機(jī)械產(chǎn)品布局設(shè)計(jì)特征建模探討

金敬女

摘 要：主要探討了機(jī)械產(chǎn)品布局設(shè)計(jì)特征建模的六個步驟，分別是設(shè)計(jì)約束，基本概念，求解方法，設(shè)計(jì)要求，布局設(shè)計(jì)模型，產(chǎn)品多層次表達(dá)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械產(chǎn)品；布局設(shè)計(jì)；建模

中圖分類號：TU2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3198（2009）03-0264-02

1 設(shè)計(jì)約束

產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個有限約束的綜合過程，其中一系列相關(guān)約束共同構(gòu)成設(shè)計(jì)環(huán)境的約束系統(tǒng)，是支撐產(chǎn)品生命周期中各個視圖的問題解空間。約束C是表示設(shè)計(jì)變量和設(shè)計(jì)域的一種關(guān)系。它作用于設(shè)計(jì)過程，并最終影響設(shè)計(jì)結(jié)果。設(shè)計(jì)約束可以表示為C={X，A}，其中X是與設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)的約束變量，具有和設(shè)計(jì)參數(shù)相同的屬性和功效，是約束系統(tǒng)和設(shè)計(jì)之間聯(lián)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(tǒng)約束與環(huán)境約束兩類，其中系統(tǒng)約束分為功能約束和結(jié)構(gòu)約束，是貫穿整個設(shè)計(jì)過程的主要約束路線，而環(huán)境約束是指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中所采用的設(shè)計(jì)手段，方法與設(shè)計(jì)規(guī)則。根據(jù)約束所起的作用及其內(nèi)部屬性，又可將約束分為：功能約束、結(jié)構(gòu)約束、關(guān)系約束和選擇約束。將其形式化表達(dá)為如下四元組：C=［Cf_n，C_s，C_rs，C_o］T，其中，C_f表示功能約束類的變量及其約束；C_s表示結(jié)構(gòu)類的變量及其約束；C_r表示關(guān)系類的變量及其約束；C_o表示選擇類的變量及其約束。在設(shè)計(jì)信息和約束的抽象中，由于設(shè)計(jì)信息的多樣性和復(fù)雜性，需要將約束進(jìn)一步細(xì)化。

C_f={A_f，F(xiàn)_f}；C_s={E_s,S_s};C_r={F_r,S_r};C_o={L_o,S_o}。

其中，A璮表示與功能屬性相關(guān)的約束，表明產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的功能；F_f表示與功能行為相關(guān)的約束，表明產(chǎn)品具體能實(shí)現(xiàn)的行為。E_s表示與產(chǎn)品相關(guān)配套設(shè)施構(gòu)成的環(huán)境結(jié)構(gòu)形式；S_s表示產(chǎn)品本身的詳細(xì)形狀結(jié)構(gòu)約束形式。F_r表示從功能到結(jié)構(gòu)的關(guān)系約束；S_r表示從結(jié)構(gòu)到功能變量之間的約束關(guān)系。L_o表示邏輯類約束；S_o表示選擇類型約束。具有多種約束變量的約束系統(tǒng)較為復(fù)雜，為了便于約束管理和約束運(yùn)算，將其進(jìn)行層次劃分，約束分層表達(dá)將約束分為上層、中間層和下層，這是一種自頂向下的設(shè)計(jì)思想。其中，上層約束由產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的前兩個階段需求分析和概念設(shè)計(jì)中相關(guān)信息導(dǎo)出；下層約束表示的是后續(xù)定位在零件結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)視圖中的相關(guān)信息；而中間層約束主要表達(dá)布局設(shè)計(jì)信息。

2 基本概念

根據(jù)布局設(shè)計(jì)過程中聯(lián)接與定位的先后關(guān)系，將布局方法歸納為如下三種：（1）先定位后聯(lián)接。先布置各個設(shè)計(jì)單元，即先將參與布局的設(shè)計(jì)單元大致位置固定。然后，再根據(jù)產(chǎn)品需求分析視圖和概念設(shè)計(jì)視圖中所得到的要求，進(jìn)一步細(xì)化定出較為具體的設(shè)計(jì)單元之間的聯(lián)接方式，例如，圓柱旋轉(zhuǎn)副、棱柱移動副、球體旋轉(zhuǎn)副等。（2）先聯(lián)接后定位。先確定設(shè)計(jì)單元之間的聯(lián)接方式，然后再考慮其相互位置關(guān)系。（3）聯(lián)接定位。這種方式將定位和聯(lián)接先后順序模糊化，即介于上述兩種方法之間。聯(lián)接方式先不嚴(yán)格固定，同時兼顧設(shè)計(jì)單元之間的相互位置關(guān)系，繼而最終確定出布局聯(lián)接定位關(guān)系，得到設(shè)計(jì)單元的布置方式。

3 求解方法

傳統(tǒng)的優(yōu)化求解方法，如罰函數(shù)法、復(fù)合形法、約束變尺度法、隨機(jī)方向法、簡約梯度法、可行方向法等，都有較為廣泛的應(yīng)用。然而，隨著問題規(guī)模和復(fù)雜程度的逐漸增大，傳統(tǒng)優(yōu)化方法易出現(xiàn)局部最優(yōu)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(tǒng)技術(shù)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法以及各種智能啟發(fā)式算法，例如遺傳算法、模擬退火算法和禁忌搜索法等。

4 設(shè)計(jì)要求

通常布局設(shè)計(jì)有一定的布局目標(biāo)和要求，用DR表示。布局設(shè)計(jì)要求屬于產(chǎn)品設(shè)計(jì)約束中的環(huán)境約束，它包括產(chǎn)品空間體積最小，布局密度盡可能大，產(chǎn)品的重心盡可能低，產(chǎn)品裝配性好，裝配路徑的花費(fèi)經(jīng)濟(jì)以及布局設(shè)計(jì)中的其它限定要求和描述等。

5 布局設(shè)計(jì)模型

在詳盡分析了布局設(shè)計(jì)所涉及的各種因素的基礎(chǔ)上，本文用布局設(shè)計(jì)模型來描述裝配設(shè)計(jì)階段的布局設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)單元；LC為布局約束；LS為求解方法；DR為設(shè)計(jì)要求。

6 產(chǎn)品多層次表達(dá)

從產(chǎn)品發(fā)展的全生命周期過程來看，可以得到產(chǎn)品的多層次表達(dá)。如下圖所示，產(chǎn)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(yīng)視圖的層次變化中都具有繼承性和不完備性，并且將隨著設(shè)計(jì)過程的細(xì)化和推進(jìn)而逐步趨于完備。其中，由于產(chǎn)品的形態(tài)結(jié)構(gòu)可塑性強(qiáng)，用戶消費(fèi)心理、產(chǎn)品的美觀性、宜人性等因素在設(shè)計(jì)中擺在相當(dāng)突出的地位，因而需求分析階段的相關(guān)特征不容忽視。而功能特征、設(shè)計(jì)要求則是設(shè)計(jì)過程進(jìn)化的動力所在。設(shè)計(jì)過程的特征演化主要表現(xiàn)在概念設(shè)計(jì)、布局設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段特征的產(chǎn)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(shè)計(jì)方案的選擇和循環(huán)往復(fù)主要發(fā)生在這些特征之間。

概括起來，多視圖特征在設(shè)計(jì)過程中主要表現(xiàn)出下列特點(diǎn)：

①分類層次性。設(shè)計(jì)過程中的特征多視角性主要涉及三個方面，即功能需求、結(jié)構(gòu)特性和制造特點(diǎn)。每類特征又可根據(jù)設(shè)計(jì)過程不同環(huán)節(jié)的需求進(jìn)一步細(xì)化，形成分類層次結(jié)構(gòu)，最底層即為實(shí)際工程應(yīng)用中面向不同環(huán)節(jié)的基本元素。

②相互依賴性。在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段基本確定產(chǎn)品的功能需求；在具體化設(shè)計(jì)階段，根據(jù)產(chǎn)品的功能要求，確定產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特性；在詳細(xì)設(shè)計(jì)（工藝設(shè)計(jì)或可制造性分析）階段則根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及功能，產(chǎn)品的批量、技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求及現(xiàn)有的生產(chǎn)條件、包括人員素質(zhì)，管理方式，制造環(huán)境和經(jīng)驗(yàn)習(xí)慣等，確定產(chǎn)品的制造特點(diǎn)。同時，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須顧及產(chǎn)品的功能性和工藝性，這表現(xiàn)為特征間的反饋性。設(shè)計(jì)過程的循環(huán)反復(fù)，正是因果性和反饋性之間協(xié)調(diào)和統(tǒng)一的具體表現(xiàn)。

③關(guān)聯(lián)多重性。同一功能可以由不同的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。同一結(jié)構(gòu)又可以表現(xiàn)為不同的功能。如—個外回轉(zhuǎn)面，既可能是一個支承面，也可能是一個導(dǎo)向面，同樣，—個導(dǎo)向功能既可由圓柱結(jié)構(gòu)，也可以用槽結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。此外，同一結(jié)構(gòu)特征可以用不同的工藝加工方法來形成；反之，不同的工藝方法可以實(shí)現(xiàn)相同的產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)。這一特點(diǎn)要求設(shè)計(jì)，制造過程中不斷對功能、結(jié)構(gòu)和制造間進(jìn)行協(xié)調(diào)和優(yōu)化。

④表達(dá)同一性。盡管特征有功能、結(jié)構(gòu)和制造的多方面含義。其屬性類型及其值域也多種多樣，但其基本的作用對象都是構(gòu)成特定形狀結(jié)構(gòu)的幾何形體，任何的特性歸根到底都可具體化為形狀的特性以及相應(yīng)的幾何生成方法。

參考文獻(xiàn)

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