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在工程設(shè)計研究13(2002)55±64 工業(yè)部10.1007 / s00163 - 001 -0007- 4 針對理想的機械工程設(shè)計支持系統(tǒng)的研究 大衛(wèi)G.Ullman 摘要：本文詳細介紹了在開發(fā)進展理想的機械設(shè)計的支持系統(tǒng)。它試圖填補這個工程師的需求和目前市面上的計算機輔助設(shè)計(CAD)系統(tǒng)之間的差距。自從強調(diào)了計算機輔助設(shè)計(CAD) 這個術(shù)語，電腦已成為人類設(shè)計師的強有力的助手，這篇文章的內(nèi)容是設(shè)計師的的中心任務(wù)。它緊緊根據(jù)設(shè)計師所做的項目和他們開發(fā)的信號系統(tǒng)項目的類型。17項關(guān)于理想機械設(shè)計的支持系統(tǒng)在這里被一一列舉出來。這些先進的信號系統(tǒng)直接應(yīng)用于設(shè)計過程和實際應(yīng)用與發(fā)展中，對于這十七項中的任何一項,根據(jù)目前他們的發(fā)展情況，他們是目前最先進也是有很大未來發(fā)展空間的研究項目。 關(guān)鍵詞：機械工程設(shè)計、計算機輔助設(shè)計(CAD),支持系統(tǒng)。 1 介紹 本文總結(jié)了理想機械工程設(shè)計支持系統(tǒng)的發(fā)展進程。近30年來,計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)已經(jīng)被他們的開發(fā)者作為支持系統(tǒng)工程設(shè)計,發(fā)展產(chǎn)品的系統(tǒng)加以吹捧。這是說計算機輔助設(shè)計(CAD)系統(tǒng)在關(guān)于怎樣在工作場所使設(shè)計得以實現(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 俄勒岡州立大學機械設(shè)計方面的榮譽退休教授,機械工程研究所碩士論文。具有較強的權(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,并被認為是徹底的,全身心投入此項尖端研究的學者只有八個，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,探討了計算機輔助設(shè)計(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。 這個學期的計算機輔助設(shè)計(CAD)強調(diào)計算機對于人類的設(shè)計師是一種援助,所以本文的主旨是中心設(shè)計者。它是根據(jù)這個活動緊緊依賴這個活動的設(shè)計師和他們開發(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（“繪制圖紙在機械設(shè)計過程中的重要性”和“設(shè)計的發(fā)展史存在的問題、設(shè)計合理性以及設(shè)計意向系統(tǒng)”）。 最近的一些文章提出13個突出的問題需要解決去實現(xiàn)并且提出了一種去改進設(shè)計過程和有此引起的設(shè)計信息潛在的工程設(shè)計的疑問。 這第一筆由基金會出資進行研究研究的論文是有五個具有不同的背景和經(jīng)驗的機械設(shè)計工程師發(fā)表的。他們每個人都會給于關(guān)于其中一兩項的詳細說明書，但是實際的機械設(shè)計中的問題的還是在現(xiàn)實的實踐中遇到。當工程師們正著手于解決問題時，他們被強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)計會議的草案。每一個設(shè)計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。計算機輔助設(shè)計(CAD)系統(tǒng)沒有被用于研究,因為沒有設(shè)計者在他們的日常設(shè)計中使用計算機輔助設(shè)計(CAD)它的使用對一個已經(jīng)復(fù)雜的實驗來說會增加勞動強度。 根據(jù)長達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、詳細的典型設(shè)計被精選出來。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用于以下幾個方面: 1、檔案的幾何形態(tài)設(shè)計的 2、設(shè)計師之間和設(shè)計師和生產(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行開發(fā) 4、模擬的設(shè)計 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)計細節(jié)，這些對于設(shè)計師來說變得清晰。實際上,幫助建立一個完成剩下設(shè)計任務(wù)的議程 6、作為一個設(shè)計師的短期記憶的延伸。設(shè)計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年的圖紙再次被發(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算機輔助設(shè)計(CAD)系統(tǒng),但是結(jié)果卻表明: 1、計算機輔助設(shè)計(CAD)系統(tǒng)必須允許草圖的輸入。 2、計算機輔助設(shè)計(CAD)系統(tǒng)必須考慮到設(shè)計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)計者需求的接口與計算機輔助設(shè)計（CAD）上的圖像相交流。 3、計算機輔助設(shè)計(CAD)必須能夠識別域相關(guān)的因素及完成他們的實體。 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,因為這是明顯的,人類的設(shè)計師在對他的認知能力是有限。因此這篇文章表明,計算機輔助設(shè)計(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)是和理想的機械工程設(shè)計支持系統(tǒng)之間仍有很大的差距。這篇文章對最理想的系統(tǒng)被描述并對對其進展進行了討論。 2 一個模型設(shè)計問題的解決 對設(shè)計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)于認知過程、計算機輔助設(shè)計(CAD),和快速成型的研究正在它的領(lǐng)域進行。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保的硬件將被開發(fā)出的概念。我們還可以假想計算機輔助設(shè)計(CAD)系統(tǒng)已經(jīng)足夠先進，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。計算機輔助設(shè)計(CAD)系統(tǒng)的發(fā)展需要的到設(shè)計者認知工作的理解。只有這樣想法設(shè)想和表達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)計信息的產(chǎn)生和儲存的一個簡單的“地圖”。這些圖標同時也展示了一個內(nèi)部的，人類解決問題的環(huán)境(設(shè)計者的內(nèi)心)和外部環(huán)境(設(shè)計者思想外的客觀環(huán)境)。對于設(shè)計師來說,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)計師外部的記憶方法有很多,有許多“設(shè)計存儲地點”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用于實際設(shè)計場合的背景和方法。短期記憶（STM）和長期記憶(LTM)特征細節(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。人們必須認識到這個模型在這所包含的內(nèi)容雖然不完全同意認知心理學,但是他們足夠安全提供為討論CAD在機械設(shè)計中的作用討論依據(jù)。 2.1 短期記憶 短期記憶是非?？觳⑶覐姶蟮?。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知單位或者大量的信息。在設(shè)計中,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，但是進入長期記憶的通路也慢了。進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,因為,在任何時候,目前重要的設(shè)計部分都是在STM中并能充當長期記憶中的知識思想的指針。 23 外部環(huán)境, 在這個試驗（1990年）中,很明顯許多繪畫行為不習慣于用文字記載設(shè)計過程中的結(jié)果。 但是繪制本省就是設(shè)計活動的一部分。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)境中運用媒體來提高設(shè)計者的認識能力是至關(guān)重要的。區(qū)分開媒體和人類的認知之間的關(guān)系密不密切是這篇文章的一個目標。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的機會。