計算機輔助概念設(shè)計在機械產(chǎn)品中的應(yīng)用

周玉蘭

(蘇州市電子信息技師學院,江蘇 蘇州 215008)

0 引言

以知識為基礎(chǔ)的新產(chǎn)品競爭是當前全球化制造環(huán)境下各個企業(yè)技術(shù)競爭的核心。一個新的機械設(shè)計產(chǎn)品在功能、原理、布局、形狀、結(jié)構(gòu)、人機操作、外觀設(shè)計和工藝等任意一個方面的創(chuàng)新[1]，都直接影響機械產(chǎn)品的整體特性，最終影響機械產(chǎn)品的市場競爭力。

目前，大部分機械產(chǎn)品創(chuàng)新主要是對過去的相關(guān)經(jīng)驗與知識進行分解、組合，實現(xiàn)新的使用功能，創(chuàng)新性是衡量機械產(chǎn)品開發(fā)成功與否、是否具有市場發(fā)展前景和競爭力的基本要素，國內(nèi)外目前都將機械產(chǎn)品的創(chuàng)新能力作為產(chǎn)品開發(fā)的重要組成部分[2]。

在機械產(chǎn)品設(shè)計過程中，產(chǎn)品的概念設(shè)計是突出表現(xiàn)機械產(chǎn)品創(chuàng)新性的主要階段。大量實踐結(jié)果表明，機械產(chǎn)品的創(chuàng)新性主要來自概念設(shè)計階段所涉及的功能、原理、形態(tài)和結(jié)構(gòu)等方面[3]，因此，機械產(chǎn)品的概念設(shè)計對于實現(xiàn)機械產(chǎn)品的創(chuàng)新性十分重要。在機械產(chǎn)品的概念設(shè)計階段，對機械產(chǎn)品的需求進行詳細分析，盡可能識別并且表現(xiàn)出機械產(chǎn)品的設(shè)計需求，在后期詳細設(shè)計階段，基于計算機完成對大量繁瑣的具體設(shè)計要求進行計算，明確機械設(shè)計產(chǎn)品的尺寸設(shè)計方案、形狀、工藝要求和結(jié)構(gòu)等，因此，基于計算機輔助概念設(shè)計可以對創(chuàng)新性要求較高的機械產(chǎn)品設(shè)計原理和構(gòu)思進行優(yōu)化[4]。

1 計算機輔助概念設(shè)計的內(nèi)涵及特點

1.1 設(shè)計原理構(gòu)思在概念設(shè)計中的作用

機械產(chǎn)品的設(shè)計原理構(gòu)思對于機械設(shè)計過程十分重要，不同的工作設(shè)計構(gòu)思與概念直接影響后續(xù)設(shè)計過程。在機械設(shè)計過程中，首先要對機械產(chǎn)品的初始化設(shè)計方案進行優(yōu)化與選擇，給出方案分析的具體尺寸與詳細設(shè)計方案，然后再對其工作原理、運動和動力進行分析，得到機械產(chǎn)品的相關(guān)性能指標，最后通過對設(shè)計方案進行綜合評價與排序，尋找最優(yōu)設(shè)計方案。

1.2 概念設(shè)計的內(nèi)涵

目前，關(guān)于計算機輔助概念所涉及相關(guān)定義較多，研究人員指出，概念設(shè)計主要是明確機械產(chǎn)品設(shè)計的具體要求和條件，需要設(shè)計人員具有充分的工程科學、專業(yè)知識、產(chǎn)品工藝加工和市場運行等各方面的知識，最后做出機械產(chǎn)品全生命周期最優(yōu)的機械設(shè)計方案與決策。因此，概念設(shè)計主要是指根據(jù)機械產(chǎn)品生命周期各個階段的要求，進行機械產(chǎn)品功能創(chuàng)造、功能分解和子功能結(jié)構(gòu)設(shè)計，進行滿足機械產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)要求的工作原理方案設(shè)計與系統(tǒng)優(yōu)化。

綜上所述，計算機輔助概念設(shè)計主要包括功能創(chuàng)新、功能分析、功能結(jié)構(gòu)圖設(shè)計、工作原理確定和功能載體方案構(gòu)思等。計算機輔助概念設(shè)計是機械產(chǎn)品設(shè)計的前提和核心，只有將概念設(shè)計優(yōu)化才可以促進機械產(chǎn)品設(shè)計達到更高水平。但是傳統(tǒng)機械產(chǎn)品設(shè)計主要依靠設(shè)計人員進行概念設(shè)計，未來應(yīng)該加強計算機輔助概念設(shè)計和專家系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)機械產(chǎn)品的設(shè)計與優(yōu)化，進一步開發(fā)更具有使用價值的計算機輔助概念設(shè)計系統(tǒng)。

1.3 概念設(shè)計的特點

1.3.1 創(chuàng)新性

創(chuàng)新是機械設(shè)計的核心，只有進行創(chuàng)新才能得到結(jié)構(gòu)新穎、性能優(yōu)良和具有核心競爭力的機械產(chǎn)品，其創(chuàng)新可以是多層次的，如結(jié)構(gòu)修改、結(jié)構(gòu)替換的低層次創(chuàng)新工作到工作原理更換、功能修復(fù)和增加高層次的創(chuàng)新活動都屬于機械產(chǎn)品概念設(shè)計的主要范圍。

1.3.2 多樣性

輔助概念設(shè)計的多樣性主要體現(xiàn)在機械產(chǎn)品設(shè)計路徑和設(shè)計結(jié)果的多樣化。在進行概念設(shè)計中，不同的功能定義、功能分解和工作原理等會產(chǎn)生不同的設(shè)計思路和設(shè)計方法，進而在機械產(chǎn)品的功能載體設(shè)計上產(chǎn)生完全不同的解決方案。

1.4 TRIZ理論

TRIZ理論的核心是機械產(chǎn)品進化理論，主要是對現(xiàn)有機械產(chǎn)品進行分析，發(fā)現(xiàn)沖突并解決沖突。TRIZ設(shè)計過程是不斷循環(huán)，形成產(chǎn)品的簡化。沖突對于解決機械產(chǎn)品設(shè)計問題十分重要，對于不同設(shè)計中的具體沖突有所不同，為了對設(shè)計問題進行統(tǒng)一描述，相關(guān)研究人員通過對250萬項專利的分析研究，TRIZ理論提出39個通用工程參數(shù)，并按照其特點可以分為3類：物理及幾何參數(shù)；技術(shù)正向參數(shù)；技術(shù)參數(shù)。

2 基于用戶需求的機械概念設(shè)計基本工作過程

基于用戶需求對機械產(chǎn)品輔助概念設(shè)計方法及工作過程進行分析，采用質(zhì)量功能展開(QFD)輔助機械產(chǎn)品設(shè)計與工作決策流程。

2.1 基于用戶需求的概念設(shè)計方法

基于用戶需求的概念設(shè)計主要是從用戶實際需求為出發(fā)點，進而機械設(shè)計人員確定產(chǎn)品的功能需求，分解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，依據(jù)功能設(shè)計模型進行合理、有效地綜合分析，得到產(chǎn)品的概念設(shè)計方案，最后對概念模型進行綜合評價，明確最佳概念設(shè)計方案，基本工作流程如圖1所示。

圖1 基于用戶需求的概念設(shè)計過程示意圖

2.2 QFD工作過程與步驟

1)首先在明確用戶需求后，采用合適的調(diào)研途徑進行市場分析與調(diào)研，全面獲取用戶對產(chǎn)品的需求。

2)在綜合用戶需求信息后，對用戶需求的權(quán)重進行分析，不同的需求在產(chǎn)品設(shè)計過程中有不同重要性，因此需要對用戶需求進行權(quán)重分析，更加精準地定位用戶需求。

3)市場競爭能力分析，對現(xiàn)有的同類產(chǎn)品進行對比，對其市場競爭力進行分析，為新型機械產(chǎn)品的開發(fā)提供更加明確的設(shè)計目標。

4)明確產(chǎn)品設(shè)計特性，產(chǎn)品設(shè)計及質(zhì)量特性主要是在滿足用戶需求的基礎(chǔ)上，將機械產(chǎn)片的設(shè)計屬性與用戶需求之間形成關(guān)系矩陣。

5)構(gòu)建質(zhì)量屋，經(jīng)過上述步驟后，構(gòu)建相應(yīng)的質(zhì)量屋(圖2)，將前一段的分析結(jié)果作為模型輸入，然后開始產(chǎn)品的開發(fā)。

圖2 質(zhì)量屋關(guān)系圖

3 TRIZ創(chuàng)新設(shè)計實例

3.1 懸掛式鏵式犁

懸掛式鏵式犁是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的基本農(nóng)機具，也是目前我國使用最為廣泛和普遍的一種農(nóng)機具，具有作業(yè)靈活、應(yīng)用范圍廣泛等特點，但是懸掛式鏵式犁在田間工作過程中，犁在完成一個工作行程出土后，犁臂上會黏上一些泥土，清理不及時會增加工作阻力，影響犁的工作效率。

應(yīng)用TIRZ理論解決沖突，需要改變的工程技術(shù)參數(shù)主要包括形狀、運動物體的能量、可制造性和可操作性，將工程參數(shù)放入TRIZ沖突解決矩陣中可以得到以下4條設(shè)計原理。

1)曲面化。改變犁臂和鏵犁所構(gòu)成的犁體曲面形狀，保證泥土更加容易從犁體上自動滑落。

2)振動。犁出土后，保證犁自身處于振動狀態(tài)，振落黏附在犁體上的泥土。

3)自動除塵。利用犁出土后的上升運動給犁體提供氣流，使黏附在犁體上的泥土被吹落。

4)復(fù)合材料。將犁體材料由單一的鋼鐵改為不與泥土黏附的復(fù)合材料，犁出土后，泥土自動脫落。

通過對所得設(shè)計原理進行分析可知，耕地質(zhì)量和效率與犁臂和犁鏵構(gòu)成的犁體曲面結(jié)構(gòu)有直接的關(guān)系，而且目前不與泥土黏附的復(fù)合材料尚未成熟，因此，曲面化原理和復(fù)合材料較難實現(xiàn)，而振動原理、自服務(wù)原理一般只需要增加一個液壓裝置就能實現(xiàn)。

3.2 水稻育秧架的優(yōu)化

傳統(tǒng)的大棚育秧方法對大棚的利用率低，嚴重限制產(chǎn)苗效率，立體式育秧技術(shù)提高了效率，但又存在資源分配不合理、秧苗標準化程度低、勞動強度大等問題。為了解決以上問題，采用TRIZ理論設(shè)計一款回轉(zhuǎn)式立體育秧架，實現(xiàn)生長資源的合理分配利用，降低了育秧的勞動強度，為水稻育秧提供良好的生長條件。

應(yīng)用的TRIZ理論主要包括以下幾種。

1)技術(shù)矛盾。改善的參數(shù)——生產(chǎn)率；惡化的參數(shù)——系統(tǒng)的復(fù)雜性。因此，應(yīng)該充分利用大棚的設(shè)施及資源，在保證秧苗素質(zhì)的前提下，最大程度地提高大棚土地利用率和秧苗生產(chǎn)率。

2)物理矛盾。育秧大棚的體積既要增大又要減小。

3)方法。時間分離原理、標準解法、因果鏈分析、物-場分析、九屏圖分析、資源分析、最終理想解等。

通過上述分析，可以利用水稻育秧大棚系統(tǒng)的空間資源(棚內(nèi)地面上的空間)和功能資源(人工補光)、棚架子系統(tǒng)的功能資源(放置秧盤的變形桁架)得出方案，充分利用棚內(nèi)的立體空間，設(shè)計一種可進行人工采補光、方便拆卸的回轉(zhuǎn)式育秧架(圖3)，此種育秧架占大棚一定的體積，充分利用棚內(nèi)空間，解決了層疊秧架造成的光照不充分的問題，采補光方便，提高生產(chǎn)率的同時也保證了秧苗的質(zhì)量。

圖3 新型回轉(zhuǎn)式水稻育秧架

4 結(jié)論

當前，計算機輔助概念設(shè)計作為機械設(shè)計的重要環(huán)節(jié)與技術(shù)支撐，正在向智能化、數(shù)字化和集成化方向發(fā)展，其研究內(nèi)容越來越深，涉及范圍越來越廣泛，但是目前計算機輔助概念設(shè)計僅僅停留在實現(xiàn)方法和技術(shù)層面，未來應(yīng)該進一步深入研究概念設(shè)計與內(nèi)在變化規(guī)律，尤其是思維認知規(guī)律，未來計算機輔助概念設(shè)計應(yīng)該從以下幾個方面進行改進與優(yōu)化：

1)概念設(shè)計的行為機理。研究概念設(shè)計的行為表現(xiàn)有助于更加深入地揭示概念設(shè)計的內(nèi)在本質(zhì)，并且開發(fā)更加高效的計算模型。主要研究內(nèi)容包括非邏輯過程機理、非邏輯與邏輯統(tǒng)一、創(chuàng)新表現(xiàn)過程機理等。

2)概念設(shè)計創(chuàng)新實現(xiàn)。除了依靠計算機的邏輯計算能力，概念設(shè)計創(chuàng)新實現(xiàn)必須依靠人的潛能，通過人機協(xié)作，如可視化等虛擬手段，激發(fā)設(shè)計人員的創(chuàng)造性思維，并且與機器計算相互結(jié)合實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計，其主要突破難點是如何將人的操作與機器算法有效結(jié)合。

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