基于設(shè)計意圖的產(chǎn)品參數(shù)化變型設(shè)計研究及應(yīng)用

羅國富，丁立家，劉小娟，段 瑞

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450002）

0 引言

參數(shù)化設(shè)計是利用已存在的設(shè)計實例，在不破壞原有設(shè)計基本原理、基本結(jié)構(gòu)特征和功能基礎(chǔ)上、可快速、高質(zhì)量、低成本地產(chǎn)生與原有設(shè)計相似的新產(chǎn)品，滿足不斷變化的市場需求，它是滿足產(chǎn)品變型設(shè)計要求的主要技術(shù)之一。文獻(xiàn)[1～3]重點強(qiáng)調(diào)了模型的尺寸參數(shù)驅(qū)動變型設(shè)計，未研究變型設(shè)計中的設(shè)計意圖 (包括尺寸參數(shù)的來源、知識或經(jīng)驗等)、無法保證模型變型設(shè)計后的工程有效性。

準(zhǔn)確地獲取了產(chǎn)品設(shè)計意圖，能夠在進(jìn)行產(chǎn)品參數(shù)化尺寸變型設(shè)計中充分參考重用經(jīng)過生產(chǎn)實踐考驗的產(chǎn)品設(shè)計信息、知識、經(jīng)驗等資源，更好地滿足設(shè)計要求。文獻(xiàn)[4]將設(shè)計意圖表示成產(chǎn)品的要求功能、約束條件、技術(shù)要求和幾何信息的相互關(guān)系，以樹形結(jié)構(gòu)表示設(shè)計者的思考順序并提出了一種產(chǎn)品設(shè)計意圖模型，記錄了產(chǎn)品設(shè)計意圖；文獻(xiàn)[5]提出了設(shè)計思考過程模型，模型記錄了設(shè)計步驟和設(shè)計決策，描述了設(shè)計過程背后的設(shè)計意圖；文獻(xiàn)[6]從需求的角度分解設(shè)計意圖，形成意圖域，對產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分，形成載體域，用意圖域映射載體域，實現(xiàn)了意圖捕捉、建模和求解，最后得到參數(shù)化設(shè)計中的主參數(shù)。

本文由設(shè)計意圖定義出發(fā)，建立設(shè)計歷史過程模型捕捉設(shè)計意圖，理解如何產(chǎn)生的設(shè)計結(jié)果，進(jìn)而在設(shè)計結(jié)果中分析設(shè)計意圖的記錄、表達(dá)和捕捉，基于設(shè)計意圖開發(fā)了減速器參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，更好地滿足產(chǎn)品設(shè)計要求。

1 設(shè)計意圖定義及捕捉

產(chǎn)品設(shè)計一般可劃分為需求分析、概念設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計三階段。設(shè)計意圖在各個設(shè)計階段的體現(xiàn)形式有所不同，如文字描述、圖形表達(dá)、實物建模、尺寸約束等多種形式，是設(shè)計者為了使設(shè)計產(chǎn)品滿足一定的功能需求，在設(shè)計過程中希望達(dá)到其設(shè)計目的所做的打算。設(shè)計意圖的定義包含三方面的信息，一是“目的”，二是“打算”，三是“設(shè)計過程”?！澳康摹笔窍Ｍ_(dá)到但還未實現(xiàn)的目標(biāo)，是對產(chǎn)生結(jié)果的考慮，其最終表現(xiàn)形式是設(shè)計結(jié)果；“打算”是思考如何實現(xiàn)目標(biāo)，不是對設(shè)計結(jié)果的闡述，而是對如何產(chǎn)生預(yù)期結(jié)果這一過程的思考即思考過程；“設(shè)計過程”表明了設(shè)計者在進(jìn)行一系列的思考、決策等思想過程且為了達(dá)到目標(biāo)所做的操作等是一個功能實現(xiàn)的物理過程，即設(shè)計歷史過程。設(shè)計過程決定了設(shè)計結(jié)果，設(shè)計結(jié)果是設(shè)計過程的表現(xiàn)形式，設(shè)計意圖貫穿于整個產(chǎn)品設(shè)計過程中，三者關(guān)系如圖1所示。

因此對設(shè)計意圖的捕捉可以分為兩類：一是通過研究產(chǎn)品設(shè)計歷史過程來推測設(shè)計意圖并理解設(shè)計結(jié)果；二是通過設(shè)計結(jié)果獲取或捕捉設(shè)計者的設(shè)計意圖以實現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計的共享和重用。

圖1 設(shè)計過程、結(jié)果和意圖關(guān)系

2 設(shè)計歷史過程建模

關(guān)于產(chǎn)品設(shè)計歷史過程大致有兩種看法：Shah等[7]認(rèn)為產(chǎn)品設(shè)計的歷史過程是走向產(chǎn)品最終設(shè)計結(jié)果過程中的事件和狀態(tài)的一步步記錄，記錄的事件和狀態(tài)表達(dá)了產(chǎn)品設(shè)計意圖；Chen等[8]則從機(jī)械工程的角度，指出設(shè)計歷史過程是產(chǎn)品從最初的需求分析到最終的詳細(xì)設(shè)計的整個發(fā)展過程中所產(chǎn)生的約束和決策的記錄，設(shè)計意圖體現(xiàn)在從最初問題定義到最終幾何和拓?fù)湓O(shè)計的全過程。

目前的CAD軟件能在設(shè)計結(jié)果模型中追蹤到設(shè)計者的操作步驟，潛在地表達(dá)了設(shè)計者的設(shè)計意圖，但對于設(shè)計結(jié)果產(chǎn)生的歷史尚不能很好地記錄和表達(dá)，而無法解釋如何產(chǎn)生的設(shè)計結(jié)果，即設(shè)計過程中背后的意圖。本節(jié)建立了產(chǎn)品設(shè)計歷史過程模型，記錄并表達(dá)了設(shè)計過程中背后的設(shè)計意圖，其主要包含問題分解過程和方案求解過程兩部分，如圖2所示。

該過程模型中包括設(shè)計意圖分解過程中采用的依據(jù)、問題求解過程中的映射矩陣或算法以及設(shè)計思考過程如決策過程中最終方案選定、評估和決策依據(jù)等非幾何信息，都是產(chǎn)品設(shè)計意圖的記錄和體現(xiàn)。

2.1 設(shè)計意圖分解過程

設(shè)計本身是根據(jù)需求包括消費者對產(chǎn)品性能、用途和要求，設(shè)計者利用自己的專業(yè)知識和個人經(jīng)驗等，進(jìn)行滿足功能和結(jié)構(gòu)要求的工作原理求解、進(jìn)行實現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的工作原理求解和進(jìn)行實現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的工作原理載體方案的構(gòu)思和系統(tǒng)化設(shè)計[9]。

產(chǎn)品設(shè)計過程即在各種需求和約束條件下產(chǎn)品功能的實現(xiàn)過程。產(chǎn)品功能滿足了人們對產(chǎn)品用途、性能等各方面的需求，能充分表達(dá)設(shè)計者的設(shè)計意圖，故功能需求是設(shè)計意圖的意義所在。根據(jù)產(chǎn)品特點、性能、用途等功能需求提出設(shè)計問題，將總設(shè)計問題進(jìn)行聚焦、分解，一般由設(shè)計者的設(shè)計知識、從業(yè)經(jīng)驗和理論知識等將設(shè)計問題分解為若干個子問題或者直接分解為問題元，每個子問題又可分解衍生為問題元，其分解過程如圖3所示，問題元是不可再分的具有直接描述產(chǎn)品某項功能需求的特性，如性能、指標(biāo)，功能參數(shù)等。子問題分解到什么程度不可再分是其粒度問題，以子問題能否求得技術(shù)原理解作為分解依據(jù)，若子問題可以找到物理作用原理及相應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)來解決，那么該子問題就是問題元，否則，需要繼續(xù)分解，直到找到相應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)為止。問題元的分解形成標(biāo)志著功能需求的分解完成，其分解過程即是將模糊化的、概念化的設(shè)計意圖逐漸地清晰明朗化的過程。

圖2 設(shè)計過程模型

圖3 設(shè)計意圖分解過程

2.2 問題求解過程

總設(shè)計問題分解為各個問題元后，設(shè)計問題逐漸清晰明朗化，總功能需求轉(zhuǎn)化為一個個可解的、具體的設(shè)計問題，然后進(jìn)行問題求解過程，求解過程是為了找到一個或多個具體解決方案來滿足問題元的設(shè)計功能需求。

具有直接描述產(chǎn)品某項功能需求特性的問題元與方案集中滿足產(chǎn)品某項功能需求的物理結(jié)構(gòu)或幾何模型不是一一對應(yīng)但具有某種映射關(guān)系，問題元求解過程即是找到其與物理結(jié)構(gòu)之間的映射關(guān)系。將問題元組成行，滿足問題元的物理結(jié)構(gòu)組成列，形成二者的映射關(guān)系矩陣，可以用Amn表示，其中n表示將設(shè)計問題分解為n個問題元，m表示根據(jù)問題元表達(dá)的功能需求找到m個物理結(jié)構(gòu)或者幾何模型。

矩陣元素Aij的值取1或0，若第j個物理結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)第i個問題元，表示二者具有相關(guān)性映射關(guān)系，則Aij=1，否則Aij=0，即得到了問題元與物理結(jié)構(gòu)之間的映射關(guān)系矩陣。該映射關(guān)系矩陣是設(shè)計問題分解的依據(jù)，充分體現(xiàn)了設(shè)計者的設(shè)計意圖。

產(chǎn)品設(shè)計過程是設(shè)計意圖從抽象到具體、產(chǎn)品設(shè)計信息逐步細(xì)化、反復(fù)迭代的過程，經(jīng)過一系列評價、決策最終得到設(shè)計結(jié)果。設(shè)計意圖不止在產(chǎn)品設(shè)計過程中得到表達(dá)及捕捉，在設(shè)計結(jié)果中同時隱含的體現(xiàn)。

3 設(shè)計結(jié)果中設(shè)計意圖的體現(xiàn)

機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計意圖在設(shè)計結(jié)果中的主要體現(xiàn)方式是基于特征的計算機(jī)三維實體表達(dá)，通過具有工程語義信息的特征、參數(shù)、約束和構(gòu)造過程歷史樹，對零件的詳細(xì)設(shè)計意圖表達(dá)或通過裝配層次關(guān)系樹和約束配合關(guān)系表達(dá)產(chǎn)品的裝配設(shè)計意圖[10]。

在減速器箱體的三維建模中，箱體壁上創(chuàng)建盲孔特征，可先創(chuàng)建圓柱體，再對箱體和圓柱體進(jìn)行布爾運算，或者直接利用“盲孔”特征在箱體壁上打一個深度為H的盲孔，顯然后者更清晰地表達(dá)設(shè)計者的意圖。再利用參數(shù)化技術(shù)，建立盲孔深度與壁厚的關(guān)系式H = T-Constant，(H為孔深，T為壁厚，Constant為常值)，則可以控制盲孔的深度隨箱體壁厚度的改變而改變，從而保持了設(shè)計者的設(shè)計意圖，避免了由于修改孔深H過大箱體壁出現(xiàn)透孔的情況。

裝配過程中，設(shè)計者通過采用合理的約束配合關(guān)系，如兩個面的接觸配合裝配可以選擇“重合”和“距離”命令（兩面距離值為零），來體現(xiàn)設(shè)計意圖。例如減速器軸承與軸承端蓋、軸承內(nèi)圈與軸肩的配合結(jié)果都是使配合平面接觸，但通常對前者的配合命令選擇“距離”同時設(shè)置兩配合面距離為零，而后者軸承內(nèi)圈與軸肩的配合命令選擇“重合”，是因為軸承端蓋用于軸承外圈固定、軸承的防塵和密封，在實際裝配過程中需要對端蓋進(jìn)行調(diào)整，如在其與箱體配合面間加密封環(huán)、墊圈等，從而調(diào)整軸承端蓋與軸承外圈的距離，可知軸承與軸承端蓋之間不只是簡單的重合，因此選擇“距離”的約束配合關(guān)系；軸承內(nèi)圈與軸肩的配合其目的是通過軸肩對軸承進(jìn)行軸向定位，需明確限定兩者的位置關(guān)系，故通過選擇“重合”命令達(dá)到了其裝配要求[11]，同時體現(xiàn)了上述設(shè)計意圖。

4 參數(shù)化變型設(shè)計實例應(yīng)用

通過對設(shè)計歷史過程模型研究設(shè)計意圖的記錄和捕捉及設(shè)計結(jié)果中設(shè)計意圖的表達(dá)和捕捉，在對產(chǎn)品及其零部件尺寸參數(shù)化過程中能夠參照設(shè)計中的幾何信息、約束關(guān)系等，保留原作者的設(shè)計意圖，準(zhǔn)確地選取尺寸參數(shù)，方便地確定不變參數(shù)、可變參數(shù)和導(dǎo)出參數(shù)等，更好地實現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計知識的重用。

以單級圓柱齒輪減速器為例進(jìn)行驗證。根據(jù)功能需求，實現(xiàn)減速功能為總的設(shè)計意圖，其分解為具有直接描述產(chǎn)品某項功能需求特性的問題元，如輸入、傳動、潤滑、支撐、密封、連接和輸出等設(shè)計問題，分解過程如圖4所示。滿足元意圖的解決方案中包括箱體、單齒輪、高速軸、低速軸、油潤滑散熱、聯(lián)軸器、端蓋、密封件、螺栓、鍵、軸承等物理模型，如箱體可解決支撐和部分密封的問題，油潤滑散熱同時滿足潤滑和散熱的目的等，將其縱向排列，將傳動、輸入等問題元橫向排列，得到映射關(guān)系矩陣，如表1所示，故得到了問題元和物理結(jié)構(gòu)的映射矩陣A8,11，該矩陣是設(shè)計問題分解的依據(jù)，如傳動問題元可以由齒輪、高速輸入軸、低速輸出軸和鍵等映射的物理結(jié)構(gòu)來解決完成，充分體現(xiàn)了設(shè)計者的設(shè)計意圖。最后各個零部件的具體詳細(xì)設(shè)計牽涉到評價、決策等，是逐步細(xì)化、反復(fù)迭代的過程，由于篇幅所限，在此不再詳述。

再根據(jù)設(shè)計結(jié)果中繪圖平面選擇、添加幾何關(guān)系和尺寸標(biāo)注等體現(xiàn)和表達(dá)形式充分理解設(shè)計者的設(shè)計意圖，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行基于PROTOOLKIT二次開發(fā)參數(shù)化設(shè)計，保證了模型變型設(shè)計后的工程有效性，從而實現(xiàn)了設(shè)計知識的共享和重用。作者已開發(fā)了減速器參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，圖5是部件聯(lián)軸器參數(shù)化設(shè)計窗口，圖6是聯(lián)軸器模型變型前后對比圖。

表1 映射關(guān)系矩陣表

圖4 減速器設(shè)計意圖分解過程

圖5 聯(lián)軸器參數(shù)化對話框

圖6 聯(lián)軸器模型變型前后對比圖

5 結(jié)束語

本文給出了設(shè)計意圖定義并系統(tǒng)地描述了產(chǎn)品設(shè)計過程和設(shè)計結(jié)果中設(shè)計意圖的表達(dá)及捕捉，并在此基礎(chǔ)上對產(chǎn)品及其零部件進(jìn)行參數(shù)化變型設(shè)計，避免了產(chǎn)品原設(shè)計意圖在幾何模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時被破壞，保證了模型變型設(shè)計后的工程有效性，實現(xiàn)了設(shè)計知識的共享和重用。

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