机械产品功能创新设计研究现状分析

田海荣

摘要：机械产品是指那些具有物理实体结构且在操作过程中仅涉及物理行为的人造物理装置。制造业特别是机器制造业，是国家经济的支柱产业和经济增长的发动机，是高新技术产业化和现代化的基础，是国家安全的重要保障。为实现我国机械工业从“国外引进型”向“自主创新型”跨越，达成创造强国的宏愿，必须重视机械产品设计理论及方法的研究。

关键词：机械产品;功能创新设计;研究现状;

引言

机械产品的传统设计高度依赖技术和设计人员的经验，存在设计周期长、创新能力低等问题，无法满足工业生产使用新型多功能机械产品的需要。随着AI技术的成熟，还推广和利用了基于知识的快速创新设计技术，试图结合专家经验、人工智能、海量数据提取、云计算分析等，构建机械产品快速创新设计系统。为实现产品需求分析的逐一处理，实现产品零件搜索、自动装配和智能优化，大大缩短机械产品创新设计周期，加速了机械产品更新迭代速率，对促进工业自动化、信息化发展也有积极帮助。

1功能定义

功能是对技术系统或产品工作能力的抽象描述。对需求信息或者产品的效能应用科学、精简的语言的抽象描述就是功能定义。功能定义的意义有以下三个方面：（1）明确需求。功能定义是对设计本质和核心的抽象表达，便于工程设计人员找到实现产品功能的方式。（2）便于功能分析。机械产品概念设计阶段的功能分析，首先将机械产品各组成抽象为功能，功能定义对于功能单元间内在联系的界定比较有利。（3）开拓思路。功能定义仅仅抽象出需求的核心及本质，但与实现产品功能的具体结构无关，所以，工程设计人员在思想及概念上分离具体结构和形式与功能，这有利于摆脱思想束缚，也利于机械产品的创新设计。功能定义虽然尚未统一，但多数专家都从各自研究角度提出各自观点。首先，功能定义时需要考虑比较多因素，得出一个被大家广泛接纳的功能定义非常有挑战性。对于机械产品，机器的工作过程中物料涉及的只有构型变化、运动形态变化及两种以上的多种物料包容、混合等变化。因此，在机械产品物料形态、构型、混合变化的基础上建立机械产品功能集，为提升功能导向搜索（Function-Oriented Search，FOS）的效率和质量打下坚实基础。

2机械产品快速创新设计系统

2.1明确知识获取流程

为了实现目标产品的快速创新设计，需要明确界定整个设计过程，并确保设计系统与逻辑过程保持一致。总之，快速创新设计系统的运行过程分为五个主要阶段：（1）了解机械产品的设计要求，包括形状、尺寸、功能等。（2）根据设计要求，从概念设计入手，首先获取机械产品的模型结构，记录参数、结构数据等，并将各项参数、结构资料等存储到概念模式库内。（3）查找符合机械产品设计和装配的包装和零件。一旦收集到适当的壳体和零件，应进行试验性装配，以确保它们与零件的兼容性。（4）组合效果评估。根据评估结果确定并找出机械产品的瑕疵并进行优化。将为设计优化的机械产品设置存储在物理库中。（5）形成最终设计方案，按照方案生产机械产品，最后方案储存在方案库。

2.2功能分析系统技术

功能分析系统技术（FAST）最早是由通用电气公司工程师L.D.Miles应用于价值工程的基础上提出，后经研究和发展逐步成为相对成熟的功能分析方法。功能分析系统技术可以用以定义、分析和理解机械产品功能及各子功能之间的内部联系，也可用于功能改善以提升产品价值，并按照逻辑和优先次序把功能排列并测试其从属关系，使工程设计人员更加了解产品的功能原理，分析机械产品设计目标和明确改进设计方案。

2.3快速生产产品方案

设计了一个快速生成的产品模块，允许直接装配从包装中提取的零件。对于储存在「包膜零件资源库」中的每种类型的零件资讯，请根据设计配置标示零件。然后，零件会自动按照标记顺序装配，以获得初始产品。产品通常在精度等方面存在缺陷，因此需要优化。设计者根据零件移动参数、表面放置类型等调整零件的组合方式。在产品中，进一步提高了产品的整体精度和不同部件之间的运动协调。

2.4三维建模技术应用

三维CAD技术包含交互技术、图形变换技术、曲面造型以及实体造型技术等内容。其中，作为不可或缺的交互技术，是在产品设计过程当中，使人和机器适时的交换彼此所需要的信息，让参与设计的人员可以通过机器将所看到的产品信息情况进行修改或者重新构思，非常便捷的掌握到每步操作所展示的结果，将设计产品更加直观的展现出来;图形变换技术是将用户坐标系和图形输出设备坐标系进行联结，可以运用矩阵运算来实现图形的旋转、平移、缩放甚至是透视变换等不同需求;实体造型技术是在计算机视觉、计算机动画、计算机虚拟现实等领域建立起的3D实体模型技术。此技术通过将几何模型的形状及属性等重要信息储存于计算机中，由计算机生成具有真实感的三维图形。综合背景场景、光影效果等多项技术的内容，在产品设计方面凸显更为真实、直观的效果，很大程度提升产品设计的技术能力和产品质量。

3研究现状总结及存在问题分析

（1）功能需求获取。机械产品作为连接客户和企业的纽带，客户需求表达是客户对企业产品的总要求，更是作为产品生命周期的起点，机械产品概念产生及产品开发都很大程度上依赖于对客户需求的认识。如何全面、准确获取客户需求，完成客户需求到产品设计要求的映射，可以使设计者有目的的分析产品功能，是进行产品设计的关键。（2）功能分解与功能结构构建。采用由底向上或自顶向下的单项式建立功能结构，在机械产品功能分解中很难一次性实现功能结构构建，分解功能及分解到何种程度尚未有具体的流程性指导，且功能分解过程过于依赖主观经验，分解过程难以避免可操作性差、准确性低的问题。（3）设计更改。对于大型、复杂的设备，其设计开发时间长、环节多、质量要求高，在液、气动计算、结构设计、材料选择、强度校核时，有可能发生与计划不符的内容增加或修改。例如进行工程图纸的设计、校对、审核时，也会产生更改（含改进、改错）。这些更改必须以书面的形式传递给关联部门，包括对已打印输出图纸的更改。这也是一种纠正措施，可预防不合格的发生。图纸更改流程如下：①发起更改。图样可以更改或者换新图，由设计者了解生产进程并发起审批流程。②填写改图通知单。按照给定格式填写图纸编号、零部件名称、改图部门、更改原因、类型、紧急程度，以及原局部图示内容和新图示内容等。尺寸、文字、符号、图形须按照国标要求标注。③实施更改。由专职改图人员按照通知单内容负责对底档及在用资料室图纸进行详细更改，并加注相应的标识和保留记录等。

结束语

现代机械产品的设计必须在速度、精度、质量等方面进行整合，以满足用户对机械产品设计、装配和使用的要求。以知识为基础的机械产品快速创新设计系统可以通过构建知识库和数据库并结合两者实现零件的快速組装，一方面可以根据设计解决方案从知识库中快速检索解决方案的包装零件，另一方面又能够根据专家经验和数据调用，实现对零件的快速组装，显著缩短了从设计到装配的周期。此外，该系统还提供备件调节和程序评估功能，从而通过优化调节来提高整体系统性能。

参考文献

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