摘要計算機輔助產品的設計繪圖、設計計算、加工制造、生產規劃已得到比較廣泛和深入的研究,并初見成效,而產品開發初期方案的計算機輔助設計卻遠遠不能滿足設計的需要。閱讀大量文獻的基礎上,概括總結國內外設計學者進行方案設計時采用的方法,并討論各種方法之間的有機聯系和機械產品方案設計方法。

關鍵詞機械產品;設計;方法

中圖分類號TH12文獻標識碼A文章編號1673-9671-(2010)052-0210-01

根據目前國內外設計學者進行機械產品方案設計所用方法的主要特征,可以將方案的現代設計方法概括為下述四大類型。

1系統化設計方法

系統化設計方法的主要特點是:將設計看成由若干個設計要素組成的一個系統,每個設計要素具有獨立性,各個要素間存在著有機的聯系,并具有層次性,所有的設計要素結合后,即可實現設計系統所需完成的任務。

系統化設計思想于70年代由德國學者Pahl和Beitz教授提出,他們以系統理論為基礎,制訂了設計的一般模式,倡導設計工作應具備條理性。德國工程師協會在這一設計思想的基礎上,制訂出標準VDI2221“技術系統和產品的開發設計方法。

1.1設計元素法

用五個設計元素(功能、效應、效應載體、形狀元素和表面參數)描述“產品解”,認為一個產品的五個設計元素值確定之后,產品的所有特征和特征值即已確定。我國亦有設計學者采用了類似方法描述產品的原理解。

1.2圖形建模法

研制的“設計分析和引導系統”KALEIT,用層次清楚的圖形描述出產品的功能結構及其相關的抽象信息,實現了系統結構、功能關系的圖形化建模,以及功能層之間的聯接。

將設計劃分成輔助方法和信息交換兩個方面,利用Nijssen信息分析方法可以采用圖形符號、具有內容豐富的語義模型結構、可以描述集成條件、可以劃分約束類型、可以實現關系間的任意結合等特點,將設計方法解與信息技術進行集成,實現了設計過程中不同抽象層間信息關系的圖形化建模。

1.3“構思”—“設計”法

將產品的方案設計分成“構思”和“設計”兩個階段。“構思”階段的任務是尋求、選擇和組合滿足設計任務要求的原理解。“設計”階段的工作則是具體實現構思階段的原理解。

將方案的“構思”具體描述為:根據合適的功能結構,尋求滿足設計任務要求的原理解。即功能結構中的分功能由“結構元素”實現,并將“結構元素”間的物理聯接定義為“功能載體”,“功能載體”和“結構元素”間的相互作用又形成了功能示意圖(機械運動簡圖)。方案的“設計”是根據功能示意圖,先定性地描述所有的“功能載體”和“結構元素”,再定量地描述所有“結構元素”和聯接件(“功能載體”)的形狀及位置,得到結構示意圖。

1.4矩陣設計法

在方案設計過程中采用“要求—功能”邏輯樹(“與或”樹)描述要求、功能之間的相互關系,得到滿足要求的功能設計解集,形成不同的設計方案。再根據“要求—功能”邏輯樹建立“要求—功能”關聯矩陣,以描述滿足要求所需功能之間的復雜關系,表示出要求與功能間一一對應的關系。

Kotaetal將矩陣作為機械系統方案設計的基礎,把機械系統的設計空間分解為功能子空間,每個子空間只表示方案設計的一個模塊,在抽象階段的高層,每個設計模塊用運動轉換矩陣和一個可進行操作的約束矢量表示;在抽象階段的低層,每個設計模塊被表示為參數矩陣和一個運動方程。

1.5鍵合圖法

將組成系統元件的功能分成產生能量、消耗能量、轉變能量形式、傳遞能量等各種類型,并借用鍵合圖表達元件的功能解,希望將基于功能的模型與鍵合圖結合,實現功能結構的自動生成和功能結構與鍵合圖之間的自動轉換,尋求由鍵合圖產生多個設計方案的方法。

2結構模塊化設計方法

從規劃產品的角度提出:定義設計任務時以功能化的產品結構為基礎,引用已有的產品解(如通用零件部件等)描述設計任務,即分解任務時就考慮每個分任務是否存在對應的產品解,這樣,能夠在產品規劃階段就消除設計任務中可能存在的矛盾,早期預測生產能力、費用,以及開發設計過程中計劃的可調整性,由此提高設計效率和設計的可靠性,同時也降低新產品的成本。Feldmann將描述設計任務的功能化產品結構分為四層:1)產品;2)功能組成;3)主要功能組件;4)功能元件。并采用面向應用的結構化特征目錄,對功能元件進行更為具體的定性和定量描述。同時研制出適合于產品開發早期和設計初期使用的工具軟件STRAT。

3基于產品特征知識的設計方法

基于產品特征知識設計方法的主要特點是:用計算機能夠識別的語言描述產品的特征及其設計領域專家的知識和經驗,建立相應的知識庫及推理機,再利用已存儲的領域知識和建立的推理機制實現計算機輔助產品的方案設計。

3.1編碼法

根據“運動轉換”功能(簡稱功能元)將機構進行分類,并利用代碼描述功能元和機構類別,由此建立起“機構系統方案設計專家系統”知識庫。在此基礎上,將二元邏輯推理與模糊綜合評判原理相結合,建立了該“專家系統”的推理機制,并用于四工位專用機床的方案設計中。

利用生物進化理論,通過自然選擇和有性繁殖使生物體得以演化的原理,在機構方案設計中,運用網絡圖論方法將機構的結構表達為拓撲圖,再通過編碼技術,把機構的結構和性能轉化為個體染色體的二進制數串,并根據設計要求編制適應值,運用生物進化理論控制繁殖機制,通過選擇、交叉、突然變異等手段,淘汰適應值低的不適應個體,以極快的進化過程得到適應性最優的個體,即最符合設計要求的機構方案。

3.2知識的混合型表達法

針對復雜機械系統的方案設計,采用混合型的知識表達方式描述設計中的各類知識尤為適合,這一點已得到我國許多設計學者的共識。

在研制復雜產品方案設計智能決策支持系統DMDSS中,將規則、框架、過程和神經網絡等知識表示方法有機地結合在一起,以適應設計中不同類型知識的描述。將多種單一的知識表達方法(規則、框架和過程),按面向對象的編程原則,用框架的槽表示對象的屬性,用規則表示對象的動態特征,用過程表示知識的處理,組成一種混合型的知識表達型式,并成功地研制出“面向對象的數控龍門銑床變速箱方案設計智能系統GBCDIS”和“變速箱結構設計專家系統GBSDES”。

3.3利用基于知識的開發工具

在聯軸器的CAD系統中,利用基于知識的開發工具NEXPERT-OBJECT,借助于面向對象的方法,創建了面向對象的設計方法數據庫,為設計者進行聯軸器的方案設計和結構設計提供了廣泛且可靠的設計方法譜。則利用NEXPERT描述直線導軌設計中需要基于知識進行設計的內容,由此尋求出基于知識的解,并開發出直線導軌設計專家系統。

3.4設計目錄法

構造了“功能模塊”、“功能元解”和“機構組”三級遞進式設計目錄,并將這三級遞進式設計目錄作為機械傳動原理方案智能設計系統的知識庫和開發設計的輔助工具。

3.5基于實例的方法

在研制設計型專家系統的知識庫中,采用基本謂詞描述設計要求、設計條件和選取的方案,用框架結構描述“工程實例”和各種“概念實體”,通過基于實例的推理技術產生候選解來配匹產品的設計要求。

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