閻 文

（營(yíng)口盼盼安居門業(yè)有限公司，遼寧 營(yíng)口115000）

科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展使得現(xiàn)代社會(huì)各類產(chǎn)品表現(xiàn)為新的特征，如功能多元化、內(nèi)容豐富化等。現(xiàn)代社會(huì)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)在計(jì)算機(jī)的輔助下，呈現(xiàn)出分類方式多樣、設(shè)計(jì)方法種類眾多的特點(diǎn)。針對(duì)機(jī)械產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果豐碩。本文總結(jié)了主流方法，并討論了其發(fā)展趨勢(shì)。

1 基于系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)

科學(xué)方法的系統(tǒng)論認(rèn)為設(shè)計(jì)是由眾多要素組成的，因素本身具有，因素之間層次性和系統(tǒng)性并存，綜合各類因素而系統(tǒng)整合，則完成了設(shè)計(jì)的過(guò)程?；谙到y(tǒng)理論的設(shè)計(jì)方法自二十世紀(jì)七十年代提出以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，具有代表性的設(shè)計(jì)思想主要有三類：以用戶需求為核心，注重宏觀設(shè)計(jì)過(guò)程，采用功能布置法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化設(shè)計(jì)；以生命系統(tǒng)理論為主線來(lái)表達(dá)用戶需求，分層次劃分產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程，自上而下設(shè)計(jì)產(chǎn)品；以系統(tǒng)論方法為核心，將產(chǎn)品本身和設(shè)計(jì)過(guò)程本身均系統(tǒng)化，運(yùn)用系統(tǒng)論方式完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品生產(chǎn)。

基于這三類主流設(shè)計(jì)思想，具有代表性的具體設(shè)計(jì)方法有以下幾種：①基于系統(tǒng)元素設(shè)計(jì)：將總所周知的產(chǎn)品設(shè)計(jì)五元素看成是產(chǎn)品的全部，一旦五個(gè)元素完全確定，則認(rèn)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)已經(jīng)完成；②基于圖形模型設(shè)計(jì)：將設(shè)計(jì)元素層次化并明確元素之間的相互關(guān)系，利用系統(tǒng)論方法搭建基于元素的產(chǎn)品模型，產(chǎn)品模型包含了信息分析和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)兩個(gè)層面。信息分析方法負(fù)責(zé)定義元素間的層次和相互關(guān)系，而計(jì)算機(jī)輔助模擬重現(xiàn)了整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中可能出現(xiàn)的活動(dòng)或結(jié)果；③兩階段設(shè)計(jì)：將產(chǎn)品設(shè)計(jì)分為思維構(gòu)建和具體設(shè)計(jì)兩個(gè)階段。其構(gòu)思階段從產(chǎn)品特定功能出發(fā)，衍生出結(jié)構(gòu)要素，并導(dǎo)出功能載體。不同功能下的不同功能載體之間建立連接載體。在構(gòu)思階段完成之后再進(jìn)行設(shè)計(jì)階段；④基于矩陣?yán)碚撛O(shè)計(jì)：將用戶需求和產(chǎn)品功能構(gòu)建邏輯體系下的矩陣，通過(guò)求解關(guān)聯(lián)矩陣實(shí)現(xiàn)用戶需求和產(chǎn)品功能的關(guān)系而進(jìn)行設(shè)計(jì)?？梢岳镁仃囍R(shí)，在母矩陣的基礎(chǔ)上細(xì)化功能需求和用戶需求而細(xì)化母矩陣形成矩陣子空間進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)；⑤基于鍵合圖設(shè)計(jì)：從功率流出發(fā)，將設(shè)計(jì)涉及的各類物理量分為勢(shì)、流、動(dòng)量和變位，同時(shí)利用若干元素構(gòu)建物理量直接的交換和守恒，從而形成多種設(shè)計(jì)方案。

2 基于功能化模塊設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)任務(wù)初期將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行功能模塊化，針對(duì)某一特定功能模塊找尋符合要求的產(chǎn)品解。這種思想有利于消除部分功能模塊的內(nèi)在可能矛盾，有利于早期設(shè)計(jì)的產(chǎn)品預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)調(diào)整預(yù)測(cè)，具有高效性和可靠性特征，有效降低了設(shè)計(jì)成本。其設(shè)計(jì)過(guò)程自上而下分為產(chǎn)品、功能成分、功能模塊和功能子模塊。這種方法認(rèn)為機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中，功能子模塊通常有產(chǎn)品解而沒有產(chǎn)品解的子模塊較少。

在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，基于產(chǎn)品功能分析將產(chǎn)品分解為一定數(shù)量的功能模塊和子模塊，通過(guò)模塊的選擇和組合形成不同產(chǎn)品。功能模塊之間通過(guò)具有多層特征的標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行連接，接口特征表現(xiàn)為靈便經(jīng)濟(jì)、通用兼容、序列層次和相關(guān)集成。就我國(guó)而言，借助于軟件架構(gòu)技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，已經(jīng)形成了多層次多級(jí)別的功能模塊產(chǎn)品，功能模塊產(chǎn)品還可以相互組合形成新的功能模塊產(chǎn)品。需要說(shuō)明的是，功能模塊或子模塊的內(nèi)涵和外延不是特定的，可以根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際而發(fā)生變化，如功能模塊或子模塊均可以是元件或組件甚至系統(tǒng)。在功能分析和現(xiàn)有功能模塊產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，基于產(chǎn)品設(shè)計(jì)目錄即可對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)元素進(jìn)行系統(tǒng)化的編排解集，最后形成產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。

3 基于特征內(nèi)涵設(shè)計(jì)

基于特征內(nèi)涵設(shè)計(jì)是運(yùn)用計(jì)算機(jī)對(duì)產(chǎn)品的設(shè)別語(yǔ)言和設(shè)計(jì)專家的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)知識(shí)和相關(guān)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)庫(kù)知識(shí)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)推理和C A E方案設(shè)計(jì)。就機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)而言，是基于機(jī)械產(chǎn)品的具體特征，結(jié)合設(shè)計(jì)專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，通過(guò)綜合推理決策，再實(shí)現(xiàn)C A E設(shè)計(jì)過(guò)程。

國(guó)內(nèi)外已對(duì)基于特征內(nèi)容的設(shè)法方法做了廣泛研究，具有代表性的方法有多種：①編碼設(shè)計(jì)：將產(chǎn)品分解為功能元件并分類后對(duì)其進(jìn)行編碼，編碼過(guò)程是功能分類和功能特征賦予的過(guò)程。通過(guò)分類功能元件，運(yùn)用專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，建立系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，在基于邏輯理論和模糊理論建立推理決策機(jī)制。進(jìn)化理論描述設(shè)計(jì)演化并形成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，再次編碼并利用生物繁殖理論完成多種設(shè)計(jì)方案；②內(nèi)涵綜合表達(dá)設(shè)計(jì)：在研制復(fù)雜產(chǎn)品過(guò)程時(shí)，往往采用多種特征內(nèi)涵綜合表達(dá)的方式來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。如將準(zhǔn)則、架構(gòu)、流程和關(guān)系網(wǎng)等多方面內(nèi)容統(tǒng)一綜合在一起，以滿足不同設(shè)計(jì)類型的描述：③基于開發(fā)工具設(shè)計(jì)：在聯(lián)軸器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，采用基于對(duì)象的開發(fā)工具，形成設(shè)計(jì)方法數(shù)據(jù)庫(kù)，為設(shè)計(jì)人員提供有效的可靠設(shè)計(jì)選擇，從而開發(fā)設(shè)計(jì)新產(chǎn)品；④基于設(shè)計(jì)目錄設(shè)計(jì)：人為構(gòu)造設(shè)計(jì)人員需要的多級(jí)設(shè)計(jì)目錄，在特定設(shè)計(jì)中，根據(jù)目錄遞進(jìn)式進(jìn)行推理決策和設(shè)計(jì)開發(fā)；⑤基于樣例設(shè)計(jì)：在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，參考已有產(chǎn)品樣例或概念實(shí)體的特征進(jìn)行推理決策而設(shè)計(jì)開發(fā)的方法。

4 基于智能理論設(shè)計(jì)

基于智能理論設(shè)計(jì)其智能特征表征為借助于智能化軟件、虛擬技術(shù)、媒體及超媒體工具等進(jìn)行產(chǎn)品描述、產(chǎn)品構(gòu)思決策和產(chǎn)品開發(fā)。一般而言，可將整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程分為三個(gè)階段：①規(guī)劃階段：主要確定產(chǎn)品的特征表象，如顏色、尺寸、輪廓外形等，并將這些表征通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助立體表示，形成產(chǎn)品的初步模型。這種模型一般采用虛擬技術(shù)建立，用戶可以很方便地根據(jù)自身需要確定具有不同類型特征表象的模型，模型是后續(xù)過(guò)程的設(shè)計(jì)依據(jù)和基礎(chǔ)；②開發(fā)階段：根據(jù)系統(tǒng)理論，將模型進(jìn)行分解成各種元素并進(jìn)行元素內(nèi)涵及外延的賦值過(guò)程，之后進(jìn)行元素之間的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的虛擬配置分析。需要指出的是，這些元素可以根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)的不同而產(chǎn)生不同的內(nèi)涵和外延，既可以是基本元素如螺母，也可以是復(fù)合元素如傳動(dòng)系統(tǒng)，還可以是用戶需求如形狀等；③生產(chǎn)階段：運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)等虛擬技術(shù)，依據(jù)前述階段的工作內(nèi)容，提出產(chǎn)品的虛擬裝配過(guò)程，凸顯裝配流程和裝配間關(guān)系，指出設(shè)計(jì)中的疑難問(wèn)題及相應(yīng)解決方案。具體產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)疑難問(wèn)題的提出，三個(gè)階段是不斷循環(huán)的，直至產(chǎn)品的開發(fā)過(guò)程已細(xì)化完善之規(guī)定需求。快速成型技術(shù)是指將產(chǎn)品元素、標(biāo)準(zhǔn)模塊及制造工序協(xié)調(diào)擬定。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展和硬件系統(tǒng)的逐步升級(jí)，基于智能理論的設(shè)計(jì)方法將越來(lái)越多的利用快速成型技術(shù)、虛擬表達(dá)技術(shù)等綜合運(yùn)用，如利用立體方式代替拆卸和連接等內(nèi)容。

我國(guó)在基于智能理論的設(shè)計(jì)還處于初步階段。針對(duì)OBJECT-ORIENTAL技術(shù)，主要側(cè)重在綜合時(shí)序組合的專家設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并采用依據(jù)表征未圖形高性能和交換能力高性能的Open Graphics Library技術(shù),實(shí)現(xiàn)專家設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠經(jīng)受三維層次的多角度考驗(yàn)。

5 設(shè)計(jì)方法的發(fā)展趨勢(shì)

基于上述分析可知，基于系統(tǒng)理論的設(shè)計(jì)方法再現(xiàn)了抽象到具體的層次化過(guò)程，其任意層次的目標(biāo)和方法均體現(xiàn)了有機(jī)結(jié)合及逐步深入的系統(tǒng)理論思想。基于功能化模塊的設(shè)計(jì)方法表征為模塊的分解和單個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，對(duì)于功能化模塊穩(wěn)定且易于劃分的特定機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)，可以優(yōu)先選擇基于功能化模塊的設(shè)計(jì)方法。當(dāng)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)難以用數(shù)理方法推理驗(yàn)算或描述時(shí)，則需要根據(jù)其特征內(nèi)涵并借助于專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行推理決策，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與推理決策良好融合之后，可有效進(jìn)行產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)。基于智能理論的設(shè)計(jì)方法主要借助了三維軟件和虛擬技術(shù)等現(xiàn)代化工具，雖然其直觀性優(yōu)異，但對(duì)設(shè)計(jì)人員的多領(lǐng)域知識(shí)要求較高，在沒有高智能化工具的情況下，一般適用于經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)者參與。

需要指出的是，四種主流設(shè)計(jì)方法并不是完全孤立的，它們之間存在特定的關(guān)系。實(shí)際上，其中的任意一種設(shè)計(jì)方法都蘊(yùn)含一定程度上的系統(tǒng)化理念。此外，基于特征內(nèi)涵的設(shè)計(jì)在推理決策過(guò)程中需要用到功能化模塊知識(shí)，而其本身又是基于智能理論設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)內(nèi)容。

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和硬件技術(shù)的逐步進(jìn)步，異地同步設(shè)計(jì)制造將會(huì)成為可能。但其重要前提是能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)的立體可視化。因此，除了立體圖形智能化軟件技術(shù)外，媒體技術(shù)甚至超媒體技術(shù)及虛擬工具會(huì)愈來(lái)愈多地運(yùn)用到機(jī)械產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)中。如處理機(jī)械產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)前列的德國(guó)對(duì)超媒體工具已經(jīng)進(jìn)行了深入的研究。

整體來(lái)看，機(jī)械產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)越來(lái)越多的傾向于C A E設(shè)計(jì)和智能化設(shè)計(jì)的方向發(fā)展，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)異地同步設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造。雖然單一的設(shè)計(jì)方法很難實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，但綜合運(yùn)用四類設(shè)計(jì)方法并結(jié)合多領(lǐng)域知識(shí)仍然可能是一個(gè)有效的途徑。

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