機(jī)械產(chǎn)品方案的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法及發(fā)展趨勢(shì)

2013-06-01  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

根據(jù)目前國內(nèi)外設(shè)計(jì)學(xué)者進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)的主要思維特點(diǎn),將產(chǎn)品方案的設(shè)計(jì)方法概括為系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)模塊化、基于產(chǎn)品特征知識(shí)和智能四種類型。指出四種方法的特點(diǎn)及其相互間的有機(jī)聯(lián)系,提出產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的努力方向。

唐林;鄒慧君 來源:機(jī)械科學(xué)
關(guān)鍵字:機(jī)械產(chǎn)品 方案設(shè)計(jì)方法 發(fā)展趨勢(shì)

引 言

科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,產(chǎn)品功能要求的日益增多,復(fù)雜性增加,壽命期縮短,更新?lián)Q代速度加快。然而,產(chǎn)品的設(shè)計(jì),尤其是機(jī)械產(chǎn)品方案的設(shè)計(jì)手段,則顯得力不從心,跟不上時(shí)代發(fā)展的需要。目前,計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品的設(shè)計(jì)繪圖、設(shè)計(jì)計(jì)算、加工制造、生產(chǎn)規(guī)劃已得到了比較廣泛和深入的研究,并初見成效,而產(chǎn)品開發(fā)初期方案的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)的需要。為此,作者在閱讀了大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,概括總結(jié)了國內(nèi)外設(shè)計(jì)學(xué)者進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)采用的方法,并討論了各種方法之間的有機(jī)聯(lián)系和機(jī)械產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的 發(fā)展趨勢(shì)。

根據(jù)目前國內(nèi)外設(shè)計(jì)學(xué)者進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)所用方法的主要特征,可以將方案的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法概括為下述四大類型。

    1 系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法

系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)是:將設(shè)計(jì)看成由若干個(gè)設(shè)計(jì)要素組成的一個(gè)系統(tǒng),每個(gè)設(shè)計(jì)要素具有獨(dú)立性,各個(gè)要素間存在著有機(jī)的聯(lián)系,并具有層次性,所有的設(shè)計(jì)要素結(jié)合后,即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需完成的任務(wù)。

系統(tǒng)化設(shè)計(jì)思想于70年代由德國學(xué)者Pahl和Beitz教授提出,他們以系統(tǒng)理論為基礎(chǔ),制訂了設(shè)計(jì)的一般模式,倡導(dǎo)設(shè)計(jì)工作應(yīng)具備條理性。德國工程師協(xié)會(huì)在這一設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上,制訂出標(biāo)準(zhǔn)VDI2221“技術(shù)系統(tǒng)和產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)方法”,其設(shè)計(jì)流程見圖1 。

圖1 技術(shù)系統(tǒng)和產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)方法
(德國工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)VDI2221)

制定的機(jī)械產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)進(jìn)程模式,基本上沿用了德國標(biāo)準(zhǔn)VDI2221的設(shè)計(jì)方式。除此之外,我國許多設(shè)計(jì)學(xué)者在進(jìn)行產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)時(shí)還借鑒和引用了其他發(fā)達(dá)國家的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)思想,其中具有代表性的是:

(1)將用戶需求作為產(chǎn)品功能特征構(gòu)思、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零件設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、作業(yè)控制等的基礎(chǔ),從產(chǎn)品開發(fā)的宏觀過程出發(fā),利用質(zhì)量功能布置方法,系統(tǒng)地將用戶需求信息合理而有效地轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品開發(fā)各階段的技術(shù)目標(biāo)和作業(yè)控制規(guī)程的方法,其質(zhì)量功能布置方法概貌見圖2。

圖2 質(zhì)量功能布置方法概貌

(2)將產(chǎn)品看作有機(jī)體層次上的生命系統(tǒng),并借助于生命系統(tǒng)理論,把產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程劃分成功能需求層次、實(shí)現(xiàn)功能要求的概念層次和產(chǎn)品的具體設(shè)計(jì)層次。同時(shí)采用了生命系統(tǒng)圖符抽象地表達(dá)產(chǎn)品的功能要求,形成產(chǎn)品功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

(3)將機(jī)械設(shè)計(jì)中系統(tǒng)科學(xué)的應(yīng)用歸納為兩個(gè)基本問題:一是把要設(shè)計(jì)的產(chǎn)品作為一個(gè)系統(tǒng)處理,最佳地確定其組成部分(單元)及其相互關(guān)系;二是將產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程看成一個(gè)系統(tǒng),根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo),正確、合理地確定設(shè)計(jì)中各個(gè)方面的工作和各個(gè)不同的設(shè)計(jì)階段 。

由于每個(gè)設(shè)計(jì)者研究問題的角度以及考慮問題的側(cè)重點(diǎn)不同,進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)采用的具體研究方法亦存在差異。下面介紹一些具有代表性的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法。

    1.1 設(shè)計(jì)元素法

用五個(gè)設(shè)計(jì)元素(功能、效應(yīng)、效應(yīng)載體、形狀元素和表面參數(shù))描述“產(chǎn)品解”,認(rèn)為一個(gè)產(chǎn)品的五個(gè)設(shè)計(jì)元素值確定之后,產(chǎn)品的所有特征和特征值即已確定。我國亦有設(shè)計(jì)學(xué)者采用了類似方法描述產(chǎn)品的原理解。

    1.2 圖形建模法

研制的“設(shè)計(jì)分析和引導(dǎo)系統(tǒng)”KALEIT,用層次清楚的圖形描述出產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的抽象信息,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能關(guān)系的圖形化建模,以及功能層之間的聯(lián)接 。

將設(shè)計(jì)劃分成輔助方法和信息交換兩個(gè)方面,利用Nijssen信息分析方法可以采用圖形符號(hào)、具有內(nèi)容豐富的語義模型結(jié)構(gòu)、可以描述集成條件、可以劃分約束類型、可以實(shí)現(xiàn)關(guān)系間的任意結(jié)合等特點(diǎn),將設(shè)計(jì)方法解與信息技術(shù)進(jìn)行集成,實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)過程中不同抽象層間信息關(guān)系的圖形化建模。

將語義設(shè)計(jì)網(wǎng)作為設(shè)計(jì)工具,在其開發(fā)的活性語義設(shè)計(jì)網(wǎng)ASK中,采用結(jié)點(diǎn)和線條組成的網(wǎng)絡(luò)描述設(shè)計(jì),結(jié)點(diǎn)表示元件化的單元(如設(shè)計(jì)任務(wù)、功能、構(gòu)件或加工設(shè)備等),線條用以調(diào)整和定義結(jié)點(diǎn)間不同的語義關(guān)系,由此為設(shè)計(jì)過程中的所有活動(dòng)和結(jié)果預(yù)先建立模型,使早期設(shè)計(jì)要求的定義到每一個(gè)結(jié)構(gòu)的具體描述均可由關(guān)系間的定義表達(dá),實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過程由抽象到具體的飛躍。

  1.3 “構(gòu)思”—“設(shè)計(jì)”法

將產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)分成“構(gòu)思”和“設(shè)計(jì)”兩個(gè)階段?！皹?gòu)思”階段的任務(wù)是尋求、選擇和組合滿足設(shè)計(jì)任務(wù)要求的原理解?！霸O(shè)計(jì)”階段的工作則是具體實(shí)現(xiàn)構(gòu)思階段的原理解 [12]。

將方案的“構(gòu)思”具體描述為:根據(jù)合適的功能結(jié)構(gòu),尋求滿足設(shè)計(jì)任務(wù)要求的原理解。即功能結(jié)構(gòu)中的分功能由“結(jié)構(gòu)元素”實(shí)現(xiàn),并將“結(jié)構(gòu)元素”間的物理聯(lián)接定義為“功能載體”,“功能載體”和“結(jié)構(gòu)元素”間的相互作用又形成了功能示意圖(機(jī)械運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖)。方案的“設(shè)計(jì)”是根據(jù)功能示意圖,先定性地描述所有的“功能載體”和“結(jié)構(gòu)元素”,再定量地描述所有“結(jié)構(gòu)元素”和聯(lián)接件(“功能載體”)的形狀及位置,得到結(jié)構(gòu)示意圖。Roper,H.利用圖論理論,借助于由他定義的“總設(shè)計(jì)單元(GE)”、“結(jié)構(gòu)元素(KE)”、“功能結(jié)構(gòu)元素(FKE)”、“聯(lián)接結(jié)構(gòu)元素(VKE)”、“結(jié)構(gòu)零件(KT)”、“結(jié)構(gòu)元素零件(KET)”等概念,以及描述結(jié)構(gòu)元素尺寸、位置和傳動(dòng)參數(shù)間相互關(guān)系的若干種簡(jiǎn)圖,把設(shè)計(jì)專家憑直覺設(shè)計(jì)的方法做了形式化的描述,形成了有效地應(yīng)用現(xiàn)有知識(shí)的方法,并將其應(yīng)用于“構(gòu)思”和“設(shè)計(jì)”階段。

從設(shè)計(jì)方法學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā),將明確了設(shè)計(jì)任務(wù)后的設(shè)計(jì)工作分為三步:1) 獲取功能和功能結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱為“功能”);2) 尋找效應(yīng)(簡(jiǎn)稱為“效應(yīng)”);3) 尋找結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱為“構(gòu)形規(guī)則”)。并用下述四種策略描述機(jī)械產(chǎn)品構(gòu)思階段的工作流程:策略1:分別考慮“功能”、“效應(yīng)”和“構(gòu)形規(guī)則”。因此,可以在各個(gè)工作步驟中分別創(chuàng)建變型方案,由此產(chǎn)生廣泛的原理解譜。策略2:“效應(yīng)”與“構(gòu)形規(guī)則”(包括設(shè)計(jì)者創(chuàng)建的規(guī)則)關(guān)聯(lián),單獨(dú)考慮功能(通常與設(shè)計(jì)任務(wù)相關(guān))。此時(shí),辨別典型的構(gòu)形規(guī)則及其所屬效應(yīng)需要有豐富的經(jīng)驗(yàn),產(chǎn)生的方案譜遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于策略1的方案譜。策略3:“功能”、“效應(yīng)”、“構(gòu)形規(guī)則”三者密切相關(guān)。適用于功能、效應(yīng)和構(gòu)形規(guī)則間沒有選擇余地、具有特殊要求的領(lǐng)域,如超小型機(jī)械、特大型機(jī)械、價(jià)值高的功能零件,以及有特殊功能要求的零部件等等。策略4:針對(duì)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)化求解。該策略從已有的零件出發(fā),通過零件間不同的排序和連接,獲得預(yù)期功能 。

    1.4 矩陣設(shè)計(jì)法

在方案設(shè)計(jì)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(guān)系,得到滿足要求的功能設(shè)計(jì)解集,形成不同的設(shè)計(jì)方案。再根據(jù)“要求—功能”邏輯樹建立“要求—功能”關(guān)聯(lián)矩陣,以描述滿足要求所需功能之間的復(fù)雜關(guān)系,表示出要求與功能間一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

Kotaetal將矩陣作為機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),把機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)空間分解為功能子空間,每個(gè)子空間只表示方案設(shè)計(jì)的一個(gè)模塊,在抽象階段的高層,每個(gè)設(shè)計(jì)模塊用運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換矩陣和一個(gè)可進(jìn)行操作的約束矢量表示;在抽象階段的低層,每個(gè)設(shè)計(jì)模塊被表示為參數(shù)矩陣和一個(gè)運(yùn)動(dòng)方程。

    1.5 鍵合圖法

將組成系統(tǒng)元件的功能分成產(chǎn)生能量、消耗能量、轉(zhuǎn)變能量形式、傳遞能量等各種類型,并借用鍵合圖表達(dá)元件的功能解,希望將基于功能的模型與鍵合圖結(jié)合,實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的自動(dòng)生成和功能結(jié)構(gòu)與鍵合圖之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換,尋求由鍵合圖產(chǎn)生多個(gè)設(shè)計(jì)方案的方 法。

    2 結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)方法

從規(guī)劃產(chǎn)品的角度提出:定義設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)以功能化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),引用已有的產(chǎn)品解(如通用零件部件等)描述設(shè)計(jì)任務(wù),即分解任務(wù)時(shí)就考慮每個(gè)分任務(wù)是否存在對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品解,這樣,能夠在產(chǎn)品規(guī)劃階段就消除設(shè)計(jì)任務(wù)中可能存在的矛盾,早期預(yù)測(cè)生產(chǎn)能力、費(fèi)用,以及開發(fā)設(shè)計(jì)過程中計(jì)劃的可調(diào)整性,由此提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)的可靠性,同時(shí)也降低新產(chǎn)品的成本。Feldmann將描述設(shè)計(jì)任務(wù)的功能化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分為四層,(1)產(chǎn)品→(2)功能組成→(3)主要功能組件→(4)功能元件。并采用面向應(yīng)用的結(jié)構(gòu)化特征目錄,對(duì)功能元件進(jìn)行更為具體的定性和定量描述。同時(shí)研制出適合于產(chǎn)品開發(fā)早期和設(shè)計(jì)初期使用的工具軟件STRAT。

認(rèn)為專用機(jī)械中多數(shù)功能可以采用已有的產(chǎn)品解,而具有新型解的專用功能只是少數(shù),因此,在專用機(jī)械設(shè)計(jì)中采用功能化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu),對(duì)于評(píng)價(jià)專用機(jī)械的設(shè)計(jì)、制造風(fēng) 險(xiǎn)十分有利。

提倡在產(chǎn)品功能分析的基礎(chǔ)上,將產(chǎn)品分解成具有某種功能的一個(gè)或幾個(gè)模塊化的基本結(jié)構(gòu),通過選擇和組合這些模塊化基本結(jié)構(gòu)組建成不同的產(chǎn)品。這些基本結(jié)構(gòu)可以是零件、部件,甚至是一個(gè)系統(tǒng)。理想的模塊化基本結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有標(biāo)準(zhǔn)化的接口(聯(lián)接和配合部),并且是系列化、通用化、集成化、層次化、靈便化、經(jīng)濟(jì)化,具有互換性、相容性和相關(guān)性。我國結(jié)合軟件構(gòu)件技術(shù)和CAD技術(shù),將變形設(shè)計(jì)與組合設(shè)計(jì)相結(jié)合,根據(jù)分級(jí)模塊化原理,將加工中心機(jī)床由大到小分為產(chǎn)品級(jí)、部件級(jí)、組件級(jí)和元件級(jí),并利用專家知識(shí)和CAD技術(shù)將它們組合成不同品種、不同規(guī)格的功能模塊,再由這些功能模塊組合成不同的加工中心總體方案。

以設(shè)計(jì)為目錄作為選擇變異機(jī)械結(jié)構(gòu)的工具,提出將設(shè)計(jì)的解元素進(jìn)行完整的、結(jié)構(gòu)化的編排,形成解集設(shè)計(jì)目錄。并在解集設(shè)計(jì)目錄中列出評(píng)論每一個(gè)解的附加信息,非常有利于設(shè)計(jì)工程師選擇解元素。

根據(jù)機(jī)械零部件的聯(lián)接特征,將其歸納成四種類型:1)元件間直接定位,并具 有自調(diào)整性的部件;2) 結(jié)構(gòu)上具有共性的組合件;3)具有嵌套式結(jié)構(gòu)及嵌套式元件的聯(lián)接 ;4)具有模塊化結(jié)構(gòu)和模塊化元件的聯(lián)接。并采用準(zhǔn)符號(hào)表示典型元件和元件間的連接規(guī)則,由此實(shí)現(xiàn)元件間聯(lián)接的算法化和概念的可視化。

在進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)中,用“功能建立”模塊對(duì)功能進(jìn)行分解,并規(guī)定功能分解的最佳“?；背潭仁枪δ芘c機(jī)構(gòu)型式的一一對(duì)應(yīng)?！敖Y(jié)構(gòu)建立”模塊則作為功能解的選擇對(duì)象以便于實(shí)現(xiàn)映射算法。

    3 基于產(chǎn)品特征知識(shí)的設(shè)計(jì)方法

基于產(chǎn)品特征知識(shí)設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)是:用計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的語言描述產(chǎn)品的特征及其設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn),建立相應(yīng)的知識(shí)庫及推理機(jī),再利用已存儲(chǔ)的領(lǐng)域知識(shí)和建立的推理機(jī)制實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)。

機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)主要是依據(jù)產(chǎn)品所具有的特征,以及設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推量和決策,完成機(jī)構(gòu)的型、數(shù)綜合。欲實(shí)現(xiàn)這一階段的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),必須研究知識(shí)的自動(dòng)獲取、表達(dá)、集成、協(xié)調(diào)、管理和使用.為此,國內(nèi)外設(shè)計(jì)學(xué)者針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)知識(shí)的自動(dòng)化處理做了大量的研究工作,采用的方法可歸納為下述幾種。

    3.1 編碼法

根據(jù)“運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換”功能(簡(jiǎn)稱功能元)將機(jī)構(gòu)進(jìn)行分類,并利用代碼描述功能元和機(jī)構(gòu)類別,由此建立起“機(jī)構(gòu)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)”知識(shí)庫。在此基礎(chǔ)上,將二元邏輯推理與模糊綜合評(píng)判原理相結(jié)合,建立了該“專家系統(tǒng)”的推理機(jī)制,并用于四工位專用機(jī)床的方案設(shè)計(jì)中。

利用生物進(jìn)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(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)中,運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)圖論方法將機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)表達(dá)為拓?fù)鋱D,再通過編碼技術(shù),把機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和性能轉(zhuǎn)化為個(gè)體染色體的二進(jìn)制數(shù)串,并根據(jù)設(shè)計(jì)要求編制適應(yīng)值,運(yùn)用生物進(jìn)化理論控制繁殖機(jī)制,通過選擇、交叉、突然變異等手段,淘汰適應(yīng)值低的不適應(yīng)個(gè)體,以極快的進(jìn)化過程得到適應(yīng)性最優(yōu)的個(gè)體,即最符合設(shè)計(jì)要求的機(jī)構(gòu)方案。

3.2 知識(shí)的混合型表達(dá)法

針對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì),采用混合型的知識(shí)表達(dá)方式描述設(shè)計(jì)中的各類知識(shí)尤為適合,這一點(diǎn)已得到我國許多設(shè)計(jì)學(xué)者的共識(shí).

在研制復(fù)雜產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)智能決策支持系統(tǒng)DMDSS中,將規(guī)則、框架、過程和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等知識(shí)表示方法有機(jī)地結(jié)合在一起,以適應(yīng)設(shè)計(jì)中不同類型知識(shí)的描述。將多種單一的知識(shí)表達(dá)方法(規(guī)則、框架和過程),按面向?qū)ο蟮木幊淘瓌t,用框架的槽表示對(duì)象的屬性,用規(guī)則表示對(duì)象的動(dòng)態(tài)特征,用過程表示知識(shí)的處理,組成一種混合型的知識(shí)表達(dá)型式,并成功地研制出“面向?qū)ο蟮臄?shù)控龍門銑床變速箱方案設(shè)計(jì)智能系統(tǒng)GBCDIS”和“變速箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)GBSDES”。

    3.3 利用基于知識(shí)的開發(fā)工具

在聯(lián)軸器的CAD系統(tǒng)中,利用基于知識(shí)的開發(fā)工具NEXPERT-OBJECT,借助于面向?qū)ο蟮姆椒?創(chuàng)建了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法數(shù)據(jù)庫,為設(shè)計(jì)者進(jìn)行聯(lián)軸器的方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了廣泛且可靠的設(shè)計(jì)方法譜。則利用NEXPERT描述直線導(dǎo)軌設(shè)計(jì)中需要基于知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)的內(nèi)容,由此尋求出基于知識(shí)的解,并開發(fā)出直線導(dǎo)軌設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)。
 
    3.4 設(shè)計(jì)目錄法

構(gòu)造了“功能模塊”、“功能元解”和“機(jī)構(gòu)組”三級(jí)遞進(jìn)式設(shè)計(jì)目錄,并將這三級(jí)遞進(jìn)式設(shè)計(jì)目錄作為機(jī)械傳動(dòng)原理方案智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的知識(shí)庫和開發(fā)設(shè)計(jì)的輔助工具。

    3.5 基于實(shí)例的方法

在研制設(shè)計(jì)型專家系統(tǒng)的知識(shí)庫中,采用基本謂詞描述設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)條件和選取的方案,用框架結(jié)構(gòu)描述“工程實(shí)例”和各種“概念實(shí)體”,通過基于實(shí)例的推理技術(shù)產(chǎn)生候選解來配匹產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。

    4 智能化設(shè)計(jì)方法

智能化設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)是:根據(jù)設(shè)計(jì)方法學(xué)理論,借助于三維圖形軟件、智能化設(shè)計(jì)軟件和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),以及多媒體、超媒體工具進(jìn)行產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)、表達(dá)產(chǎn)品的構(gòu)思、描述 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)。

文獻(xiàn)[39]在利用數(shù)學(xué)系統(tǒng)理論的同時(shí),考慮了系統(tǒng)工程理論、產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)和系統(tǒng)開發(fā)方法學(xué)VDI2221,研制出適合于產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期使用的多媒體開發(fā)系統(tǒng)軟件MUSE。

文獻(xiàn)[40]在進(jìn)行自動(dòng)取款機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),把產(chǎn)品的整個(gè)開發(fā)過程概括為“產(chǎn)品規(guī)劃”、“開發(fā)”和“生產(chǎn)規(guī)劃”三個(gè)階段,并且充分利用了現(xiàn)有的CAD尖端技術(shù)——虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。1) 產(chǎn)品規(guī)劃—構(gòu)思產(chǎn)品。其任務(wù)是確定產(chǎn)品的外部特性,如色彩、形狀、表面質(zhì)量、人機(jī)工程等等,并將最初的設(shè)想用CAD立體模型表示出,建立能夠體現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)品外形的簡(jiǎn)單模型,該模型可以在虛擬環(huán)境中建立,借助于數(shù)據(jù)帽和三維鼠標(biāo),用戶還可在一定程度上參與到這一環(huán)境中,并且能夠迅速地生成不同的造型和色彩。立體模型是檢測(cè)外部形狀效果的依據(jù),也是幾何圖形顯示設(shè)計(jì)變量的依據(jù),同時(shí)還是開發(fā)過程中各類分析的基礎(chǔ)。 2) 開發(fā)—設(shè)計(jì)產(chǎn)品。該階段主要根據(jù)“系統(tǒng)合成”原理,在立體模型上配置和集成解元素,解元素根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)的不同有不同的含義:可以是基本元素,如螺栓、軸或輪轂聯(lián)接等;也可以是復(fù)合元素,如機(jī)、電、電子部件、控制技術(shù)或軟件組成的傳動(dòng)系統(tǒng);還可以是要求、特性、形狀等等。將實(shí)現(xiàn)功能的關(guān)鍵性解元素配置到立體模型上之后,即可對(duì)產(chǎn)品的配置(設(shè)計(jì)模型中解元素間的關(guān)系)進(jìn)行分析,產(chǎn)品配置分析是綜合“產(chǎn)品規(guī)劃”和“開發(fā)”結(jié)果的重要手段。3) 生產(chǎn)規(guī)劃—加工和裝配產(chǎn)品。在這一階段中,文獻(xiàn)[40]主要論述了裝配過程中CAD技術(shù)的應(yīng)用,提出用計(jì)算機(jī)圖像顯示解元素在相應(yīng)位置的裝配過程,即通過虛擬裝配模型揭示造形和裝配間的關(guān)系,由此發(fā)現(xiàn)難點(diǎn)和問題,并找出解決問題的方法,并認(rèn)為將CAD技術(shù)綜合應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)的三個(gè)階段,可以使設(shè)計(jì)過程的綜合與分析在“產(chǎn)品規(guī)劃”、“開發(fā)”和“生產(chǎn)規(guī)劃”中連續(xù)地交替進(jìn)行。因此,可以較早地發(fā)現(xiàn)各個(gè)階段中存在的問題,使產(chǎn)品在開發(fā)進(jìn)程中不斷地細(xì)化和完善。

我國利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)還處于剛剛起步階段。利用面向?qū)ο蟮募夹g(shù),重點(diǎn)研究了按時(shí)序合成的機(jī)構(gòu)組合方案設(shè)計(jì)專家系統(tǒng),并借助于具有高性能圖形和交換處理能力的OpenGL技術(shù),在三維環(huán)境中從各個(gè)角度對(duì)專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)出的方案進(jìn)行觀察,如運(yùn)動(dòng)中機(jī)構(gòu)間的銜接狀況是否產(chǎn)生沖突等等。

將構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)模塊、產(chǎn)品整體構(gòu)造及其制造工藝和使用說明的擬訂(見圖1)稱之為快速成型技術(shù)。建議在產(chǎn)品開發(fā)過程中將快速成型技術(shù)、多媒體技術(shù)以及虛擬表達(dá)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(應(yīng)用于各個(gè)階段求解過程需要的場(chǎng)合)結(jié)合應(yīng)用。指出隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件的不斷完善,應(yīng)盡可能地將多媒體圖形處理技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)中,例如三維圖形(立體模型)代替裝配、拆卸和設(shè)計(jì)聯(lián)接件時(shí)所需的立體結(jié)構(gòu)想象力等等。

利用智能型CAD系統(tǒng)SIGRAPH-DESIGN作為開發(fā)平臺(tái),將產(chǎn)品的開發(fā)過程分為概念設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)和零件設(shè)計(jì),并以變量設(shè)計(jì)技術(shù)為基礎(chǔ),建立了膠印機(jī)凸輪連桿機(jī)構(gòu)的概念模型。從文獻(xiàn)介紹的研究工作看,其概念模型是在確定了機(jī)構(gòu)型、數(shù)綜合的基礎(chǔ)上,借助于軟件SIGRAPH-DESIGN提供的變量設(shè)計(jì)功能,使原理圖隨著機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化而變化,并將概念模型的參數(shù)傳遞給下一級(jí)的裝配模型、零件設(shè)計(jì)。

    5 各類設(shè)計(jì)方法評(píng)述及發(fā)展趨勢(shì)

綜上所述,系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法將設(shè)計(jì)任務(wù)由抽象到具體(由設(shè)計(jì)的任務(wù)要求到實(shí)現(xiàn)該任務(wù)的方案或結(jié)構(gòu))進(jìn)行層次劃分,擬定出每一層欲實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)和方法,由淺入深、由抽象至具體地將各層有機(jī)地聯(lián)系在一起,使整個(gè)設(shè)計(jì)過程系統(tǒng)化,使設(shè)計(jì)有規(guī)律可循,有方法可依,易于設(shè)計(jì)過程的計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)。

結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)方法視具有某種功能的實(shí)現(xiàn)為一個(gè)結(jié)構(gòu)模塊,通過結(jié)構(gòu)模塊的組合,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)。對(duì)于特定種類的機(jī)械產(chǎn)品,由于其組成部分的功能較為明確且相對(duì)穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)模塊的劃分比較容易,因此,采用結(jié)構(gòu)模塊化方法進(jìn)行方案設(shè)計(jì)較為合適。由于實(shí)體與功能之間并非是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,一個(gè)實(shí)體通?？梢詫?shí)現(xiàn)若干種功能,一個(gè)功能往往又可通過若干種實(shí)體予以實(shí)現(xiàn)。因此,若將結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)方法用于一般意義的產(chǎn)品方案設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)模塊的劃分和選用都比較困難,而且要求設(shè)計(jì)人員具有相當(dāng)豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和廣博的多學(xué)科 領(lǐng)域知識(shí)。

機(jī)械產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)通常無法采用純數(shù)學(xué)演算的方法進(jìn)行,也難以用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行完整的描述,而需根據(jù)產(chǎn)品特征進(jìn)行形式化的描述,借助于設(shè)計(jì)專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理和決策。因此,欲實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì),必須解決計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和運(yùn)用產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)和專家設(shè)計(jì)決策等有關(guān)方面的問題,由此形成基于產(chǎn)品特征知識(shí)的設(shè)計(jì)方法。

目前,智能化設(shè)計(jì)方法主要是利用三維圖形軟件和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),直觀性較好,開發(fā)初期用戶可以在一定程度上直接參與到設(shè)計(jì)中,但系統(tǒng)性較差,且零部件的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸、位置的合理確定,要求軟件具有較高的智能化程度,或者有豐富經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者參與。

值得一提的是:上述各種方法并不是完全孤立的,各類方法之間都存在一定程度上的聯(lián)系,如結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)方法中,劃分結(jié)構(gòu)模塊時(shí)就蘊(yùn)含有系統(tǒng)化思想,建立產(chǎn)品特征及設(shè)計(jì)方法知識(shí)庫和推理機(jī)時(shí),通常也需運(yùn)用系統(tǒng)化和結(jié)構(gòu)模塊化方法,此外,基于產(chǎn)品特征知識(shí)的設(shè)計(jì)同時(shí)又是方案智能化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之一。在機(jī)械產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)中,視能夠?qū)崿F(xiàn)特定功能的通用零件、部件或常用機(jī)構(gòu)為結(jié)構(gòu)模塊,并將其應(yīng)用到系統(tǒng)化設(shè)計(jì)有關(guān)層次的具體設(shè)計(jì)中,即將結(jié)構(gòu)模塊化方法融于系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法中,不僅可以保證設(shè)計(jì)的規(guī)范化,而且可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程,提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量,降低設(shè)計(jì)成本。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃發(fā)展,異地協(xié)同設(shè)計(jì)與制造,以及從用戶對(duì)產(chǎn)品的功能需求→設(shè)計(jì)→加工→裝配→成品這一并行工程的實(shí)現(xiàn)成為可能。但是,達(dá)到這些目標(biāo)的重要前提條件之一,就是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)效果的三維可視化。為此,不僅三維圖形軟件、智能化設(shè)計(jì)軟件愈來愈多地應(yīng)用于產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)中,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及多媒體、超媒體工具也在產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)中初露鋒芒。目前,德國等發(fā)達(dá)國家正著力于研究超媒體技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)STEP,以及標(biāo)準(zhǔn)虛擬現(xiàn)實(shí)造型語言VRML(Intemet 上基于虛擬環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)交換格式)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.

機(jī)械產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)正朝著計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)、智能化設(shè)計(jì)和滿足異地協(xié)同設(shè)計(jì)制造需求的方向邁進(jìn),由于產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法的研究起步較晚,目前還沒有成熟的、能夠達(dá)到上述目標(biāo)的方案設(shè)計(jì)工具軟件。作者認(rèn)為,綜合運(yùn)用文中四種類型設(shè)計(jì)方法是達(dá)到這一目標(biāo)有效途徑。雖然這些方法的綜合運(yùn)用涉及的領(lǐng)域較多,不僅與機(jī)械設(shè)計(jì)的領(lǐng)域知識(shí)有關(guān),而且還涉及到系統(tǒng)工程理論、人工智能理論、計(jì)算機(jī)軟硬件工程、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等各方面的領(lǐng)域知識(shí),但仍然是產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)必須努力的方向。國外在這方面的研究已初見成效,我國設(shè)計(jì)學(xué)者也已意識(shí)到CAD技術(shù)與國際交流合作的重要性,及其應(yīng)當(dāng)采取的措施

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