面向信息時代的機械產品現代設計方法及發展趨勢探討

摘要：根據目前國內外設計學者進行機械產品設計時的主要思維特點，將產品方案的設計方法概括為系統化、結構模塊化、基于產品特征知識和智能化四種類型。指出四種方法的特點及其相互間的有機聯系.提出產品方案設計計算機實現的努力方向。

引言

科學技術的飛速發展，使產品功能的要求日益增多、復雜性增加、壽命期縮短、更新換代速度加快。然而產品的設計，尤其是機械產品方案的設計手段則顯得力不從心，跟不上時代發展的需求。在經濟全球化的環境下，機械制造業的競爭實質上是產品設計的競爭。如何快速地進行機械產品的開發是提高制造業市場競爭能力的一個關鍵問題，進行機械產品現代設計理論、方法和應用技術的研究是十分重要的一項基礎性工作。

目前計算機輔助產品的設計繪圖、計算、加工制造、生產規劃已得到廣泛深入地研究，并初見成效，而產品開發初期方案的計算機輔助設計卻遠遠不能滿足設計需要。為此本文概括總結了國內外設計學者進行方案設計時采取的方法，并討論了各種方法間的有機聯系和機械產品方案設計計算機實現的發展趨勢。

機械產品方案設計方法概括為以下四大類型：

1.系統化設計方法

系統化設計方法的主要特點是：將設計看成有若干設計要素組成的一個系統，每個設計要素具有獨立性，各個要素間存在著有機聯系，并具有層次性，所有要素結合后，即可實現設計系統所需完成的任務。下面介紹一些具有代表性的系統化設計方法。

1.1.設計元素法

用五個設計元素（功能、效應、效應載體、形狀元素和表面參數）描述“產品解”，認為一個產品的五個設計元素值確定之后，產品的所有特征和特征值即已確定。

1.2.圖形建模法

研制出設計分析和引導系統，用層次清楚的圖形描述出產品的功能結構及其相關的抽象信息，實現了系統結構、功能關系的圖形化建模，以及功能層之間的鏈接。

1.3.“構思”一“設計”法

將產品的方案設計分為“構思”和“設計”兩個階段。“構思”階段的任務是尋求、選擇和組合滿足設計任務要求的原理解。“設計”階段的工作則是具體實現構思階段的原理解。

1.4.矩陣設計法

在方案設計過程中采用“要求一功能”邏輯樹描述要求與功能之間的相互關系，得到滿足要求的功能設計解集，形成不同的設計方案。再根據“要求一功能”邏輯樹建立“要求一功能”關聯矩陣，以描述滿足要求所需功能之間的復雜關系，表示出要求與功能間一一對應的關系。

1.5.鍵合圖法

將組成系統元件的功能分成產生能量、消耗能量、轉變能量形式、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合，實現功能結構的自動生成和功能結構與鍵合圖之間的自動轉換，尋求由鍵合圖產生多個設計方案的方法。

2.結構模塊化設計方法

從規劃產品的角度提出：定義設計任務時以功能化的產品結構為基礎，引用已有的產品解（如通用零部件等）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品解。這樣能夠在產品規劃階段就消除設計任務中可能存在的矛盾，早期預測生產能力、費用，以及開發設計過程中計劃的可調整。由此提高設計效率和設計的可靠性，同時降低新產品的成本。

3.基于產品特征知識的設計方法

基于產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品的特征及其設計領域專家的知識和經驗，建立相應的知識庫及推理機，再利用已儲存的領域知識和建立的推理機制，實現計算機輔助產品的方案設計。

機械系統的方案設計主要是依據產品所具有的特征，以及設計領域專家的知識和經驗進行推量和決策，完成機構的型、數綜合。想要實現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、協調、管理和使用。

4.智能化設計方法

智能化設計方法的主要特點是：根據設計方法學理論，借助于三維圖形軟件、智能化設計軟件和虛擬現實技術，以及多媒體、超媒體工具進行產品的開發設計、表達產品的構思、描述產品的結構。

在進行機電產品設計時，把產品的整個開發過程概括為“產品規劃”、“開發”和“生產規劃”三個階段。

4.1.產品規劃一構思產品。任務是確定產品的外部特征，如色彩、形狀、表面質量、人機工程等，并將最初的設想用CAD立體模型表示出來，建立能夠體現整個產品外形的簡單模型。立體模型是檢驗外部形狀效果的依據，也是幾何圖形顯示設計變量的依據，同時還是開發過程中各類分析的基礎。

4.2.開發一設計產品。該階段主要依據“系統合成”原理，在立體模型上配置和集成解元素。將實現功能的關鍵性解元素配置到立體模型之后，即可對產品的配置進行分析。

4.3.產品規劃一加工和裝配產品。該階段主要是裝配過程中CAD技術的應用，提出用計算機圖形顯示解元素在相應位置的裝配過程，即通過虛擬裝配模型揭示造型和裝配間的關系，由此發現難點和問題，并找出解決問題的方法

5.總結

值得一提的是，上述各種設計方法并不是完全孤立的，各種方法之間都存在一定程度上的聯系。如結構模塊化設計方法中，劃分結構模塊時就蘊含有系統化思想；建立產品特征及設計方法知識庫和推理機時，通常也需運用系統化和結構模塊化方法；此外，基于產品特征知識的設計同時又是方案智能化設計的基礎之

網絡技術的蓬勃發展，使得異地協同設計與制造，以及從用戶對產品的功能需求一設計一加工一裝配一成品這一并行工程的實現成為可能。但是，達到這些目標的重要前提條件之一，就是實現產品方案設計效果的三維可視化。為此，不僅三維圖形軟件、智能化設計軟件愈來愈多地應用于產品的方案設計中，虛擬現實技術以及多媒體、超媒體工具也在產品的方案設計中初露鋒芒。

機械產品的方案設計正朝著計算機輔助實現、智能化設計和滿足異地協同設計制造的需求方向邁進。綜合運用文中的四種類型設計方法是達到這一目標的有效途徑。國外在這方面的研究已初見成效，我國的設計學者應該意識到與國際交流合作的重要性，并采取積極的措施。

參考文獻：

[1]劉永翔產品設計實用基礎[M]北京化學工業出版社，2003，134

[2]康曉東CAD技術（上）[J]機械工程師，1997， （6）：54.

作者簡介：

賈志蕓（1978.9）， 女，漢，天津市，機械工程及自動化專業本科，工程師，研究方向：機械設計。