计算机辅助机械产品设计0901-24

2.3机械产品在其形成过程中的表征概要本概要的中心是阐述机械产品的心理、自然与电脑表征，产品特征的认知与处理―即思维过程。本节还是想应用基于思维科学和信息科学的观点来谈论机械设计问题。就思维对象、信息处理对象等来论及机械产品。就思维过程和信息处理过程来探讨机械产品的形成过程（设计过程）。这样，机械产品的表征就成为一个关键问题，而表征与思维连续过程的断面选取有关，处理与信息表征的形式有关。机械产品及形成过程的表征分为两个部分，一个是机械产品的表征，一个是形成过程的表征。产品的表征涉及到信息载体、工具、特点等。过程的表征涉及到信息加工、传递、变换、表达、反馈、理解、评价、协调、信息载体与工具的选择等等。笼统地说来，产品的表征可以有大脑的心理表征、脑外自然的物质实体、笔墨纸砚、模型与电脑的虚拟等。当然，还与产品各个阶段的形态有关（参见图2-5）。过程的表征主要是处理方法与技术问题。之所以称为过程，是由于有一系列的行为和连续不断的操作。这些操作要依据信息的特点、载体特点、处理工具的特点、处理目的性等进行变化。多样性与创新就发生在这个过程中，发生在各个环节上。由于信息载体、工具、特点的关系，总会存在各自的优点和不足，因此信息互补成为必然，也就是多种信息的交换、多种形式的互换成为必然。这就是设计的复杂性问题。在机械产品设计过程中，需要大量的不同表达方式的信息交换，这便涉及到表达语言，表达方式及其转换等。有必要将这些问题在应用计算机运行以前全面的仔细考察，以便能系统的获得人的行为方式，以寻找计算机最适宜的工作方式。1.机械产品的表征问题机械产品是人造物，是人类智慧的结晶，是人们思想意识的物质实现，最终表达形式是三维实体而并非语言文字。这是从人们对自然世界的理解与存在形式、处理与表达方式方面指出机械产品的属性。据此可以探讨机械产品在演变过程中的表征问题，探讨机械产品的表达语言、方式与工具（表达对象、目的、内容、方法）等。1)概要众所周知，机械产品是由适当的零部件按照功能要求构成的三维实体，这个三维实体是图像或图形的形式才可以表达的。在机械产品设计过程中，人们首先是在大脑中对要设计的产品构思成一幅抽象的三维实体，而且这些三维实体是可以运动的，以便人们把握其行为、行为结果所达到的功能等。要将这些图像的内容进行信息交换、交付给其他人加工制造等，都要应用适当的方式进行表述方可实现。而表述方式有口头的、书面的、文字的、图形的等。这里先将这些表达形式统称为语言（或说符号系统）。然而，这种表达不是一开始就可以进行的，需要经过一个思考的过程，像图1-3、图1-5、图1-7、图1-10、图2-1、图2-2、图2-7等所示。在此期间使用的语言形式也是多样的，它代表了机械产品在不同时期的可理解形态及其恰当的语言表达。2)自然语言自然语言是人们最习以为常的表达思想的工具，这是人的自然天性（大脑构造与工作机理）造成的。经过生来就有的环境熏陶、训练、适应（虽然是强制性的），人对用自然语言进行理解与表达就形成了一种习惯定势。自然语言有汉语、英语、法语、德语、日语等5600多种，最常用的也有100多种。无论应用哪种语言，而不用图形，是无法将机械产品及其设计过程表达清楚的，需要图形表征。纯粹的图形也不能将设计师的意图表达完全，需要文档。这里有机械产品设计及其过程特有的信息交换方式，因此需要将其转换和翻译。对机械产品的描述纯粹使用自然语言往往难以表述清楚的，往往辅以大量的图形符号、数学物理语言、工程语言等，这样可以使信息交换更充分，更简洁，效率更高，可解性更好，歧义性更少。因为机械设计的最终结果是具有唯一性特点的。大量的涉及计算及其概念的表达是用自然语言的，最终还是要将他们变换成机械产品的零部件参数特性等，以便构成零部件实体。所有这些都会涉及到自然语言及其转换。但是在概念设计以前的阶段，为了能把握产品的本质，需要抽象为文字形式的表达，以便进行逻辑思维而把握其实质需求。这种应用逻辑思维的方式使用言语进行是最合适的。3)数学、物理语言数学物理语言是机械产品设计过程中参数表达的基础语言，是普遍的模型化对象的表述语言。虽然也具有抽象性，但已经有了具体的属性、关联、范围等限制，比自然语言向具体性的方向进了一步。它主要包括专用术语、符号、公式、定义、定理等，通常是用自身学科的可理解性专用语言表达的。如：物理学中的质点、加速度、惯性、弹性、约束、力、点电荷、电阻、电流、电路、光波等。数学上的自然数字、字母、运算符号（±、≥、∮、∞、∑、∈、⊥、⊙等）、函数关系、运算法则等。简约抽象的几何图形往往是研究问题本质的好工具。用以上的名词、概念等构成的公理、定理、定律等及其数学方程都存在着变换问题。参见图2-8。4)工程语言在机械产品设计及其过程中，机械产品制造用的设计蓝图是最基本的工程语言。在设计蓝图上，有大量的专用术语、符号(粗糙度、配合及精度、加工精度、……)等。除此之外，在机械原理、机械零件、机制工艺、金属材料处理等学科中，还有大量的专有名词、术语、符号等工程语言表示的信息。例如表述机械功能的原理图、产品加工的技术要求、设计说明等，这些也存在着变换问题。参见图1-3、图1-8、图2-5等。5)计算机语言在将机械产品设计及其过程变换为计算机的运行过程时，要将整个过程的各种描述或表达都转换为计算机（高级）语言的描述形式，而在计算机语言的描述形式之前，应该用软件模型及其流程图从逻辑层次表述清楚，以便提高成功率，减少错误。其实，也可以将软件模型及其流程图视为一种表述语言。然后再从抽象层次向形象的具体层次—图式表达转换。由于书阐述计算机辅助设计，因此，详细地分析在后续章节中进行说明。6)语言的一般形式作为语言，其一般形式是基本符号及其组合，也就是说有词汇、词汇的构成规则—语法等。自然语言、数学物理语言、计算机语言等都有这些特性。可以从这些一般特性来理解机械产品表述语言及其功用。另一方面，在语言表达中，指称、所指、称谓等将符号固化下来，并形成习惯性含义或定义的方式，经过了许多年的演化而具有社会性，才会被人们接受、传承。这些表达形式当然与人的理解方式密不可分。7)图形语言图形语言是机械产品设计的艺术性特征。图形语言是符号形式中信息量最大，但自身描述、表达能力最弱的。也就是说，用图形自身来说明自身是困难的，而自然语言则要方便、强大得多。因此图形问题主要是生成与变形、变换等方式产生不同的含义来说明问题。这也就造成了极大的多样性，同时也造成了思维的困难性。况且，图形一旦被表达出来，通常就具有了确定性，甚至是唯一性。绘画、雕塑甚至舞蹈等就是例证。越是复杂的事物、图形、图像、情景、环境等，自然语言描述更显自然和可理解。但是变换却要比语言描述来的困难。脑内可以快速变换，脑外的输出由于行为与载体的制约而极大不便。计算机在图形处理方面已经进步很快，但图形的随意处理与创新构造仍然难以涉及。对于语言、文字与图形之间的转换仍然困难重重。这就是由语言的抽象性和图形的具体性这对矛盾所制约的。计算机技术在参数化、特征技术等方面为图形语言的发展提供了信息的前景图2-8力F连杆、梁、轴a-b质点m弹簧k刚体与发展空间。2.机械产品设计过程的表征问题机械产品设计过程的表达问题，涉及表达的目的性、可理解性、阶段性、表达工具与方法等，尤其是表达语言的多样性、适应性、合理性。机械产品作为思维的产物，其思维需要一个过程。该过程是基于思维资源的，由于思维的局限性、表达（形式与符号等）具有多样性，各种表达需要与其相应的处理，从而造成阶段性。对于机械产品来说，最终的客观存在是三维实体，而体现出的内在功能实现是通过结构与抽象概念来表达的。因此，思维要有相应的表征，而相应的表征为对应的思维方式打好基础。形象思维与抽象思维及其转换是必然的、经常的。抽象思维处理以逻辑推理为主的设计问题，形象思维处理以构造为主的图形图像问题（图式结构等）。而且这两种思维是在各个层次与阶段同时发生、交互进行的，是在思维需要的时候瞬间通过所指与关联实现转换的。机械产品设计过程的最终结果是三维实体，这个物理实体通常是在人的大脑中形成，经过思维过程，最终以制造蓝图的形式表达出来。在将大脑中的图形与思想变为这个蓝图的过程中，不同阶段有不同的表达方式。主要有：自然语言与简图，文字与图形，数据及其符号，构造原理与零件表达，数学物理公式，理论的、试验的、规范的图表与曲线等，而这些表达往往是综合应用的。若用思维关注点表达，也就是通过横切、纵切、斜切等方法解决机械产品的信息演变、参数确定、冲突消解、零部件特性匹配、约束与冲突的前后反馈等。1)需求分析与表征关于需求的概念，对于不同的群体会有各自的理解，也就是需求概念的属性具有多样性，或说有不同的方面。需求对象现实形式的多样性，实际上是在浩瀚的信息空间中进行信息识别、提取、归类、抽象、聚缩、转换、表达等。可以使用数据挖掘、统计分析、专项调查等等方式进行。对信息识别的对象则是客观世界存在的各种形式，图像、情景、环境、语言、文字、数据、行业表征、专业与非专业表达等等。这里说的机械产品的需求问题，可以分为市场需求、用户需求、问题需求、技术需求、专业需求、不明确需求等。市场需求是对市场产品及其特点、性能、缺失等等的调研。问题需求是对产品自身特性的适应性、竞争性等问题的调研。技术需求是对产品自身特性的优化、性能改进等问题的调研等等。详细说明可以参见相关学科与资料。市场需求被限定在对未知产品、未来产品的探讨和预测方面。因此，需要对客观世界中存在的、某个领域中的各种机械产品、使用环境等影像进行收集归类，需要对与此产品相关的语言描述、文字表达等形式进行收集归类，……，等等。尤其是对非文字语言形式的表达，要转换为文字语言形式的表征，以便进行归类、抽象、聚类等，从而由属性的重组而形成新的概念，以便定义市场需求。用户需求是指有确定的客户提出的要求，这种要求可以是具体的图像、图形、概念、功能、性能、参数等，也可以是模糊的、信息缺失的或是准确的，也可以是产品的某个属性或说某个方面。通过再调研，用图形、图像、文字等表征的定义。而这个过程也需要将各种形式的表征都转换、归类、抽象为语言文字形式，以便可以用大脑理解，集中注意力分辨用户的最本质需求，或说功能、性能的核心。问题需求则指已有产品的个别属性的新要求。这种需求的提出也可以是某个部件、某个构造、某个抽象的性能等。一般说来，需求分析的认知对象的表现形式、存在形式具有多样性，因此需求分析的核心在于对象识别、对象属性识别、特征提取、属性与特征归类、重构等以便生成新的图形图像，新的构造和概念。在这一方面，计算机的能力缺失较大，最关键的在于计算机对非语言文字信息向语言文字形式的信息表征转换问题。另一方面，在茫茫市场中，识别带有某个公有属性的特征也是难点，没有这种信息挖掘能力与方法，就得不到需求的初级概念。因此有人称之为某个人的聪明与智慧或说灵性，其实这是长期关注的结果。也就是说，大脑中已经有了对某个问题的大量信息积累，需要的是整理，或某些信息群之间新的关联，从而构成新的结构以表达新意。信息挖掘思想、方法及技术是大有前途的，原因就在于此。2)从需求到概念需求得到初步确认后，需要将需求表达的方式转向用机械产品专业化的表达方法（词语）描述，功能表达被认为是合适的。功能的获得是经过信息提取、聚缩、概念内涵定义，对到底客户、市场要什么等等问题的理解等来表达的。但功能只是一种期望，是个抽象的思想概念。通过功能表达而转向能实现功能的行为的构造，从文字进到图式表征，逻辑推理的思维过程转向形象思维的图形构造过程，这个过程是由指证与关联完成的。抽象化处理的优势在于简洁和属性的一般化，形象思维（图形辅助）的特点在于构造表达问题概念的整体性和形象化，且因为最终的表达要求—也就是信息载体要成为三维实体。这个转换过程充满着可能性。由于是从抽象概念到达行为构造，从一般概念到具体化的行为方式，使信息的释放与扩充，创新便发生了。也就是说，实现功能的构造是多样的，或说承载功能的构造作为抽象概念、对象的实例不是唯一的，机械机构的创新性、艺术性便出现了。有了构