面向可變功能的機(jī)械產(chǎn)品變形設(shè)計(jì)研究*

□ 徐靈浩 □ 賀華波 □ 鄧益民

1.寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院 浙江寧波 315211 2.浙江省零件軋制成形技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江寧波 315211

1 可變功能機(jī)械產(chǎn)品概念

可變功能機(jī)械產(chǎn)品指可以通過更換系統(tǒng)構(gòu)件或調(diào)整構(gòu)件間連接方式,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)功能切換的特殊多功能機(jī)械產(chǎn)品[1]。目前關(guān)于可變功能機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì),主要集中于設(shè)計(jì)通過更換構(gòu)件或結(jié)構(gòu)體來實(shí)現(xiàn)功能切換的可變功能機(jī)械產(chǎn)品,在功能變換過程中存在零件頻繁拆卸和裝配的情況,不僅降低產(chǎn)品作業(yè)效率,而且會(huì)對(duì)產(chǎn)品的壽命造成影響。為此,有必要開展不需要更換系統(tǒng)構(gòu)件就能夠達(dá)到功能變換的可變功能機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究。壁掛式折疊桌、多功能工兵鏟等不需要更換系統(tǒng)構(gòu)件,而是通過產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)變形來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的變換。也就是說,這些產(chǎn)品基于可變形結(jié)構(gòu)而具有可變功能。

目前,以可變功能機(jī)械產(chǎn)品為對(duì)象的研究在設(shè)計(jì)研究領(lǐng)域還相對(duì)較少。在設(shè)計(jì)研究領(lǐng)域中,可重構(gòu)設(shè)計(jì)和可適應(yīng)設(shè)計(jì)在研究對(duì)象上與可變功能機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)存在一定程度的相似[2-3]。可重構(gòu)設(shè)計(jì)主要通過重新改變系統(tǒng)配置,以獲得設(shè)計(jì)方案?？蛇m應(yīng)性設(shè)計(jì)主要側(cè)重于系統(tǒng)性能的可適應(yīng)性,而非系統(tǒng)功能的可適應(yīng)性。Meyer等[4]通過研究表明,在實(shí)際設(shè)計(jì)任務(wù)中,大約有70% 屬于變型設(shè)計(jì)。這里的變型主要指產(chǎn)品結(jié)構(gòu)構(gòu)成基本保持不變,設(shè)計(jì)人員根據(jù)新的設(shè)計(jì)要求對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)做相應(yīng)調(diào)整、改變,從而產(chǎn)生新的產(chǎn)品型號(hào)或系列。另一方面,一些中文文獻(xiàn)對(duì)變型設(shè)計(jì)和變形設(shè)計(jì)兩者不加區(qū)分,認(rèn)為變型設(shè)計(jì)不破壞原設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)特征和基本原理,通過現(xiàn)有產(chǎn)品尺寸、配置、結(jié)構(gòu)的改變來高效、快速地滿足客戶對(duì)產(chǎn)品個(gè)性化的需求[5-7]。由此,變型設(shè)計(jì)部分涵蓋了筆者變形設(shè)計(jì)的內(nèi)容,但相關(guān)研究并未涉及實(shí)現(xiàn)可變功能這一特定情況。筆者在對(duì)相關(guān)可變功能實(shí)例分析的基礎(chǔ)上,針對(duì)僅對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形就能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能轉(zhuǎn)變的可變功能機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法展開研究,為機(jī)械系統(tǒng)的變形設(shè)計(jì)和開發(fā)提供技術(shù)支持。

2 產(chǎn)品相似性分析

目前,對(duì)于功能還不存在統(tǒng)一的定義。Pahl等[8]認(rèn)為,功能是一個(gè)系統(tǒng)中輸入與輸出唯一確定且能夠再現(xiàn)的相互關(guān)系,用于完成系統(tǒng)能量、物料、信號(hào)的轉(zhuǎn)化。Stone等[9]提出功能基的概念。功能基是一種由流與功能組成,用于表達(dá)設(shè)計(jì)方案的語言,這種語言用動(dòng)詞+名詞的形式來描述產(chǎn)品功能[10]。

不同的機(jī)械產(chǎn)品雖然具有不同的目標(biāo)功能,但是在產(chǎn)品內(nèi)部的部分功能上一定存在某種程度的相似,通常情況下,一個(gè)機(jī)械產(chǎn)品的總功能可以按照功能樹方法逐層進(jìn)行分解,直到分解為元功能[11]。通過產(chǎn)品目標(biāo)功能實(shí)現(xiàn)過程中執(zhí)行的元功能的先后順序關(guān)系,結(jié)合能量、物料、信息流的傳遞方向與轉(zhuǎn)換位置,可以對(duì)元功能進(jìn)行連接,進(jìn)一步獲得功能鏈。將產(chǎn)品功能模型中包含元功能最多的功能鏈定義為主功能鏈,主功能鏈的相似性通常決定不同產(chǎn)品在功能方面的相似性。通過比較不同產(chǎn)品間主功能鏈中的相似或相同元功能的數(shù)量,可以判別兩條主功能鏈的相似度大小。一般而言,具有功能相似性的機(jī)械產(chǎn)品,某些結(jié)構(gòu)或部件也具有一定的相似性,相似程度與所對(duì)應(yīng)的功能存在一定關(guān)聯(lián),由此這些機(jī)械產(chǎn)品具備設(shè)計(jì)為一個(gè)產(chǎn)品的潛力。

為了便于準(zhǔn)確比較各元功能間的相似性,在0～1區(qū)間內(nèi)選擇相似值,0代表兩者功能完全不相同,1代表兩者功能完全相同。按照不同的功能描述,以及輸入流、輸出流相似程度,劃分為不同的相似值范圍,每個(gè)相似值范圍中的具體相似值大小由設(shè)計(jì)人員結(jié)合具體情況決定。

功能相似度判定表見表1。

表1 功能相似度判定表

基于功能相似度判定表,以及在元功能實(shí)現(xiàn)過程中相關(guān)結(jié)構(gòu)體的參與情況,可以進(jìn)一步得到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相似度。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相似度表示產(chǎn)品結(jié)構(gòu)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,是產(chǎn)品功能相似度的映射。

3 可變功能機(jī)械產(chǎn)品變形過程分析

3.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)體類型

為便于開展對(duì)多個(gè)原單一功能的機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行面向可變功能的再設(shè)計(jì),基于這些產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)在再設(shè)計(jì)過程中的作用特點(diǎn),以及結(jié)構(gòu)相似性分析,將不同相似度的結(jié)構(gòu)體歸類,并定義為三種主要結(jié)構(gòu)類型。具體劃分類別的相似值范圍,可以依據(jù)產(chǎn)品類型的不同適當(dāng)調(diào)整。

(1)基礎(chǔ)部分。主要執(zhí)行產(chǎn)品的基礎(chǔ)功能,由大多數(shù)相似度極高的結(jié)構(gòu)體組成。實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)功能的結(jié)構(gòu)體在客觀功能的表現(xiàn)上往往相似,并且結(jié)構(gòu)體間的關(guān)聯(lián)性極強(qiáng),所起到的功能作用基本相同,稍加修改基本可直接應(yīng)用于可變功能機(jī)械產(chǎn)品。

(2)共性部分。主要執(zhí)行產(chǎn)品的共性功能,由大多數(shù)相似度適中的結(jié)構(gòu)體組成。這些結(jié)構(gòu)體既表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的相似性,又表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的差異性,是功能相似性和差異性在物理層面的具體表現(xiàn)形式。

(3)個(gè)性部分。主要執(zhí)行產(chǎn)品的個(gè)性功能,由少數(shù)相似度極低或毫無相似度的結(jié)構(gòu)體組成,負(fù)責(zé)原產(chǎn)品的應(yīng)用功能,表現(xiàn)產(chǎn)品的功能特點(diǎn),是產(chǎn)品自身與其它產(chǎn)品相區(qū)別的應(yīng)用集合。

3.2 結(jié)構(gòu)體變更設(shè)計(jì)

由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)體自身的設(shè)計(jì)思維差異和加工性能、材料的不同,為獲得能夠滿足多個(gè)功能目標(biāo)要求的可變功能機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)體,需要對(duì)原產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)體去除差異性,并重新設(shè)計(jì)部分結(jié)構(gòu)。為此,筆者針對(duì)三種主要類型結(jié)構(gòu)體提出三種設(shè)計(jì)策略。

(1)選優(yōu)設(shè)計(jì)。工程師結(jié)合不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)體的加工性能和使用度,選擇基礎(chǔ)部分中性能較好的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)體予以保留,并稍加修改,來實(shí)現(xiàn)局部性能的提升,得到可以直接應(yīng)用為可變功能機(jī)械產(chǎn)品的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體,作為承擔(dān)可變功能機(jī)械產(chǎn)品的基礎(chǔ)功能載體。

(2)集成設(shè)計(jì)。對(duì)共性部分中的結(jié)構(gòu)體進(jìn)行合成,將多個(gè)不同產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)體功能結(jié)構(gòu)特征集成到一個(gè)新結(jié)構(gòu)體上,使新結(jié)構(gòu)體能結(jié)合變形操作手段,在不同功能狀態(tài)下發(fā)揮出不同的功能結(jié)構(gòu)特征,可以應(yīng)用為可變功能機(jī)械產(chǎn)品的共性結(jié)構(gòu)體,作為承擔(dān)可變功能機(jī)械產(chǎn)品的共性功能載體。

(3)重新設(shè)計(jì)。對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性較弱的個(gè)性部分結(jié)構(gòu)體分別進(jìn)行重新設(shè)計(jì),主要包括形狀、尺寸、材料,以配合可變功能機(jī)械產(chǎn)品不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)不同目標(biāo)功能。

3.3 變形類型

通過對(duì)多種不同類型可變功能機(jī)械產(chǎn)品的研究分析可知,基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體、共性結(jié)構(gòu)體、個(gè)性結(jié)構(gòu)體在滿足相應(yīng)約束條件下進(jìn)行組合變形,可以實(shí)現(xiàn)不同的功能,從而使機(jī)械產(chǎn)品具有不同功能。筆者通過改變結(jié)構(gòu)體間連接方式,以及對(duì)不同結(jié)構(gòu)體采用旋轉(zhuǎn)、拉伸、折疊、壓縮、平移等變形操作手段,使結(jié)構(gòu)體的空間幾何位置、形狀、組合方式等發(fā)生變化,實(shí)現(xiàn)共性結(jié)構(gòu)體不同功能結(jié)構(gòu)特征的釋放與壓縮,以及個(gè)性結(jié)構(gòu)體的切換,最終達(dá)到可變功能的目的?；谏鲜龇治?將可變功能機(jī)械產(chǎn)品的主要變形類型分為三類。

(1)類型一。產(chǎn)品僅包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體和集成后的共性結(jié)構(gòu)體,通過變形操作使同一共性結(jié)構(gòu)體在不同目標(biāo)功能狀態(tài)下發(fā)揮不同的功能結(jié)構(gòu)特征,使目標(biāo)功能發(fā)生改變,最終實(shí)現(xiàn)可變功能。

(2)類型二。產(chǎn)品僅包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體和一個(gè)以上的個(gè)性結(jié)構(gòu)體,通過變形操作對(duì)具有不同應(yīng)用功能的個(gè)性結(jié)構(gòu)體進(jìn)行切換,使目標(biāo)功能發(fā)生改變,最終實(shí)現(xiàn)可變功能。

(3)類型三。產(chǎn)品同時(shí)包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體、共性結(jié)構(gòu)體、個(gè)性結(jié)構(gòu)體,通過變形操作使同一共性結(jié)構(gòu)體在不同目標(biāo)功能狀態(tài)下發(fā)揮不同功能結(jié)構(gòu)特征,并對(duì)具有不同應(yīng)用功能的個(gè)性結(jié)構(gòu)體切換,實(shí)現(xiàn)可變功能。

4 可變功能產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)-視圖模型

筆者以黃長(zhǎng)林等[12]提出的零件族結(jié)構(gòu)-視圖為參考,基于對(duì)可變功能機(jī)械產(chǎn)品變形過程的分析,建立面向可變功能機(jī)械產(chǎn)品的產(chǎn)品級(jí)結(jié)構(gòu)-視圖模型。通過模型中的結(jié)構(gòu)參數(shù)和空間約束,描述產(chǎn)品的規(guī)格和性能,同時(shí)描述產(chǎn)品、部件、結(jié)構(gòu)體,以及它們之間的相互關(guān)系,得到將產(chǎn)品變形設(shè)計(jì)所需的結(jié)構(gòu)體在實(shí)施空間上進(jìn)行布局與拼接后構(gòu)成的可變功能機(jī)械產(chǎn)品。

可變功能機(jī)械產(chǎn)品模型M可以表示出構(gòu)成產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)體集合及相關(guān)的約束關(guān)系。

M=(C,E)

(1)

C為結(jié)構(gòu)體的空間布局約束,包括所有結(jié)構(gòu)體的空間定位關(guān)系及參數(shù),可以表示產(chǎn)品各結(jié)構(gòu)體間的位置及相互關(guān)系。E為構(gòu)成可變功能機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)體集合,包括結(jié)構(gòu)的幾何及拓?fù)潢P(guān)系、結(jié)構(gòu)變形類型、結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)等。

(2)

Sjk為第j個(gè)結(jié)構(gòu)體第k種結(jié)構(gòu)體類型的產(chǎn)品識(shí)別碼,k為1表示基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體,k為2表示共性結(jié)構(gòu)體,k為3表示個(gè)性結(jié)構(gòu)體。A為結(jié)構(gòu)體的屬性集合,包括結(jié)構(gòu)體的材料、力學(xué)性能,以及經(jīng)過結(jié)構(gòu)體的輸入流、輸出流等。I為結(jié)構(gòu)體變形編碼,包括多種結(jié)構(gòu)體間的變形算子,如旋轉(zhuǎn)?、壓縮Ξ、拉伸ι、折疊Φ、平移-、無×。Dj為第j個(gè)結(jié)構(gòu)體的尺寸參數(shù)集合。

結(jié)構(gòu)體的視圖可以作為結(jié)構(gòu)的信息載體,視圖模型V為:

V={Vl,Sjk,L,Q}

(3)

Vl為三維視圖的標(biāo)志碼,l為1表示功能變更前,l為2表示功能變更后。L為定位點(diǎn),包括定位點(diǎn)的位置坐標(biāo)與相鄰結(jié)構(gòu)體的變形算子。Q為旋轉(zhuǎn)角度,包括相對(duì)于上一結(jié)構(gòu)體的相對(duì)角度和相對(duì)于坐標(biāo)系統(tǒng)的絕對(duì)角度。在結(jié)構(gòu)-視圖模型中,相對(duì)角度通常標(biāo)注于絕對(duì)角度上方。

5 實(shí)例分析

對(duì)兩個(gè)單功能產(chǎn)品無人機(jī)和無人車進(jìn)行面向可變功能的變形設(shè)計(jì),使單功能無人機(jī)和無人車僅通過改變結(jié)構(gòu)形態(tài)就能夠?qū)崿F(xiàn)飛行與地面行駛功能,成為具有雙重功能的可變功能無人機(jī)。

分別對(duì)無人機(jī)和無人車的總功能按照功能樹進(jìn)行逐層分解,直到獲得相應(yīng)的元功能,并將元功能連接為功能鏈。分別選取無人機(jī)和無人車的主功能鏈,建立功能邏輯圖,分別如圖1、圖2所示。

▲圖1 無人機(jī)功能邏輯圖

根據(jù)主功能鏈中元功能的功能描述,結(jié)合表1,考慮各元功能實(shí)現(xiàn)過程中相關(guān)結(jié)構(gòu)體的參與情況,進(jìn)行結(jié)構(gòu)相似度分析,并進(jìn)一步根據(jù)各結(jié)構(gòu)體不同的相似度及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),將無人機(jī)與無人車的不同結(jié)構(gòu)體劃分到基礎(chǔ)、共性、個(gè)性三部分,見表2。

▲圖2 無人車功能邏輯圖

表2 無人機(jī)與無人車結(jié)構(gòu)類型

通過進(jìn)一步分析無人機(jī)和無人車的工作模式、結(jié)構(gòu),以及向目標(biāo)環(huán)境的輸出屬性,包括力的大小和方向,筆者決定采用旋轉(zhuǎn)變形手段和平移變形手段來改變共性結(jié)構(gòu)體的功能表面,切換個(gè)性結(jié)構(gòu)體,傳遞動(dòng)力,最終實(shí)現(xiàn)功能的切換。

在上述分析基礎(chǔ)上,分別針對(duì)不同類型結(jié)構(gòu)體進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。對(duì)于基礎(chǔ)部分的結(jié)構(gòu)體而言,分析無人機(jī)和無人車功能的使用度,考慮加工性能,選取無人機(jī)產(chǎn)品中的機(jī)體、充電電池、控制系統(tǒng)、導(dǎo)線、電機(jī)、轉(zhuǎn)軸稍加修改,作為新產(chǎn)品的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體,即機(jī)體S11。針對(duì)共性部分的結(jié)構(gòu)體旋翼支架和車輪支架,集成設(shè)計(jì)為一個(gè)特殊支架,使其可以同時(shí)對(duì)旋翼和車輪起支撐作用,作為新產(chǎn)品的共性結(jié)構(gòu)體,即支架S22。對(duì)個(gè)性部分的旋翼和車輪進(jìn)行重新設(shè)計(jì),增大車輪直徑,減小車輪厚度,將材料更換為更輕便的復(fù)合材料,并增大旋翼的尺寸。將重新設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)件作為新產(chǎn)品的個(gè)性結(jié)構(gòu)體,即旋翼S33和車輪S34,發(fā)揮不同的應(yīng)用功能。最后根據(jù)各結(jié)構(gòu)體的參數(shù)和空間約束,建立可變功能無人機(jī)的結(jié)構(gòu)-視圖模型,如圖3所示。圖3中,實(shí)線箭頭表示處在工作時(shí)的結(jié)構(gòu)位置層次從屬關(guān)系,虛線箭頭表示處在非工作時(shí)的結(jié)構(gòu)位置層次從屬關(guān)系。

▲圖3 可變功能無人機(jī)結(jié)構(gòu)-視圖模型

由于作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體的無人機(jī)部分結(jié)構(gòu)體變動(dòng)不大,因此在結(jié)構(gòu)-視圖模型中只對(duì)機(jī)體、支架、旋翼、車輪四個(gè)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行分析,在此基礎(chǔ)上建立可變功能無人機(jī)概念模型,如圖4所示。

可變功能無人機(jī)在支架處于水平狀態(tài)時(shí),旋翼與電機(jī)接觸,車輪結(jié)構(gòu)體遠(yuǎn)離電機(jī),發(fā)揮無人機(jī)的功能。通過旋轉(zhuǎn)和平移變形操作后,車輪結(jié)構(gòu)體與電機(jī)接觸,發(fā)揮無人車的功能。

6 結(jié)束語

目前設(shè)計(jì)研究領(lǐng)域中缺少通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形態(tài)改變來實(shí)現(xiàn)功能變換的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法,對(duì)此,筆者提出面向可變功能的機(jī)械產(chǎn)品變形設(shè)計(jì)方法。通過對(duì)不同產(chǎn)品的相似性,以及不同構(gòu)件間運(yùn)動(dòng)連接方式的特點(diǎn)進(jìn)行分析,對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類,對(duì)不同結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行變更設(shè)計(jì),得到可用于新產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)體,并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建相關(guān)的結(jié)構(gòu)-視圖模型,描述新產(chǎn)品各結(jié)構(gòu)體之間的相互關(guān)系,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)將多個(gè)單一功能產(chǎn)品再設(shè)計(jì)為一個(gè)僅需通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形態(tài)改變就可以實(shí)現(xiàn)功能切換的可變功能新產(chǎn)品。這一方法對(duì)可變功能機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義,其中不同結(jié)構(gòu)類型的劃分方法,以及如何針對(duì)不同結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行相應(yīng)變更設(shè)計(jì),還需要開展進(jìn)一步研究工作。

▲圖4 可變功能無人機(jī)概念模型