩下設(shè)計(jì)任務(wù)的議程 6、作為一個(gè)設(shè)計(jì)師的短期記憶的延伸。設(shè)計(jì)師往往無(wú)意識(shí)地使用草圖幫助他們記得的他們可能忘記的想法。 1990年的圖紙?jiān)俅伪话l(fā)現(xiàn)并且是支持證明這些這個(gè)說(shuō)法。此外,雖然受試者不使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)系統(tǒng),但是結(jié)果卻表明: 1、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)系統(tǒng)必須允許草圖的輸入。 2、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)系統(tǒng)必須考慮到設(shè)計(jì)師使用的多種的接口界面。這雖然不意味著更多的方法去定義一個(gè)交際圈，但是必須去尋找一個(gè)滿足設(shè)計(jì)者需求的接口與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）上的圖像相交流。 3、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)必須能夠識(shí)別域相關(guān)的因素及完成他們的實(shí)體。 4、CAD工具需要能夠管理約束(甚至)摘要和功能的限制)并且確保他們的滿意,因?yàn)檫@是明顯的,人類的設(shè)計(jì)師在對(duì)他的認(rèn)知能力是有限。因此這篇文章表明,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)系統(tǒng)已經(jīng)成熟了并指出,至少在某種程度上有以上四種結(jié)論。然而,即使最新的系統(tǒng)是和理想的機(jī)械工程設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)之間仍有很大的差距。這篇文章對(duì)最理想的系統(tǒng)被描述并對(duì)對(duì)其進(jìn)展進(jìn)行了討論。 2 一個(gè)模型設(shè)計(jì)問(wèn)題的解決 對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)或許在將來(lái)的某天能夠戴上承載他（她）們理想和發(fā)展一種硬件陳述的“理想的帽子”。關(guān)于認(rèn)知過(guò)程、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD),和快速成型的研究正在它的領(lǐng)域進(jìn)行。這種現(xiàn)狀意味這我們可以在我們頭上陳述足夠好的可擔(dān)保的硬件將被開(kāi)發(fā)出的概念。我們還可以假想計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)系統(tǒng)已經(jīng)足夠先進(jìn)，能夠很好的承載我們的想法和處理好零件和總體的發(fā)展變化。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)系統(tǒng)的發(fā)展需要的到設(shè)計(jì)者認(rèn)知工作的理解。只有這樣想法設(shè)想和表達(dá)陳述直接的互通才有可能。 所以去探究關(guān)于這個(gè)環(huán)節(jié)已知的知識(shí)，考慮人類問(wèn)題的解決者和用數(shù)字表示的外部環(huán)境直接的關(guān)系是非常重要的。這組數(shù)據(jù)是基于紐厄爾和西蒙對(duì)模型的研究并被稱為數(shù)字處理信息系統(tǒng)(IPS)。這些數(shù)據(jù)圖表是關(guān)于設(shè)計(jì)信息的產(chǎn)生和儲(chǔ)存的一個(gè)簡(jiǎn)單的“地圖”。這些圖標(biāo)同時(shí)也展示了一個(gè)內(nèi)部的，人類解決問(wèn)題的環(huán)境(設(shè)計(jì)者的內(nèi)心)和外部環(huán)境(設(shè)計(jì)者思想外的客觀環(huán)境)。對(duì)于設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō),兩個(gè)位置對(duì)應(yīng)的是兩種不同類型的記憶:短期記憶(STM)和長(zhǎng)期記憶(LTM)。設(shè)計(jì)師外部的記憶方法有很多,有許多“設(shè)計(jì)存儲(chǔ)地點(diǎn)”包括圖形表示法、媒體例如：紙張和CAD工具,以及其它媒體，如：文本筆記、手冊(cè)和各位同仁。每種記憶方式都有它運(yùn)用于實(shí)際設(shè)計(jì)場(chǎng)合的背景和方法。短期記憶（STM）和長(zhǎng)期記憶(LTM)特征細(xì)節(jié)是基于紐尼爾和西門的思維模型。 它的延伸已經(jīng)被制成視覺(jué)圖片以及他的影響已被編碼。人們必須認(rèn)識(shí)到這個(gè)模型在這所包含的內(nèi)容雖然不完全同意認(rèn)知心理學(xué),但是他們足夠安全提供為討論CAD在機(jī)械設(shè)計(jì)中的作用討論依據(jù)。 2.1 短期記憶 短期記憶是非常快并且強(qiáng)大的。短期記憶的內(nèi)容是我們意識(shí)到信息,也就是說(shuō),我們的有意識(shí)的心智。所有的設(shè)計(jì)操作(例如,視覺(jué)感知和圖紙創(chuàng)作)是基于短期記憶（STM）的信息。不幸的是,STM容量能力有限。研究表明,它是限于大約七個(gè)認(rèn)知單位或者大量的信息。在設(shè)計(jì)中,這些碎片是視覺(jué)圖像信息的形式能信息、事宜的心理模式以及在CAD中表示想法的步驟，或者其他離散的信息碎片。雖然短期記憶的容量的有限,但它是一種處理時(shí)間僅是100毫秒的快速處理器。 2.2 長(zhǎng)期記憶 另一方面，長(zhǎng)期記憶有本質(zhì)上的無(wú)限容量，但是進(jìn)入長(zhǎng)期記憶的通路也慢了。進(jìn)入長(zhǎng)期記憶的通道也不是直接的。記憶也必須是一些提示或是基于短期記憶的信息檢索策略引發(fā)。在設(shè)計(jì)中，有一部分內(nèi)容被儲(chǔ)存在長(zhǎng)期記憶中。那些有相對(duì)比較簡(jiǎn)單的線索供引發(fā)記憶,因?yàn)?在任何時(shí)候,目前重要的設(shè)計(jì)部分都是在STM中并能充當(dāng)長(zhǎng)期記憶中的知識(shí)思想的指針。 23 外部環(huán)境, 在這個(gè)試驗(yàn)（1990年）中,很明顯許多繪畫行為不習(xí)慣于用文字記載設(shè)計(jì)過(guò)程中的結(jié)果。 但是繪制本省就是設(shè)計(jì)活動(dòng)的一部分。如果這個(gè)畫表可以將他們所做的這些呈現(xiàn)在他們腦海中,他們就可以按他們腦海中呈現(xiàn)的這樣做而不用做草圖,筆記和在紙上計(jì)算。因此,我們可以得出的外部環(huán)境常被用作長(zhǎng)期記憶和短期記憶的延伸。在外部環(huán)境中運(yùn)用媒體來(lái)提高設(shè)計(jì)者的認(rèn)識(shí)能力是至關(guān)重要的。區(qū)分開(kāi)媒體和人類的認(rèn)知之間的關(guān)系密不密切是這篇文章的一個(gè)目標(biāo)。本文所采用的方法首先是描述信息處理的類型,然后討論設(shè)計(jì)師由外部環(huán)境影響所作出的舉動(dòng)。這些信息的類型和舉動(dòng)對(duì)于理想的系統(tǒng)能力來(lái)說(shuō)是成熟的。每節(jié)以最理想的工程設(shè)計(jì)支持系統(tǒng)應(yīng)該具有怎樣的功能為內(nèi)容開(kāi)始。其余次要的信息遵循這些內(nèi)容.其次是關(guān)于記事本、二維CAD系統(tǒng),固體模型系統(tǒng)、參數(shù)系統(tǒng),以及其他支持工具怎樣滿足理想要求的描述。這樣使各分部得到改進(jìn)的機(jī)會(huì)。