計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)在機(jī)械產(chǎn)品中的應(yīng)用

周玉蘭

(蘇州市電子信息技師學(xué)院,江蘇 蘇州 215008)

0 引言

以知識(shí)為基礎(chǔ)的新產(chǎn)品競爭是當(dāng)前全球化制造環(huán)境下各個(gè)企業(yè)技術(shù)競爭的核心。一個(gè)新的機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品在功能、原理、布局、形狀、結(jié)構(gòu)、人機(jī)操作、外觀設(shè)計(jì)和工藝等任意一個(gè)方面的創(chuàng)新[1]，都直接影響機(jī)械產(chǎn)品的整體特性，最終影響機(jī)械產(chǎn)品的市場競爭力。

目前，大部分機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新主要是對(duì)過去的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)進(jìn)行分解、組合，實(shí)現(xiàn)新的使用功能，創(chuàng)新性是衡量機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)成功與否、是否具有市場發(fā)展前景和競爭力的基本要素，國內(nèi)外目前都將機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新能力作為產(chǎn)品開發(fā)的重要組成部分[2]。

在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)是突出表現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新性的主要階段。大量實(shí)踐結(jié)果表明，機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新性主要來自概念設(shè)計(jì)階段所涉及的功能、原理、形態(tài)和結(jié)構(gòu)等方面[3]，因此，機(jī)械產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新性十分重要。在機(jī)械產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的需求進(jìn)行詳細(xì)分析，盡可能識(shí)別并且表現(xiàn)出機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求，在后期詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，基于計(jì)算機(jī)完成對(duì)大量繁瑣的具體設(shè)計(jì)要求進(jìn)行計(jì)算，明確機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品的尺寸設(shè)計(jì)方案、形狀、工藝要求和結(jié)構(gòu)等，因此，基于計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)可以對(duì)創(chuàng)新性要求較高的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理和構(gòu)思進(jìn)行優(yōu)化[4]。

1 計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)的內(nèi)涵及特點(diǎn)

1.1 設(shè)計(jì)原理構(gòu)思在概念設(shè)計(jì)中的作用

機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理構(gòu)思對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)過程十分重要，不同的工作設(shè)計(jì)構(gòu)思與概念直接影響后續(xù)設(shè)計(jì)過程。在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，首先要對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的初始化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化與選擇，給出方案分析的具體尺寸與詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，然后再對(duì)其工作原理、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力進(jìn)行分析，得到機(jī)械產(chǎn)品的相關(guān)性能指標(biāo)，最后通過對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)與排序，尋找最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

1.2 概念設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

目前，關(guān)于計(jì)算機(jī)輔助概念所涉及相關(guān)定義較多，研究人員指出，概念設(shè)計(jì)主要是明確機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的具體要求和條件，需要設(shè)計(jì)人員具有充分的工程科學(xué)、專業(yè)知識(shí)、產(chǎn)品工藝加工和市場運(yùn)行等各方面的知識(shí)，最后做出機(jī)械產(chǎn)品全生命周期最優(yōu)的機(jī)械設(shè)計(jì)方案與決策。因此，概念設(shè)計(jì)主要是指根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品生命周期各個(gè)階段的要求，進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品功能創(chuàng)造、功能分解和子功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行滿足機(jī)械產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)要求的工作原理方案設(shè)計(jì)與系統(tǒng)優(yōu)化。

綜上所述，計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)主要包括功能創(chuàng)新、功能分析、功能結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)、工作原理確定和功能載體方案構(gòu)思等。計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的前提和核心，只有將概念設(shè)計(jì)優(yōu)化才可以促進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)達(dá)到更高水平。但是傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要依靠設(shè)計(jì)人員進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，未來應(yīng)該加強(qiáng)計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)和專家系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，進(jìn)一步開發(fā)更具有使用價(jià)值的計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

1.3 概念設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

1.3.1 創(chuàng)新性

創(chuàng)新是機(jī)械設(shè)計(jì)的核心，只有進(jìn)行創(chuàng)新才能得到結(jié)構(gòu)新穎、性能優(yōu)良和具有核心競爭力的機(jī)械產(chǎn)品，其創(chuàng)新可以是多層次的，如結(jié)構(gòu)修改、結(jié)構(gòu)替換的低層次創(chuàng)新工作到工作原理更換、功能修復(fù)和增加高層次的創(chuàng)新活動(dòng)都屬于機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的主要范圍。

1.3.2 多樣性

輔助概念設(shè)計(jì)的多樣性主要體現(xiàn)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)路徑和設(shè)計(jì)結(jié)果的多樣化。在進(jìn)行概念設(shè)計(jì)中，不同的功能定義、功能分解和工作原理等會(huì)產(chǎn)生不同的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法，進(jìn)而在機(jī)械產(chǎn)品的功能載體設(shè)計(jì)上產(chǎn)生完全不同的解決方案。

1.4 TRIZ理論

TRIZ理論的核心是機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)化理論，主要是對(duì)現(xiàn)有機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)沖突并解決沖突。TRIZ設(shè)計(jì)過程是不斷循環(huán)，形成產(chǎn)品的簡化。沖突對(duì)于解決機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題十分重要，對(duì)于不同設(shè)計(jì)中的具體沖突有所不同，為了對(duì)設(shè)計(jì)問題進(jìn)行統(tǒng)一描述，相關(guān)研究人員通過對(duì)250萬項(xiàng)專利的分析研究，TRIZ理論提出39個(gè)通用工程參數(shù)，并按照其特點(diǎn)可以分為3類：物理及幾何參數(shù)；技術(shù)正向參數(shù)；技術(shù)參數(shù)。

2 基于用戶需求的機(jī)械概念設(shè)計(jì)基本工作過程

基于用戶需求對(duì)機(jī)械產(chǎn)品輔助概念設(shè)計(jì)方法及工作過程進(jìn)行分析，采用質(zhì)量功能展開(QFD)輔助機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工作決策流程。

2.1 基于用戶需求的概念設(shè)計(jì)方法

基于用戶需求的概念設(shè)計(jì)主要是從用戶實(shí)際需求為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)而機(jī)械設(shè)計(jì)人員確定產(chǎn)品的功能需求，分解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，依據(jù)功能設(shè)計(jì)模型進(jìn)行合理、有效地綜合分析，得到產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)方案，最后對(duì)概念模型進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，明確最佳概念設(shè)計(jì)方案，基本工作流程如圖1所示。

圖1 基于用戶需求的概念設(shè)計(jì)過程示意圖

2.2 QFD工作過程與步驟

1)首先在明確用戶需求后，采用合適的調(diào)研途徑進(jìn)行市場分析與調(diào)研，全面獲取用戶對(duì)產(chǎn)品的需求。

2)在綜合用戶需求信息后，對(duì)用戶需求的權(quán)重進(jìn)行分析，不同的需求在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中有不同重要性，因此需要對(duì)用戶需求進(jìn)行權(quán)重分析，更加精準(zhǔn)地定位用戶需求。

3)市場競爭能力分析，對(duì)現(xiàn)有的同類產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，對(duì)其市場競爭力進(jìn)行分析，為新型機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)提供更加明確的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4)明確產(chǎn)品設(shè)計(jì)特性，產(chǎn)品設(shè)計(jì)及質(zhì)量特性主要是在滿足用戶需求的基礎(chǔ)上，將機(jī)械產(chǎn)片的設(shè)計(jì)屬性與用戶需求之間形成關(guān)系矩陣。

5)構(gòu)建質(zhì)量屋，經(jīng)過上述步驟后，構(gòu)建相應(yīng)的質(zhì)量屋(圖2)，將前一段的分析結(jié)果作為模型輸入，然后開始產(chǎn)品的開發(fā)。

圖2 質(zhì)量屋關(guān)系圖

3 TRIZ創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 懸掛式鏵式犁

懸掛式鏵式犁是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的基本農(nóng)機(jī)具，也是目前我國使用最為廣泛和普遍的一種農(nóng)機(jī)具，具有作業(yè)靈活、應(yīng)用范圍廣泛等特點(diǎn)，但是懸掛式鏵式犁在田間工作過程中，犁在完成一個(gè)工作行程出土后，犁臂上會(huì)黏上一些泥土，清理不及時(shí)會(huì)增加工作阻力，影響犁的工作效率。

應(yīng)用TIRZ理論解決沖突，需要改變的工程技術(shù)參數(shù)主要包括形狀、運(yùn)動(dòng)物體的能量、可制造性和可操作性，將工程參數(shù)放入TRIZ沖突解決矩陣中可以得到以下4條設(shè)計(jì)原理。

1)曲面化。改變犁臂和鏵犁所構(gòu)成的犁體曲面形狀，保證泥土更加容易從犁體上自動(dòng)滑落。

2)振動(dòng)。犁出土后，保證犁自身處于振動(dòng)狀態(tài)，振落黏附在犁體上的泥土。

3)自動(dòng)除塵。利用犁出土后的上升運(yùn)動(dòng)給犁體提供氣流，使黏附在犁體上的泥土被吹落。

4)復(fù)合材料。將犁體材料由單一的鋼鐵改為不與泥土黏附的復(fù)合材料，犁出土后，泥土自動(dòng)脫落。

通過對(duì)所得設(shè)計(jì)原理進(jìn)行分析可知，耕地質(zhì)量和效率與犁臂和犁鏵構(gòu)成的犁體曲面結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)系，而且目前不與泥土黏附的復(fù)合材料尚未成熟，因此，曲面化原理和復(fù)合材料較難實(shí)現(xiàn)，而振動(dòng)原理、自服務(wù)原理一般只需要增加一個(gè)液壓裝置就能實(shí)現(xiàn)。

3.2 水稻育秧架的優(yōu)化

傳統(tǒng)的大棚育秧方法對(duì)大棚的利用率低，嚴(yán)重限制產(chǎn)苗效率，立體式育秧技術(shù)提高了效率，但又存在資源分配不合理、秧苗標(biāo)準(zhǔn)化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題。為了解決以上問題，采用TRIZ理論設(shè)計(jì)一款回轉(zhuǎn)式立體育秧架，實(shí)現(xiàn)生長資源的合理分配利用，降低了育秧的勞動(dòng)強(qiáng)度，為水稻育秧提供良好的生長條件。

應(yīng)用的TRIZ理論主要包括以下幾種。

1)技術(shù)矛盾。改善的參數(shù)——生產(chǎn)率；惡化的參數(shù)——系統(tǒng)的復(fù)雜性。因此，應(yīng)該充分利用大棚的設(shè)施及資源，在保證秧苗素質(zhì)的前提下，最大程度地提高大棚土地利用率和秧苗生產(chǎn)率。

2)物理矛盾。育秧大棚的體積既要增大又要減小。

3)方法。時(shí)間分離原理、標(biāo)準(zhǔn)解法、因果鏈分析、物-場分析、九屏圖分析、資源分析、最終理想解等。

通過上述分析，可以利用水稻育秧大棚系統(tǒng)的空間資源(棚內(nèi)地面上的空間)和功能資源(人工補(bǔ)光)、棚架子系統(tǒng)的功能資源(放置秧盤的變形桁架)得出方案，充分利用棚內(nèi)的立體空間，設(shè)計(jì)一種可進(jìn)行人工采補(bǔ)光、方便拆卸的回轉(zhuǎn)式育秧架(圖3)，此種育秧架占大棚一定的體積，充分利用棚內(nèi)空間，解決了層疊秧架造成的光照不充分的問題，采補(bǔ)光方便，提高生產(chǎn)率的同時(shí)也保證了秧苗的質(zhì)量。

圖3 新型回轉(zhuǎn)式水稻育秧架

4 結(jié)論

當(dāng)前，計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)作為機(jī)械設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)與技術(shù)支撐，正在向智能化、數(shù)字化和集成化方向發(fā)展，其研究內(nèi)容越來越深，涉及范圍越來越廣泛，但是目前計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)僅僅停留在實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)層面，未來應(yīng)該進(jìn)一步深入研究概念設(shè)計(jì)與內(nèi)在變化規(guī)律，尤其是思維認(rèn)知規(guī)律，未來計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)應(yīng)該從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化：

1)概念設(shè)計(jì)的行為機(jī)理。研究概念設(shè)計(jì)的行為表現(xiàn)有助于更加深入地揭示概念設(shè)計(jì)的內(nèi)在本質(zhì)，并且開發(fā)更加高效的計(jì)算模型。主要研究內(nèi)容包括非邏輯過程機(jī)理、非邏輯與邏輯統(tǒng)一、創(chuàng)新表現(xiàn)過程機(jī)理等。

2)概念設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)。除了依靠計(jì)算機(jī)的邏輯計(jì)算能力，概念設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)必須依靠人的潛能，通過人機(jī)協(xié)作，如可視化等虛擬手段，激發(fā)設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造性思維，并且與機(jī)器計(jì)算相互結(jié)合實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，其主要突破難點(diǎn)是如何將人的操作與機(jī)器算法有效結(jié)合。

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