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世界最新機械設(shè)計理念 來源 中國科技期刊 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 這 幾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 關(guān)鍵詞 機械產(chǎn)品方案設(shè)計方法發(fā)展趨勢 設(shè)計文件是將語義設(shè)計網(wǎng)作為設(shè)計工具 在其開發(fā)的活性語義設(shè)計網(wǎng) ASK 中 采用結(jié)點和線條組成的網(wǎng)絡(luò)描述設(shè)計 結(jié)點表示元件化的單元 如設(shè)計任務(wù) 功能 構(gòu)件或加工設(shè)備等 線條用以調(diào)整和定義結(jié)點間不同的語義關(guān)系 由此 為設(shè)計過程中的所有活動和結(jié)果預(yù)先建立模型 使早期設(shè)計要求的定義到每一 個結(jié)構(gòu)的具體描述均可由關(guān)系間的定義表達 實現(xiàn)了計算機輔助設(shè)計過程由抽 象到具體的飛躍 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)計看成由若干個設(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的聯(lián)系 并具有層次 性 所有的設(shè)計要素結(jié)合后 即可實現(xiàn)設(shè)計系統(tǒng)所需完成的任務(wù) 系統(tǒng)化設(shè)計思想于 70 年代由德國學(xué)者 Pahl 和 Beitz 教授提出 他們以系統(tǒng) 理論為基礎(chǔ) 制訂了設(shè)計的一般模式 倡導(dǎo)設(shè)計工作應(yīng)具備條理性 德國工程 師協(xié)會在這一設(shè)計思想的基礎(chǔ)上 制訂出標(biāo)準 VDI2221 技術(shù)系統(tǒng)和產(chǎn)品的開發(fā) 設(shè)計方法 1 將用戶需求作為產(chǎn)品功能特征構(gòu)思 結(jié)構(gòu)設(shè)計和零件設(shè)計 工藝規(guī)劃 作業(yè)控制等的基礎(chǔ) 從產(chǎn)品開發(fā)的宏觀過程出發(fā) 利用質(zhì)量功能布置方法 系 統(tǒng)地將用戶需求信息合理而有效地轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品開發(fā)各階段的技術(shù)目標(biāo)和作業(yè)控 制規(guī)程的方法 2 將產(chǎn)品看作有機體層次上的生命系統(tǒng) 并借助于生命系統(tǒng)理論 把產(chǎn) 品的設(shè)計過程劃分成功能需求層次 實現(xiàn)功能要求的概念層次和產(chǎn)品的具體設(shè) 計層次 同時采用了生命系統(tǒng)圖符抽象地表達產(chǎn)品的功能要求 形成產(chǎn)品功能 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3 將機械設(shè)計中系統(tǒng)科學(xué)的應(yīng)用歸納為兩個基本問題 一是把要設(shè)計的 產(chǎn)品作為一個系統(tǒng)處理 最佳地確定其組成部分 單元 及其相互關(guān)系 二是 將產(chǎn)品設(shè)計過程看成一個系統(tǒng) 根據(jù)設(shè)計目標(biāo) 正確 合理地確定設(shè)計中各個 方面的工作和各個不同的設(shè)計階段 由于每個設(shè)計者研究問題的角度以及考慮問題的側(cè)重點不同 進行方案設(shè) 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(shè)計 方法 4 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 我國亦有設(shè)計學(xué)者采用了類似方法描述產(chǎn)品的原理解 5 圖形建模法 研制的 設(shè)計分析和引導(dǎo)系統(tǒng) KALEIT 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 以及功能層之間的聯(lián)接 將設(shè)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(jié)構(gòu) 可以描述集成條件 可以劃 分約束類型 可以實現(xiàn)關(guān)系間的任意結(jié)合等特點 將設(shè)計方法解與信息技術(shù)進 行集成 實現(xiàn)了設(shè)計過程中不同抽象層間信息關(guān)系的圖形化建模 6 構(gòu)思 設(shè)計 法 將產(chǎn)品的方案設(shè)計分成 構(gòu)思 和 設(shè)計 兩個階段 構(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 將方案的 構(gòu)思 具體描述為 根據(jù)合適的功能結(jié)構(gòu) 尋求滿足設(shè)計任務(wù) 要求的原理解 即功能結(jié)構(gòu)中的分功能由 結(jié)構(gòu)元素 實現(xiàn) 并將 結(jié)構(gòu)元素 間的物理聯(lián)接定義為 功能載體 功能載體 和 結(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)元素 再定量地描述所有 結(jié)構(gòu)元素 和聯(lián)接件 功能載體 的形狀及位置 得到結(jié)構(gòu)示意圖 Roper H 利用圖論 理論 借助于由他定義的 總設(shè)計單元 GE 結(jié)構(gòu)元素 KE 功能結(jié)構(gòu)元 素 FKE 聯(lián)接結(jié)構(gòu)元素 VKE 結(jié)構(gòu)零件 KT 結(jié)構(gòu)元素零件 KET 等概念 以及描述結(jié)構(gòu)元素尺寸 位置和傳動參數(shù)間相互關(guān)系的若干種簡圖 把設(shè)計專家憑直覺設(shè)計的方法做了形式化的描述 形成了有效地應(yīng)用現(xiàn)有知識 的方法 并將其應(yīng)用于 構(gòu)思 和 設(shè)計 階段 7 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 提倡在產(chǎn)品功能分析的基礎(chǔ)上 將產(chǎn)品分解成具有某種功能的一個或幾個 模塊化的基本結(jié)構(gòu) 通過選擇和組合這些模塊化基本結(jié)構(gòu)組建成不同的產(chǎn)品 這些基本結(jié)構(gòu)可以是零件 部件 甚至是一個系統(tǒng) 本結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有標(biāo)準化的接口 聯(lián)接和配合部 并且是系列化 通用化 集成化 層次化 靈便化 經(jīng)濟化 具有互換性 相容性和相關(guān)性 我國結(jié)合 軟件構(gòu)件技術(shù)和 CAD 技術(shù) 將變形設(shè)計與組合設(shè)計相結(jié)合 根據(jù)分級模塊化 原理 將加工中心機床由大到小分為產(chǎn)品級 部件級 組件級和元件級 并利 用專家知識和 CAD 技術(shù)將它們組合成不同品種 不同規(guī)格的功能模塊 再由 這些功能模塊組合成不同的加工中心總體方案 以設(shè)計為目錄作為選擇變異機械結(jié)構(gòu)的工具 提出將設(shè)計的解元素進行完 整的 結(jié)構(gòu)化的編排 形成解集設(shè)計目錄 并在解集設(shè)計目錄中列出評論每一 個解的附加信息 非常有利于設(shè)計工程師選擇解元素 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃發(fā)展 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 設(shè)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(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 目前 德國等發(fā)達國家正著力于研究超媒體技術(shù) 產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準 STEP 以及標(biāo)準 虛擬現(xiàn)實造型語言上基于虛擬環(huán)境的標(biāo)準交換格式 在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用 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)計制造需求的方向邁進 由于產(chǎn)品方案設(shè)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(biāo)的方案設(shè)計工具軟件 作者認為 綜合 運用文中四種類型設(shè)計方法是達到這一目標(biāo)有效途徑 雖然這些方法的綜合運 用涉及的領(lǐng)域較多 不僅與機械設(shè)計的領(lǐng)域知識有關(guān) 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(luò)技術(shù)等各方面的領(lǐng)域知識 但 仍然是產(chǎn)品方案設(shè)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(shè)計學(xué)者也已意識到 CAD 技術(shù)與國際交流合作的重要性 及其應(yīng)當(dāng)采取的措 施 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 利用已存儲的領(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?知識和經(jīng)驗進行推量和決策 完成機構(gòu)的型 數(shù)綜合 欲實現(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 為 此 國內(nèi)外設(shè)計學(xué)者針對機械系統(tǒng)方案設(shè)計知識的自動化處理做了大量的研究 工作 采用的方法可歸納為下述幾種