【導讀】Introduction

　　

【正文】 種方法之間的有機聯(lián)系和機械產(chǎn)品方案設計實現(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，可以把現(xiàn)代設計方法概括為以下四種： 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。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。 (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。 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。 文獻 ［ 11］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。 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。 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 把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。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。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。 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)驗進行推理和決策，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。 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，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。 構(gòu)造了 “功能模塊 ”、 “功能元解 ”和 “機構(gòu)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。 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(shù)，以及多媒體、超媒體工具進行產(chǎn)品的開發(fā)設計、表達產(chǎn)品的構(gòu)思、描述 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)。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(chǎn)品設計技術(shù)和系統(tǒng)開發(fā)方法學 VDI2221，研制出適合于產(chǎn)品設計初期使用的多媒體開發(fā)系統(tǒng)軟件 MUSE。