基于產(chǎn)品功能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的機(jī)械設(shè)計方法*

丁立軍，戴曙光，孟青云，沈力行（.上海理工大學(xué)光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 00093；.上海醫(yī)療器械高等?？茖W(xué)校醫(yī)療器械工程系，上海 00093）

基于產(chǎn)品功能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的機(jī)械設(shè)計方法*

丁立軍1，2，戴曙光1，孟青云2，沈力行2
（1.上海理工大學(xué)光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2.上海醫(yī)療器械高等?？茖W(xué)校醫(yī)療器械工程系，上海 200093）

在對機(jī)械產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，建立了一種機(jī)械設(shè)計的分析和評價方法。該方法首先對產(chǎn)品進(jìn)行功能分析和分解，形成若干產(chǎn)品子功能，在對子功能的實現(xiàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析和比較的基礎(chǔ)上，應(yīng)用功能—機(jī)構(gòu)優(yōu)化算法對產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)選擇方案進(jìn)行評價。通過對所選機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行分析和優(yōu)化，形成最終的產(chǎn)品實現(xiàn)方案。最后，通過實例驗證了該設(shè)計方法的可行性。

功能分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；分析和評價

開發(fā)性機(jī)械設(shè)計是應(yīng)用成熟的科學(xué)技術(shù)或經(jīng)過實驗證明可行的新技術(shù)，設(shè)計未曾有過的新型機(jī)械結(jié)構(gòu)的過程。在以往機(jī)械設(shè)計過程中存在著許多問題[1-2]：首先，沒有相對成熟的行之有效的設(shè)計理論和方法，僅憑設(shè)計師的經(jīng)驗辦事，因此常常初次的設(shè)計問題較多，經(jīng)過多輪修改和產(chǎn)品試制才能實現(xiàn)產(chǎn)品功能、結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化。而且，由于某些設(shè)計在總體實現(xiàn)方案上具有先天缺陷，即使通過數(shù)輪修改仍不能解決問題，甚至需對原方案推倒重來，造成較大損失。

基于傳統(tǒng)設(shè)計方法的不足，近年來出現(xiàn)了一些新的機(jī)械設(shè)計方法，如優(yōu)化設(shè)計、健壯設(shè)計、可靠性設(shè)計、并行設(shè)計、模塊化設(shè)計、計算機(jī)輔助設(shè)計[3-8]等。其中機(jī)械優(yōu)化設(shè)計是建立在數(shù)學(xué)最優(yōu)化方法與計算機(jī)程序設(shè)計基礎(chǔ)上的一種新的設(shè)計方法。采用這種設(shè)計方法，可以使機(jī)械產(chǎn)品在各種約束如工藝、性能、生產(chǎn)條件等方面的限制下，求得設(shè)計的最優(yōu)方案，主要應(yīng)用于設(shè)備部件或機(jī)構(gòu)中的參數(shù)優(yōu)化。健壯計和可靠性設(shè)計的提出是為了滿足產(chǎn)品設(shè)計性能的穩(wěn)定性，使設(shè)計出的產(chǎn)品具有健壯性，亦即使產(chǎn)品和過程具有抵抗外界干擾所引起的質(zhì)量波動的能力，主要解決設(shè)計質(zhì)量的符合性問題。模塊化設(shè)計是基于快速設(shè)計思想提出的設(shè)計方法，主要包括：側(cè)重功能分解的設(shè)計和基于結(jié)構(gòu)的設(shè)計兩種主要設(shè)計思想[9]。該方法是在對產(chǎn)品整體功能分析和結(jié)構(gòu)分解的基礎(chǔ)上提出的模塊化設(shè)計理念和方法，但在實施上還存在著模塊功能分割、接口標(biāo)準(zhǔn)化等問題，還不是成熟的機(jī)械設(shè)計方法。

因此，探索合理的機(jī)械設(shè)計方法，使產(chǎn)品設(shè)計，尤其是初步設(shè)計階段就能實現(xiàn)產(chǎn)品功能、結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計，這對于避免設(shè)計中的重大缺陷和減少后續(xù)修改設(shè)計工作量，加快設(shè)計進(jìn)程具有重要的作用。本文以機(jī)械設(shè)計過程中解決產(chǎn)品功能分析和結(jié)構(gòu)實現(xiàn)為著眼點，提出基于功能實現(xiàn)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的機(jī)械設(shè)計方法。

1 產(chǎn)品的功能—機(jī)構(gòu)分析和評價

機(jī)械設(shè)計包括功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計兩部分。產(chǎn)品的功能設(shè)計是以消費(fèi)者的潛在需求為依據(jù)來設(shè)計產(chǎn)品的功能。經(jīng)過功能的成本核算后，由專業(yè)人員進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計、企業(yè)安排生產(chǎn)，功能設(shè)計實質(zhì)上是市場調(diào)查研究的結(jié)果。一旦產(chǎn)品的功能確定下來，下一步的問題就是設(shè)計產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)確保實現(xiàn)產(chǎn)品的功能要求。

圖1 產(chǎn)品功能—機(jī)構(gòu)分析

以功能實現(xiàn)為目標(biāo)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)對產(chǎn)品功能進(jìn)行進(jìn)一步分析，形成子功能列表，并對實現(xiàn)該子功能的可能實現(xiàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行列表，如圖1所示：

在功能—機(jī)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上建立起來的子功能-實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系后，下一步就要選擇實現(xiàn)產(chǎn)品全部功能的優(yōu)化機(jī)構(gòu)。這一過程的基本原則是：實現(xiàn)設(shè)計結(jié)構(gòu)最簡化和功能的最優(yōu)化。結(jié)構(gòu)設(shè)計的最簡化有兩個方面的要求：一方面要求產(chǎn)品實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的簡單化，包括某一功能實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的實現(xiàn)難度的大小，即機(jī)構(gòu)實現(xiàn)的復(fù)雜性問題；同時也包含產(chǎn)品中單個機(jī)構(gòu)的多功能化問題，即一個機(jī)構(gòu)實現(xiàn)的功能越多，實現(xiàn)所有功能的機(jī)構(gòu)數(shù)量就越少，這一過程稱為機(jī)構(gòu)的功能組合。另一方面是實現(xiàn)產(chǎn)品功能的最優(yōu)化，所選擇的機(jī)構(gòu)能夠滿足產(chǎn)品功能要求并達(dá)到性能參數(shù)的最優(yōu)化。這兩方面的要求可以通過各自分配一定的權(quán)值加以解決。

為實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的功能—機(jī)構(gòu)優(yōu)化配置，考慮建立以下功能-機(jī)構(gòu)評價算法模型：

設(shè)表達(dá)式：

且當(dāng)F取其最大值時的機(jī)構(gòu)選擇方案，為最優(yōu)選擇方案。

其中：

αi：子功能i中選用機(jī)構(gòu)的功能參數(shù)；

βi：子功能i中選中機(jī)構(gòu)實現(xiàn)的復(fù)雜度參數(shù)。若在前面第1～i個功能環(huán)節(jié)中出現(xiàn)過該機(jī)構(gòu)，則此處βi=0；

λ1：機(jī)構(gòu)功能權(quán)重系數(shù)；

功能保證為主的裝置，取λ1＞λ2；以結(jié)構(gòu)簡單考慮為主的裝置，取λ1＜λ2。

mi：第i個功能環(huán)節(jié)的計算基數(shù)，mi=μi×M。M為總功能基數(shù)初值； μi為根據(jù)功能的重要性分配的權(quán)值；且

機(jī)構(gòu)參數(shù)α、β設(shè)置原則見表1、2。

表1 機(jī)構(gòu)功能系數(shù)(α)

表2 機(jī)構(gòu)復(fù)雜度系數(shù)(β)

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計原則

在完成所有實現(xiàn)機(jī)構(gòu)選擇后，下一步就是產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)布局，即通過機(jī)構(gòu)的集成或合理布置達(dá)到結(jié)構(gòu)的最簡化和功能的最優(yōu)化。這一步驟應(yīng)遵循以下原則。

（1）總體結(jié)構(gòu)布局合理

布局合理即在產(chǎn)品的總體布局上，使在功能-機(jī)構(gòu)分析步驟中選擇的所有功能實現(xiàn)機(jī)構(gòu)達(dá)到整體上的布局最優(yōu)化，以滿足各項功能和性能指標(biāo)要求?？傮w布局結(jié)構(gòu)合理性也體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的緊湊上，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊有利于結(jié)構(gòu)簡化、達(dá)到減少生產(chǎn)材料，節(jié)約成本的目的。

（2）良好的性能穩(wěn)定性和可靠性

除了滿足產(chǎn)品的基本功能性要求外，具體的性能指標(biāo)是反映產(chǎn)品使用性的重要參數(shù)。其中，產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性是兩大關(guān)鍵指標(biāo)。不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)實現(xiàn)方案，對產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性有著較大的影響，實現(xiàn)產(chǎn)品較高的穩(wěn)定性、可靠性是產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計中要考慮的關(guān)鍵因素。

（3）滿足精度要求

除了產(chǎn)品零部件加工精度和元器件的本身性能參數(shù)對產(chǎn)品的精度產(chǎn)生影響外，產(chǎn)品不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，對產(chǎn)品的精度也會產(chǎn)生影響，因此，在產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，最大程度的實現(xiàn)工作精度要求，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計要考慮的因素。

（4）良好的操作性

良好的操作性是衡量產(chǎn)品功能指標(biāo)之一，是滿足產(chǎn)品使用性的體現(xiàn)。產(chǎn)品良好的操作性應(yīng)符合人-機(jī)工程學(xué)原理，是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理的重要評價指標(biāo)之一。

3 舉例

例如：要設(shè)計某條形試件的手動扭矩-轉(zhuǎn)角測量裝置，并要求達(dá)到一定的測量精度。對其功能分析后，對這一裝置的設(shè)計功能、子功能及可能的實現(xiàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行列表，并將各個子功能的實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜度系數(shù)和功能系數(shù)進(jìn)行評估，如表3所示。

表3 裝置功能和實現(xiàn)機(jī)構(gòu)對照表

通過對該裝置的功能的實現(xiàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行初步思考，提出以下3個機(jī)構(gòu)實現(xiàn)方案（表4）：

表4 裝置的機(jī)構(gòu)實現(xiàn)方案

令總功能基數(shù)初值M=100；且系統(tǒng)為功能、結(jié)構(gòu)并重系統(tǒng)，即：λ1=λ2=0.5。

在完成所有機(jī)構(gòu)方案選擇后，下一步就是產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)布局，既通過機(jī)構(gòu)的集成或合理布置達(dá)到結(jié)構(gòu)的最簡化和功能的最優(yōu)化。

在方案中出現(xiàn)頻率最高的渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)既可以實現(xiàn)加載增力也可以實現(xiàn)加載自鎖子功能，同時該結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)角的讀數(shù)進(jìn)行放大，實現(xiàn)精確讀數(shù)子功能?？紤]到刻度盤直徑不至于過大，選用傳動比為1∶30的蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)；為了讀數(shù)的方便和保證精度，可以考慮在扭矩輸入端加裝指針和刻度盤，其中指針以套筒的形式與輸入軸間隙配合可以實現(xiàn)調(diào)零功能，這兩個機(jī)構(gòu)集成在一起，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的緊湊；扭矩測量裝置放在裝夾機(jī)構(gòu)后端和固定機(jī)架之間，比安置在裝夾機(jī)構(gòu)前段更有利于測力的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性以及方便扭矩傳感器與數(shù)據(jù)顯示器的接線。由此，該測試裝置的結(jié)構(gòu)構(gòu)架就基本完成了，裝置初步結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如圖2、圖3所示。

圖2 扭矩-轉(zhuǎn)角測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

本文所采用的機(jī)械設(shè)計方法是建立在對產(chǎn)品功能分析的基礎(chǔ)上，通過對不同子功能的實現(xiàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行列表，采用功能-機(jī)構(gòu)優(yōu)化算法選擇最優(yōu)機(jī)構(gòu)組合，并建立了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化原則，對產(chǎn)品進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。在應(yīng)用該方法對產(chǎn)品進(jìn)行功能分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)注意以下問題：

（1）產(chǎn)品功能分析的完整性和準(zhǔn)確性

圖3 輸入組件結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品功能分析是機(jī)構(gòu)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提，因此產(chǎn)品功能分析的完整性和準(zhǔn)確性就關(guān)系到整個產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的成敗。產(chǎn)品的功能分析基于產(chǎn)品的功能設(shè)計，是對整個產(chǎn)品功能實現(xiàn)的具體化和細(xì)化，須具有完整性，不能有任何遺漏，否則可能造成無法挽回的損失；產(chǎn)品功能分析的準(zhǔn)確性也是十分必要的，對關(guān)鍵子功能的描述要達(dá)到定量的要求，為后續(xù)的機(jī)構(gòu)選擇和結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

（2）功能—機(jī)構(gòu)分析的準(zhǔn)確性

在產(chǎn)品功能進(jìn)行合理劃分時，須使每項子功能具有一定的獨立性和可實現(xiàn)性。在功能劃分時要考慮某項子功能在所有子功能中的相對重要性，并給出合理的權(quán)值估計；對某項子功能的實現(xiàn)機(jī)構(gòu)列表時，對該機(jī)構(gòu)的實施難度和復(fù)雜性進(jìn)行合理估計，這些工作是進(jìn)行后續(xù)產(chǎn)品功能—機(jī)構(gòu)評價的依據(jù)。

（3）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性

產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅關(guān)系到產(chǎn)品功能實現(xiàn)的好壞，更是關(guān)系到產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)的合理性。產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，既要考慮組成機(jī)構(gòu)多功能化，還要考慮機(jī)構(gòu)的組成是否有利于提高產(chǎn)品的整體性能指標(biāo)以及實現(xiàn)產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化。

（4）標(biāo)準(zhǔn)零部件的采用

在設(shè)計工作中，應(yīng)考慮盡可能的采用市場上已有的標(biāo)準(zhǔn)零部件。采用標(biāo)準(zhǔn)零部件可以有效減少產(chǎn)品開發(fā)時間，同時，標(biāo)準(zhǔn)零部件還具有成本低、質(zhì)量可靠、互換性強(qiáng)和便于維修等優(yōu)點。

［1］毛銀氚.淺談機(jī)械設(shè)計技術(shù)的現(xiàn)狀與趨勢［J］.裝備制造技術(shù)，2008（5）：124-126.

［2］楊海榮.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計的創(chuàng)新方法研究［J］.機(jī)電信息，2011（18）：161-162.

［3］吳淑芳，黃啟良，王宗彥，等.機(jī)械產(chǎn)品參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計方法研究與應(yīng)用［J］.礦山機(jī)械，2012，33（2）：18-21.

［4］邱繼偉，張瑞軍，叢東升，等.機(jī)械零件可靠性設(shè)計理論與方法研究［J］.工程設(shè)計學(xué)報，2011，18（6）：401-405.

［5］巫宗萍.健壯設(shè)計及其在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2010（5）：25.

［6］楊建中，王藝穎，楊曦，等.并行設(shè)計技術(shù)分析及其在產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用［J］.重慶科技學(xué)院學(xué)報，2013，15（3）：111-114.

［7］周皖青.CATIA在汽車模具逆向工程設(shè)計中的應(yīng)用［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2008（16）：63-64.

［8］劉淑芬，高奇.虛擬制造技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械工程設(shè)計領(lǐng)域中的應(yīng)用［J］.裝備制造技術(shù)，2009（6）：86-87.

［9］汪云祥，高洪.模塊化設(shè)計及其在齒輪減速器中的應(yīng)用［J］.安徽機(jī)電學(xué)院學(xué)報，2002，17（2）：9-12.

A Mechanical Design Method Based Product Function Analysis and Structure Optimization

DING Li-jun1,2，DAI Shu-guang1，MENG Qing-yun2，SHEN Li-xing2
（1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai20093，China；2.Department of Medical Devices Engineering，Shanghai Medical Instrumentation College，Shanghai20093，China）

Based on the analysis of structure and function of mechanical products，the article establishes an analysis and evaluation method of mechanical design.In this method，product’s function is analyzed and decomposed into several sub-functions.On the basis of analysis and comparison of implement mechanisms， a function-mechanism optimization algorithm is established to evaluate the product’s mechanism composition program.Through analyzing and optimizing the structure of these mechanisms chosen in the product/s mechanism composition program，a final product implementation program is formed.Finally，an example is showed to demonstrate the feasibility of the design method.

function analysis；structure optimization；analysis and evaluation

TH122

A

1009－9492(2014)05－0057－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.014

丁立軍，男，1971年生，山東龍口人，博士，講師。研究領(lǐng)域：測試信號的獲取與處理、機(jī)電工程。

(

編輯：向 飛)

*國家自然科學(xué)基金（編號：51075280）；上海市教委重點學(xué)科第五期資助基金（編號：J50505）

2014－03－10