【導(dǎo)讀】Introduction

　　

【正文】 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)實(shí)現(xiàn)的發(fā)展趨勢。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，可以把現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法概括為以下四種： 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。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。 (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。 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、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。 文獻(xiàn) ［ 11］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。 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。 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 把設(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。采用面向應(yīng)用的結(jié)構(gòu)化特征目錄，對功能元件進(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)，對于評價(jià)專用機(jī)械的設(shè)計(jì)、制造風(fēng) 險(xiǎn)十分有利。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。 基于產(chǎn)品特征知識的設(shè)計(jì)方法 基于產(chǎn)品特征知識設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)是：用計(jì)算機(jī)能夠識別的語言描述產(chǎn)品的特征及其設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗(yàn)，建立相應(yīng)的知識庫及推理機(jī)，再利用已存儲的領(lǐng)域知識和建立的推理機(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和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理和決策，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)者針對機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)知識的自動(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。 根據(jù) “運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換 ”功能 (簡稱功能元 )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(jī)制，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。 構(gòu)造了 “功能模塊 ”、 “功能元解 ”和 “機(jī)構(gòu)組 ”三級遞進(jìn)式設(shè)計(jì)目錄，并將這三級遞進(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)的知識庫和開發(fā)設(shè)計(jì)的輔助工具。 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)。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。