陳博洋， 胡曉兵， 鄧 希

(四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 成都 610065)

1 引 言

隨著中國(guó)制造2025的提出，市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品制造的效率和創(chuàng)新性也有了更高的要求.產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)成本占產(chǎn)品總成本的比例較小，但決定了絕大部分的總成本[1].產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段確定了產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)組成和主要性能參數(shù)，同時(shí)也決定了產(chǎn)品制造、維修和運(yùn)輸?shù)瘸杀?

因此，產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)方法成為現(xiàn)在學(xué)者們研究的熱點(diǎn).面對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品往往采用自頂向下的設(shè)計(jì)思想，首先對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)分析建立功能模型，再建立裝配體概念模型，最終確定零部件詳細(xì)設(shè)計(jì)信息[2].計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法主要是由設(shè)計(jì)人員依據(jù)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)與設(shè)計(jì)系統(tǒng)不斷交互，完成產(chǎn)品由整體布局到零部件的設(shè)計(jì)和選型[3].

安建軍等[4]基于VB.NET環(huán)境, 開發(fā)了快鍛壓機(jī)液壓參數(shù)化系統(tǒng).楊雄等[5]采用面向?qū)ο蟮淖皂斚蛳聟?shù)化設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)啟閉機(jī)卷筒組的個(gè)性化、參數(shù)化建模.這種設(shè)計(jì)方法雖然在一定程度上減少了設(shè)計(jì)人員的重復(fù)勞動(dòng)，但需要設(shè)計(jì)人員在前期完成產(chǎn)品的頂層基本骨架的設(shè)計(jì)，即確定零部件之間的裝配位置關(guān)系.但產(chǎn)品在概念設(shè)計(jì)階段信息較少使得裝配體概念模型的設(shè)計(jì)體現(xiàn)出其主觀性和局限性.特別是針對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品時(shí)，僅僅在概念模型設(shè)計(jì)階段難以判斷其優(yōu)劣性.

為了解決上述問(wèn)題，提出了一種基于設(shè)計(jì)方案樹和知識(shí)庫(kù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法.將設(shè)計(jì)方案抽象為一組產(chǎn)品的屬性，將產(chǎn)品屬性轉(zhuǎn)化為樹結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)，將概念設(shè)計(jì)與詳細(xì)設(shè)計(jì)相融合，利用知識(shí)庫(kù)儲(chǔ)存設(shè)計(jì)過(guò)程中的計(jì)算公式、設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)規(guī)則，在概念設(shè)計(jì)階段就開始進(jìn)行零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算與選型，最終形成設(shè)計(jì)方案樹，遍歷可得一定數(shù)量的設(shè)計(jì)方案.設(shè)計(jì)方案既包含產(chǎn)品的原理組合也包含相對(duì)應(yīng)的零部件的選型和結(jié)構(gòu)信息，再對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)和決策有利于提高設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性和可靠性.該方法進(jìn)一步降低了成本，縮短了設(shè)計(jì)周期，減少了設(shè)計(jì)人員的交互時(shí)間和使用難度，同時(shí)提高了設(shè)計(jì)效率，增加了產(chǎn)品方案的數(shù)量及其多樣性.

2 基于樹結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法

2.1 設(shè)計(jì)方案樹模型建立

現(xiàn)針對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)一般過(guò)程是根據(jù)客戶和工程需求輸入產(chǎn)品信息，以設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)為原則確定產(chǎn)品的總體布局模型，再根據(jù)布局模型，對(duì)每個(gè)零部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，生成最終的產(chǎn)品模型[6].為了改進(jìn)設(shè)計(jì)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和偏好需求確定布局模型的局限性和進(jìn)一步增加產(chǎn)品方案的數(shù)量和多樣性，采用樹結(jié)構(gòu)建立了設(shè)計(jì)方案樹模型.

傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)是基本固定的，只是隨訂單需求的不同而在關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)、裝配方式、布局模式、主要零部件數(shù)量和型號(hào)上的選擇不同.因此可以將一個(gè)產(chǎn)品方案抽象為一組產(chǎn)品屬性(關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)、主要零部件型號(hào)、主要零部件數(shù)量等)來(lái)描述產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能.產(chǎn)品屬性分為固有屬性和生成屬性，固有屬性有固定的取值范圍和規(guī)律，而生成屬性是在每次設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)計(jì)算得出的參數(shù)，兩者具體的分類規(guī)則如表1所示.

表1 屬性分類表

設(shè)計(jì)方案樹模型建立方法如下:

一個(gè)產(chǎn)品共有n個(gè)主要屬性，則設(shè)計(jì)方案樹共n層，每層代表產(chǎn)品的一個(gè)主要屬性，產(chǎn)品屬性集為S={s1,s2,…,sn},n≥0.第i層的葉子節(jié)點(diǎn)Si表示第i層的屬性值,即Si={si-v1,si-v2,…,si-vmi},mi≥0，mi為第i層屬性值總數(shù).葉子節(jié)點(diǎn)si-vj的路徑Path(si-vj)包含該路徑上各節(jié)點(diǎn)的值,即Path(si-vj)={s1-vk,s2-vl,…,si-1-vr},k∈(1,m1),l∈(1,m2),…,r∈(1,mi-1).

假設(shè)節(jié)點(diǎn)si-vj的子節(jié)點(diǎn)為固有屬性，則子節(jié)點(diǎn)Node(si-vj)從屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中直接讀出,即：

Node(si-vj)={si+1-v1,si+1-v2,…,si+1-

vmi+1}；

若節(jié)點(diǎn)si-vj的子節(jié)點(diǎn)為生成屬性，則子節(jié)點(diǎn)Node(si-vj)需根據(jù)該節(jié)點(diǎn)路徑上的各參數(shù)及其它所需設(shè)計(jì)參數(shù)經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算得出，即：Node(si-vj)=f(Path(si-vj),v1,v2,…,vr),v1,v2,…,vr為設(shè)計(jì)計(jì)算所需的其它設(shè)計(jì)參數(shù).

產(chǎn)品的屬性按設(shè)計(jì)流程需求的先后順序依次轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)方案樹中的各層節(jié)點(diǎn).該模型的一條完整路徑即為產(chǎn)品的一個(gè)設(shè)計(jì)方案.產(chǎn)品的屬性結(jié)構(gòu)表如表2，設(shè)計(jì)方案樹結(jié)構(gòu)如圖1.

表2 屬性結(jié)構(gòu)表

圖1 設(shè)計(jì)方案樹結(jié)構(gòu)Fig.1 Design tree structure

2.2 基于AHP-TOPSIS法的設(shè)計(jì)方案排序

產(chǎn)品生命周期成本包括設(shè)計(jì)階段成本、制造階段成本、銷售階段成本、使用和維護(hù)成本以及回收和報(bào)廢成本[7].由于產(chǎn)品生命周期總成本的70%以上是在設(shè)計(jì)初期承擔(dān)的，設(shè)計(jì)人員可以充分考慮設(shè)計(jì)決策對(duì)生命周期的影響，從而大大降低產(chǎn)品生命周期成本[8].因此，盡早準(zhǔn)確地估算和優(yōu)化成本是非常重要的.為了達(dá)到上述目的,本部分主要使用產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段的典型屬性[9]估算備選方案的成本并對(duì)方案進(jìn)行排序.這類屬性是指對(duì)產(chǎn)品成本產(chǎn)生主要影響的零部件成本和個(gè)數(shù).在部分情況下產(chǎn)品零部件的成本不明確，可以利用零部件的其他參數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分組，對(duì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià).根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象，各指標(biāo)在綜合評(píng)價(jià)中的作用并不同等重要，傳統(tǒng)TOPSIS的權(quán)重一般人為設(shè)定取平均值，不能反映專家的偏好和個(gè)性.為此，通過(guò)結(jié)合AHP和TOPSIS的理論，建立了AHP-TOPSIS產(chǎn)品方案評(píng)判指標(biāo)體系模型[10].專家根據(jù)產(chǎn)品的特性，從屬性集中選出若干個(gè)對(duì)產(chǎn)品方案決策有主要影響的屬性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于AHP確定偏好權(quán)重.采用賦權(quán)的TOPSIS對(duì)方案進(jìn)行排序和優(yōu)選，得到最優(yōu)方案.基于AHP-TOPSIS法的設(shè)計(jì)方案排序的步驟如下.

步驟1專家從產(chǎn)品屬性集中選取m個(gè)屬性s1,s2,…,sm建立產(chǎn)品的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.運(yùn)用AHP法計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重ω.采用徐澤水[11]的-2～2的五標(biāo)度法比較賦值，根據(jù)賦值標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造相應(yīng)的判斷矩陣A，如表3所示.

表3 指標(biāo)權(quán)重重要程度賦值標(biāo)準(zhǔn)

表3中，比較第i個(gè)元素與第j個(gè)元素相對(duì)上一層某個(gè)因素的重要性時(shí)，使用數(shù)量化的相對(duì)權(quán)重來(lái)描述.設(shè)共有m個(gè)元素參與比較，則A=(sij)m×m，即sij=1/n.

(1)

步驟2假設(shè)備選方案集P共有n個(gè)方案，P={P1,P2,…,Pn}，方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)集R={r1,r2,…,rm}，評(píng)價(jià)指標(biāo)rij表示第i個(gè)方案的第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中,i∈[1,n],j∈[1,m].初始判斷矩陣P可表示為

(2)

步驟3將初始判斷矩陣P=(rij)n×m進(jìn)行歸一化處理，得到矩陣Z=(zij)n×m，其中的元素為

(3)

步驟4將矩陣的列向量與AHP法確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重ω相乘，得到加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣B=(bij)n×m，其中的元素為

bij=ωizij

(4)

步驟5計(jì)算正理想解和負(fù)理想解，即由各指標(biāo)的最優(yōu)值和最劣值分別構(gòu)成正理想解B+和負(fù)理想解B-:

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

步驟7計(jì)算各設(shè)計(jì)方案對(duì)理想解Di的相對(duì)接近度:

(11)

步驟8按照Di的大小順序?qū)υO(shè)計(jì)方案集P進(jìn)行排序，得到排序后的方案集P1.

2.3 基于樹結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法流程

基于樹結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法的具體流程如圖2所示，步驟如下.

圖2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程Fig.2 Product design process

步驟1設(shè)計(jì)方案樹模型初始化.

從產(chǎn)品屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取產(chǎn)品的固有屬性個(gè)數(shù)，得到固有屬性總數(shù)n;設(shè)層數(shù)n=1，系統(tǒng)開始.

步驟2下層節(jié)點(diǎn)生成.

開始對(duì)當(dāng)前模型進(jìn)行判斷.如果讀取當(dāng)前層數(shù)的屬性為固有屬性，則加載下一層節(jié)點(diǎn)，設(shè)i=i+1；如果當(dāng)前層數(shù)的屬性為生成屬性，則開始零部件設(shè)計(jì)

步驟3零部件設(shè)計(jì).

生成第(i+1)層節(jié)點(diǎn)共讀取N條路徑，N=m1×m2×…mi.讀取節(jié)點(diǎn)路徑Path(si-vj),j∈[1,N]，獲得零部件設(shè)計(jì)的必要參數(shù).

設(shè)j=1，對(duì)零部件進(jìn)行判斷：

如果屬于外購(gòu)件，則對(duì)其進(jìn)行篩選.根據(jù)評(píng)價(jià)規(guī)則，從外購(gòu)零部件模型數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇滿足要求的零部件，生成下層節(jié)點(diǎn)Node(si-vj)，節(jié)點(diǎn)內(nèi)容包含零部件廠家，型號(hào)等信息；

否則，通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算生成下層節(jié)點(diǎn)Node(si-vj)，節(jié)點(diǎn)內(nèi)容包括零部件關(guān)鍵技術(shù)參數(shù).

如果Node(si-vj)??，生成節(jié)點(diǎn)si-vj的下層節(jié)點(diǎn)，即j=j+1；否則，路徑Path(si-vj)結(jié)束.

如果j≤m1×m2×…mi，重復(fù)上述操作；如果j>m1×m2×…mi，則(i+1)層節(jié)點(diǎn)生成步驟完成.

步驟4設(shè)計(jì)方案集

當(dāng)設(shè)計(jì)方案樹模型完成，即i>n，通過(guò)深度優(yōu)先遍歷28得到備選方案集P.

步驟5備選方案集排序

參照本文2.2節(jié)的方法生成排序后的備選方案集P1

3 知識(shí)庫(kù)的建立

根據(jù)產(chǎn)品的功能需求，形狀結(jié)構(gòu)，布局模式等要素確定產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法和步驟，是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程.不同類型的產(chǎn)品具有不同的設(shè)計(jì)流程，即使是同一種類型的產(chǎn)品也會(huì)因?yàn)榭茖W(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展而有所改變.而基于數(shù)據(jù)庫(kù)的系統(tǒng)，知識(shí)往往被硬編碼到程序代碼、存儲(chǔ)過(guò)程或觸發(fā)器中.只有程序員可以修改這些知識(shí).基于知識(shí)庫(kù)[12-13]的系統(tǒng)直接由專家或設(shè)計(jì)人員按一定格式來(lái)設(shè)計(jì)和修改規(guī)則，并將規(guī)則和相關(guān)參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，程序中只需調(diào)用不同的規(guī)則來(lái)完成設(shè)計(jì)，這種模式往往比基于數(shù)據(jù)庫(kù)的更加強(qiáng)大靈活和易于維護(hù).

為了讓系統(tǒng)能根據(jù)產(chǎn)品信息自行完成設(shè)計(jì)，需要將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)知識(shí)建成一個(gè)知識(shí)庫(kù).產(chǎn)品的設(shè)計(jì)知識(shí)主要包括設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)原則等幾個(gè)方面[14].合理的建立知識(shí)庫(kù)首先對(duì)知識(shí)進(jìn)行分類.

(1) 設(shè)計(jì)參數(shù).針對(duì)參數(shù)建立相應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行唯一編碼和管理.從參數(shù)來(lái)源分析參數(shù)分為4類：特征參數(shù)、合同參數(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢結(jié)果參數(shù)和計(jì)算參數(shù).以鋼絲繩選型為例，對(duì)4類參數(shù)進(jìn)行解釋定義，如表4所示.表5為鋼絲繩選型所需的公式.

表4 參數(shù)分類表

表5 鋼絲繩選型公式表

參數(shù)的查詢流程如圖3所示.先確認(rèn)參數(shù)的類別，如特征參數(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢結(jié)果參數(shù)及合同參數(shù)均以數(shù)據(jù)庫(kù)和XML文件為查詢依據(jù)而得出的結(jié)果.而計(jì)算參數(shù)則先查詢知識(shí)庫(kù)中的公式庫(kù)獲得相應(yīng)計(jì)算公式，運(yùn)用公式解析器獲得計(jì)算公式中的參數(shù)再重復(fù)操作直到得到最終結(jié)果.

圖3 參數(shù)查詢流程Fig.3 Parameter query process

(2) 設(shè)計(jì)規(guī)則主要包含產(chǎn)品的零部件決策原則，零部件篩選規(guī)則，零部件布局規(guī)則，零部件布局評(píng)價(jià)原則等，常采用產(chǎn)生式規(guī)則表示，即if條件，then結(jié)果的形式表示.

(3) 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)：產(chǎn)品設(shè)計(jì)中包含有基于設(shè)計(jì)人員主觀的根據(jù)以往的實(shí)驗(yàn)或設(shè)計(jì)實(shí)例總結(jié)推理出的知識(shí).這些知識(shí)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中有非常重要的地位，在一定程度上提高了設(shè)計(jì)的效率.

(4) 計(jì)算公式：傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中的計(jì)算公式多以函數(shù)的形式儲(chǔ)存在程序中，會(huì)造成設(shè)計(jì)系統(tǒng)過(guò)于龐大復(fù)雜，難以管理維護(hù).針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，將計(jì)算公式進(jìn)行唯一編碼(公式名稱)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，只在設(shè)計(jì)系統(tǒng)過(guò)程中調(diào)用計(jì)算公式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算.

4 應(yīng)用實(shí)例

為驗(yàn)證前述基于設(shè)計(jì)方案樹和知識(shí)庫(kù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，對(duì)某水利水電機(jī)械公司“1 000 kN啟閉力固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)” 進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，并開發(fā)了一套系統(tǒng)軟件[15].

4.1 啟閉機(jī)的知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)

以啟閉機(jī)零部件篩選規(guī)則為例，證明知識(shí)庫(kù)的可行性和可靠性.啟閉機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案樹層數(shù)多達(dá)16層，如果不經(jīng)篩選直接生成最終結(jié)構(gòu)，會(huì)造成底層的節(jié)點(diǎn)數(shù)量過(guò)多，這種情況會(huì)造成系統(tǒng)加載速度過(guò)慢，影響設(shè)計(jì)效率.為了解決這個(gè)問(wèn)題，提出了一系列減少節(jié)點(diǎn)數(shù)量的規(guī)則，其中主要包含篩選零部件數(shù)量和篩選零部件組合路徑兩部分內(nèi)容，具體如表5所示.

啟閉機(jī)由卷筒、減速器、電機(jī)、制動(dòng)器和聯(lián)軸器等部件組成[16]. 每個(gè)部件的個(gè)數(shù)初始設(shè)為32個(gè)，通過(guò)篩選零部件數(shù)量的規(guī)則，可以使零部件的數(shù)量減少至符合設(shè)計(jì)人員的需求.零部件數(shù)量符合需求后，為了進(jìn)一步減少不合理的零部件組合路徑，運(yùn)用表中規(guī)則將3 375種部件組合路徑篩選為16種合理路徑，篩選結(jié)果如圖4所示.

表6 零部件篩選規(guī)則

圖4 部件組合篩選結(jié)果

4.2 基于樹結(jié)構(gòu)的啟閉機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)

分別采用基于經(jīng)驗(yàn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法(方法1)和上述方法(方法2)對(duì)固定式卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)(主要合同參數(shù)：?jiǎn)㈤]力為1 000 kN,持住力為0 kN,孔口長(zhǎng)度為3.6 m,孔口寬度為3 m,揚(yáng)程為62 m,上極限為4 m).固定卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)的屬性如表7所示.

表7 固定式卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)屬性表

表7中，Dx-num,Jx-num,Lx-num,Zx-num分別表示電機(jī),減速器,聯(lián)軸器,制動(dòng)器的型號(hào).

方法1由設(shè)計(jì)人員按經(jīng)驗(yàn)選擇布局參數(shù)，生成產(chǎn)品概念裝配模型，再進(jìn)行零部件的設(shè)計(jì)和選型，可得方案1.

方法2采用基于樹結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，共生成4 288個(gè)備選方案如表8所示.

表8 實(shí)例方案集

表8中，DC-num，DX-num，JC-num，JX-num，GC-num，GX-num，AC-num，AX-num，LC-num，LX-num分別表示電機(jī)，減速器，工作制動(dòng)器，安全制動(dòng)器，聯(lián)軸器的廠家，系列號(hào)的名稱.

對(duì)備選方案集運(yùn)用AHP-TOPSIS法進(jìn)行方案排序，步驟如下.

步驟1采取AHP法求得屬性權(quán)重ω.

由設(shè)計(jì)人員選出鋼絲繩直徑，卷筒直徑，電機(jī)質(zhì)量，減速器質(zhì)量，工作制動(dòng)器質(zhì)量，安全制動(dòng)器質(zhì)量，聯(lián)軸器質(zhì)量作為指標(biāo)建立啟閉機(jī)設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如表9所示.

根據(jù)表9構(gòu)造指標(biāo)層C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7對(duì)準(zhǔn)則層B1的判斷決策矩陣，解析矩陣可得：

表9 啟閉機(jī)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

ω= (0.0102, 0.2602, 0.0633, 0.2602, 0.0198, 0.0198, 0.3664).

判斷決策矩陣

步驟2采用TOPSIS算法，得到正理想解和負(fù)理想解，并將所有方案排序，步驟如下.

(1) 將表8中的方案屬性值構(gòu)成的決策矩陣S進(jìn)行歸一化處理得到矩陣Z.

(2) 生成AHP法加權(quán)的決策矩陣B.

(3) 求得正理想溶液B+和負(fù)理想溶液B-如下式.

(4) 計(jì)算每個(gè)設(shè)計(jì)方案到正、負(fù)理想解的距離C+和C-如下式.

(5) 計(jì)算各設(shè)計(jì)方案對(duì)理想解的相對(duì)接近度D如下式.

(6) 按照Di的大小順序，對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行排序，根據(jù)排序結(jié)果篩選出排名第一的方案，即方案2.

4.3 結(jié)果分析

如圖5(a)所示，設(shè)計(jì)人員利用基于經(jīng)驗(yàn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)[15]完成了從結(jié)構(gòu)形式的確定到卷筒、電機(jī)等各個(gè)零部件的設(shè)計(jì)，最后到驅(qū)動(dòng)模型的設(shè)計(jì)過(guò)程.如圖5(b)所示，設(shè)計(jì)人員使用基于樹結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)生成了一個(gè)Treeview控件支持的設(shè)計(jì)方案樹模型.

(a) 基于經(jīng)驗(yàn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)(a) Parametric design system based on experience

(b) 基于樹結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)(b) The design system based on tree structure

在相同條件下，方案1由公司設(shè)計(jì)人員采用公司的基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，方案2采用本文提出的方法進(jìn)行設(shè)計(jì).從經(jīng)濟(jì)方面考慮，啟閉機(jī)的評(píng)價(jià)指標(biāo)均為負(fù)向指標(biāo)，指標(biāo)越小，成本越低，方案越好.根據(jù)表10可得，方案2共有5個(gè)指標(biāo)即鋼絲繩直徑，卷筒直徑，減速器重量，工作制動(dòng)器重量和安全制動(dòng)器重量小于方案1，且減少率分別達(dá)為7.14%，0.63%，11.1%，23.0%，1.8%；而剩余指標(biāo)均與方案1持平.由此可得，采用方法2得出的方案的各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于或等于方法1得出的方案.

表10 方案對(duì)比結(jié)果

從設(shè)計(jì)工具、設(shè)計(jì)周期、備選方案數(shù)量、結(jié)果可靠性和經(jīng)濟(jì)性等方面對(duì)兩方法進(jìn)行了綜合比較.結(jié)果如表11所示.

表11 性能對(duì)比結(jié)果

5 結(jié) 論

本文提出了一個(gè)將產(chǎn)品屬性融合于樹結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，利用計(jì)算機(jī)特性快速生成大量可行的設(shè)計(jì)方案，且設(shè)計(jì)方案包含了概念模型和零部件模型兩部分，超越了專家設(shè)計(jì)的局限，在所有可能的方案里根據(jù)一定的指標(biāo)得出最好最合適的方案，使評(píng)價(jià)和決策過(guò)程更客觀和科學(xué).在降低產(chǎn)品成本的同時(shí)提高了備選方案的數(shù)量和多樣性；通過(guò)建立產(chǎn)品知識(shí)庫(kù)，將設(shè)計(jì)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，設(shè)計(jì)原則，計(jì)算公式等從系統(tǒng)框架中抽離出來(lái)，有效地提高了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的通用性和適應(yīng)性；本文以某水利水電機(jī)械公司固定式卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)設(shè)計(jì)為例，驗(yàn)證了方法的可行性和實(shí)用性，相比于其它已公開的產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)方法該方法更為可靠和有效.