淺談現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的兩種方法

摘要：科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品功能要求的日益增多，復(fù)雜性增加，壽命期縮短，更新?lián)Q代速度加快。然而，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，尤其是機(jī)械產(chǎn)品方案的設(shè)計(jì)手段，則顯得力不從心，跟不上時(shí)代發(fā)展的需要。為此，作者在閱讀了大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，介紹2種設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)化設(shè)計(jì)；智能化設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法

1.1設(shè)計(jì)元素法

用五個(gè)設(shè)計(jì)元素(功能、效應(yīng)、效應(yīng)載體、形狀元素和表面參數(shù))描述“產(chǎn)品解”，認(rèn)為一個(gè)產(chǎn)品的五個(gè)設(shè)計(jì)元素值確定之后，產(chǎn)品的所有特征和特征值即已確定。我國(guó)亦有設(shè)計(jì)學(xué)者采用了類似方法描述產(chǎn)品的原理解。

1.2圖形建模法

研制的“設(shè)計(jì)分析和引導(dǎo)系統(tǒng)”KALEIT，用層次清楚的圖形描述出產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的抽象信息，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能關(guān)系的圖形化建模，以及功能層之間的聯(lián)接。

將設(shè)計(jì)劃分成輔助方法和信息交換兩個(gè)方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用圖形符號(hào)、具有內(nèi)容豐富的語(yǔ)義模型結(jié)構(gòu)、可以描述集成條件、可以劃分約束類型、可以實(shí)現(xiàn)關(guān)系間的任意結(jié)合等特點(diǎn)，將設(shè)計(jì)方法解與信息技術(shù)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)過(guò)程中不同抽象層間信息關(guān)系的圖形化建模。

1.3“構(gòu)思”-“設(shè)計(jì)”法

將產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)分成“構(gòu)思”和“設(shè)計(jì)”兩個(gè)階段?！皹?gòu)思”階段的任務(wù)是尋求、選擇和組合滿足設(shè)計(jì)任務(wù)要求的原理解?！霸O(shè)計(jì)”階段的工作則是具體實(shí)現(xiàn)構(gòu)思階段的原理解。

將方案的“構(gòu)思”具體描述為：根據(jù)合適的功能結(jié)構(gòu)，尋求滿足設(shè)計(jì)任務(wù)要求的原理解。即功能結(jié)構(gòu)中的分功能由“結(jié)構(gòu)元素”實(shí)現(xiàn)，并將“結(jié)構(gòu)元素”間的物理聯(lián)接定義為“功能載體”，“功能載體”和“結(jié)構(gòu)元素”間的相互作用又形成了功能示意圖(機(jī)械運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖)。方案的“設(shè)計(jì)”是根據(jù)功能示意圖，先定性地描述所有的“功能載體”和“結(jié)構(gòu)元素”，再定量地描述所有“結(jié)構(gòu)元素”和聯(lián)接件(“功能載體”)的形狀及位置，得到結(jié)構(gòu)示意圖。Roper，H.利用圖論理論，借助于由他定義的“總設(shè)計(jì)單元(GE)”、“結(jié)構(gòu)元素(KE)”、“功能結(jié)構(gòu)元素(FKE)”、“聯(lián)接結(jié)構(gòu)元素(VKE)”、“結(jié)構(gòu)零件(KT)”、“結(jié)構(gòu)元素零件(KET)”等概念，以及描述結(jié)構(gòu)元素尺寸、位置和傳動(dòng)參數(shù)間相互關(guān)系的若干種簡(jiǎn)圖，把設(shè)計(jì)專家憑直覺(jué)設(shè)計(jì)的方法做了形式化的描述，形成了有效地應(yīng)用現(xiàn)有知識(shí)的方法，并將其應(yīng)用于“構(gòu)思”和“設(shè)計(jì)”階段。

從設(shè)計(jì)方法學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，將明確了設(shè)計(jì)任務(wù)后的設(shè)計(jì)工作分為三步：1) 獲取功能和功能結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱為“功能”)；2) 尋找效應(yīng)(簡(jiǎn)稱為“效應(yīng)”)；3) 尋找結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱為“構(gòu)形規(guī)則”)。并用下述四種策略描述機(jī)械產(chǎn)品構(gòu)思階段的工作流程：策略1：分別考慮“功能”、“效應(yīng)”和“構(gòu)形規(guī)則”。因此，可以在各個(gè)工作步驟中分別創(chuàng)建變型方案，由此產(chǎn)生廣泛的原理解譜。策略2：“效應(yīng)”與“構(gòu)形規(guī)則”(包括設(shè)計(jì)者創(chuàng)建的規(guī)則)關(guān)聯(lián)，單獨(dú)考慮功能(通常與設(shè)計(jì)任務(wù)相關(guān))。此時(shí)，辨別典型的構(gòu)形規(guī)則及其所屬效應(yīng)需要有豐富的經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)生的方案譜遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于策略1的方案譜。策略3：“功能”、“效應(yīng)”、“構(gòu)形規(guī)則”三者密切相關(guān)。適用于功能、效應(yīng)和構(gòu)形規(guī)則間沒(méi)有選擇余地、具有特殊要求的領(lǐng)域，如超小型機(jī)械、特大型機(jī)械、價(jià)值高的功能零件，以及有特殊功能要求的零部件等等。策略4：針對(duì)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)化求解。該策略從已有的零件出發(fā)，通過(guò)零件間不同的排序和連接，獲得預(yù)期功能。

1.4矩陣設(shè)計(jì)法

在方案設(shè)計(jì)過(guò)程中采用“要求-功能”邏輯樹(shù)(“與或”樹(shù))描述要求、功能之間的相互關(guān)系，得到滿足要求的功能設(shè)計(jì)解集，形成不同的設(shè)計(jì)方案。再根據(jù)“要求-功能”邏輯樹(shù)建立“要求-功能”關(guān)聯(lián)矩陣，以描述滿足要求所需功能之間的復(fù)雜關(guān)系，表示出要求與功能間一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

Kotaetal將矩陣作為機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，把機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)空間分解為功能子空間，每個(gè)子空間只表示方案設(shè)計(jì)的一個(gè)模塊，在抽象階段的高層，每個(gè)設(shè)計(jì)模塊用運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換矩陣和一個(gè)可進(jìn)行操作的約束矢量表示；在抽象階段的低層，每個(gè)設(shè)計(jì)模塊被表示為參數(shù)矩陣和一個(gè)運(yùn)動(dòng)方程。

1.5鍵合圖法

將組成系統(tǒng)元件的功能分成產(chǎn)生能量、消耗能量、轉(zhuǎn)變能量形式、傳遞能量等各種類型，并借用鍵合圖表達(dá)元件的功能解，希望將基于功能的模型與鍵合圖結(jié)合，實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的自動(dòng)生成和功能結(jié)構(gòu)與鍵合圖之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，尋求由鍵合圖產(chǎn)生多個(gè)設(shè)計(jì)方案的方法。

2 智能化設(shè)計(jì)方法

智能化設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)是：根據(jù)設(shè)計(jì)方法學(xué)理論，借助于三維圖形軟件、智能化設(shè)計(jì)軟件和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以及多媒體、超媒體工具進(jìn)行產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、表達(dá)產(chǎn)品的構(gòu)思、描述 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)。

在利用數(shù)學(xué)系統(tǒng)理論的同時(shí)，考慮了系統(tǒng)工程理論、產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法學(xué)VDI2221，研制出適合于產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期使用的多媒體開(kāi)發(fā)系統(tǒng)軟件MUSE。

在進(jìn)行自動(dòng)取款機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，把產(chǎn)品的整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程概括為“產(chǎn)品規(guī)劃”、“開(kāi)發(fā)”和“生產(chǎn)規(guī)劃”三個(gè)階段，并且充分利用了現(xiàn)有的CAD尖端技術(shù)--虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。1) 產(chǎn)品規(guī)劃-構(gòu)思產(chǎn)品。其任務(wù)是確定產(chǎn)品的外部特性，如色彩、形狀、表面質(zhì)量、人機(jī)工程等等，并將最初的設(shè)想用CAD立體模型表示出，建立能夠體現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)品外形的簡(jiǎn)單模型，該模型可以在虛擬環(huán)境中建立，借助于數(shù)據(jù)帽和三維鼠標(biāo)，用戶還可在一定程度上參與到這一環(huán)境中，并且能夠迅速地生成不同的造型和色彩。立體模型是檢測(cè)外部形狀效果的依據(jù)，也是幾何圖形顯示設(shè)計(jì)變量的依據(jù)，同時(shí)還是開(kāi)發(fā)過(guò)程中各類分析的基礎(chǔ)。2) 開(kāi)發(fā)-設(shè)計(jì)產(chǎn)品。該階段主要根據(jù)“系統(tǒng)合成”原理，在立體模型上配置和集成解元素，解元素根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)的不同有不同的含義：可以是基本元素，如螺栓、軸或輪轂聯(lián)接等；也可以是復(fù)合元素，如機(jī)、電、電子部件、控制技術(shù)或軟件組成的傳動(dòng)系統(tǒng)；還可以是要求、特性、形狀等等。將實(shí)現(xiàn)功能的關(guān)鍵性解元素配置到立體模型上之后，即可對(duì)產(chǎn)品的配置(設(shè)計(jì)模型中解元素間的關(guān)系)進(jìn)行分析，產(chǎn)品配置分析是綜合“產(chǎn)品規(guī)劃”和“開(kāi)發(fā)”結(jié)果的重要手段。3) 生產(chǎn)規(guī)劃-加工和裝配產(chǎn)品。在這一階段中，主要論述了裝配過(guò)程中CAD技術(shù)的應(yīng)用，提出用計(jì)算機(jī)圖像顯示解元素在相應(yīng)位置的裝配過(guò)程，即通過(guò)虛擬裝配模型揭示造形和裝配間的關(guān)系，由此發(fā)現(xiàn)難點(diǎn)和問(wèn)題，并找出解決問(wèn)題的方法，并認(rèn)為將CAD技術(shù)綜合應(yīng)用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的三個(gè)階段，可以使設(shè)計(jì)過(guò)程的綜合與分析在“產(chǎn)品規(guī)劃”、“開(kāi)發(fā)”和“生產(chǎn)規(guī)劃”中連續(xù)地交替進(jìn)行。因此，可以較早地發(fā)現(xiàn)各個(gè)階段中存在的問(wèn)題，使產(chǎn)品在開(kāi)發(fā)進(jìn)程中不斷地細(xì)化和完善。

我國(guó)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)還處于剛剛起步階段。利用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)，重點(diǎn)研究了按時(shí)序合成的機(jī)構(gòu)組合方案設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，并借助于具有高性能圖形和交換處理能力的OpenGL技術(shù)，在三維環(huán)境中從各個(gè)角度對(duì)專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)出的方案進(jìn)行觀察，如運(yùn)動(dòng)中機(jī)構(gòu)間的銜接狀況是否產(chǎn)生沖突等等。

利用智能型CAD系統(tǒng)SIGRAPH-DESIGN作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，將產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程分為概念設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)和零件設(shè)計(jì)，并以變量設(shè)計(jì)技術(shù)為基礎(chǔ)，建立了膠印機(jī)凸輪連桿機(jī)構(gòu)的概念模型。從文獻(xiàn)介紹的研究工作看，其概念模型是在確定了機(jī)構(gòu)型、數(shù)綜合的基礎(chǔ)上，借助于軟件SIGRAPH-DESIGN提供的變量設(shè)計(jì)功能，使原理圖隨著機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化而變化，并將概念模型的參數(shù)傳遞給下一級(jí)的裝配模型、零件設(shè)計(jì)。