［摘要］根據(jù)目前國內(nèi)外設計學者進行機械產(chǎn)品設計時的主要思維特點，將產(chǎn)品方案的設計方法概括為系統(tǒng)化、結構模塊化、基于產(chǎn)品特征知識和智能四種類型。本文指出四種方法的特點及其相互間的有機聯(lián)系，提出產(chǎn)品方案設計計算機實現(xiàn)的努力方向。

［關鍵詞］機械產(chǎn)品 方案設計方法 發(fā)展趨勢

根據(jù)目前國內(nèi)外設計學者進行機械產(chǎn)品方案設計所用方法的主要特征，將方案的現(xiàn)代設計方法概括為下述四大類型。

一、系統(tǒng)化設計方法

系統(tǒng)化設計方法的主要特點是：將設計看成由若干個設計要素組成的一個系統(tǒng)，每個設計要素具有獨立性，各個要素間存在著有機的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設計要素結合后，即可實現(xiàn)設計系統(tǒng)所需完成的任務。系統(tǒng)化設計思想于70年代由德國學者Pahl和Beitz教授提出，他們以系統(tǒng)理論為基礎，制訂了設計的一般模式，倡導設計工作應具備條理性。德國工程師協(xié)會在這一設計思想的基礎上，制訂出標準VDI2221“技術系統(tǒng)和產(chǎn)品的開發(fā)設計方法。由于每個設計者研究問題的角度以及考慮問題的側重點不同，進行方案設計時采用的具體研究方法亦存在差異。下面介紹一些具有代表性的系統(tǒng)化設計方法。

1.設計元素法。用五個設計元素(功能、效應、效應載體、形狀元素和表面參數(shù))描述“產(chǎn)品解”，認為一個產(chǎn)品的五個設計元素值確定之后，產(chǎn)品的所有特征和特征值即已確定。我國亦有設計學者采用了類似方法描述產(chǎn)品的原理解。

2.圖形建模法。研制的“設計分析和引導系統(tǒng)”KALEIT，用層次清楚的圖形描述出產(chǎn)品的功能結構及其相關的抽象信息，實現(xiàn)了系統(tǒng)結構、功能關系的圖形化建模，以及功能層之間的聯(lián)接。將設計劃分成輔助方法和信息交換兩個方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用圖形符號、具有內(nèi)容豐富的語義模型結構、可以描述集成條件、可以劃分約束類型、可以實現(xiàn)關系間的任意結合等特點，將設計方法解與信息技術進行集成，實現(xiàn)了設計過程中不同抽象層間信息關系的圖形化建模。

3.“構思”—“設計”法。將產(chǎn)品的方案設計分成“構思”和“設計”兩個階段?！皹嬎肌彪A段的任務是尋求、選擇和組合滿足設計任務要求的原理解?！霸O計”階段的工作則是具體實現(xiàn)構思階段的原理解。將方案的“構思”具體描述為：根據(jù)合適的功能結構，尋求滿足設計任務要求的原理解。即功能結構中的分功能由“結構元素”實現(xiàn)，并將“結構元素”間的物理聯(lián)接定義為“功能載體”，“功能載體”和“結構元素”間的相互作用又形成了功能示意圖(機械運動簡圖)。方案的“設計”是根據(jù)功能示意圖，先定性地描述所有的“功能載體”和“結構元素”，再定量地描述所有“結構元素”和聯(lián)接件(“功能載體”)的形狀及位置，得到結構示意圖。Roper，H.利用圖論理論，借助于由他定義的“總設計單元(GE)”、“結構元素(KE)”、“功能結構元素(FKE)”、“聯(lián)接結構元素(VKE)”、“結構零件(KT)”、“結構元素零件(KET)”等概念，以及描述結構元素尺寸、位置和傳動參數(shù)間相互關系的若干種簡圖，把設計專家憑直覺設計的方法做了形式化的描述，形成了有效地應用現(xiàn)有知識的方法，并將其應用于“構思”和“設計”階段。

4.矩陣設計法。在方案設計過程中采用“要求—功能”邏輯樹(“與或”樹)描述要求、功能之間的相互關系，得到滿足要求的功能設計解集，形成不同的設計方案。再根據(jù)“要求—功能”邏輯樹建立“要求—功能”關聯(lián)矩陣，以描述滿足要求所需功能之間的復雜關系，表示出要求與功能間一一對應的關系。將矩陣作為機械系統(tǒng)方案設計的基礎，把機械系統(tǒng)的設計空間分解為功能子空間，每個子空間只表示方案設計的一個模塊，在抽象階段的高層，每個設計模塊用運動轉換矩陣和一個可進行操作的約束矢量表示；在抽象階段的低層，每個設計模塊被表示為參數(shù)矩陣和一個運動方程。

5.鍵合圖法。借用鍵合圖表達元件的功能解，希望將基于功能的模型與鍵合圖結合，實現(xiàn)功能結構的自動生成和功能結構與鍵合圖之間的自動轉換，尋求由鍵合圖產(chǎn)生多個設計方案的方法。

二、結構模塊化設計方法

從規(guī)劃產(chǎn)品的角度提出：定義設計任務時以功能化的產(chǎn)品結構為基礎，引用已有的產(chǎn)品解(如通用零件部件等)描述設計任務，即分解任務時就考慮每個分任務是否存在對應的產(chǎn)品解，這樣，能夠在產(chǎn)品規(guī)劃階段就消除設計任務中可能存在的矛盾，早期預測生產(chǎn)能力、費用，以及開發(fā)設計過程中計劃的可調(diào)整性，由此提高設計效率和設計的可靠性，同時也降低新產(chǎn)品的成本。Feldmann將描述設計任務的功能化產(chǎn)品結構分為四層，(1)產(chǎn)品→(2)功能組成→(3)主要功能組件→(4)功能元件。并采用面向應用的結構化特征目錄，對功能元件進行更為具體的定性和定量描述。同時研制出適合于產(chǎn)品開發(fā)早期和設計初期使用的工具軟件STRAT。認為專用機械中多數(shù)功能可以采用已有的產(chǎn)品解，而具有新型解的專用功能只是少數(shù)，因此，在專用機械設計中采用功能化的產(chǎn)品結構，對于評價專用機械的設計、制造風險十分有利。

三、基于產(chǎn)品特征知識的設計方法

基于產(chǎn)品特征知識設計方法的主要特點是：用計算機能夠識別的語言描述產(chǎn)品的特征及其設計領域專家的知識和經(jīng)驗，建立相應的知識庫及推理機，再利用已存儲的領域知識和建立的推理機制實現(xiàn)計算機輔助產(chǎn)品的方案設計。機械系統(tǒng)的方案設計主要是依據(jù)產(chǎn)品所具有的特征，以及設計領域專家的知識和經(jīng)驗進行推量和決策，完成機構的型、數(shù)綜合。欲實現(xiàn)這一階段的計算機輔助設計，必須研究知識的自動獲取、表達、集成、協(xié)調(diào)、管理和使用。

四、智能化設計方法

智能化設計方法的主要特點是：根據(jù)設計方法學理論，借助于三維圖形軟件、智能化設計軟件和虛擬現(xiàn)實技術，以及多媒體、超媒體工具進行產(chǎn)品的開發(fā)設計、表達產(chǎn)品的構思、描述產(chǎn)品的結構。在利用數(shù)學系統(tǒng)理論的同時，考慮了系統(tǒng)工程理論、產(chǎn)品設計技術和系統(tǒng)開發(fā)方法學VDI2221，研制出適合于產(chǎn)品設計初期使用的多媒體開發(fā)系統(tǒng)軟件MUSE。

我國利用虛擬現(xiàn)實技術進行設計還處于剛剛起步階段。利用面向對象的技術，重點研究了按時序合成的機構組合方案設計專家系統(tǒng)，并借助于具有高性能圖形和交換處理能力的OpenGL技術，在三維環(huán)境中從各個角度對專家系統(tǒng)設計出的方案進行觀察，如運動中機構間的銜接狀況是否產(chǎn)生沖突等。

五、各類設計方法評述及發(fā)展趨勢

綜上所述，系統(tǒng)化設計方法將設計任務由抽象到具體(由設計的任務要求到實現(xiàn)該任務的方案或結構)進行層次劃分，擬定出每一層欲實現(xiàn)的目標和方法，由淺入深、由抽象至具體地將各層有機地聯(lián)系在一起，使整個設計過程系統(tǒng)化，使設計有規(guī)律可詢，有方法可依，易于設計過程的計算機輔助實現(xiàn)。

結構模塊化設計方法視具有某種功能的實現(xiàn)為一個結構模塊，通過結構模塊的組合，實現(xiàn)產(chǎn)品的方案設計。對于特定種類的機械產(chǎn)品，由于其組成部分的功能較為明確且相對穩(wěn)定，結構模塊的劃分比較容易，因此，采用結構模塊化方法進行方案設計較為合適。因此，若將結構模塊化設計方法用于一般意義的產(chǎn)品方案設計，結構模塊的劃分和選用都比較困難，而且要求設計人員具有相當豐富的設計經(jīng)驗和廣博的多學科領域知識。

機械產(chǎn)品的方案設計通常無法采用純數(shù)學演算的方法進行，也難以用數(shù)學模型進行完整的描述，而需根據(jù)產(chǎn)品特征進行形式化的描述，借助于設計專家的知識和經(jīng)驗進行推理和決策。因此，欲實現(xiàn)計算機輔助產(chǎn)品的方案設計，必須解決計算機存儲和運用產(chǎn)品設計知識和專家設計決策等有關方面的問題，由此形成基于產(chǎn)品特征知識的設計方法。

目前，智能化設計方法主要是利用三維圖形軟件和虛擬現(xiàn)實技術進行設計，直觀性較好，開發(fā)初期用戶可以在一定程度上直接參與到設計中，但系統(tǒng)性較差，且零部件的結構、形狀、尺寸、位置的合理確定，要求軟件具有較高的智能化程度，或者有豐富經(jīng)驗的設計者參與。

在機械產(chǎn)品方案設計中，視能夠實現(xiàn)特定功能的通用零件、部件或常用機構為結構模塊，并將其應用到系統(tǒng)化設計有關層次的具體設計中，即將結構模塊化方法融于系統(tǒng)化設計方法中，不僅可以保證設計的規(guī)范化，而且可以簡化設計過程，提高設計效率和質(zhì)量，降低設計成本。網(wǎng)絡技術的蓬勃發(fā)展，異地協(xié)同設計與制造，以及從用戶對產(chǎn)品的功能需求→設計→加工→裝配→成品這一并行工程的實現(xiàn)成為可能。但是，達到這些目標的重要前提條件之一，就是實現(xiàn)產(chǎn)品方案設計效果的三維可視化。為此，不僅三維圖形軟件、智能化設計軟件愈來愈多地應用于產(chǎn)品的方案設計中，虛擬現(xiàn)實技術以及多媒體、超媒體工具也在產(chǎn)品的方案設計中初露鋒芒。

機械產(chǎn)品的方案設計正朝著計算機輔助實現(xiàn)、智能化設計和滿足異地協(xié)同設計制造需求的方向邁進，由于產(chǎn)品方案設計計算機實現(xiàn)方法的研究起步較晚，目前還沒有成熟的、能夠達到上述目標的方案設計工具軟件。作者認為，綜合運用文中四種類型設計方法是達到這一目標有效途徑。雖然這些方法的綜合運用涉及的領域較多，不僅與機械設計的領域知識有關，而且還涉及到系統(tǒng)工程理論、人工智能理論、計算機軟硬件工程、網(wǎng)絡技術等各方面的領域知識，但仍然是產(chǎn)品方案設計必須努力的方向。國外在這方面的研究已初見成效，我國設計學者也已意識到CAD技術與國際交流合作的重要性，及其應當采取的措施。

參考文獻:

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[2]盛伯浩陳宗舜:機械產(chǎn)品設計與CAD技術，2005

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。