【正文】 he conceptual die design process, and provide a good basis in bridging the gap between conceptual die design and traditional puteraided detailed die design. 模具概念設(shè)計中的功能建模摘要：由于此功能的使用在決定最終產(chǎn)品功能起著決定性的作用，在過去的二十年間它已經(jīng)被公認為設(shè)計過程中重要的一部分，特別是在概念設(shè)計階段。盡管現(xiàn)在有一些綜合的方法論能處理功能或功能的論證，可事實上由于商用計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)集中于幾何建模而不是功能建模，因此沒有能證明概念設(shè)計過程的系統(tǒng)。這篇論文是介紹一種通過步驟分為功能的分析、功能的綜合證明和功能結(jié)構(gòu)計劃的功能論證，類似于模具概念設(shè)計向?qū)У墓δ芙?。成形加工的功能模型為概念設(shè)計階段中產(chǎn)生多種模具結(jié)構(gòu)提供了良好的基礎(chǔ)。因為功能是比結(jié)構(gòu)更高級的抽象概念，并且促進獲取設(shè)計者的意圖。為獲得更迅速的模具概念設(shè)計步驟，功能建模過程已經(jīng)被執(zhí)行于計算機化的設(shè)計環(huán)境中。關(guān)鍵詞：概念設(shè)計；模具結(jié)構(gòu)設(shè)計；功能模型；功能建模；功能論證1． 引言在工程設(shè)計中，所有的產(chǎn)品和人造物品在生產(chǎn)出后都有其固有的原因：產(chǎn)品或人造物品的功能。換句話說，工程設(shè)計過程需要以功能為向?qū)А８拍钤O(shè)計階段是設(shè)計過程中至關(guān)重要的早期階段。初始設(shè)計的發(fā)明是為了解決設(shè)計問題的同時實現(xiàn)所必須的功能。功能設(shè)計對于概念設(shè)計行為的研究已經(jīng)成為種新的觀點，它的目的是為電腦工具提供連接功能設(shè)計和用于實現(xiàn)功能的結(jié)構(gòu)性體現(xiàn)。通常設(shè)計者贊同功能是決定產(chǎn)品基本特性最重要的概念，因為無論細節(jié)多么精致產(chǎn)品，只要帶有主要功能的問題就不可能被出售。當今，計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)的應(yīng)用大大的改善了設(shè)計者的生產(chǎn)力和設(shè)計質(zhì)量。然而大多數(shù)的CAD系統(tǒng)集中在下游設(shè)計，如詳圖設(shè)計。對概念設(shè)計階段有小的影響，特別是對于模具概念設(shè)計，歸結(jié)于兩個問題：（a）在概念設(shè)計階段它們集中精力于幾何建模，同時反對為功能建模做準備；（b）它們沒有能力從不完整和近似的信息中提取出結(jié)論，特別是功能信息。概念設(shè)計階段的核心在于可行性計劃解決方案，比如功能要求的設(shè)計問題是如何轉(zhuǎn)化為可行的初始設(shè)計解決方案。概念建模的方法通過描述和解決在功能方面的問題綜合操作行為，并允許從本身的功能層次論證。我們相信功能建模的外在作用為產(chǎn)生多種的解決方案提供了良好的基礎(chǔ)，因為功能是比結(jié)構(gòu)更高級的描述，并使設(shè)計能得到更佳的成果。功能的搜尋空間比結(jié)構(gòu)的搜尋空間更小。這篇論文當前研究集中于概念條件下通過運用功能建模方法完成模具結(jié)構(gòu)設(shè)計。此項工作的靈感來自于許多當前功能建模領(lǐng)域的研究計劃追蹤。模具概念設(shè)計系統(tǒng)的發(fā)展，雖然形成于從文獻收集而來的想法，不同于它們的是發(fā)展了新的概念建模結(jié)構(gòu)來表現(xiàn)設(shè)計問題和解決辦法。通過包括功能的分析、功能的綜合推理和多種功能結(jié)構(gòu)繪制的論證階段。另外，功能建模方法還未在模具設(shè)計研究的文獻中提及。2． 相關(guān)工作在近來日益激烈的工業(yè)競爭環(huán)境下，用來生產(chǎn)金屬零件產(chǎn)品的沖壓模具在整個大規(guī)模生產(chǎn)被廣泛的應(yīng)用于多種生產(chǎn)中，比如航天飛船、電子、機床、汽車、冷藏等等。因而在生產(chǎn)中出現(xiàn)自動控制而獲得更高的生產(chǎn)力，更好的產(chǎn)品質(zhì)量和更低的加工成本。甚至在多年的實踐下，這些發(fā)展仍被公認為得力于模具設(shè)計，就如同藝術(shù)的遺產(chǎn)多余科學的一樣。從歷史的關(guān)鍵上講，這些工作主要用手實現(xiàn)，基于設(shè)計者的反復試驗積累的經(jīng)驗，技巧和知識。為了加速沖壓模具設(shè)計，減少所必須的經(jīng)驗和技術(shù)，從上世紀70年代開始在計算機輔助模具設(shè)計方面倘若生產(chǎn)力改善、成本降低和設(shè)計自動操作的研究被廣泛的報導。用于沖壓模具設(shè)計的第一代CAD系統(tǒng)的特點是基于基本電腦圖形圖象工具、模具組成的標準化和設(shè)計程序的標準化，導致簡化設(shè)計和起草的時間。自上世紀80年代以來，研究員所做的重大成就是發(fā)展將多種特征方式的一體化、參數(shù)模型和基于認識、針對模具設(shè)計樣圖自動控制的智能模具設(shè)計系統(tǒng)。雖然以前的工作只能處理圖形表示法和基于認識的象征論證。但作為為模具設(shè)計階段的概念設(shè)計提供基礎(chǔ)更尖端的功能建模技術(shù)（比如建造設(shè)計的功能結(jié)構(gòu)）沒有更多的被運用。另一方面，功能建模已經(jīng)成為有前途的和最重要的模型設(shè)計和從功能表面獲取的設(shè)計要求使得論證普通功能或一些特殊領(lǐng)域工程研究設(shè)計的技術(shù)。一個最著名的功能建模結(jié)構(gòu)是Pahlamp。Beitz，比如基于流量概念的體系步驟。它們模仿全面的功能和分析于子功能對流動的能量、材料、信號進行分析?；赑ahlamp。Beitz的工作，一些其他的研究員也為功能建模結(jié)構(gòu)在總工程師設(shè)計領(lǐng)域還是做出了重要的貢獻。例如，多級流動模型（MFM）模擬一個根據(jù)目的和流動功能（來源、接收器、儲存、運輸、屏障和收支余額）、系統(tǒng)中的能量和信息流通過快遞描述塊的技術(shù)系統(tǒng)。功能被目標和兩種有聯(lián)系的方法所連接：完成和條件。流動功能條件為了建造流動結(jié)構(gòu)而被連接在一起。Umeda et （FBS）的模型依靠于兩個方法：因果分析和任務(wù)分解。Szykman et ?；A(chǔ)分析功能設(shè)計環(huán)境是Deng et 。在這個系統(tǒng)中，功能建模過程以初始的功能分析為始，以為物理結(jié)構(gòu)計劃基礎(chǔ)機械功能而結(jié)束。作為結(jié)果的功能模型為滿足產(chǎn)品規(guī)格和校核功能的實現(xiàn)而建立功能和產(chǎn)品的機構(gòu)關(guān)系。Mukherjee amp。 Liu提出草圖提取計劃沖壓金屬零件的概念設(shè)計，利用設(shè)計中的功能形式關(guān)系。功能上的幾何學主要機件當剩下的幾何關(guān)系被抽象為一組聯(lián)接時被描述為利用一組功能特征。部分功能把草圖提取用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來稱為功能形式矩陣。雖然這個工作在金屬片制造的應(yīng)用領(lǐng)域是前沿的、有前途的，可它的有效性被局限于規(guī)定為證明沖壓金屬零件的概念設(shè)計而不是模具結(jié)構(gòu)本身。在過去的一些年里，功能建模方法也已經(jīng)被證實合適于加工設(shè)計如注射模設(shè)計，可應(yīng)用仍處于它的初級時期。雖然沒有文獻存在到目前為止在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計中仍適用功能建模技術(shù)。因此這篇論文我們希望利用功能建模近似概念上的準備證明模具機構(gòu)設(shè)計的優(yōu)點，多種功能論證技術(shù)應(yīng)當被綜合的發(fā)展成模具設(shè)計對象的全面功能機能結(jié)構(gòu)。3． 全面的功能建模結(jié)構(gòu)在功能建模中，在功能和結(jié)構(gòu)間的多種功能關(guān)系為了發(fā)展全面的功能模型而被詳細闡述。三個關(guān)鍵類型的關(guān)系，比如深入分析、實現(xiàn)、這篇文章所定義的關(guān)系所證明的。F1 ↓ 分解成 ↙ ↓ ↘F11 F12 F13 ↗ ↖被……支持 通過……實現(xiàn) ∕ ﹨F111 S11 ↑ 被……支持 ∣ F12 圖形1關(guān)系分解：這個被分解為簡單的子功能關(guān)系顯示著功能。查閱圖形1，一個主要功能F1：執(zhí)行沖壓作業(yè)被分解為簡單的附功能F11：沖壓成形部分，F(xiàn)12：帶材沖壓部分，和F13：頂出沖壓部分。關(guān)系實現(xiàn)：這樣的關(guān)系顯示著被認為是通過它們間計劃的物理結(jié)構(gòu)功能。查閱圖形1，功能F11：形成被認做為物理結(jié)構(gòu)的沖壓部分 S11：沖孔。支持關(guān)系：這種關(guān)系描述一個功能的子功能對其它功能的支持。換句話說，如果所必須支持的功能沒有被提供，它們所支持的功能（或結(jié)構(gòu)）也許不會被實現(xiàn)。查閱圖形1，功能F11：形成直接影響立即完成效果功能的沖壓零件。F111：證明沖壓部分不是造成目的立即完成的原因而是影響結(jié)果目的的穩(wěn)定性。也就是說，功能11僅僅是由于功能F111證明的存在而可能被完整實現(xiàn)的。同理，結(jié)構(gòu)1：沖孔僅僅是由于另一個功能F112的存在而可能被完整實現(xiàn)的。圖形2顯示提出的由兩層組成的功能建模結(jié)構(gòu)特性，也就是功能層和結(jié)構(gòu)層。功能層定義必要的功能來構(gòu)成其他功能，或證明其它功能（或結(jié)構(gòu)）。結(jié)構(gòu)層描述了功能的潛在物理體現(xiàn)。在這樣的功能建模結(jié)構(gòu)，如果想得到的功能（或物理結(jié)構(gòu)）只可能在其他功能提出時才能被實現(xiàn)，在為產(chǎn)生更多完整的功能設(shè)計而證明功能的同時，后來的功能應(yīng)該先整合起來。另一方面，所要得到的功能不必被分解成附功能，除非要證明所要得到的功能匹配的物理結(jié)構(gòu)不能被建立。計劃的方法防止范圍問題被分解“很細微”，導致推翻整個組合。通常，在需要得到的功能（完整的必要功能，附功能或證明功能）或物理性結(jié)構(gòu)精通后在無顯著特點的功能論證中方法類型如下：●功能論證方法類型I：把所要得到的功能當成通過功能結(jié)構(gòu)計劃的物理性結(jié)構(gòu)?！窆δ苷撟C方法類型II：證明功能通過后來被當成物理性結(jié)構(gòu)的功能證明綜合來支持所要得到的功能?！褡C明功能通過III：證明功能通過后來被當成另外的物理性結(jié)構(gòu)的功能證明綜合來支持物理結(jié)構(gòu)?！褡C明功能通過IV：所要得到的功能通過后來被當成物理結(jié)構(gòu)的功能分解被分為簡單的子功能。4． 在模具概念設(shè)計中的功能建模我們認為該概念設(shè)計是為了構(gòu)建相容的、可行的設(shè)計功能模型在功能建模結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)功能規(guī)范設(shè)計細節(jié)化和具體化。以普通的沖壓模具為例子，從功能觀點得來設(shè)計規(guī)格是功能所必要的，例如完成模具作業(yè)。在電腦輔助設(shè)計環(huán)境中概念上模具設(shè)計過程的層進行如下：（1）對于理想的功能（或物理結(jié)構(gòu)），出發(fā)點主要是看由于一些其他功能的存在通過功能支持綜合是否能被實現(xiàn)。如果是適用的，后者作為支持功能就應(yīng)該先綜合，以便創(chuàng)建一個更完善的功能設(shè)計。如果它不適用，這一點在下面的討論中就不會再重復。F11，F(xiàn)12和F13應(yīng)被綜合，在功能層充分的實現(xiàn)整體功能要求F1。這里，F(xiàn)1：執(zhí)行沖壓操作；F11：進料；F12：固定材料； F13：引導沖壓進行。（2）支持功能綜合后，理想功能F1能否被實現(xiàn)要由通過功能結(jié)構(gòu)映射的物理結(jié)構(gòu)來檢驗。因為F1太復雜不能通過任何一合適的結(jié)果直接實現(xiàn)，為了下一步結(jié)構(gòu)功能映射它被分成了三個簡單的子功能F14，F(xiàn)15和F16。這里，F(xiàn)14：成形制件；F15：分離制件；F16：頂出制件。（3）那么。要完全實現(xiàn)S141，支持功能F1411必須進一步合成，它才能被物理結(jié)構(gòu)S1411實現(xiàn)。這里，F(xiàn)141：支撐制件；F1411:固定模具；S14：沖床；S141：模具；S1411：模具按鈕；（4）同樣的，先進的物理結(jié)構(gòu)S11,S12,S13,S15,S16分別實現(xiàn)了期望的功能F11,F12,F12,F15,F16。這里,S11:導料；S12：固定銷；S13：導柱；S15：推板；S16：頂桿。（5）經(jīng)過進一步的功能配套綜合和功能結(jié)構(gòu)映射之后，其他的都保持物理結(jié)構(gòu)的發(fā)展，包括導套，上模座，下模座，沖床，卸料彈簧，脫模導向銷，脫模導套，滑塊，凸模固定板。在上述功能建模過程中，模具設(shè)計對象中功能結(jié)構(gòu)是不斷完善的，它為在概念設(shè)計階段生成各種物理模具結(jié)構(gòu)提供了一個良好的基礎(chǔ)，因為功能是一種更高層次的抽象性結(jié)構(gòu)，并有助于了解設(shè)計師的意圖。功能建模方法在給模具結(jié)構(gòu)設(shè)計提供概念支持比傳統(tǒng)的幾何造型有利的多，因為后者不能從存在于早期設(shè)計中的功能關(guān)系中利用功能并得到結(jié)論。5．結(jié)論這篇論文提出了在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計中運用功能建模方法中方法學發(fā)展，這種功能建模方法比傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)模仿模具設(shè)計者在模具概念設(shè)計階段的想法更逼真，更真實。概念設(shè)計與相容的構(gòu)造過程、設(shè)計中可行的功能建模、功能規(guī)范的具體化同樣在功能建模結(jié)構(gòu)中受到重視。在功能建模中，模具設(shè)計問題和解決方案通過包含了功能分解、功能綜合支持和設(shè)計功能結(jié)構(gòu)的多種功能論證步驟被全面的展現(xiàn)。如果由于其它功能的存在而所要得到的功能無法完整實現(xiàn)，支持功能產(chǎn)生更多完整功能設(shè)計的同時后者應(yīng)首先被合成。另一方面，除非被當作所要得到功能的匹配物理結(jié)構(gòu)不能建立，所要得到的功能不分解為子功能。目標的方法可以縮小在功能分解中發(fā)生推翻組合的可能性。為加速模具概念設(shè)計過程，功能建模過程在計算機化設(shè)計環(huán)境中執(zhí)行，并且為模具概念設(shè)計和傳統(tǒng)電腦輔助的逐條模具設(shè)計間的互通提供了好的基礎(chǔ)和橋梁。