唐林;鄒慧君 來源：機械科學
引 言
科學技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品功能要求的日益增多，復雜性增加，壽命期縮短，更新?lián)Q代速度加快。然而，產(chǎn)品的設計，尤其是機械產(chǎn)品方案的設計手段，則顯得力不從心，跟不上時代發(fā)展的需要。目前，計算機輔助產(chǎn)品的設計繪圖、設計計算、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)初期方案的計算機輔助設計卻遠遠不能滿足設計的需要。為此，作者在閱讀了大量文獻的基礎(chǔ)上，概括總結(jié)了國內(nèi)外設計學者進行方案設計時采用的方法，并討論了各種方法之間的有機聯(lián)系和機械產(chǎn)品方案設計計算機實現(xiàn)的 發(fā)展趨勢。
根據(jù)目前國內(nèi)外設計學者進行機械產(chǎn)品方案設計所用方法的主要特征，可以將方案的現(xiàn)代設計方法概括為下述四大類型。
1 系統(tǒng)化設計方法
系統(tǒng)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(tǒng)，每個設計要素具有獨立性，各個要素間存在著有機的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設計要素結(jié)合后，即可實現(xiàn)設計系統(tǒng)所需完成的任務。
系統(tǒng)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(tǒng)理論為基礎(chǔ)，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(xié)會在這一設計思想的基礎(chǔ)上，制訂出標準VDI2221“技術(shù)系統(tǒng)和產(chǎn)品的開發(fā)設計方法”，其設計流程見圖1 。
圖1 技術(shù)系統(tǒng)和產(chǎn)品的開發(fā)設計方法 / "eey(X
(德國工程師協(xié)會標準VDI2221)
制定的機械產(chǎn)品方案設計進程模式，基本上沿用了德國標準VDI2221的設計方式。除此之外，我國許多設計學者在進行產(chǎn)品方案設計時還借鑒和引用了其他發(fā)達國家的系統(tǒng)化設計思想，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)設計和零件設計、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)品的設計過程劃分成功能需求層次、實現(xiàn)功能要求的概念層次和產(chǎn)品的具體設計層次。同時采用了生命系統(tǒng)圖符抽象地表達產(chǎn)品的功能要求，形成產(chǎn)品功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
(3)將機械設計中系統(tǒng)科學的應用歸納為兩個基本問題：一是把要設計的產(chǎn)品作為一個系統(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)品設計過程看成一個系統(tǒng)，根據(jù)設計目標，正確、合理地確定設計中各個方面的工作和各個不同的設計階段 。
由于每個設計者研究問題的角度以及考慮問題的側(cè)重點不同，進行方案設計時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(shù))描述“產(chǎn)品解”，認為一個產(chǎn)品的五個設計元素值確定之后，產(chǎn)品的所有特征和特征值即已確定。我國亦有設計學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“設計分析和引導系統(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(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、可以實現(xiàn)關(guān)系間的任意結(jié)合等特點，將設計方法解與信息技術(shù)進行集成，實現(xiàn)了設計過程中不同抽象層間信息關(guān)系的圖形化建模。
將語義設計網(wǎng)作為設計工具，在其開發(fā)的活性語義設計網(wǎng)ASK中，采用結(jié)點和線條組成的網(wǎng)絡描述設計，結(jié)點表示元件化的單元(如設計任務、功能、構(gòu)件或加工設備等)，線條用以調(diào)整和定義結(jié)點間不同的語義關(guān)系，由此為設計過程中的所有活動和結(jié)果預先建立模型，使早期設計要求的定義到每一個結(jié)構(gòu)的具體描述均可由關(guān)系間的定義表達，實現(xiàn)了計算機輔助設計過程由抽象到具體的飛躍。
1.3 “構(gòu)思”—“設計”法
將產(chǎn)品的方案設計分成“構(gòu)思”和“設計”兩個階段�！皹�(gòu)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�！霸O計”階段的工作則是具體實現(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)，尋求滿足設計任務要求的原理解。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(機械運動簡圖)。方案的“設計”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“總設計單元(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、位置和傳動參數(shù)間相互關(guān)系的若干種簡圖，把設計專家憑直覺設計的方法做了形式化的描述，形成了有效地應用現(xiàn)有知識的方法，并將其應用于“構(gòu)思”和“設計”階段。
從設計方法學的觀點出發(fā)，將明確了設計任務后的設計工作分為三步：1) 獲取功能和功能結(jié)構(gòu)(簡稱為“功能”)；2) 尋找效應(簡稱為“效應”)；3) 尋找結(jié)構(gòu)(簡稱為“構(gòu)形規(guī)則”)。并用下述四種策略描述機械產(chǎn)品構(gòu)思階段的工作流程：策略1：分別考慮“功能”、“效應”和“構(gòu)形規(guī)則”。因此，可以在各個工作步驟中分別創(chuàng)建變型方案，由此產(chǎn)生廣泛的原理解譜。策略2：“效應”與“構(gòu)形規(guī)則”(包括設計者創(chuàng)建的規(guī)則)關(guān)聯(lián)，單獨考慮功能(通常與設計任務相關(guān))。此時，辨別典型的構(gòu)形規(guī)則及其所屬效應需要有豐富的經(jīng)驗，產(chǎn)生的方案譜遠遠少于策略1的方案譜。策略3：“功能”、“效應”、“構(gòu)形規(guī)則”三者密切相關(guān)。適用于功能、效應和構(gòu)形規(guī)則間沒有選擇余地、具有特殊要求的領(lǐng)域，如超小型機械、特大型機械、價值高的功能零件，以及有特殊功能要求的零部件等等。策略4：針對設計要求進行結(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，獲得預期功能 。
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(guān)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(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雜關(guān)系，表示出要求與功能間一一對應的關(guān)系。
Kotaetal將矩陣作為機械系統(tǒng)方案設計的基礎(chǔ)，把機械系統(tǒng)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(zhuǎn)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(shù)矩陣和一個運動方程。
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，并借用鍵合圖表達元件的功能解，希望將基于功能的模型與鍵合圖結(jié)合，實現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的自動生成和功能結(jié)構(gòu)與鍵合圖之間的自動轉(zhuǎn)換，尋求由鍵合圖產(chǎn)生多個設計方案的方 法。
2 結(jié)構(gòu)模塊化設計方法
從規(guī)劃產(chǎn)品的角度提出：定義設計任務時以功能化的產(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(chǎn)品解，這樣，能夠在產(chǎn)品規(guī)劃階段就消除設計任務中可能存在的矛盾，早期預測生產(chǎn)能力、費用，以及開發(fā)設計過程中計劃的可調(diào)整性，由此提高設計效率和設計的可靠性，同時也降低新產(chǎn)品的成本。Feldmann將描述設計任務的功能化產(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。并采用面向應用的結(jié)構(gòu)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(chǎn)品開發(fā)早期和設計初期使用的工具軟件STRAT。
認為專用機械中多數(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，在專用機械設計中采用功能化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，對于評價專用機械的設計、制造風 險十分有利。
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或幾個模塊化的基本結(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，甚至是一個系統(tǒng)。理想的模塊化基本結(jié)構(gòu)應該具有標準化的接口(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)，將變形設計與組合設計相結(jié)合，根據(jù)分級模塊化原理，將加工中心機床由大到小分為產(chǎn)品級、部件級、組件級和元件級，并利用專家知識和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。
以設計為目錄作為選擇變異機械結(jié)構(gòu)的工具，提出將設計的解元素進行完整的、結(jié)構(gòu)化的編排，形成解集設計目錄。并在解集設計目錄中列出評論每一個解的附加信息，非常有利于設計工程師選擇解元素。
根據(jù)機械零部件的聯(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。并采用準符號表示典型元件和元件間的連接規(guī)則，由此實現(xiàn)元件間聯(lián)接的算法化和概念的可視化。
在進行機械系統(tǒng)的方案設計中，用“功能建立”模塊對功能進行分解，并規(guī)定功能分解的最佳“�；背潭仁枪δ芘c機構(gòu)型式的一一對應。“結(jié)構(gòu)建立”模塊則作為功能解的選擇對象以便于實現(xiàn)映射算法。
3 基于產(chǎn)品特征知識的設計方法
基于產(chǎn)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(chǎn)品的特征及其設計領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗，建立相應的知識庫及推理機，再利用已存儲的領(lǐng)域知識和建立的推理機制實現(xiàn)計算機輔助產(chǎn)品的方案設計。
機械系統(tǒng)的方案設計主要是依據(jù)產(chǎn)品所具有的特征，以及設計領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗進行推量和決策，完成機構(gòu)的型、數(shù)綜合。欲實現(xiàn)這一階段的計算機輔助設計，必須研究知識的自動獲取、表達、集成、協(xié)調(diào)、管理和使用.為此，國內(nèi)外設計學者針對機械系統(tǒng)方案設計知識的自動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)“運動轉(zhuǎn)換”功能(簡稱功能元)將機構(gòu)進行分類，并利用代碼描述功能元和機構(gòu)類別，由此建立起“機構(gòu)系統(tǒng)方案設計專家系統(tǒng)”知識庫。在此基礎(chǔ)上，將二元邏輯推理與模糊綜合評判原理相結(jié)合，建立了該“專家系統(tǒng)”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(gòu)方案設計中，運用網(wǎng)絡圖論方法將機構(gòu)的結(jié)構(gòu)表達為拓撲圖，再通過編碼技術(shù)，把機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和性能轉(zhuǎn)化為個體染色體的二進制數(shù)串，并根據(jù)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(yōu)的個體，即最符合設計要求的機構(gòu)方案。
3.2 知識的混合型表達法
針對復雜機械系統(tǒng)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(chǎn)品方案設計智能決策支持系統(tǒng)DMDSS中，將規(guī)則、框架、過程和神經(jīng)網(wǎng)絡等知識表示方法有機地結(jié)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(guī)則、框架和過程)，按面向?qū)ο蟮木幊淘瓌t，用框架的槽表示對象的屬性，用規(guī)則表示對象的動態(tài)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?qū)ο蟮臄?shù)控龍門銑床變速箱方案設計智能系統(tǒng)GBCDIS”和“變速箱結(jié)構(gòu)設計專家系統(tǒng)GBSDES”。
3.3 利用基于知識的開發(fā)工具
在聯(lián)軸器的CAD系統(tǒng)中，利用基于知識的開發(fā)工具NEXPERT-OBJECT，借助于面向?qū)ο蟮姆椒ǎ瑒?chuàng)建了面向?qū)ο蟮脑O計方法數(shù)據(jù)庫，為設計者進行聯(lián)軸器的方案設計和結(jié)構(gòu)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(nèi)容，由此尋求出基于知識的解，并開發(fā)出直線導軌設計專家系統(tǒng)。 {&jb5-*f
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