機(jī)械產(chǎn)品功能創(chuàng)新設(shè)計研究現(xiàn)狀分析

田海榮

摘要：機(jī)械產(chǎn)品是指那些具有物理實體結(jié)構(gòu)且在操作過程中僅涉及物理行為的人造物理裝置。制造業(yè)特別是機(jī)器制造業(yè)，是國家經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)增長的發(fā)動機(jī)，是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化和現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，是國家安全的重要保障。為實現(xiàn)我國機(jī)械工業(yè)從“國外引進(jìn)型”向“自主創(chuàng)新型”跨越，達(dá)成創(chuàng)造強(qiáng)國的宏愿，必須重視機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計理論及方法的研究。

關(guān)鍵詞：機(jī)械產(chǎn)品;功能創(chuàng)新設(shè)計;研究現(xiàn)狀;

引言

機(jī)械產(chǎn)品的傳統(tǒng)設(shè)計高度依賴技術(shù)和設(shè)計人員的經(jīng)驗，存在設(shè)計周期長、創(chuàng)新能力低等問題，無法滿足工業(yè)生產(chǎn)使用新型多功能機(jī)械產(chǎn)品的需要。隨著AI技術(shù)的成熟，還推廣和利用了基于知識的快速創(chuàng)新設(shè)計技術(shù)，試圖結(jié)合專家經(jīng)驗、人工智能、海量數(shù)據(jù)提取、云計算分析等，構(gòu)建機(jī)械產(chǎn)品快速創(chuàng)新設(shè)計系統(tǒng)。為實現(xiàn)產(chǎn)品需求分析的逐一處理，實現(xiàn)產(chǎn)品零件搜索、自動裝配和智能優(yōu)化，大大縮短機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計周期，加速了機(jī)械產(chǎn)品更新迭代速率，對促進(jìn)工業(yè)自動化、信息化發(fā)展也有積極幫助。

1功能定義

功能是對技術(shù)系統(tǒng)或產(chǎn)品工作能力的抽象描述。對需求信息或者產(chǎn)品的效能應(yīng)用科學(xué)、精簡的語言的抽象描述就是功能定義。功能定義的意義有以下三個方面：（1）明確需求。功能定義是對設(shè)計本質(zhì)和核心的抽象表達(dá)，便于工程設(shè)計人員找到實現(xiàn)產(chǎn)品功能的方式。（2）便于功能分析。機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計階段的功能分析，首先將機(jī)械產(chǎn)品各組成抽象為功能，功能定義對于功能單元間內(nèi)在聯(lián)系的界定比較有利。（3）開拓思路。功能定義僅僅抽象出需求的核心及本質(zhì)，但與實現(xiàn)產(chǎn)品功能的具體結(jié)構(gòu)無關(guān)，所以，工程設(shè)計人員在思想及概念上分離具體結(jié)構(gòu)和形式與功能，這有利于擺脫思想束縛，也利于機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計。功能定義雖然尚未統(tǒng)一，但多數(shù)專家都從各自研究角度提出各自觀點。首先，功能定義時需要考慮比較多因素，得出一個被大家廣泛接納的功能定義非常有挑戰(zhàn)性。對于機(jī)械產(chǎn)品，機(jī)器的工作過程中物料涉及的只有構(gòu)型變化、運(yùn)動形態(tài)變化及兩種以上的多種物料包容、混合等變化。因此，在機(jī)械產(chǎn)品物料形態(tài)、構(gòu)型、混合變化的基礎(chǔ)上建立機(jī)械產(chǎn)品功能集，為提升功能導(dǎo)向搜索（Function-Oriented Search，F(xiàn)OS）的效率和質(zhì)量打下堅實基礎(chǔ)。

2機(jī)械產(chǎn)品快速創(chuàng)新設(shè)計系統(tǒng)

2.1明確知識獲取流程

為了實現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)品的快速創(chuàng)新設(shè)計，需要明確界定整個設(shè)計過程，并確保設(shè)計系統(tǒng)與邏輯過程保持一致?？傊?，快速創(chuàng)新設(shè)計系統(tǒng)的運(yùn)行過程分為五個主要階段：（1）了解機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計要求，包括形狀、尺寸、功能等。（2）根據(jù)設(shè)計要求，從概念設(shè)計入手，首先獲取機(jī)械產(chǎn)品的模型結(jié)構(gòu)，記錄參數(shù)、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)等，并將各項參數(shù)、結(jié)構(gòu)資料等存儲到概念模式庫內(nèi)。（3）查找符合機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計和裝配的包裝和零件。一旦收集到適當(dāng)?shù)臍んw和零件，應(yīng)進(jìn)行試驗性裝配，以確保它們與零件的兼容性。（4）組合效果評估。根據(jù)評估結(jié)果確定并找出機(jī)械產(chǎn)品的瑕疵并進(jìn)行優(yōu)化。將為設(shè)計優(yōu)化的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)置存儲在物理庫中。（5）形成最終設(shè)計方案，按照方案生產(chǎn)機(jī)械產(chǎn)品，最后方案儲存在方案庫。

2.2功能分析系統(tǒng)技術(shù)

功能分析系統(tǒng)技術(shù)（FAST）最早是由通用電氣公司工程師L.D.Miles應(yīng)用于價值工程的基礎(chǔ)上提出，后經(jīng)研究和發(fā)展逐步成為相對成熟的功能分析方法。功能分析系統(tǒng)技術(shù)可以用以定義、分析和理解機(jī)械產(chǎn)品功能及各子功能之間的內(nèi)部聯(lián)系，也可用于功能改善以提升產(chǎn)品價值，并按照邏輯和優(yōu)先次序把功能排列并測試其從屬關(guān)系，使工程設(shè)計人員更加了解產(chǎn)品的功能原理，分析機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計目標(biāo)和明確改進(jìn)設(shè)計方案。

2.3快速生產(chǎn)產(chǎn)品方案

設(shè)計了一個快速生成的產(chǎn)品模塊，允許直接裝配從包裝中提取的零件。對于儲存在「包膜零件資源庫」中的每種類型的零件資訊，請根據(jù)設(shè)計配置標(biāo)示零件。然后，零件會自動按照標(biāo)記順序裝配，以獲得初始產(chǎn)品。產(chǎn)品通常在精度等方面存在缺陷，因此需要優(yōu)化。設(shè)計者根據(jù)零件移動參數(shù)、表面放置類型等調(diào)整零件的組合方式。在產(chǎn)品中，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的整體精度和不同部件之間的運(yùn)動協(xié)調(diào)。

2.4三維建模技術(shù)應(yīng)用

三維CAD技術(shù)包含交互技術(shù)、圖形變換技術(shù)、曲面造型以及實體造型技術(shù)等內(nèi)容。其中，作為不可或缺的交互技術(shù)，是在產(chǎn)品設(shè)計過程當(dāng)中，使人和機(jī)器適時的交換彼此所需要的信息，讓參與設(shè)計的人員可以通過機(jī)器將所看到的產(chǎn)品信息情況進(jìn)行修改或者重新構(gòu)思，非常便捷的掌握到每步操作所展示的結(jié)果，將設(shè)計產(chǎn)品更加直觀的展現(xiàn)出來;圖形變換技術(shù)是將用戶坐標(biāo)系和圖形輸出設(shè)備坐標(biāo)系進(jìn)行聯(lián)結(jié)，可以運(yùn)用矩陣運(yùn)算來實現(xiàn)圖形的旋轉(zhuǎn)、平移、縮放甚至是透視變換等不同需求;實體造型技術(shù)是在計算機(jī)視覺、計算機(jī)動畫、計算機(jī)虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域建立起的3D實體模型技術(shù)。此技術(shù)通過將幾何模型的形狀及屬性等重要信息儲存于計算機(jī)中，由計算機(jī)生成具有真實感的三維圖形。綜合背景場景、光影效果等多項技術(shù)的內(nèi)容，在產(chǎn)品設(shè)計方面凸顯更為真實、直觀的效果，很大程度提升產(chǎn)品設(shè)計的技術(shù)能力和產(chǎn)品質(zhì)量。

3研究現(xiàn)狀總結(jié)及存在問題分析

（1）功能需求獲取。機(jī)械產(chǎn)品作為連接客戶和企業(yè)的紐帶，客戶需求表達(dá)是客戶對企業(yè)產(chǎn)品的總要求，更是作為產(chǎn)品生命周期的起點，機(jī)械產(chǎn)品概念產(chǎn)生及產(chǎn)品開發(fā)都很大程度上依賴于對客戶需求的認(rèn)識。如何全面、準(zhǔn)確獲取客戶需求，完成客戶需求到產(chǎn)品設(shè)計要求的映射，可以使設(shè)計者有目的的分析產(chǎn)品功能，是進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵。（2）功能分解與功能結(jié)構(gòu)構(gòu)建。采用由底向上或自頂向下的單項式建立功能結(jié)構(gòu)，在機(jī)械產(chǎn)品功能分解中很難一次性實現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)構(gòu)建，分解功能及分解到何種程度尚未有具體的流程性指導(dǎo)，且功能分解過程過于依賴主觀經(jīng)驗，分解過程難以避免可操作性差、準(zhǔn)確性低的問題。（3）設(shè)計更改。對于大型、復(fù)雜的設(shè)備，其設(shè)計開發(fā)時間長、環(huán)節(jié)多、質(zhì)量要求高，在液、氣動計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、強(qiáng)度校核時，有可能發(fā)生與計劃不符的內(nèi)容增加或修改。例如進(jìn)行工程圖紙的設(shè)計、校對、審核時，也會產(chǎn)生更改（含改進(jìn)、改錯）。這些更改必須以書面的形式傳遞給關(guān)聯(lián)部門，包括對已打印輸出圖紙的更改。這也是一種糾正措施，可預(yù)防不合格的發(fā)生。圖紙更改流程如下：①發(fā)起更改。圖樣可以更改或者換新圖，由設(shè)計者了解生產(chǎn)進(jìn)程并發(fā)起審批流程。②填寫改圖通知單。按照給定格式填寫圖紙編號、零部件名稱、改圖部門、更改原因、類型、緊急程度，以及原局部圖示內(nèi)容和新圖示內(nèi)容等。尺寸、文字、符號、圖形須按照國標(biāo)要求標(biāo)注。③實施更改。由專職改圖人員按照通知單內(nèi)容負(fù)責(zé)對底檔及在用資料室圖紙進(jìn)行詳細(xì)更改，并加注相應(yīng)的標(biāo)識和保留記錄等。

結(jié)束語

現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計必須在速度、精度、質(zhì)量等方面進(jìn)行整合，以滿足用戶對機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計、裝配和使用的要求。以知識為基礎(chǔ)的機(jī)械產(chǎn)品快速創(chuàng)新設(shè)計系統(tǒng)可以通過構(gòu)建知識庫和數(shù)據(jù)庫并結(jié)合兩者實現(xiàn)零件的快速組裝，一方面可以根據(jù)設(shè)計解決方案從知識庫中快速檢索解決方案的包裝零件，另一方面又能夠根據(jù)專家經(jīng)驗和數(shù)據(jù)調(diào)用，實現(xiàn)對零件的快速組裝，顯著縮短了從設(shè)計到裝配的周期。此外，該系統(tǒng)還提供備件調(diào)節(jié)和程序評估功能，從而通過優(yōu)化調(diào)節(jié)來提高整體系統(tǒng)性能。

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