機械產品布局設計過程建模

[摘 要]在現代機械行業生產中，產品設計在整個產品生命周期中占有極其重要的地位，它在很大程度上決定了產品在整個生命周期內的品質和成本。現代機械產品通常為自上而下的設計，其包括產品原理方案設計與結構方案設計等階段。本文針對布局設計，聯系整個機械產品的設計過程，將設計的需求說明和機械產品信息轉化為約束來表示，并對產品信息進行獲取和表達，并據此建立了布局設計的求解模型。

[關鍵詞]機械產品；布局設計；模型

[中圖分類號]TH122 [文獻標識碼]A [文章編號]1005-6432(2008)44-0118-02

機械產品通常是經過自上而下的設計過程逐步完成的，設計過程包括產品原理方案設計與結構方案設計等階段。在原理方案設計與結構方案設計之間，存在一個原理方案實體化和結構化的過程。實體化過程主要考慮產品外形，零部件布局和人機關系等因素，即產品布局設計。布局設計對原理方案進行產品造型、構成、使用情形等方面的分析和設計，從而形成產品的初始形態。結構化是在布局設計的基礎上形成初始結構設計要素的設計。產品的布局設計是整個機械產品設計中的重要的一環，并對整個設計過程起著重要的作用，是一個領域針對性很強的問題。布局設計主要包含在裝配設計中，與產品的概念設計階段有著緊密的聯系。好的布局設計可以減少制造成本、改進性能、減小運輸成本等。

1 設計約束

產品設計是一個有限約束的綜合過程，其中一系列相關約束共同構成設計環境的約束系統，是支撐產品生命周期中各個視圖的問題解空間。

機械產品布局設計中，各種約束之間并不是孤立存在的，它們是相互關聯、相互映射的。如蝸桿-齒輪減速器中，用形位約束中的形狀約束和尺寸約束來描述齒輪特征，用工程約束中的連接約束、形位約束中的位置約束和有關的關聯約束共同描述齒輪和齒輪軸在布置空間中的位置和方位。根據自上而下，由整體到局部的設計思想，機械產品的構成又可以分為部件級、零件級和特征級三個由高到低的層次。

關聯約束(relat ion c onstra i nt s，用R表示)是對機械產品部件級、零件級和特征級層次之間以及層次中的零件、部件之間的屬性約束、行為約束和形位約束相互聯系、相互映射的關系的描述和限定。關聯約束在布局設計的數學模型中通常作為約束條件。

約束C是表示設計變量和設計域的一種關系。它作用于設計過程，并最終影響設計結果。設計約束可以表示為C={X，A}，其中X是與設計相關聯的約束變量，具有和設計參數相同的屬性和功效，是約束系統和設計之間聯系的橋梁；A表示約束的屬性，包括約束范圍、作用、大小和類型等。約束可分為系統約束與環境約束兩類，其中系統約束分為功能約束和結構約束，是貫穿整個設計過程的主要約束路線，而環境約束是指在產品設計過程中所采用的設計手段、方法與設計規則。根據約束所起的作用及其內部屬性，又可將約束分為：功能約束、結構約束、關系約束和選擇約束。將其形式化表達為如下四元組：C=[Cf，Cs，Cr，Co]T。其中，Cf表示功能約束類的變量及其約束，屬于系統約束類，對應產品前述階段的功能設計需求，例如，執行動作、行為要求等；Cs表示結構類的變量及其約束，也屬于系統約束類，對應設計目標和屬性要求，例如，結構形式等；Cr表示關系類的變量及其約束，屬于系統約束，關聯功能設計、布局設計約束，包括從功能到結構的對應關系以及從結構到功能的對應關系；Co表示選擇類的變量及其約束，屬于環境約束類，在多種約束中起選擇作用。在設計信息和約束的抽象中，由于設計信息的多樣性和復雜性，需要將約束進一步細化。

Cf={Af，Ff}；Cs={Es，Ss}；Cr={Fr，Sr}；Co={Lo，So}。

其中，Af表示與功能屬性相關的約束，表明產品實現的功能；Ff表示與功能行為相關的約束，表明產品具體能實現的行為。Es表示與產品相關配套設施構成具有多種約束變量的約束系統較為復雜，為了便于約束管理和約束運算，將其進行層次劃分，分為上層、中間層和下層，這是一種自上向下的設計思想。其中，上層約束由產品設計過程的前兩個階段需求分析和概念設計中相關信息導出；下層約束表示的是后續定位在零件結構的詳細設計視圖中的相關信息；而中間層約束主要表達布局設計信息。

2 基本概念

概念設計階段完成了產品從功能到結構的映射，其間用于實現和物化所需功能的物理要素稱為設計空間。設計空間可以是一個零件、部件或是剛性裝配體。用來表示功能的抽象子空間稱為設計單元。實際上，設計單元就是設計空間的子空間，是帶有邏輯功能的子裝配體或部件的一個容器。本文設定設計空間具有剛性和簡單形狀，并且可以被遞歸細分為多個設計單元。在布局設計階段，主要滿足的是中間層約束，包括關系約束和選擇約束。本文定義該設計階段約束為表達功能到結構變量之間的約束關系，廣義上包括設計單元的拓撲結構和布局方法的選擇。

Cr={Fr，Sr}，Co={Lo，So}

其中，設計單元的拓撲結構涉及設計單元之間的連接特征。連接特征屬于布局約束，它是具體化了的界面，物化兩設計單元之間的物理連接。由概念設計階段的界面（通常為抽象的點接觸、線接觸和面接觸等）特征，可導出布局設計階段的連接特征。

此外，布局約束還包括布局方法的選擇。根據布局設計過程中連接與定位的先后關系，將布局方法歸納為如下兩種：

(1)先定位后連接。先布置各個設計單元，即先將參與布局的設計單元大致位置固定。然后，再根據產品需求分析視圖和概念設計視圖中所得到的要求，進一步細化定出較為具體的設計單元之間的連接方式，例如，圓柱旋轉副、棱柱移動副、球體旋轉副等。

(2)先連接后定位。先確定設計單元之間的連接方式，然后再考慮其相互位置關系。下面給出一個機器人設計先連接后定位的例子。

某機器人，它的五個設計單元分別為手爪、手臂、上半身、下半身以及底座。在對該機器人進行設計時，開始采用任意位置，然后引進界面特征將設計單元聯系起來，構成一定的運動學性能；然后將界面特征物化為具體的連接特征，得到設計單元之間的四處連接如下：

A.手爪和手臂之間為萬向連接軸連接；

B.手臂和上半身為圓柱旋轉副連接；

C.上半身和下半身之間為圓柱旋轉副連接；

D.整體和底座之間為平面旋轉移動副連接。

從布局設計可以看出機器人是如何工作的，在這個階段，并不需要為布局生成所有的詳細元件尺寸，其目的是通過調整機器人各設計單元的大小，例如手臂的長短等，從而檢驗各設計單元之間是否協調以及功能性的實現與否。這種方法也可以同時診斷出布局單元潛在的碰撞，以及其他運動學特性，為后續詳細設計階段提供指導方針。

3 求解方法

傳統的優化求解方法，如罰函數法、復合形法、約束變尺度法、隨機方向法、簡約梯度法、可行方向法等，都有較為廣泛的應用。然而，隨著問題規模和復雜程度的逐漸增大，傳統優化求解方法易出現局部最優解等的局限性，為此許多研究人員提出了新的算法。目前研究較多的有專家系統技術、人工神經網絡方法以及各種智能啟發式算法，例如遺傳算法、模擬退火算法和禁忌搜索法等。

4 設計要求

通常布局設計有一定的布局目標和要求，用DR表示。布局設計要求屬于產品設計約束中的環境約束，它包括產品空間體積最小，布局密度盡可能大，產品的重心盡可能低，產品裝配性好，裝配路徑的經濟花費以及布局設計中的其他限定要求和描述等。

5 布局設計模型

在詳盡分析了布局設計所涉及的各種因素的基礎上，可以用布局設計模型來描述裝配設計階段的布局設計過程，簡稱布局模型，并將其形式化表示為如下的四元組：LDM=[DU，LC，LS，DR]T。其中，DU為設計單元；LC為布局約束；LS為求解方法；DR為設計要求。

6 產品多層次表達

從產品發展的全生命周期過程來看，可以得到產品的多層次表達。產品從需求分析階段到后期行為階段是一個特征演化過程。同時，諸多特征在各階段相應視圖的層次變化中都具有繼承性和尚不完備性，并且將隨著設計過程的細化和推進而逐步趨于完備。其中，由于產品的形態結構可塑性強，用戶消費心理、產品的美觀性、宜人性等因素在設計中擺在相當突出的地位，因而需求分析階段的相關特征不容忽視。而功能特征、設計要求則是設計過程進化的動力所在。設計過程的特征演化主要表現在概念設計、布局設計和詳細設計階段特征的產生、繼承、變異、抽象、派生、映射以及后期行為階段的消亡等幾個方面。設計方案的選擇和循環往復主要發生在這些特征之間。

參考文獻：

[1]王金敏.機械產品布局設計研究[J].機械設計，2007(2):14-15.

[2]王惠娟.機械產品布局設計的分層遞階求解模型[J].現代制造工程，2004(2):120-122.