機械產品概念設計過程模型建模探討

蔣宇航

（杭州師范大學錢江學院電氣工程系，浙江 杭州 310012）

1 引言

隨著科學技術的飛速發(fā)展，制造業(yè)的每個企業(yè)都面臨著持續(xù)多變和難以預測的全球化的市場競爭。市場對產品的功能要求口益增多，更新換代速度加快，總之，對新產品的T,Q,C,S,E(T:Time to market，最短的上市時間;Q:Quality，最好的質量;C:Cost最低的成本;S:Service，最優(yōu)的服務;E:Environment，最清潔的環(huán)境)提出了更嚴格的要求在產品設計的早期階段，由于對設計人員的約束相對較少，具有較大的創(chuàng)新空間，因此，產品概念設計是產品設計中最為關鍵的技術，是產品開發(fā)過程中最具創(chuàng)造性的階段，正受到國內外研究學者越來越多的重視，這一階段對整個設計制造過程有舉足輕重的影響。

2 基于設計特征的機械產品概念設計過程模型

2.1 機械產品設計過程的一般描述

設計過程通常分為產品計劃、概念設計和詳細設計三個基本階段進行，各階段的主要任務如下:

產品計劃階段通過市場調研，或根據用戶的要求等，制定設計任務。這一階段對最后設計要完成的設計要求的說明和定義是必要的，它的結果是一份詳細的關于所設計的產品的說明書(設計任務清單)。

方案設計階段通過對設計要求的分析。將產品功能分解成若干子功能，尋找各子功能的可行方案，并加以綜合，建立產品的功能結構模型(概念模型)，作出方案的草圖。在概念模型中，包含了設計師所使用的專業(yè)知識和相關知識(總稱設計知識)，以及基于這些設計知識而定義的設計關系和設計約束。

參數化基礎圖形設計階段通過功能一作用原理一結構的對照關系，選擇合適的結構，將概念模型分解成若干個可實現的部件，并進一步確定產品中關鍵部件的關鍵作用表面以及各主要零部件間的約束關系，建立約束網絡模型，分別進行約束求解。

詳細設計階段根據產品基礎圖形，建立幾何特征約束網絡模型，分別進行約束求解，利用幾何特征細化基礎圖形，從預定義的特征庫中，調出相應的特征，添加到基礎圖形上指定位置，與基礎圖形進行并、交、差等運算，確定零件的詳細幾何形狀及其拓撲關系，并包括從基礎圖形中繼承的尺寸、精度、材料及其它信息，詳細設計的結果是產品完整的零件圖。

2.2 基于設計特征的設計過程模型

2.2.1 功能和設計特征在概念設計中起著核心作用。由圖可以看出，產品概念設計從分析產品設計需求開始。對這些設計需求抽象化，目的是為了確定產品的總功能。

2.2.2 各種功能的實現都是在以自然科學原理為指導的技術實施的基礎上實現的，此物理學、化學、生物學等客觀規(guī)律就構成了設計中的原理域。

2.2.3 設計原理解也就是通常說的方案解，主要通過一定的結構方式實現給定功能。

在本文基于特征的設計體系中，方案解就是設計特征的組合。

從圖中可以看到整個概念設計流程主要由計算機完成的設計要素串成，形成設計的一條基本思維主線，但這并不表示設計過程可以由計算機完全自主的智能化完成，同時應該看到計算機完成的每一步設計要素基本上都離不開人的分析、選擇或決策，人所完成的設計要素對設計過程的整體進程和每一步的中間或最終結果都起著決定性作用，因此，應設法在每一個必要壞節(jié)對人所完成的設計要素進行設計思維進程的提示和幫助，這將極大的減輕設計者的記憶負擔并引導設計者進行正確的思維。

3 基于設計特征的產品信息模型

3.1 設計特征的內容分類

形成產品(或其部件)的特征包含幾何特征、工程特征和語義特征三大內容?？紤]到概念設計階段各屬性的主次性、原型系統(tǒng)內部數據結構的模塊化，以及對整個產品設計階段的通用性，對特征的內容重組分為功能特征、原理特征、屬性特征、布局特征(LayoutFeature，記為 LF)、構造方法和規(guī)則集合。

功能特征:包括功能名、功能描述等信息。

原理特征:包括原理名、原理描述、所需功能等信息。

總體特征:包括特征名、標識符、材質、色彩、表面肌理、裝飾以及特征的工藝、管理信息等總體信息。

形狀特征:包括大小、位置、方向等幾何信息，用以描述該組件特征的形狀參數和定位參數。

人機特征:包括與組件相關的人體部位、受力、舒適程度等分析數據，用以表征某一特征在宜人性方面的表現。

布局特征:包括面向布局設計的工程特征和語義特征，以作為布局的設計約束和專家系統(tǒng)的推理條件。

規(guī)則集合主要包括一些設計過程中用到的推理規(guī)則。

3.2 用特征表示的產品結構模型

特征是一個跨越了產品級和部件級的單位，在廣義上來講，產品本身也是一個DF，它的內容就是組成產品的所有DF的總和，而對于組成產品的每一個組件也是一樣。組件的基本成分也是DF，這樣，我們以樹形方式，來表達一個產品信息的層次結構，如上圖所示。

4 約束驅動的機械產品初步布局方案設計

換句話說，布局設計就是針對設計特征，找出一種配置方式，使其滿足一定的約束條件。在這個過程中，有兩個變數，一個是設計特征的空間排列，另一個是設計特征尺寸。布局設計的過程，就是確定這兩個變數的過程。

在概念設計的布局階段中，我們采取了一種自上而下(Top-down)的設計思想即首先確定組成這個產品的各個組件，在產品級對這些組件布局求解，得到總體的規(guī)劃，然后不同的設計師或一個設計師在不同的時候針對每一個組件再作細化的設計。有些組件是仍然是組合體，這里，可以再用這樣的方法，對于把組件當成一個產品，這時對組件的設計，又包含了對其進行布局設計和詳細設計。

5 系統(tǒng)的簡介

該系統(tǒng)的功能主要包括：需求分析模塊，方案設計模塊，方案評價模塊，參數化基礎圖形設計模塊，數據管理模塊，與其它系統(tǒng)集成接口模塊。

6 系統(tǒng)的實現

該原型系統(tǒng)是在微機上，在WindowsXP環(huán)境下，利用V C++和SQL來實現的。C++是一種面向對象的程序設計語言，具有較好的抽象性、封裝性、繼承性和多態(tài)性。

原型系統(tǒng)的命令菜單，其中包括知識庫建立、需求分析、功能建模、初步設計、詳細設計、方案評價、文件的存取等。通過這些命令操作，實現相應的系統(tǒng)功的功能。

7 總結

以上分析了概念設計的內涵以及研究現狀，建立了一種基于設計特征的機械產品概念設計過程模型。由于設計特征所含信息的全面性，建立并著重分析了基于設計特征的產品信息模型。針對該信息模型，提出了約束驅動的機械產品初步布局設計問題?；谝陨蠁栴}，開發(fā)了一個原型系統(tǒng)。

[1]鐘志華，周彥偉，現代設計方法，武漢工業(yè)大學出版社，2001年

[2]檀潤華，陳鷹，產生多個設計方案的鍵合圖方法，機械設計，1998年