面向信息时代的机械产品现代设计方法及发展趋势探讨

摘要：根据目前国内外设计学者进行机械产品设计时的主要思维特点，将产品方案的设计方法概括为系统化、结构模块化、基于产品特征知识和智能化四种类型。指出四种方法的特点及其相互间的有机联系.提出产品方案设计计算机实现的努力方向。

引言

科学技术的飞速发展，使产品功能的要求日益增多、复杂性增加、寿命期缩短、更新换代速度加快。然而产品的设计，尤其是机械产品方案的设计手段则显得力不从心，跟不上时代发展的需求。在经济全球化的环境下，机械制造业的竞争实质上是产品设计的竞争。如何快速地进行机械产品的开发是提高制造业市场竞争能力的一个关键问题，进行机械产品现代设计理论、方法和应用技术的研究是十分重要的一项基础性工作。

目前计算机辅助产品的设计绘图、计算、加工制造、生产规划已得到广泛深入地研究，并初见成效，而产品开发初期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计需要。为此本文概括总结了国内外设计学者进行方案设计时采取的方法，并讨论了各种方法间的有机联系和机械产品方案设计计算机实现的发展趋势。

机械产品方案设计方法概括为以下四大类型：

1.系统化设计方法

系统化设计方法的主要特点是：将设计看成有若干设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机联系，并具有层次性，所有要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。下面介绍一些具有代表性的系统化设计方法。

1.1.设计元素法

用五个设计元素（功能、效应、效应载体、形状元素和表面参数）描述“产品解”，认为一个产品的五个设计元素值确定之后，产品的所有特征和特征值即已确定。

1.2.图形建模法

研制出设计分析和引导系统，用层次清楚的图形描述出产品的功能结构及其相关的抽象信息，实现了系统结构、功能关系的图形化建模，以及功能层之间的链接。

1.3.“构思”一“设计”法

将产品的方案设计分为“构思”和“设计”两个阶段。“构思”阶段的任务是寻求、选择和组合满足设计任务要求的原理解。“设计”阶段的工作则是具体实现构思阶段的原理解。

1.4.矩阵设计法

在方案设计过程中采用“要求一功能”逻辑树描述要求与功能之间的相互关系，得到满足要求的功能设计解集，形成不同的设计方案。再根据“要求一功能”逻辑树建立“要求一功能”关联矩阵，以描述满足要求所需功能之间的复杂关系，表示出要求与功能间一一对应的关系。

1.5.键合图法

将组成系统元件的功能分成产生能量、消耗能量、转变能量形式、传递能量等各种类型，并借用键合图表达元件的功能解，希望将基于功能的模型与键合图结合，实现功能结构的自动生成和功能结构与键合图之间的自动转换，寻求由键合图产生多个设计方案的方法。

2.结构模块化设计方法

从规划产品的角度提出：定义设计任务时以功能化的产品结构为基础，引用已有的产品解（如通用零部件等）描述设计任务，即分解任务时就考虑每个分任务是否存在对应的产品解。这样能够在产品规划阶段就消除设计任务中可能存在的矛盾，早期预测生产能力、费用，以及开发设计过程中计划的可调整。由此提高设计效率和设计的可靠性，同时降低新产品的成本。

3.基于产品特征知识的设计方法

基于产品特征知识设计方法的主要特点是：用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验，建立相应的知识库及推理机，再利用已储存的领域知识和建立的推理机制，实现计算机辅助产品的方案设计。

机械系统的方案设计主要是依据产品所具有的特征，以及设计领域专家的知识和经验进行推量和决策，完成机构的型、数综合。想要实现这一阶段的计算机辅助设计，必须研究知识的自动获取、表达、集成、协调、管理和使用。

4.智能化设计方法

智能化设计方法的主要特点是：根据设计方法学理论，借助于三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，以及多媒体、超媒体工具进行产品的开发设计、表达产品的构思、描述产品的结构。

在进行机电产品设计时，把产品的整个开发过程概括为“产品规划”、“开发”和“生产规划”三个阶段。

4.1.产品规划一构思产品。任务是确定产品的外部特征，如色彩、形状、表面质量、人机工程等，并将最初的设想用CAD立体模型表示出来，建立能够体现整个产品外形的简单模型。立体模型是检验外部形状效果的依据，也是几何图形显示设计变量的依据，同时还是开发过程中各类分析的基础。

4.2.开发一设计产品。该阶段主要依据“系统合成”原理，在立体模型上配置和集成解元素。将实现功能的关键性解元素配置到立体模型之后，即可对产品的配置进行分析。

4.3.产品规划一加工和装配产品。该阶段主要是装配过程中CAD技术的应用，提出用计算机图形显示解元素在相应位置的装配过程，即通过虚拟装配模型揭示造型和装配间的关系，由此发现难点和问题，并找出解决问题的方法

5.总结

值得一提的是，上述各种设计方法并不是完全孤立的，各种方法之间都存在一定程度上的联系。如结构模块化设计方法中，划分结构模块时就蕴含有系统化思想；建立产品特征及设计方法知识库和推理机时，通常也需运用系统化和结构模块化方法；此外，基于产品特征知识的设计同时又是方案智能化设计的基础之

网络技术的蓬勃发展，使得异地协同设计与制造，以及从用户对产品的功能需求一设计一加工一装配一成品这一并行工程的实现成为可能。但是，达到这些目标的重要前提条件之一，就是实现产品方案设计效果的三维可视化。为此，不仅三维图形软件、智能化设计软件愈来愈多地应用于产品的方案设计中，虚拟现实技术以及多媒体、超媒体工具也在产品的方案设计中初露锋芒。

机械产品的方案设计正朝着计算机辅助实现、智能化设计和满足异地协同设计制造的需求方向迈进。综合运用文中的四种类型设计方法是达到这一目标的有效途径。国外在这方面的研究已初见成效，我国的设计学者应该意识到与国际交流合作的重要性，并采取积极的措施。

参考文献：

[1]刘永翔产品设计实用基础[M]北京化学工业出版社，2003，134

[2]康晓东CAD技术（上）[J]机械工程师，1997， （6）：54.

作者简介：

贾志芸（1978.9）， 女，汉，天津市，机械工程及自动化专业本科，工程师，研究方向：机械设计。