机械产品概念设计过程模型建模探讨

蒋宇航

（杭州师范大学钱江学院电气工程系，浙江 杭州 310012）

1 引言

随着科学技术的飞速发展，制造业的每个企业都面临着持续多变和难以预测的全球化的市场竞争。市场对产品的功能要求口益增多，更新换代速度加快，总之，对新产品的T,Q,C,S,E(T:Time to market，最短的上市时间;Q:Quality，最好的质量;C:Cost最低的成本;S:Service，最优的服务;E:Environment，最清洁的环境)提出了更严格的要求在产品设计的早期阶段，由于对设计人员的约束相对较少，具有较大的创新空间，因此，产品概念设计是产品设计中最为关键的技术，是产品开发过程中最具创造性的阶段，正受到国内外研究学者越来越多的重视，这一阶段对整个设计制造过程有举足轻重的影响。

2 基于设计特征的机械产品概念设计过程模型

2.1 机械产品设计过程的一般描述

设计过程通常分为产品计划、概念设计和详细设计三个基本阶段进行，各阶段的主要任务如下:

产品计划阶段通过市场调研，或根据用户的要求等，制定设计任务。这一阶段对最后设计要完成的设计要求的说明和定义是必要的，它的结果是一份详细的关于所设计的产品的说明书(设计任务清单)。

方案设计阶段通过对设计要求的分析。将产品功能分解成若干子功能，寻找各子功能的可行方案，并加以综合，建立产品的功能结构模型(概念模型)，作出方案的草图。在概念模型中，包含了设计师所使用的专业知识和相关知识(总称设计知识)，以及基于这些设计知识而定义的设计关系和设计约束。

参数化基础图形设计阶段通过功能一作用原理一结构的对照关系，选择合适的结构，将概念模型分解成若干个可实现的部件，并进一步确定产品中关键部件的关键作用表面以及各主要零部件间的约束关系，建立约束网络模型，分别进行约束求解。

详细设计阶段根据产品基础图形，建立几何特征约束网络模型，分别进行约束求解，利用几何特征细化基础图形，从预定义的特征库中，调出相应的特征，添加到基础图形上指定位置，与基础图形进行并、交、差等运算，确定零件的详细几何形状及其拓扑关系，并包括从基础图形中继承的尺寸、精度、材料及其它信息，详细设计的结果是产品完整的零件图。

2.2 基于设计特征的设计过程模型

2.2.1 功能和设计特征在概念设计中起着核心作用。由图可以看出，产品概念设计从分析产品设计需求开始。对这些设计需求抽象化，目的是为了确定产品的总功能。

2.2.2 各种功能的实现都是在以自然科学原理为指导的技术实施的基础上实现的，此物理学、化学、生物学等客观规律就构成了设计中的原理域。

2.2.3 设计原理解也就是通常说的方案解，主要通过一定的结构方式实现给定功能。

在本文基于特征的设计体系中，方案解就是设计特征的组合。

从图中可以看到整个概念设计流程主要由计算机完成的设计要素串成，形成设计的一条基本思维主线，但这并不表示设计过程可以由计算机完全自主的智能化完成，同时应该看到计算机完成的每一步设计要素基本上都离不开人的分析、选择或决策，人所完成的设计要素对设计过程的整体进程和每一步的中间或最终结果都起着决定性作用，因此，应设法在每一个必要坏节对人所完成的设计要素进行设计思维进程的提示和帮助，这将极大的减轻设计者的记忆负担并引导设计者进行正确的思维。

3 基于设计特征的产品信息模型

3.1 设计特征的内容分类

形成产品(或其部件)的特征包含几何特征、工程特征和语义特征三大内容。考虑到概念设计阶段各属性的主次性、原型系统内部数据结构的模块化，以及对整个产品设计阶段的通用性，对特征的内容重组分为功能特征、原理特征、属性特征、布局特征(LayoutFeature，记为 LF)、构造方法和规则集合。

功能特征:包括功能名、功能描述等信息。

原理特征:包括原理名、原理描述、所需功能等信息。

总体特征:包括特征名、标识符、材质、色彩、表面肌理、装饰以及特征的工艺、管理信息等总体信息。

形状特征:包括大小、位置、方向等几何信息，用以描述该组件特征的形状参数和定位参数。

人机特征:包括与组件相关的人体部位、受力、舒适程度等分析数据，用以表征某一特征在宜人性方面的表现。

布局特征:包括面向布局设计的工程特征和语义特征，以作为布局的设计约束和专家系统的推理条件。

规则集合主要包括一些设计过程中用到的推理规则。

3.2 用特征表示的产品结构模型

特征是一个跨越了产品级和部件级的单位，在广义上来讲，产品本身也是一个DF，它的内容就是组成产品的所有DF的总和，而对于组成产品的每一个组件也是一样。组件的基本成分也是DF，这样，我们以树形方式，来表达一个产品信息的层次结构，如上图所示。

4 约束驱动的机械产品初步布局方案设计

换句话说，布局设计就是针对设计特征，找出一种配置方式，使其满足一定的约束条件。在这个过程中，有两个变数，一个是设计特征的空间排列，另一个是设计特征尺寸。布局设计的过程，就是确定这两个变数的过程。

在概念设计的布局阶段中，我们采取了一种自上而下(Top-down)的设计思想即首先确定组成这个产品的各个组件，在产品级对这些组件布局求解，得到总体的规划，然后不同的设计师或一个设计师在不同的时候针对每一个组件再作细化的设计。有些组件是仍然是组合体，这里，可以再用这样的方法，对于把组件当成一个产品，这时对组件的设计，又包含了对其进行布局设计和详细设计。

5 系统的简介

该系统的功能主要包括：需求分析模块，方案设计模块，方案评价模块，参数化基础图形设计模块，数据管理模块，与其它系统集成接口模块。

6 系统的实现

该原型系统是在微机上，在WindowsXP环境下，利用V C++和SQL来实现的。C++是一种面向对象的程序设计语言，具有较好的抽象性、封装性、继承性和多态性。

原型系统的命令菜单，其中包括知识库建立、需求分析、功能建模、初步设计、详细设计、方案评价、文件的存取等。通过这些命令操作，实现相应的系统功的功能。

7 总结

以上分析了概念设计的内涵以及研究现状，建立了一种基于设计特征的机械产品概念设计过程模型。由于设计特征所含信息的全面性，建立并着重分析了基于设计特征的产品信息模型。针对该信息模型，提出了约束驱动的机械产品初步布局设计问题。基于以上问题，开发了一个原型系统。

[1]钟志华，周彦伟，现代设计方法，武汉工业大学出版社，2001年

[2]檀润华，陈鹰，产生多个设计方案的键合图方法，机械设计，1998年