機械產(chǎn)品方案的現(xiàn)代設(shè)計方法及發(fā)展趨勢

閻 文

（營口盼盼安居門業(yè)有限公司，遼寧 營口115000）

科學技術(shù)的迅猛發(fā)展使得現(xiàn)代社會各類產(chǎn)品表現(xiàn)為新的特征，如功能多元化、內(nèi)容豐富化等?，F(xiàn)代社會的機械產(chǎn)品設(shè)計在計算機的輔助下，呈現(xiàn)出分類方式多樣、設(shè)計方法種類眾多的特點。針對機械產(chǎn)品方案設(shè)計，國內(nèi)外學者的研究成果豐碩。本文總結(jié)了主流方法，并討論了其發(fā)展趨勢。

1 基于系統(tǒng)理論設(shè)計

科學方法的系統(tǒng)論認為設(shè)計是由眾多要素組成的，因素本身具有，因素之間層次性和系統(tǒng)性并存，綜合各類因素而系統(tǒng)整合，則完成了設(shè)計的過程?；谙到y(tǒng)理論的設(shè)計方法自二十世紀七十年代提出以來，國內(nèi)外學者進行了大量的研究，具有代表性的設(shè)計思想主要有三類：以用戶需求為核心，注重宏觀設(shè)計過程，采用功能布置法實現(xiàn)系統(tǒng)化設(shè)計；以生命系統(tǒng)理論為主線來表達用戶需求，分層次劃分產(chǎn)品的設(shè)計過程，自上而下設(shè)計產(chǎn)品；以系統(tǒng)論方法為核心，將產(chǎn)品本身和設(shè)計過程本身均系統(tǒng)化，運用系統(tǒng)論方式完善產(chǎn)品設(shè)計和產(chǎn)品生產(chǎn)。

基于這三類主流設(shè)計思想，具有代表性的具體設(shè)計方法有以下幾種：①基于系統(tǒng)元素設(shè)計：將總所周知的產(chǎn)品設(shè)計五元素看成是產(chǎn)品的全部，一旦五個元素完全確定，則認為產(chǎn)品設(shè)計已經(jīng)完成；②基于圖形模型設(shè)計：將設(shè)計元素層次化并明確元素之間的相互關(guān)系，利用系統(tǒng)論方法搭建基于元素的產(chǎn)品模型，產(chǎn)品模型包含了信息分析和計算機輔助設(shè)計兩個層面。信息分析方法負責定義元素間的層次和相互關(guān)系，而計算機輔助模擬重現(xiàn)了整個設(shè)計過程中可能出現(xiàn)的活動或結(jié)果；③兩階段設(shè)計：將產(chǎn)品設(shè)計分為思維構(gòu)建和具體設(shè)計兩個階段。其構(gòu)思階段從產(chǎn)品特定功能出發(fā)，衍生出結(jié)構(gòu)要素，并導出功能載體。不同功能下的不同功能載體之間建立連接載體。在構(gòu)思階段完成之后再進行設(shè)計階段；④基于矩陣理論設(shè)計：將用戶需求和產(chǎn)品功能構(gòu)建邏輯體系下的矩陣，通過求解關(guān)聯(lián)矩陣實現(xiàn)用戶需求和產(chǎn)品功能的關(guān)系而進行設(shè)計。可以利用矩陣知識，在母矩陣的基礎(chǔ)上細化功能需求和用戶需求而細化母矩陣形成矩陣子空間進行細化設(shè)計；⑤基于鍵合圖設(shè)計：從功率流出發(fā)，將設(shè)計涉及的各類物理量分為勢、流、動量和變位，同時利用若干元素構(gòu)建物理量直接的交換和守恒，從而形成多種設(shè)計方案。

2 基于功能化模塊設(shè)計

在設(shè)計任務(wù)初期將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行功能模塊化，針對某一特定功能模塊找尋符合要求的產(chǎn)品解。這種思想有利于消除部分功能模塊的內(nèi)在可能矛盾，有利于早期設(shè)計的產(chǎn)品預測和設(shè)計調(diào)整預測，具有高效性和可靠性特征，有效降低了設(shè)計成本。其設(shè)計過程自上而下分為產(chǎn)品、功能成分、功能模塊和功能子模塊。這種方法認為機械設(shè)計過程中，功能子模塊通常有產(chǎn)品解而沒有產(chǎn)品解的子模塊較少。

在具體設(shè)計過程中，基于產(chǎn)品功能分析將產(chǎn)品分解為一定數(shù)量的功能模塊和子模塊，通過模塊的選擇和組合形成不同產(chǎn)品。功能模塊之間通過具有多層特征的標準接口進行連接，接口特征表現(xiàn)為靈便經(jīng)濟、通用兼容、序列層次和相關(guān)集成。就我國而言，借助于軟件架構(gòu)技術(shù)和計算機輔助技術(shù)，已經(jīng)形成了多層次多級別的功能模塊產(chǎn)品，功能模塊產(chǎn)品還可以相互組合形成新的功能模塊產(chǎn)品。需要說明的是，功能模塊或子模塊的內(nèi)涵和外延不是特定的，可以根據(jù)產(chǎn)品實際而發(fā)生變化，如功能模塊或子模塊均可以是元件或組件甚至系統(tǒng)。在功能分析和現(xiàn)有功能模塊產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，基于產(chǎn)品設(shè)計目錄即可對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)元素進行系統(tǒng)化的編排解集，最后形成產(chǎn)品設(shè)計方案。

3 基于特征內(nèi)涵設(shè)計

基于特征內(nèi)涵設(shè)計是運用計算機對產(chǎn)品的設(shè)別語言和設(shè)計專家的相關(guān)經(jīng)驗知識建立數(shù)據(jù)庫，通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫知識和相關(guān)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)庫知識進行產(chǎn)品設(shè)計推理和C A E方案設(shè)計。就機械產(chǎn)品的設(shè)計而言，是基于機械產(chǎn)品的具體特征，結(jié)合設(shè)計專家的經(jīng)驗知識，通過綜合推理決策，再實現(xiàn)C A E設(shè)計過程。

國內(nèi)外已對基于特征內(nèi)容的設(shè)法方法做了廣泛研究，具有代表性的方法有多種：①編碼設(shè)計：將產(chǎn)品分解為功能元件并分類后對其進行編碼，編碼過程是功能分類和功能特征賦予的過程。通過分類功能元件，運用專家經(jīng)驗知識，建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，在基于邏輯理論和模糊理論建立推理決策機制。進化理論描述設(shè)計演化并形成拓撲結(jié)構(gòu)，再次編碼并利用生物繁殖理論完成多種設(shè)計方案；②內(nèi)涵綜合表達設(shè)計：在研制復雜產(chǎn)品過程時，往往采用多種特征內(nèi)涵綜合表達的方式來進行設(shè)計。如將準則、架構(gòu)、流程和關(guān)系網(wǎng)等多方面內(nèi)容統(tǒng)一綜合在一起，以滿足不同設(shè)計類型的描述：③基于開發(fā)工具設(shè)計：在聯(lián)軸器的計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)中，采用基于對象的開發(fā)工具，形成設(shè)計方法數(shù)據(jù)庫，為設(shè)計人員提供有效的可靠設(shè)計選擇，從而開發(fā)設(shè)計新產(chǎn)品；④基于設(shè)計目錄設(shè)計：人為構(gòu)造設(shè)計人員需要的多級設(shè)計目錄，在特定設(shè)計中，根據(jù)目錄遞進式進行推理決策和設(shè)計開發(fā)；⑤基于樣例設(shè)計：在機械產(chǎn)品設(shè)計過程中，參考已有產(chǎn)品樣例或概念實體的特征進行推理決策而設(shè)計開發(fā)的方法。

4 基于智能理論設(shè)計

基于智能理論設(shè)計其智能特征表征為借助于智能化軟件、虛擬技術(shù)、媒體及超媒體工具等進行產(chǎn)品描述、產(chǎn)品構(gòu)思決策和產(chǎn)品開發(fā)。一般而言，可將整個產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計過程分為三個階段：①規(guī)劃階段：主要確定產(chǎn)品的特征表象，如顏色、尺寸、輪廓外形等，并將這些表征通過計算機輔助立體表示，形成產(chǎn)品的初步模型。這種模型一般采用虛擬技術(shù)建立，用戶可以很方便地根據(jù)自身需要確定具有不同類型特征表象的模型，模型是后續(xù)過程的設(shè)計依據(jù)和基礎(chǔ)；②開發(fā)階段：根據(jù)系統(tǒng)理論，將模型進行分解成各種元素并進行元素內(nèi)涵及外延的賦值過程，之后進行元素之間的關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)產(chǎn)品的虛擬配置分析。需要指出的是，這些元素可以根據(jù)設(shè)計目標的不同而產(chǎn)生不同的內(nèi)涵和外延，既可以是基本元素如螺母，也可以是復合元素如傳動系統(tǒng)，還可以是用戶需求如形狀等；③生產(chǎn)階段：運用計算機輔助設(shè)計技術(shù)等虛擬技術(shù)，依據(jù)前述階段的工作內(nèi)容，提出產(chǎn)品的虛擬裝配過程，凸顯裝配流程和裝配間關(guān)系，指出設(shè)計中的疑難問題及相應(yīng)解決方案。具體產(chǎn)品設(shè)計過程中，由于設(shè)計疑難問題的提出，三個階段是不斷循環(huán)的，直至產(chǎn)品的開發(fā)過程已細化完善之規(guī)定需求?？焖俪尚图夹g(shù)是指將產(chǎn)品元素、標準模塊及制造工序協(xié)調(diào)擬定。隨著計算機技術(shù)的蓬勃發(fā)展和硬件系統(tǒng)的逐步升級，基于智能理論的設(shè)計方法將越來越多的利用快速成型技術(shù)、虛擬表達技術(shù)等綜合運用，如利用立體方式代替拆卸和連接等內(nèi)容。

我國在基于智能理論的設(shè)計還處于初步階段。針對OBJECT-ORIENTAL技術(shù)，主要側(cè)重在綜合時序組合的專家設(shè)計系統(tǒng)，并采用依據(jù)表征未圖形高性能和交換能力高性能的Open Graphics Library技術(shù),實現(xiàn)專家設(shè)計系統(tǒng)能夠經(jīng)受三維層次的多角度考驗。

5 設(shè)計方法的發(fā)展趨勢

基于上述分析可知，基于系統(tǒng)理論的設(shè)計方法再現(xiàn)了抽象到具體的層次化過程，其任意層次的目標和方法均體現(xiàn)了有機結(jié)合及逐步深入的系統(tǒng)理論思想。基于功能化模塊的設(shè)計方法表征為模塊的分解和單個模塊的設(shè)計，對于功能化模塊穩(wěn)定且易于劃分的特定機械產(chǎn)品設(shè)計，可以優(yōu)先選擇基于功能化模塊的設(shè)計方法。當機械產(chǎn)品的設(shè)計難以用數(shù)理方法推理驗算或描述時，則需要根據(jù)其特征內(nèi)涵并借助于專家的經(jīng)驗知識進行推理決策，在計算機輔助設(shè)計與推理決策良好融合之后，可有效進行產(chǎn)品的方案設(shè)計。基于智能理論的設(shè)計方法主要借助了三維軟件和虛擬技術(shù)等現(xiàn)代化工具，雖然其直觀性優(yōu)異，但對設(shè)計人員的多領(lǐng)域知識要求較高，在沒有高智能化工具的情況下，一般適用于經(jīng)驗豐富的設(shè)計者參與。

需要指出的是，四種主流設(shè)計方法并不是完全孤立的，它們之間存在特定的關(guān)系。實際上，其中的任意一種設(shè)計方法都蘊含一定程度上的系統(tǒng)化理念。此外，基于特征內(nèi)涵的設(shè)計在推理決策過程中需要用到功能化模塊知識，而其本身又是基于智能理論設(shè)計的基礎(chǔ)內(nèi)容。

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和硬件技術(shù)的逐步進步，異地同步設(shè)計制造將會成為可能。但其重要前提是能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品方案設(shè)計的立體可視化。因此，除了立體圖形智能化軟件技術(shù)外，媒體技術(shù)甚至超媒體技術(shù)及虛擬工具會愈來愈多地運用到機械產(chǎn)品的方案設(shè)計中。如處理機械產(chǎn)品方案設(shè)計前列的德國對超媒體工具已經(jīng)進行了深入的研究。

整體來看，機械產(chǎn)品的方案設(shè)計越來越多的傾向于C A E設(shè)計和智能化設(shè)計的方向發(fā)展，其目標是實現(xiàn)異地同步設(shè)計和生產(chǎn)制造。雖然單一的設(shè)計方法很難實現(xiàn)這一目標，但綜合運用四類設(shè)計方法并結(jié)合多領(lǐng)域知識仍然可能是一個有效的途徑。

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