基于产品功能分析与结构优化的机械设计方法*

丁立军，戴曙光，孟青云，沈力行（.上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 00093；.上海医疗器械高等专科学校医疗器械工程系，上海 00093）

基于产品功能分析与结构优化的机械设计方法*

丁立军1，2，戴曙光1，孟青云2，沈力行2
（1.上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2.上海医疗器械高等专科学校医疗器械工程系，上海 200093）

在对机械产品功能和结构分析的基础上，建立了一种机械设计的分析和评价方法。该方法首先对产品进行功能分析和分解，形成若干产品子功能，在对子功能的实现机构进行分析和比较的基础上，应用功能—机构优化算法对产品的机构选择方案进行评价。通过对所选机构的结构组成进行分析和优化，形成最终的产品实现方案。最后，通过实例验证了该设计方法的可行性。

功能分析；结构优化；分析和评价

开发性机械设计是应用成熟的科学技术或经过实验证明可行的新技术，设计未曾有过的新型机械结构的过程。在以往机械设计过程中存在着许多问题[1-2]：首先，没有相对成熟的行之有效的设计理论和方法，仅凭设计师的经验办事，因此常常初次的设计问题较多，经过多轮修改和产品试制才能实现产品功能、结构的最优化。而且，由于某些设计在总体实现方案上具有先天缺陷，即使通过数轮修改仍不能解决问题，甚至需对原方案推倒重来，造成较大损失。

基于传统设计方法的不足，近年来出现了一些新的机械设计方法，如优化设计、健壮设计、可靠性设计、并行设计、模块化设计、计算机辅助设计[3-8]等。其中机械优化设计是建立在数学最优化方法与计算机程序设计基础上的一种新的设计方法。采用这种设计方法，可以使机械产品在各种约束如工艺、性能、生产条件等方面的限制下，求得设计的最优方案，主要应用于设备部件或机构中的参数优化。健壮计和可靠性设计的提出是为了满足产品设计性能的稳定性，使设计出的产品具有健壮性，亦即使产品和过程具有抵抗外界干扰所引起的质量波动的能力，主要解决设计质量的符合性问题。模块化设计是基于快速设计思想提出的设计方法，主要包括：侧重功能分解的设计和基于结构的设计两种主要设计思想[9]。该方法是在对产品整体功能分析和结构分解的基础上提出的模块化设计理念和方法，但在实施上还存在着模块功能分割、接口标准化等问题，还不是成熟的机械设计方法。

因此，探索合理的机械设计方法，使产品设计，尤其是初步设计阶段就能实现产品功能、结构的最优化设计，这对于避免设计中的重大缺陷和减少后续修改设计工作量，加快设计进程具有重要的作用。本文以机械设计过程中解决产品功能分析和结构实现为着眼点，提出基于功能实现和结构优化的机械设计方法。

1 产品的功能—机构分析和评价

机械设计包括功能和结构设计两部分。产品的功能设计是以消费者的潜在需求为依据来设计产品的功能。经过功能的成本核算后，由专业人员进行产品设计、企业安排生产，功能设计实质上是市场调查研究的结果。一旦产品的功能确定下来，下一步的问题就是设计产品的结构确保实现产品的功能要求。

图1 产品功能—机构分析

以功能实现为目标的产品结构设计，应对产品功能进行进一步分析，形成子功能列表，并对实现该子功能的可能实现机构进行列表，如图1所示：

在功能—机构分析的基础上建立起来的子功能-实现结构的对应关系后，下一步就要选择实现产品全部功能的优化机构。这一过程的基本原则是：实现设计结构最简化和功能的最优化。结构设计的最简化有两个方面的要求：一方面要求产品实现机构的简单化，包括某一功能实现机构的实现难度的大小，即机构实现的复杂性问题；同时也包含产品中单个机构的多功能化问题，即一个机构实现的功能越多，实现所有功能的机构数量就越少，这一过程称为机构的功能组合。另一方面是实现产品功能的最优化，所选择的机构能够满足产品功能要求并达到性能参数的最优化。这两方面的要求可以通过各自分配一定的权值加以解决。

为实现机构的功能—机构优化配置，考虑建立以下功能-机构评价算法模型：

设表达式：

且当F取其最大值时的机构选择方案，为最优选择方案。

其中：

αi：子功能i中选用机构的功能参数；

βi：子功能i中选中机构实现的复杂度参数。若在前面第1～i个功能环节中出现过该机构，则此处βi=0；

λ1：机构功能权重系数；

功能保证为主的装置，取λ1＞λ2；以结构简单考虑为主的装置，取λ1＜λ2。

mi：第i个功能环节的计算基数，mi=μi×M。M为总功能基数初值； μi为根据功能的重要性分配的权值；且

机构参数α、β设置原则见表1、2。

表1 机构功能系数(α)

表2 机构复杂度系数(β)

2 结构优化设计原则

在完成所有实现机构选择后，下一步就是产品的整体结构布局，即通过机构的集成或合理布置达到结构的最简化和功能的最优化。这一步骤应遵循以下原则。

（1）总体结构布局合理

布局合理即在产品的总体布局上，使在功能-机构分析步骤中选择的所有功能实现机构达到整体上的布局最优化，以满足各项功能和性能指标要求。总体布局结构合理性也体现在结构的紧凑上，产品结构紧凑有利于结构简化、达到减少生产材料，节约成本的目的。

（2）良好的性能稳定性和可靠性

除了满足产品的基本功能性要求外，具体的性能指标是反映产品使用性的重要参数。其中，产品的稳定性和可靠性是两大关键指标。不同的产品结构实现方案，对产品的稳定性和可靠性有着较大的影响，实现产品较高的稳定性、可靠性是产品的结构设计中要考虑的关键因素。

（3）满足精度要求

除了产品零部件加工精度和元器件的本身性能参数对产品的精度产生影响外，产品不同的结构设计方案，对产品的精度也会产生影响，因此，在产品的结构设计中，最大程度的实现工作精度要求，也是结构设计要考虑的因素。

（4）良好的操作性

良好的操作性是衡量产品功能指标之一，是满足产品使用性的体现。产品良好的操作性应符合人-机工程学原理，是产品结构设计是否合理的重要评价指标之一。

3 举例

例如：要设计某条形试件的手动扭矩-转角测量装置，并要求达到一定的测量精度。对其功能分析后，对这一装置的设计功能、子功能及可能的实现机构进行列表，并将各个子功能的实现机构的复杂度系数和功能系数进行评估，如表3所示。

表3 装置功能和实现机构对照表

通过对该装置的功能的实现机构进行初步思考，提出以下3个机构实现方案（表4）：

表4 装置的机构实现方案

令总功能基数初值M=100；且系统为功能、结构并重系统，即：λ1=λ2=0.5。

在完成所有机构方案选择后，下一步就是产品的整体结构布局，既通过机构的集成或合理布置达到结构的最简化和功能的最优化。

在方案中出现频率最高的涡轮蜗杆机构既可以实现加载增力也可以实现加载自锁子功能，同时该结构可以实现对转角的读数进行放大，实现精确读数子功能。考虑到刻度盘直径不至于过大，选用传动比为1∶30的蜗轮蜗杆机构；为了读数的方便和保证精度，可以考虑在扭矩输入端加装指针和刻度盘，其中指针以套筒的形式与输入轴间隙配合可以实现调零功能，这两个机构集成在一起，实现了结构的紧凑；扭矩测量装置放在装夹机构后端和固定机架之间，比安置在装夹机构前段更有利于测力的稳定性、准确性以及方便扭矩传感器与数据显示器的接线。由此，该测试装置的结构构架就基本完成了，装置初步结构设计方案如图2、图3所示。

图2 扭矩-转角测量装置结构示意图

4 结论

本文所采用的机械设计方法是建立在对产品功能分析的基础上，通过对不同子功能的实现机构进行列表，采用功能-机构优化算法选择最优机构组合，并建立了产品结构设计的优化原则，对产品进行整体结构设计。在应用该方法对产品进行功能分析和结构设计时应注意以下问题：

（1）产品功能分析的完整性和准确性

图3 输入组件结构

产品功能分析是机构选择和结构设计的前提，因此产品功能分析的完整性和准确性就关系到整个产品结构设计的成败。产品的功能分析基于产品的功能设计，是对整个产品功能实现的具体化和细化，须具有完整性，不能有任何遗漏，否则可能造成无法挽回的损失；产品功能分析的准确性也是十分必要的，对关键子功能的描述要达到定量的要求，为后续的机构选择和结构提供依据。

（2）功能—机构分析的准确性

在产品功能进行合理划分时，须使每项子功能具有一定的独立性和可实现性。在功能划分时要考虑某项子功能在所有子功能中的相对重要性，并给出合理的权值估计；对某项子功能的实现机构列表时，对该机构的实施难度和复杂性进行合理估计，这些工作是进行后续产品功能—机构评价的依据。

（3）产品结构设计的合理性

产品的结构设计不仅关系到产品功能实现的好坏，更是关系到产品整体结构的合理性。产品的结构设计是否合理，既要考虑组成机构多功能化，还要考虑机构的组成是否有利于提高产品的整体性能指标以及实现产品整体结构的最优化。

（4）标准零部件的采用

在设计工作中，应考虑尽可能的采用市场上已有的标准零部件。采用标准零部件可以有效减少产品开发时间，同时，标准零部件还具有成本低、质量可靠、互换性强和便于维修等优点。

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A Mechanical Design Method Based Product Function Analysis and Structure Optimization

DING Li-jun1,2，DAI Shu-guang1，MENG Qing-yun2，SHEN Li-xing2
（1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai20093，China；2.Department of Medical Devices Engineering，Shanghai Medical Instrumentation College，Shanghai20093，China）

Based on the analysis of structure and function of mechanical products，the article establishes an analysis and evaluation method of mechanical design.In this method，product’s function is analyzed and decomposed into several sub-functions.On the basis of analysis and comparison of implement mechanisms， a function-mechanism optimization algorithm is established to evaluate the product’s mechanism composition program.Through analyzing and optimizing the structure of these mechanisms chosen in the product/s mechanism composition program，a final product implementation program is formed.Finally，an example is showed to demonstrate the feasibility of the design method.

function analysis；structure optimization；analysis and evaluation

TH122

A

1009－9492(2014)05－0057－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.014

丁立军，男，1971年生，山东龙口人，博士，讲师。研究领域：测试信号的获取与处理、机电工程。

(

编辑：向 飞)

*国家自然科学基金（编号：51075280）；上海市教委重点学科第五期资助基金（编号：J50505）

2014－03－10