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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) 這個術(shù)語，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)目和他們開發(fā)的信號系統(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。這些先進(jìn)的信號系統(tǒng)直接應(yīng)用于設(shè)計(jì)過程和實(shí)際應(yīng)用與發(fā)展中，對于這十七項(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,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)已經(jīng)被他們的開發(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)于這個系統(tǒng)的對設(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,Corvallis大街800號,美國俄勒岡州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，他們大多集中在二維 [1,15,17,18,22,23,24,25]。作者沒有發(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,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)展來支持增加用于開發(fā)的產(chǎn)品活動部分。
這個學(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)這個活動緊緊依賴這個活動的設(shè)計(jì)師和他們開發(fā)的信息系統(tǒng)執(zhí)行。在許多方面,這是以前發(fā)表的兩個文件的一個更新（“繪制圖紙?jiān)跈C(jī)械設(shè)計(jì)過程中的重要性”和“設(shè)計(jì)的發(fā)展史存在的問題、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個突出的問題需要解決去實(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。
這第一筆由基金會出資進(jìn)行研究研究的論文是有五個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。他們每個人都會給于關(guān)于其中一兩項(xiàng)的詳細(xì)說明書，但是實(shí)際的機(jī)械設(shè)計(jì)中的問題的還是在現(xiàn)實(shí)的實(shí)踐中遇到。當(dāng)工程師們正著手于解決問題時，他們被強(qiáng)烈的要求去思考解決辦法。他們的口頭報告,圖紙,手勢被錄像和錄音大約能夠持續(xù)6到10 小時。根據(jù)被謄寫的這些錄音資料數(shù)據(jù)獲得一個關(guān)于這次設(shè)計(jì)會議的草案。每一個設(shè)計(jì)者都在他們解決問題的方法中繪制了幾張圖紙加以說明。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)沒有被用于研究,因?yàn)闆]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)它的使用對一個已經(jīng)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)來說會增加勞動強(qiáng)度。
根據(jù)長達(dá)40多個小時的數(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。這個草擬數(shù)據(jù)中其中的15個章節(jié)涵蓋了這些數(shù)據(jù)的174數(shù)據(jù)單元。通過總結(jié)分析觀測結(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)行開發(fā)
4、模擬的設(shè)計(jì)
5、作為一個完整性檢查者，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)，這些對于設(shè)計(jì)師來說變得清晰。實(shí)際上,幫助建立一個完成剩下設(shè)計(jì)任務(wù)的議程
6、作為一個設(shè)計(jì)師的短期記憶的延伸。設(shè)計(jì)師往往無意識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說法。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交際圈，但是必須去尋找一個滿足設(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。這篇文章對最理想的系統(tǒng)被描述并對對其進(jìn)展進(jìn)行了討論。
2
一個模型設(shè)計(jì)問題的解決
對設(shè)計(jì)者來說或許在將來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)于這個環(huán)節(jié)已知的知識，考慮人類問題的解決者和用數(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)生和儲存的一個簡單的“地圖”。這些圖標(biāo)同時也展示了一個內(nèi)部的，人類解決問題的環(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)。對于設(shè)計(jì)師來說,兩個位置對應(yīng)的是兩種不同類型的記憶:短期記憶(STM)和長期記憶(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)場合的背景和方法。短期記憶（STM）和長期記憶(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)被制成視覺圖片以及他的影響已被編碼。人們必須認(rèn)識到這個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?？觳⑶覐?qiáng)大的。短期記憶的內(nèi)容是我們意識到信息,也就是說,我們的有意識的心智。所有的設(shè)計(jì)操作(例如,視覺感知和圖紙創(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,但它是一種處理時間僅是100毫秒的快速處理器。
2.2
長期記憶
另一方面，長期記憶有本質(zhì)上的無限容量，但是進(jìn)入長期記憶的通路也慢了。進(jìn)入長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)容被儲存在長期記憶中。那些有相對比較簡單的線索供引發(fā)記憶,因?yàn)?在任何時候,目前重要的設(shè)計(jì)部分都是在STM中并能充當(dāng)長期記憶中的知識思想的指針。
23
外部環(huán)境,
在這個試驗(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)過程中的結(jié)果。
但是繪制本省就是設(shè)計(jì)活動的一部分。如果這個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)境常被用作長期記憶和短期記憶的延伸。在外部環(huán)境中運(yùn)用媒體來提高設(shè)計(jì)者的認(rèn)識能力是至關(guān)重要的。區(qū)分開媒體和人類的認(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。這些信息的類型和舉動對于理想的系統(tǒng)能力來說是成熟的。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。