唐林;鄒慧君 來源：機械科學
引 言
科學技術的飛速發(fā)展，產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，產品的設計，尤其是機械產品方案的設計手段，則顯得力不從心，跟不上時代發(fā)展的需要。目前，計算機輔助產品的設計繪圖、設計計算、加工制造、生產規(guī)劃已得到了比較廣泛和深入的研究，并初見成效，而產品開發(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上，概括總結了國內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)系和機械產品方案設計計算機實現(xiàn)的 發(fā)展趨勢。
根據(jù)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(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，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上，制訂出標準VDI2221“技術系統(tǒng)和產品的開發(fā)設計方法”，其設計流程見圖1 。
圖1 技術系統(tǒng)和產品的開發(fā)設計方法 OmECvL'Z
(德國工程師協(xié)會標準VDI2221)
制定的機械產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)將用戶需求作為產品功能特征構思、結構設計和零件設計、工藝規(guī)劃、作業(yè)控制等的基礎，從產品開發(fā)的宏觀過程出發(fā)，利用質量功能布置方法，系統(tǒng)地將用戶需求信息合理而有效地轉換為產品開發(fā)各階段的技術目標和作業(yè)控制規(guī)程的方法，其質量功能布置方法概貌見圖2。
圖2 質量功能布置方法概貌
(2)將產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)圖符抽象地表達產品的功能要求，形成產品功能系統(tǒng)結構。
(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)及其相互關系；二是將產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(tǒng)”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(xiàn)了系統(tǒng)結構、功能關系的圖形化建模，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(xiàn)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(xiàn)了設計過程中不同抽象層間信息關系的圖形化建模。
將語義設計網作為設計工具，在其開發(fā)的活性語義設計網ASK中，采用結點和線條組成的網絡描述設計，結點表示元件化的單元(如設計任務、功能、構件或加工設備等)，線條用以調整和定義結點間不同的語義關系，由此為設計過程中的所有活動和結果預先建立模型，使早期設計要求的定義到每一個結構的具體描述均可由關系間的定義表達，實現(xiàn)了計算機輔助設計過程由抽象到具體的飛躍。
1.3 “構思”—“設計”法
將產品的方案設計分成“構思”和“設計”兩個階段�！皹嬎肌彪A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(xiàn)構思階段的原理解 ［12］。
將方案的“構思”具體描述為：根據(jù)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(xiàn)，并將“結構元素”間的物理聯(lián)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(jù)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(lián)接件(“功能載體”)的形狀及位置，得到結構示意圖。Roper，H.利用圖論理論，借助于由他定義的“總設計單元(GE)”、“結構元素(KE)”、“功能結構元素(FKE)”、“聯(lián)接結構元素(VKE)”、“結構零件(KT)”、“結構元素零件(KET)”等概念，以及描述結構元素尺寸、位置和傳動參數(shù)間相互關系的若干種簡圖，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) 獲取功能和功能結構(簡稱為“功能”)；2) 尋找效應(簡稱為“效應”)；3) 尋找結構(簡稱為“構形規(guī)則”)。并用下述四種策略描述機械產品構思階段的工作流程：策略1：分別考慮“功能”、“效應”和“構形規(guī)則”。因此，可以在各個工作步驟中分別創(chuàng)建變型方案，由此產生廣泛的原理解譜。策略2：“效應”與“構形規(guī)則”(包括設計者創(chuàng)建的規(guī)則)關聯(lián)，單獨考慮功能(通常與設計任務相關)。此時，辨別典型的構形規(guī)則及其所屬效應需要有豐富的經驗，產生的方案譜遠遠少于策略1的方案譜。策略3：“功能”、“效應”、“構形規(guī)則”三者密切相關。適用于功能、效應和構形規(guī)則間沒有選擇余地、具有特殊要求的領域，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構化求解。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”關聯(lián)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(tǒng)方案設計的基礎，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(xiàn)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(guī)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(guī)劃階段就消除設計任務中可能存在的矛盾，早期預測生產能力、費用，以及開發(fā)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(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品結構，對于評價專用機械的設計、制造風 險十分有利。
提倡在產品功能分析的基礎上，將產品分解成具有某種功能的一個或幾個模塊化的基本結構，通過選擇和組合這些模塊化基本結構組建成不同的產品。這些基本結構可以是零件、部件，甚至是一個系統(tǒng)。理想的模塊化基本結構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、經濟化，具有互換性、相容性和相關性。我國結合軟件構件技術和CAD技術，將變形設計與組合設計相結合，根據(jù)分級模塊化原理，將加工中心機床由大到小分為產品級、部件級、組件級和元件級，并利用專家知識和CAD技術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構的工具，提出將設計的解元素進行完整的、結構化的編排，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 有自調整性的部件；2) 結構上具有共性的組合件；3)具有嵌套式結構及嵌套式元件的聯(lián)接 ；4)具有模塊化結構和模塊化元件的聯(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機構型式的一一對應�！敖Y構建立”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(xiàn)計算機輔助產品的方案設計。
機械系統(tǒng)的方案設計主要是依據(jù)產品所具有的特征，以及設計領域專家的知識和經驗進行推量和決策，完成機構的型、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、管理和使用.為此，國內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(tǒng)方案設計專家系統(tǒng)”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(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(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(guī)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(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“面向對象的數(shù)控龍門銑床變速箱方案設計智能系統(tǒng)GBCDIS”和“變速箱結構設計專家系統(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，借助于面向對象的方法，創(chuàng)建了面向對象的設計方法數(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(fā)出直線導軌設計專家系統(tǒng)。 :AC( \
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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(tǒng)的知識庫和開發(fā)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(tǒng)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。
4 智能化設計方法
智能化設計方法的主要特點是：根據(jù)設計方法學理論，借助于三維圖形軟件、智能化設計軟件和虛擬現(xiàn)實技術，以及多媒體、超媒體工具進行產品的開發(fā)設計、表達產品的構思、描述 產品的結構。
文獻［39］在利用數(shù)學系統(tǒng)理論的同時，考慮了系統(tǒng)工程理論、產品設計技術和系統(tǒng)開發(fā)方法學VDI2221，研制出適合于產品設計初期使用的多媒體開發(fā)系統(tǒng)軟件MUSE。
文獻［40］在進行自動取款機設計時，把產品的整個開發(fā)過程概括為“產品規(guī)劃”、“開發(fā)”和“生產規(guī)劃”三個階段，并且充分利用了現(xiàn)有的CAD尖端技術——虛擬現(xiàn)實技術。1) 產品規(guī)劃—構思產品。其任務是確定產品的外部特性，如色彩、形狀、表面質量、人機工程等等，并將最初的設想用CAD立體模型表示出，建立能夠體現(xiàn)整個產品外形的簡單模型，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，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。立體模型是檢測外部形狀效果的依據(jù)，也是幾何圖形顯示設計變量的依據(jù)，同時還是開發(fā)過程中各類分析的基礎。 2) 開發(fā)—設計產品。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)設計目標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；也可以是復合元素，如機、電、電子部件、控制技術或軟件組成的傳動系統(tǒng)；還可以是要求、特性、形狀等等。將實現(xiàn)功能的關鍵性解元素配置到立體模型上之后，即可對產品的配置(設計模型中解元素間的關系)進行分析，產品配置分析是綜合“產品規(guī)劃”和“開發(fā)”結果的重要手段。3) 生產規(guī)劃—加工和裝配產品。在這一階段中，文獻［40］主要論述了裝配過程中CAD技術的應用，提出用計算機圖像顯示解元素在相應位置的裝配過程，即通過虛擬裝配模型揭示造形和裝配間的關系，由此發(fā)現(xiàn)難點和問題，并找出解決問題的方法，并認為將CAD技術綜合應用于產品開發(fā)的三個階段，可以使設計過程的綜合與分析在“產品規(guī)劃”、“開發(fā)”和“生產規(guī)劃”中連續(xù)地交替進行。因此，可以較早地發(fā)現(xiàn)各個階段中存在的問題，使產品在開發(fā)進程中不斷地細化和完善。
我國利用虛擬現(xiàn)實技術進行設計還處于剛剛起步階段。利用面向對象的技術，重點研究了按時序合成的機構組合方案設計專家系統(tǒng)，并借助于具有高性能圖形和交換處理能力的OpenGL技術，在三維環(huán)境中從各個角度對專家系統(tǒng)設計出的方案進行觀察，如運動中機構間的銜接狀況是否產生沖突等等。
將構造標準模塊、產品整體構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。建議在產品開發(fā)過程中將快速成型技術、多媒體技術以及虛擬表達與神經網絡(應用于各個階段求解過程需要的場合)結合應用。指出隨著計算機軟、硬件的不斷完善，應盡可能地將多媒體圖形處理技術應用于產品開發(fā)中，例如三維圖形(立體模型)代替裝配、拆卸和設計聯(lián)接件時所需的立體結構想象力等等。
利用智能型CAD系統(tǒng)SIGRAPH-DESIGN作為開發(fā)平臺，將產品的開發(fā)過程分為概念設計、裝配設計和零件設計，并以變量設計技術為基礎，建立了膠印機凸輪連桿機構的概念模型。從文獻介紹的研究工作看，其概念模型是在確定了機構型、數(shù)綜合的基礎上，借助于軟件SIGRAPH-DESIGN提供的變量設計功能，使原理圖隨著機構的結構參數(shù)變化而變化，并將概念模型的參數(shù)傳遞給下一級的裝配模型、零件設計。
5 各類設計方法評述及發(fā)展趨勢
綜上所述，系統(tǒng)化設計方法將設計任務由抽象到具體(由設計的任務要求到實現(xiàn)該任務的方案或結構)進行層次劃分，擬定出每一層欲實現(xiàn)的目標和方法，由淺入深、由抽象至具體地將各層有機地聯(lián)系在一起，使整個設計過程系統(tǒng)化，使設計有規(guī)律可循，有方法可依，易于設計過程的計算機輔助實現(xiàn)。
結構模塊化設計方法視具有某種功能的實現(xiàn)為一個結構模塊，通過結構模塊的組合，實現(xiàn)產品的方案設計。對于特定種類的機械產品，由于其組成部分的功能較為明確且相對穩(wěn)定，結構模塊的劃分比較容易，因此，采用結構模塊化方法進行方案設計較為合適。由于實體與功能之間并非是一一對應的關系，一個實體通�？梢詫崿F(xiàn)若干種功能，一個功能往往又可通過若干種實體予以實現(xiàn)。因此，若將結構模塊化設計方法用于一般意義的產品方案設計，結構模塊的劃分和選用都比較困難，而且要求設計人員具有相當豐富的設計經驗和廣博的多學科 領域知識。
機械產品的方案設計通常無法采用純數(shù)學演算的方法進行，也難以用數(shù)學模型進行完整的描述，而需根據(jù)產品特征進行形式化的描述，借助于設計專家的知識和經驗進行推理和決策。因此，欲實現(xiàn)計算機輔助產品的方案設計，必須解決計算機存儲和運用產品設計知識和專家設計決策等有關方面的問題，由此形成基于產品特征知識的設計方法。
目前，智能化設計方法主要是利用三維圖形軟件和虛擬現(xiàn)實技術進行設計，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計中，但系統(tǒng)性較差，且零部件的結構、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，或者有豐富經驗的設計者參與。
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，如結構模塊化設計方法中，劃分結構模塊時就蘊含有系統(tǒng)化思想，建立產品特征及設計方法知識庫和推理機時，通常也需運用系統(tǒng)化和結構模塊化方法，此外，基于產品特征知識的設計同時又是方案智能化設計的基礎之一。在機械產品方案設計中，視能夠實現(xiàn)特定功能的通用零件、部件或常用機構為結構模塊，并將其應用到系統(tǒng)化設計有關層次的具體設計中，即將結構模塊化方法融于系統(tǒng)化設計方法中，不僅可以保證設計的規(guī)范化，而且可以簡化設計過程，提高設計效率和質量，降低設計成本。
網絡技術的蓬勃發(fā)展，異地協(xié)同設計與制造，以及從用戶對產品的功能需求→設計→加工→裝配→成品這一并行工程的實現(xiàn)成為可能。但是，達到這些目標的重要前提條件之一，就是實現(xiàn)產品方案設計效果的三維可視化。為此，不僅三維圖形軟件、智能化設計軟件愈來愈多地應用于產品的方案設計中，虛擬現(xiàn)實技術以及多媒體、超媒體工具也在產品的方案設計中初露鋒芒。目前，德國等發(fā)達國家正著力于研究超媒體技術、產品數(shù)據(jù)交換標準STEP，以及標準虛擬現(xiàn)實造型語言VRML(Intemet 上基于虛擬環(huán)境的標準交換格式)在產品設計中的應用.
機械產品的方案設計正朝著計算機輔助實現(xiàn)、智能化設計和滿足異地協(xié)同設計制造需求的方向邁進，由于產品方案設計計算機實現(xiàn)方法的研究起步較晚，目前還沒有成熟的、能夠達到上述目標的方案設計工具軟件。作者認為，綜合運用文中四種類型設計方法是達到這一目標有效途徑。雖然這些方法的綜合運用涉及的領域較多，不僅與機械設計的領域知識有關，而且還涉及到系統(tǒng)工程理論、人工智能理論、計算機軟硬件工程、網絡技術等各方面的領域知識，但仍然是產品方案設計必須努力的方向。國外在這方面的研究已初見成效，我國設計學者也已意識到CAD技術與國際交流合作的重要性，及其應當采取的措施。
