摘要：根據(jù)目前國內(nèi)外設(shè)計學(xué)者進行機械產(chǎn)品設(shè)計時的主要思維特點，將產(chǎn)品方案的設(shè)計方法概括為系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)模塊化、基于產(chǎn)品特征知識和智能化四種類型。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(shè)計計算機實現(xiàn)的努力方向。

引言

科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，使產(chǎn)品功能的要求日益增多、復(fù)雜性增加、壽命期縮短、更新?lián)Q代速度加快。然而產(chǎn)品的設(shè)計，尤其是機械產(chǎn)品方案的設(shè)計手段則顯得力不從心，跟不上時代發(fā)展的需求。在經(jīng)濟全球化的環(huán)境下，機械制造業(yè)的競爭實質(zhì)上是產(chǎn)品設(shè)計的競爭。如何快速地進行機械產(chǎn)品的開發(fā)是提高制造業(yè)市場競爭能力的一個關(guān)鍵問題，進行機械產(chǎn)品現(xiàn)代設(shè)計理論、方法和應(yīng)用技術(shù)的研究是十分重要的一項基礎(chǔ)性工作。

目前計算機輔助產(chǎn)品的設(shè)計繪圖、計算、加工制造、生產(chǎn)規(guī)劃已得到廣泛深入地研究，并初見成效，而產(chǎn)品開發(fā)初期方案的計算機輔助設(shè)計卻遠遠不能滿足設(shè)計需要。為此本文概括總結(jié)了國內(nèi)外設(shè)計學(xué)者進行方案設(shè)計時采取的方法，并討論了各種方法間的有機聯(lián)系和機械產(chǎn)品方案設(shè)計計算機實現(xiàn)的發(fā)展趨勢。

機械產(chǎn)品方案設(shè)計方法概括為以下四大類型：

1.系統(tǒng)化設(shè)計方法

系統(tǒng)化設(shè)計方法的主要特點是：將設(shè)計看成有若干設(shè)計要素組成的一個系統(tǒng)，每個設(shè)計要素具有獨立性，各個要素間存在著有機聯(lián)系，并具有層次性，所有要素結(jié)合后，即可實現(xiàn)設(shè)計系統(tǒng)所需完成的任務(wù)。下面介紹一些具有代表性的系統(tǒng)化設(shè)計方法。

1.1.設(shè)計元素法

用五個設(shè)計元素（功能、效應(yīng)、效應(yīng)載體、形狀元素和表面參數(shù)）描述“產(chǎn)品解”，認(rèn)為一個產(chǎn)品的五個設(shè)計元素值確定之后，產(chǎn)品的所有特征和特征值即已確定。

1.2.圖形建模法

研制出設(shè)計分析和引導(dǎo)系統(tǒng)，用層次清楚的圖形描述出產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的抽象信息，實現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能關(guān)系的圖形化建模，以及功能層之間的鏈接。

1.3.“構(gòu)思”一“設(shè)計”法

將產(chǎn)品的方案設(shè)計分為“構(gòu)思”和“設(shè)計”兩個階段?！皹?gòu)思”階段的任務(wù)是尋求、選擇和組合滿足設(shè)計任務(wù)要求的原理解。“設(shè)計”階段的工作則是具體實現(xiàn)構(gòu)思階段的原理解。

1.4.矩陣設(shè)計法

在方案設(shè)計過程中采用“要求一功能”邏輯樹描述要求與功能之間的相互關(guān)系，得到滿足要求的功能設(shè)計解集，形成不同的設(shè)計方案。再根據(jù)“要求一功能”邏輯樹建立“要求一功能”關(guān)聯(lián)矩陣，以描述滿足要求所需功能之間的復(fù)雜關(guān)系，表示出要求與功能間一一對應(yīng)的關(guān)系。

1.5.鍵合圖法

將組成系統(tǒng)元件的功能分成產(chǎn)生能量、消耗能量、轉(zhuǎn)變能量形式、傳遞能量等各種類型，并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(jié)合，實現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的自動生成和功能結(jié)構(gòu)與鍵合圖之間的自動轉(zhuǎn)換，尋求由鍵合圖產(chǎn)生多個設(shè)計方案的方法。

2.結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計方法

從規(guī)劃產(chǎn)品的角度提出：定義設(shè)計任務(wù)時以功能化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，引用已有的產(chǎn)品解（如通用零部件等）描述設(shè)計任務(wù)，即分解任務(wù)時就考慮每個分任務(wù)是否存在對應(yīng)的產(chǎn)品解。這樣能夠在產(chǎn)品規(guī)劃階段就消除設(shè)計任務(wù)中可能存在的矛盾，早期預(yù)測生產(chǎn)能力、費用，以及開發(fā)設(shè)計過程中計劃的可調(diào)整。由此提高設(shè)計效率和設(shè)計的可靠性，同時降低新產(chǎn)品的成本。

3.基于產(chǎn)品特征知識的設(shè)計方法

基于產(chǎn)品特征知識設(shè)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(shè)計領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗，建立相應(yīng)的知識庫及推理機，再利用已儲存的領(lǐng)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(shè)計。

機械系統(tǒng)的方案設(shè)計主要是依據(jù)產(chǎn)品所具有的特征，以及設(shè)計領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗進行推量和決策，完成機構(gòu)的型、數(shù)綜合。想要實現(xiàn)這一階段的計算機輔助設(shè)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。

4.智能化設(shè)計方法

智能化設(shè)計方法的主要特點是：根據(jù)設(shè)計方法學(xué)理論，借助于三維圖形軟件、智能化設(shè)計軟件和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，以及多媒體、超媒體工具進行產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計、表達產(chǎn)品的構(gòu)思、描述產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)。

在進行機電產(chǎn)品設(shè)計時，把產(chǎn)品的整個開發(fā)過程概括為“產(chǎn)品規(guī)劃”、“開發(fā)”和“生產(chǎn)規(guī)劃”三個階段。

4.1.產(chǎn)品規(guī)劃一構(gòu)思產(chǎn)品。任務(wù)是確定產(chǎn)品的外部特征，如色彩、形狀、表面質(zhì)量、人機工程等，并將最初的設(shè)想用CAD立體模型表示出來，建立能夠體現(xiàn)整個產(chǎn)品外形的簡單模型。立體模型是檢驗外部形狀效果的依據(jù)，也是幾何圖形顯示設(shè)計變量的依據(jù)，同時還是開發(fā)過程中各類分析的基礎(chǔ)。

4.2.開發(fā)一設(shè)計產(chǎn)品。該階段主要依據(jù)“系統(tǒng)合成”原理，在立體模型上配置和集成解元素。將實現(xiàn)功能的關(guān)鍵性解元素配置到立體模型之后，即可對產(chǎn)品的配置進行分析。

4.3.產(chǎn)品規(guī)劃一加工和裝配產(chǎn)品。該階段主要是裝配過程中CAD技術(shù)的應(yīng)用，提出用計算機圖形顯示解元素在相應(yīng)位置的裝配過程，即通過虛擬裝配模型揭示造型和裝配間的關(guān)系，由此發(fā)現(xiàn)難點和問題，并找出解決問題的方法

5.總結(jié)

值得一提的是，上述各種設(shè)計方法并不是完全孤立的，各種方法之間都存在一定程度上的聯(lián)系。如結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計方法中，劃分結(jié)構(gòu)模塊時就蘊含有系統(tǒng)化思想；建立產(chǎn)品特征及設(shè)計方法知識庫和推理機時，通常也需運用系統(tǒng)化和結(jié)構(gòu)模塊化方法；此外，基于產(chǎn)品特征知識的設(shè)計同時又是方案智能化設(shè)計的基礎(chǔ)之

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，使得異地協(xié)同設(shè)計與制造，以及從用戶對產(chǎn)品的功能需求一設(shè)計一加工一裝配一成品這一并行工程的實現(xiàn)成為可能。但是，達到這些目標(biāo)的重要前提條件之一，就是實現(xiàn)產(chǎn)品方案設(shè)計效果的三維可視化。為此，不僅三維圖形軟件、智能化設(shè)計軟件愈來愈多地應(yīng)用于產(chǎn)品的方案設(shè)計中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及多媒體、超媒體工具也在產(chǎn)品的方案設(shè)計中初露鋒芒。

機械產(chǎn)品的方案設(shè)計正朝著計算機輔助實現(xiàn)、智能化設(shè)計和滿足異地協(xié)同設(shè)計制造的需求方向邁進。綜合運用文中的四種類型設(shè)計方法是達到這一目標(biāo)的有效途徑。國外在這方面的研究已初見成效，我國的設(shè)計學(xué)者應(yīng)該意識到與國際交流合作的重要性，并采取積極的措施。

參考文獻：

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[2]康曉東CAD技術(shù)（上）[J]機械工程師，1997， （6）：54.

作者簡介：

賈志蕓（1978.9）， 女，漢，天津市，機械工程及自動化專業(yè)本科，工程師，研究方向：機械設(shè)計。