機械系統(tǒng)接口功能元模型及其概念設(shè)計應(yīng)用*

□ 趙 琳 □ 賀華波 □ 鄧益民

寧波大學(xué) 機械工程與力學(xué)學(xué)院 浙江寧波 315211

機械系統(tǒng)接口功能元模型及其概念設(shè)計應(yīng)用*

□ 趙 琳 □ 賀華波 □ 鄧益民

寧波大學(xué) 機械工程與力學(xué)學(xué)院 浙江寧波 315211

為了研究接口在機械系統(tǒng)中的組成及其表達形式，提出了接口功能元的概念，列舉了接口功能元的九種類別，包括連接、分離、放大、縮小、軸線轉(zhuǎn)換、運動方式轉(zhuǎn)換等，分析了功能轉(zhuǎn)換的幾種情況，建立機械系統(tǒng)接口模型。提出一種將接口功能元模型與“功能-行為-結(jié)構(gòu)（FBS）”設(shè)計過程模型相結(jié)合的方法，構(gòu)建設(shè)計過程框架，用以指導(dǎo)概念設(shè)計。最后以一種自動清潔設(shè)備的接口功能元模型的概念設(shè)計應(yīng)用，驗證了方法的實用性。

機械 概念設(shè)計 接口 功能

機械系統(tǒng)從廣義上可以定義為由各個機械基本要素組成，可以根據(jù)需要完成一定功能，實現(xiàn)機械能變化、代替人類勞動的系統(tǒng)［1］。機械系統(tǒng)概念設(shè)計的內(nèi)涵隨著人們對概念設(shè)計的研究而更加廣泛和深刻，概念設(shè)計的前期工作體現(xiàn)了設(shè)計人員對任務(wù)的理解和設(shè)計靈感的表達，后期工作主要是對功能結(jié)構(gòu)及運動方案的構(gòu)思設(shè)計。概念設(shè)計是方案創(chuàng)新的一個設(shè)計過程，也是機械設(shè)計中最具有創(chuàng)造性的環(huán)節(jié)。

接口的概念首先于計算機硬件設(shè)計中提出，主要應(yīng)用在電子、軟件等領(lǐng)域，在機械方面對于接口的研究目前多集中在模塊化設(shè)計中，主要為產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化和系列化設(shè)計提供支持。比如：蔡遠文［2］總結(jié)了模塊接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的優(yōu)勢，提出了利用QFD和TRIZI理論對接口進行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的觀點，用以指導(dǎo)航天器的模塊接口設(shè)計；蔡銀才等［3］也對機械設(shè)計接口的通用性進行了研究，提出了分體式螺栓的方案，解決機架接口通用化設(shè)計問題，并應(yīng)用于飛機的發(fā)射裝置中；朱元勛等［4］面向模塊接口的系列化進行了設(shè)計，對裝載機模塊接口的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行了分析和應(yīng)用；鐘詩勝［5］在產(chǎn)品模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模中，結(jié)合面向?qū)ο蠹夹g(shù)，提出了基模塊接口關(guān)系擴展布爾矩陣逆向求解策略，在翼導(dǎo)彈模塊系統(tǒng)中進行了應(yīng)用?？梢钥闯鰴C械系統(tǒng)接口的研究多集中在模塊設(shè)計中作為其中一個環(huán)節(jié)提出，有關(guān)機械系統(tǒng)接口概念設(shè)計理論及應(yīng)用的研究還不夠全面。針對概念設(shè)計接口的研究現(xiàn)狀，本文通過對接口功能元的定義，闡述了接口在概念設(shè)計中的內(nèi)容，并通過構(gòu)建概念設(shè)計框架進一步對接口功能元模型的具體應(yīng)用進行了研究。

1 接口

接口可分為廣義接口和傳統(tǒng)接口。傳統(tǒng)接口主要包括具有信息傳輸作用的數(shù)據(jù)接口和具有固定作用的裝置，如螺栓、螺母、定位銷等；廣義接口是指在系統(tǒng)內(nèi)部起到連接作用的硬件和軟件的總稱。傳統(tǒng)的接口分類主要包括硬件接口和軟件接口兩大類，軟件提供系統(tǒng)信息交互、轉(zhuǎn)換、調(diào)整的方法和過程，重點在于設(shè)計中的接口標(biāo)準(zhǔn)［6］等。硬件接口主要指除軟件接口外需要通過一定手段實施的含有一定物理結(jié)構(gòu)的能量傳遞裝置。硬件接口根據(jù)傳遞的能量有無介質(zhì)分為無介質(zhì)類和有介質(zhì)類，當(dāng)機械結(jié)構(gòu)通過物理連接來實現(xiàn)能量傳遞時，稱為無介質(zhì)的硬件接口，如圖1所示，機電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和氣壓系統(tǒng)等需要一定介質(zhì)來傳遞功能行為的屬于有介質(zhì)的情況。

不同系統(tǒng)對接口的需求各有不同，例如機電一體化系統(tǒng)將機械、電子和信息系統(tǒng)進行有機的組合，融合功能各異的技術(shù)為一體，這就需要軟件接口和硬件接口相配合，并且通過控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，一個好的機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計離不開合理的、可靠的接口設(shè)計。接口作為非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，在機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計研究中非常緊迫和必要［7］，接口設(shè)計在概念設(shè)計中的理論研究，也需要加強與實際相結(jié)合的實踐。

2 機械系統(tǒng)接口模型

2.1 接口功能元

▲圖1 傳統(tǒng)接口的分類

機械系統(tǒng)接口可劃分為不同層次，如圖2所示，機械系統(tǒng)接口不僅僅指構(gòu)件的連接，也包括由某些機構(gòu)或者系統(tǒng)組成的具有一定轉(zhuǎn)化功能的結(jié)構(gòu)。例如系統(tǒng)間的連接部分，即機構(gòu)與機構(gòu)間的連接結(jié)構(gòu)，由若干運動副按照一定的連接順序組成，完成機構(gòu)功能的轉(zhuǎn)換，如減速器輸入與輸出間的齒輪傳動機構(gòu)也可看作為接口。某個機構(gòu)或幾個機構(gòu)組成部分如果起到了功能連接的作用，就可以稱為接口。為便于對接口的組成及表達方法的研究，將機械系統(tǒng)中具有實現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換目的的結(jié)構(gòu)單元定義為接口功能元，接口功能元作為一個整體，具有一定的屬性和功能。

用圖形的方式闡述接口功能元的概念。首先，用菱形圖元代表接口功能元，如圖3所示，菱形的兩個長軸頂點可作為輸入端和輸出端的連接點，連接點可為固定連接方式也可以是可變的連接，用頂點上符號×的有無來表示固定或者可變。如果采用固定連接，則功能的轉(zhuǎn)換關(guān)系不可更改，輸入和輸出連接為更高級別的系統(tǒng)；若采用可變的連接，接口功能元可以更換，從而實現(xiàn)不同的接口功能，產(chǎn)生不同的設(shè)計效果。短軸的兩個頂點用來表示功能元內(nèi)部信息和外界環(huán)境的作用。接口功能元的種類以菱形圖框內(nèi)的功能轉(zhuǎn)換符號Ω表示，將Ω的種類分為9種并分別用9種圖形表示，接口功能元的功能及代號見表1。

接口功能元的功能轉(zhuǎn)換情況分析如下。

（1）脫離功能i_01。接口的脫離功能是接口基本的功能之一，表現(xiàn)為若輸入端與輸出端處于互不接觸的位置，即接口空置時表現(xiàn)為脫離功能。

（2）連接功能i_02。與脫離功能相對應(yīng)，連接功能也是接口的基本功能，即輸入端與輸出端處于穩(wěn)定的接觸位置，使輸入、輸出端相互連接的功能。

（3）分解功能i_03。接口的分解功能表現(xiàn)在由單一輸入轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€輸出，即通過接口的轉(zhuǎn)換功能將輸入端的功能傳遞給多個輸出端。

（4）合成功能i_04。同樣與分解功能相對應(yīng)，合成功能指多輸入轉(zhuǎn)變?yōu)閱我惠敵觯ㄟ^接口轉(zhuǎn)換將多個功能合成為一個輸出功能。

▲圖2 接口層次模型

▲圖3 接口功能元圖形屬性

（5）縮小功能i_05。接口縮小功能指對輸入端的位移、速度等運動量進行縮小轉(zhuǎn)換為相同性質(zhì)的輸出的功能。

（6）放大功能i_06。與縮小功能相對應(yīng)，對輸入端位移、速度等運動量進行放大的功能。

（7）轉(zhuǎn)換軸線功能i_07。將輸入端運動軸線進行改變的轉(zhuǎn)換功能。

（8）改變運動方向i_08。將輸入端與輸出端的運動方向進行轉(zhuǎn)換的功能。

（9）轉(zhuǎn)換運動形式i_09。將輸入、輸出端的運動形式進行轉(zhuǎn)換，如旋轉(zhuǎn)與直線運動間的轉(zhuǎn)換、連續(xù)運動與間歇運動轉(zhuǎn)換等。

2.2 接口功能元模型內(nèi)部信息

接口功能元的信息不僅包括接口的轉(zhuǎn)換作用類型，也包含接口的行為方式，所處的連接層信息以及接口運動副帶來的自由度的變化等。需要注意的是，接口不一定導(dǎo)致自由度增加，也可能造成自由度減少為零，形成固定部件的情況。表2列舉了接口信息的種類及具體內(nèi)容。

表1 接口功能元的功能及代號

表2 接口功能元信息表

3 機械系統(tǒng)接口概念設(shè)計模型

3．1 設(shè)計過程模型

基于對接口的研究，本文提出一種將接口功能元模型與功能-行為-結(jié)構(gòu)（Function Behavior Structure，F(xiàn)BS）模型［8］相結(jié)合的概念設(shè)計框架，如圖4所示。根據(jù)接口在設(shè)計中的特殊作用，對接口的功能和結(jié)構(gòu)信息分析之后進行建模。一般對某個系統(tǒng)或者產(chǎn)品進行設(shè)計時，總是遵循一定的順序，F(xiàn)BS模型就是一種自頂向下的設(shè)計過程模型。

功能表達了設(shè)計的目的，比如要實現(xiàn)夾持棒料并旋轉(zhuǎn)方向放置到指定地點這一功能，就分為夾持、旋轉(zhuǎn)、位移等子功能，為實現(xiàn)這一功能，系統(tǒng)需要有功能脫離、接合、錯位接合、功能放大縮小等轉(zhuǎn)換作用的接口。行為用來表示設(shè)計者推斷出結(jié)構(gòu)的方法，接口行為主要有：分解、合成前級行為，轉(zhuǎn)換運動形式，實現(xiàn)前后級行為之間量的變化，如轉(zhuǎn)速、力等。結(jié)構(gòu)蘊含了該設(shè)計由哪些元件組成、這些元件的屬性如何以及元件之間的關(guān)系。功能到行為的映射是功能在行為層的求解，行為層到結(jié)構(gòu)層的映射，確定了進一步細化實施具體行為所需要的機構(gòu)和運動形式。

3．2 實施步驟

第一步：劃定輸入端和輸出端，確定接口位置。這一步取決于接口的連接層次，若輸入端為傳動機構(gòu)，輸出端為執(zhí)行機構(gòu)，則接口劃定為機構(gòu)-機構(gòu)連接層，以此類推。

第二步：確定輸入端和輸出端的物質(zhì)、能量和信息屬性，進行分析得出功能的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

用圖論方法將轉(zhuǎn)換關(guān)系進行直觀表達，如圖5所示建立概念設(shè)計功能轉(zhuǎn)換圖，用圖圓表示某個包含一定物質(zhì)、能量和信息的端口，圓之間帶有箭頭的直線表示機械系統(tǒng)設(shè)計過程中物質(zhì)流、能量流和信息流的流向，接口功能元處于連線的中間對端口進行轉(zhuǎn)換。

第三步：通過輸入端和輸出端的轉(zhuǎn)換關(guān)系，確定接口的具體功能，分析構(gòu)建接口功能元模型，得出模型的結(jié)構(gòu)信息和功能信息，對接口知識進行管理。

采用功能轉(zhuǎn)換圖進行分析，有兩點說明：①以菱形圖框和功能轉(zhuǎn)換符號表示接口功能，上節(jié)2.1已對接口功能元種類作了詳細描述，以表示接口的具體轉(zhuǎn)換作用；②用Unit（Oi）對接口進行編碼，建立接口信息表，對設(shè)計信息進行實時管理。

第四步：將接口功能元進行功能分解，再經(jīng)過功能向行為的映射、行為到結(jié)構(gòu)的映射，對概念設(shè)計模型進行求解。

▲圖4 機械系統(tǒng)接口概念設(shè)計模型

▲圖5 概念設(shè)計功能轉(zhuǎn)換圖

▲圖6 清潔設(shè)備的概念設(shè)計功能結(jié)構(gòu)圖

4 應(yīng)用實例

以一種自動清潔設(shè)備為例，說明基于接口功能元分析的概念設(shè)計應(yīng)用。此種清潔設(shè)備主要用于對管道類等需要深入內(nèi)部進行清洗工作的場合，本例研究的工作對象為直徑10 cm、長520 cm的細長型管道，需要靠安裝在設(shè)備表面的清潔刷毛清洗管道內(nèi)壁。

表3 圖6中符號說明

對管道的清潔一般通過刷子或者清潔劑與內(nèi)壁的相對運動來完成，當(dāng)施加一定力時，相對運動起到了刮擦污垢并使污垢脫離的功能，主要是將刷毛旋轉(zhuǎn)運動和往復(fù)運動進行組合。動力輸入由伺服電機提供，設(shè)定輸入端為動力機構(gòu)，輸出端為執(zhí)行機構(gòu)，建立接口概念設(shè)計功能轉(zhuǎn)換圖，如圖6所示，端口用E表示，代表一定的物質(zhì)、能量、信息，對各接口的轉(zhuǎn)換關(guān)系進行分析。

圖6中各符號在表3中作了說明，E1端口提供旋轉(zhuǎn)運動所需動力，E2端口提供往復(fù)運動所需動力，旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)Unit（O1）接口減速后經(jīng)E3端口輸出，Unit（O4）接口將動力端口E2提供的旋轉(zhuǎn)動力經(jīng)軸線轉(zhuǎn)換為垂直軸的旋轉(zhuǎn)，再通過Unit（O5）接口轉(zhuǎn)換為直線運動，往復(fù)運動接口的控制由電機的正反轉(zhuǎn)間接完成。E5和E6端口的輸出經(jīng)接口Unit（O7）合成，將旋轉(zhuǎn)和伸縮功能組合為一體，最后經(jīng)過刷毛的作用完成清潔功能。

圖7為根據(jù)對功能的分解和運動流程的分析，得出的解決方案，機械系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成：旋轉(zhuǎn)部分和往復(fù)移動部分。由兩個電機提供電力并進行控制，伸縮電機傳遞給伸縮機構(gòu)動力，控制其伸長和縮短，旋轉(zhuǎn)電機給齒輪機構(gòu)動力，控制旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)電機帶動小齒輪轉(zhuǎn)動，大齒輪與小齒輪相嚙合，帶動大齒輪上固定焊接的伸縮部分旋轉(zhuǎn)，完成旋轉(zhuǎn)功能。固定在大齒輪上的伸縮電機帶動錐齒輪組和絲杠軸嚙合傳動，兩邊對稱的絲杠反向旋轉(zhuǎn)，螺母與絲杠配合在軸上左右移動，位于螺母上的鉸鏈與連桿相連，隨著兩邊的鉸鏈距離增加，剪刀叉機構(gòu)收縮，反之，電機反向轉(zhuǎn)動，兩邊鉸鏈的距離減少機構(gòu)伸長，完成伸縮動作。兩個部分配合可以進行旋轉(zhuǎn)和伸縮，達到對不同方位進行深度清潔的作用。

▲圖7 方案原理圖

5 結(jié)束語

從概念設(shè)計角度建立了機械系統(tǒng)接口的功能元模型，給出了具體表達方法，提供了一種解決機械系統(tǒng)中接口概念設(shè)計相關(guān)問題的方法。結(jié)合不同設(shè)計階段，研究了接口信息，包括接口所在的設(shè)計層、連接端口的自由度及連接副種類等。為尋求機械系統(tǒng)接口設(shè)計映射求解的方案，將FBS設(shè)計模型與接口功能元模型相結(jié)合，構(gòu)建了概念設(shè)計框架，利用接口功能結(jié)構(gòu)圖來輔助設(shè)計，明確了設(shè)計流的流向和接口在設(shè)計中的功能轉(zhuǎn)換關(guān)系，通過設(shè)計實例，說明了該方法的可行性。

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（編輯 小 前）

TH122

A

1000-4998（2015）02-0073-04

*國家自然科學(xué)基金資助項目（編號：51375246）

2014年8月