計算機輔助機械產(chǎn)品設計0901-4-1

1、第四章 機械產(chǎn)品及設計過程的計算機表征本章學習提要目的：基于人對自然環(huán)境、客觀存在、機械產(chǎn)品實體的認知：感官獲取信息、大腦思維處理、心理理解與表征、大腦輸出（言語和行為）等，將計算機處理方式與過程的特質(zhì)與之對比、結(jié)合，探討機械產(chǎn)品及設計過程的計算機表征：思想、方法與技術(shù)。最基本的是編碼、翻譯與點陣掃描思想與原理的應用?；A：軟件工程學、高級語言（VB、VC+、VF等），機械工程基礎科目（數(shù)學、力學、工程圖學），機械設計概論、現(xiàn)代設計方法與設計方法學、計算機概論、計算機軟件基礎、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)、幾何學、解析幾何、集合論、計算機圖形學等。重點：機械產(chǎn)品、設計過程的自然處理向計算機處理的轉(zhuǎn)換計

2、算機對機械產(chǎn)品的表征、在設計過程中的信息處理、軟件產(chǎn)品架構(gòu)、高級語言描述等。方法：由數(shù)據(jù)計算到文字處理、由數(shù)據(jù)直接輸出到數(shù)據(jù)的可視化（圖形）輸出、由二維圖形到三維圖形處理。探討將已經(jīng)學過的機械產(chǎn)品設計學科問題（各種表征），利用已經(jīng)學過的計算機高級語言（表征形式）轉(zhuǎn)換為程序指令?？梢詮募償?shù)學問題開始，逐步轉(zhuǎn)向力學問題、機械零件問題、機械原理問題、構(gòu)造與圖形處理問題等的表征，逐步復雜化。通過機械設計的二維、三維圖形處理系統(tǒng)、動力學仿真與力學性能等的商業(yè)分析軟件應用，分析探討計算機的內(nèi)部處理機制、輸出形式與交互方式、信息輸入與響應等表征形式。特別注意機械產(chǎn)品表征形式與操作系統(tǒng)表征形式的區(qū)別與融合。通

3、過計算機高級語言的描述與軟件設計，體會高級語言對語言文字、圖形構(gòu)造等的表達方式與輸出形式的響應等。本章內(nèi)容結(jié)構(gòu)1. 機械產(chǎn)品及設計過程自然存在與自然表征的特點、方式、方法2. 機械產(chǎn)品及設計過程計算機表征的特點、方式、方法3. 機械產(chǎn)品的計算機表征計算機語言及其軟件描述4.設計過程的計算機表征、處理，計算機語言及其軟件描述5.軟件應用與軟件開發(fā)6.高級語言與機器語言基礎7.計算機硬件及其運行原理與控制用戶交互4.1 概述機械產(chǎn)品及設計過程的計算機表征，最基本的問題是大腦思維接收信息、心理表征、心理表征處理、思維結(jié)果輸出等的計算機化問題。所有的表征都要滿足人的可理解性、計算機的可計算性。對計算機

4、來講，是從機器語言到高級語言、計算機內(nèi)部機器處理再到計算機的輸入與輸出形式的翻譯、轉(zhuǎn)換等問題。而這些問題的解決需要一系列的表達模式的轉(zhuǎn)化過程，就是從大腦表征到計算機內(nèi)部表征的轉(zhuǎn)換過程。期間使用許多模型來表征與轉(zhuǎn)換，就像機械產(chǎn)品設計過程一樣有階段性、可評價等。也可以說要填平從大腦到電腦之間表達、理解與信息處理的鴻溝，要涉及到具體階段所使用的技術(shù)與方法等，包括過程的、或具體某個斷面上的技術(shù)、方法、手段等。第二章闡述了機械產(chǎn)品的自然存在形式及其設計過程中的心理表征與思維處理，第三章闡述了計算機的特點及其對機內(nèi)表達方式與高級語言表達方式。尤其是各種自然表征（文字符號與圖形）可轉(zhuǎn)換的基礎與原則。結(jié)合計算

5、機的表現(xiàn)形式與處理機制和方法，可以對機械產(chǎn)品表征的目的、內(nèi)容、載體（工具）、方法等基于計算機技術(shù)進行表述。這需要解決如下幾個問題。一條線是從需求到實現(xiàn)的思維過程及其表現(xiàn)形式，轉(zhuǎn)向計算機的處理過程與表現(xiàn)形式。一條線是從客觀存在形式、人的認知理解、大腦處理與輸出形式到計算機的輸入輸出與內(nèi)部處理過程及其表達。其中的人與計算機的理解與交互是表征的基石。從思維的連續(xù)過程看表征問題，一個是內(nèi)容與形式，一個是活動及其信息加工的操作序列。對于計算機而言，也是如此。機械產(chǎn)品及設計過程的計算機表征涉及到兩個方面：一個是機械產(chǎn)品的計算機表征，這是一個處理結(jié)果。另一個是設計過程的計算機表征，這是一個處理過程。前者的計

6、算機表征要適合產(chǎn)品形成的階段性和人的可理解性，也就是對應人對機械產(chǎn)品形成時，各階段的心理表征、理解及其腦外表達。后者的計算機表征主要是適應相應階段表征形式的信息處理問題，這些處理是由一系列的活動、操作組成。相當于人的心理操作與行為，是個過程。因此后者可以是連續(xù)的、分段的、人機交互的等等。當然也分為整體過程、局部過程等。這里先表明這些問題的本質(zhì)、原則與原理，有些具體的方法與技術(shù)實現(xiàn)還有待于研究。由于機械產(chǎn)品及設計過程的計算機表征本質(zhì)上只是對原有的、自然的、傳統(tǒng)的、適合人的認知與理解方式的、適合人的大腦信息輸入/輸出方式的表達形式的數(shù)字化轉(zhuǎn)換，因此要結(jié)合他們進行論述。這便涉及到：1) 機械產(chǎn)品及設

7、計過程的自然表征或說傳統(tǒng)表征的階段性與特點2) 計算機表征事物的方式、基本方法、輸入/輸出形式與人的認知方式3) 機械產(chǎn)品及設計過程從自然表征向計算機表征的轉(zhuǎn)換這三個方面若要從機械產(chǎn)品表征與設計過程表征兩個方面進行論述。則前者主要是靜態(tài)屬性，一般可以分為文字符號、模型與圖形兩種基本形式。前者主要通過編碼與翻譯原理進行，后者主要是跟隨機械產(chǎn)品在大腦中的連續(xù)形成過程而需要的階段性評價所導致的表征確認及其變換，也就是對機械產(chǎn)品各個階段性表征的處理問題，包括機械產(chǎn)品表達內(nèi)容的選擇、目的的確認、變換方式及其具體操作等。1. 大腦思維與機械設計的模型化在探討計算機表征之前，需要重復前面的大腦思維表述，以便

8、找到對比之下的計算機表征方法。機械產(chǎn)品及設計過程的自然表征與人的認知方式和理解方式相關(guān)，也就是與人的認知方式、心理表征、對比評價等相關(guān)。計算機表征事物的方式與計算機表征的基礎計算機內(nèi)部工作原理存儲方式、管理方式，外部表現(xiàn)形式與目的及人的理解與思維等相關(guān)。但最根本的是計算機內(nèi)部工作原理及輸出方式問題。計算機表征的困難在于設計過程中各種表征形式間的轉(zhuǎn)換（對應、關(guān)聯(lián)、所指等的處理），尤其是構(gòu)造類問題（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為圖形或抽象為概念）。為了能整體性的了解機械產(chǎn)品及設計過程的計算機表征，有必要再回顧一下前面論述的問題。機械產(chǎn)品及設計過程表征的特點，簡單說來就是，機械產(chǎn)品的表征是面向機械產(chǎn)品形成過程的心理

9、表征的階段性，或說是思維階段性結(jié)果的表征。設計過程的表征是面向思維活動的，面向大腦的信息處理活動與經(jīng)歷，重在過程。而過程的表述要通過若干個典型階段表述的鏈接而完成。從一個階段到另一個階段（如影視的一幀到下一幀），只有經(jīng)過信息處理才能從一個狀態(tài)到下一個狀態(tài)。這樣，其特點就是處理過程和狀態(tài)的變換與變化。需求信息產(chǎn)品概念與方案產(chǎn)品制造信息信息聚縮、抽象信息分解-細化、具體化圖4-1產(chǎn)品形成過程、思維內(nèi)容與表征性能處理機械產(chǎn)品的表征特點與其存在的客觀形式、涉及到的學科的符號體系、自身在形成過程中的階段性及其心理表征形式有關(guān)。前面說過，機械產(chǎn)品是人造物是人類智慧的結(jié)晶，是大腦思維的產(chǎn)物，是思維結(jié)果的客觀

10、表現(xiàn)形式，是人們思想意識之物質(zhì)實現(xiàn)等。這就涉及到人們對于特定的作為三維實體的機械產(chǎn)品的認知理解及其產(chǎn)生過程。認知理解在先，產(chǎn)生過程在后。認知理解又包括無目的的認知和有目的的認知。前者是自幼而來的學習和在生活環(huán)境中的經(jīng)歷等。后者是由于各種需求帶來調(diào)查研究等引發(fā)的認知。其實，認知的過程也就是產(chǎn)品的設計過程，因為它是機械產(chǎn)品形成的初級階段，這個階段充滿著孕育所需機械產(chǎn)品的有用信息。這些信息就是需求問題的可解信息。經(jīng)過逐級凝煉抽象，以獲得機械產(chǎn)品的準確定義。這種凝煉是由人大腦的信息處理能力、方式及其生理基礎所致。獲得凝煉和準確定義的機械產(chǎn)品通常是文字形態(tài)的表達方式。由此開始，人的思維又將文字形式的機械

11、產(chǎn)品逐層級的轉(zhuǎn)化為圖形形態(tài)的機械產(chǎn)品，直到制造成三維實體的客觀表現(xiàn)形式。所有這些都是在大腦思維中連續(xù)完成的，只是由于思維時，表達機械產(chǎn)品本質(zhì)特征所用的心理表征形式（信息表征形式）的變化，由此造成思維方式、表征形式等的不同，也就造成了設計的階段性。這種表征形式的變化還與人們對所設計的機械產(chǎn)品的評價有關(guān)，只有得到了不同階段機械產(chǎn)品的整體性評價參數(shù)，人才會對其進行表征和評價。這個整體性評價參數(shù)是在連續(xù)思維的某個階段獲得的，也就是連續(xù)思維的某個斷面上的屬性及其構(gòu)造的表征。這樣，人們就可以通過選取適當?shù)慕孛鎭泶_定機械產(chǎn)品設計時，在該截面上的（到該階段為止的）特性進行評價。機械產(chǎn)品的這個連續(xù)的思維過程，可

12、以用圖4-1來重現(xiàn)。（參見圖1-1、圖1-3、圖1-5、圖1-10、圖2-1、圖2-2等）。簡單說來就是從客觀環(huán)境、三維實體等圖像到代表基本特征的抽象的圖形，經(jīng)過對特征與屬性的提取與歸類，再到抽象的語言文字以表達概念產(chǎn)品。經(jīng)過語言文字與圖形結(jié)構(gòu)的所指、對應的轉(zhuǎn)換，再次變換成圖形，經(jīng)過對圖形表達的機械產(chǎn)品的各個屬性的分析確認，用工程圖表達。最終經(jīng)過制造而又成為三維實體進入客觀環(huán)境?？梢杂脠D像>圖形>文字>圖形>圖像來簡潔的表達機械產(chǎn)品的演變過程及其表征形式。而機械產(chǎn)品概念形成的前半部分主要是特征識別與提取、屬性歸納于重構(gòu)等智能行為，后半部分則是在方案確定以后的各種屬性的約

13、束、沖突等確認與消解，主要針對某個屬性，也就是針對某種表達形式-特指的符號體系，不會在這種符號體系之間來回轉(zhuǎn)換。這樣，就可以應用計算機主要針對圖形與圖形的物理、機械等屬性問題進行處理。商業(yè)軟件在此方面已經(jīng)大展宏圖了。在需求階段，或稱需求分析問題，可以用圖4-2來表達。需求獲得之后，對機械產(chǎn)品得以定義，并將給出由需求而定義的、專業(yè)化表征的產(chǎn)品概念。所謂概念是由大量屬性（抽象的、形象的）與特征表達的的需求，或說功能、構(gòu)造與行為構(gòu)成的組合體的整體屬性的總稱。由此轉(zhuǎn)換為概念產(chǎn)品，從而獲得機械的產(chǎn)品的初步方案，這是一個能用構(gòu)造圖示來表征的機械產(chǎn)品。對于用構(gòu)造形式表征的機械產(chǎn)品，需要對其實現(xiàn)的可行性，包括

14、技術(shù)可行性、制造可行性進行分析、研究、評判等。這些就是技術(shù)設計和施工設計問題。這些可以解決產(chǎn)品的性能問題，而對產(chǎn)品的本質(zhì)功能無太大作用。對于發(fā)現(xiàn)的不合時宜大腦的心理表征與轉(zhuǎn)換產(chǎn)品概念特征屬性集模型示意圖原理圖客體特征語言文字特征構(gòu)造環(huán)境圖像現(xiàn)實世界具 體 層模 型 層抽 象 層圖4-2需求分析：人的認知、思維、理解、表征及轉(zhuǎn)換過程的問題進行更改是必要的，對于出現(xiàn)的沖突消解，也是自然的事情。這些綜合起來，就是人們常用的機械產(chǎn)品設計的全過程模型之前半部。這是核心問題，一旦形成概念產(chǎn)品，則就決定了最基本的架構(gòu)，后續(xù)就是性能分析了。機械物理實體機械特征體工程圖軸測圖虛擬三維圖簡圖模型示意圖原理圖概念產(chǎn)

15、品構(gòu)造大腦內(nèi)的心理表征與轉(zhuǎn)換抽 象 層模 型 層具 體 層圖4-3性能分析：大腦中的感覺、認知、理解與形成過程機械產(chǎn)品的客觀需求機械產(chǎn)品的客觀存在形式心理表征在大腦外的階段表示形式與轉(zhuǎn)換機械產(chǎn)品的客觀形式與轉(zhuǎn)換可以用另一種形式的關(guān)系來表達。參見圖4-3所示。大腦處理工程設計管理需求（市場、用戶、問題）制造與營銷需求定義產(chǎn)品規(guī)劃概念產(chǎn)品技術(shù)設計施工產(chǎn)品電腦（計算機）處理圖4-4 產(chǎn)品形成階段、過程、表征與人機處理如果加入計算機的處理來協(xié)助大腦工作，則需要將常規(guī)的表達形式轉(zhuǎn)換為計算機的表達形式。在各個階段都可以使用計算機來表達、來處理、來轉(zhuǎn)換等等。用圖4-4來表達。需求規(guī)劃過程標準化、專業(yè)化轉(zhuǎn)換需

16、求演化過程與表達方式轉(zhuǎn)換方案演化、細化與表達方式轉(zhuǎn)換X需求物質(zhì)產(chǎn)品最終的產(chǎn)品定義最終的產(chǎn)品藍圖最終的產(chǎn)品方案圖4-5 產(chǎn)品演變的三維創(chuàng)新設計過程模型語言文字行為圖形等轉(zhuǎn)換自然環(huán)境、圖像及其人的感官所及的物理實在計算機語言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 計算計算法內(nèi)部表征心理表征：屬性、特征及組合與架構(gòu)形象表征與圖式腦外表征：習慣表征：學科表征：感覺、知覺等意識、思維、簡約等心理表征：子概念及組合抽象表征與文字計算機輸入方式等計算機內(nèi)部轉(zhuǎn)換等計算機輸出顯示器等的 腦外表征：習慣表征：學科表征：圖4-6 機械產(chǎn)品表征及轉(zhuǎn)換人們思想意識之物質(zhì)實現(xiàn)的表征方式與從人們對自然世界的理解與表現(xiàn)形式、表達方式等方面指出機械產(chǎn)品的屬

17、性有關(guān)。機械產(chǎn)品的各種屬性，涉及到各個學科的知識及其表達方式，而各個學科的知識的表達方式是與特定學科知識在大腦中的理解及心理表有關(guān)。為了能夠清晰準確的理解各學科知識，并將其用于機械設計，人們不得不進行各種表征方式及其體系結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。這也就是機械設計中思維連續(xù)性被打斷的原因之一。這就需要映射、變換、轉(zhuǎn)換等方法與技術(shù)，參見圖4-5、圖4-6。在計算機中也應如此，文字圖形的處理方式不同、各種表達方式的格式不同等，也需要轉(zhuǎn)換、翻譯?？偟膩碚f，機械產(chǎn)品計算機表征的特點是從圖象圖形環(huán)境到文字概念，再由文字概念到圖形圖像。由于計算機表征事物的特點，也就是用二進制編碼，通過指代方式轉(zhuǎn)換像文字、數(shù)字等這樣的符號

18、類型，以表達事物。而對于圖形圖像類型的事物，則是通過象素點及其色和灰度等表達。這倆者之間的轉(zhuǎn)換要通過所指來進行。文字和圖像之間的信息轉(zhuǎn)換是一個困難的事情。另外一個問題就是機械產(chǎn)品及設計過程自然表征的問題，也就是在機械產(chǎn)品設計過程中涉及到的技術(shù)處理、制造處理問題等的學科知識的表達方式。機械產(chǎn)品設計及其過程的計算機指令表述，是要研究如何將人進行機械產(chǎn)品設計及其過程的自然表述計轉(zhuǎn)換為計算機指令表述的形式。實質(zhì)上是要將機械產(chǎn)品設計及其過程中獲得的數(shù)據(jù)資料由傳統(tǒng)方式轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式的、自動化形式的設計處理過程。是將自然的、實際形態(tài)的機械產(chǎn)品轉(zhuǎn)換為計算機內(nèi)虛擬形式的機械產(chǎn)品，是獲得機械產(chǎn)品設計及其過程的計算

19、機的指令集。這種轉(zhuǎn)換也是一個過程，通常稱為軟件開發(fā)，其結(jié)果是獲得一個預定目標的軟件產(chǎn)品。2. 計算機表征基礎與過程同樣，計算機表征計算機硬件系統(tǒng)計算機機器指令系統(tǒng)指令程序代碼集匯編語言程序高級語言程序機械設計問題軟件架構(gòu)、功能邏輯模塊編譯系統(tǒng)匯編語言軟件開發(fā)工具高級語言軟件開發(fā)工具系統(tǒng)應用軟件模塊用戶界面機械產(chǎn)品設計問題圖4-7 計算機表征的層次性及其轉(zhuǎn)換探討需要重述前一章的思想。針對機械產(chǎn)品的設計過程與特點對應的計算機的表征形式。計算機的表征形式受制于計算機的表征基礎，也就是機器語言及其處理方式。關(guān)于這一點，可以用圖4-7來表達其層次性。而各個層次有需要相應的模型來表達，最基本的是邏輯關(guān)系。由圖4-7可以看出，本質(zhì)上說來，各層有自身的表達形式，層間需要轉(zhuǎn)換、翻譯、對應等表達處理來實現(xiàn)。也就是說，計算機的表達就是要實現(xiàn)適當?shù)姆g與轉(zhuǎn)換。適當是指各層可表達、人的思維可理解這種表達與轉(zhuǎn)換的正確性與唯一性等。對于從需求到概念，再轉(zhuǎn)換成方案的過程，可以簡單的用圖4-8來表示。從圖可以看到人的處理邏輯與過程，可以看到將人的邏輯與處理過程直譯為計算機處理過程的問題。也就是說，轉(zhuǎn)為計算機處理的邏輯與過程仍然需要符合人的可理解性、人的可控性、人對問題概念層級的細化方法與表征等。表征方面要用計算機表征人大腦的心理表征與心理影像（圖形或