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工业设计/产品设计 |
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机械产品概念设计及其方法综述 |
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作者：上海交通大学 邹慧君 汪利 王石刚 郭为忠 |
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1 机械产品设计的重要性和关键步骤
面对二十一世纪产品竞争日益加剧的挑战，世界各国普遍重视提高产品的设计水平，以增强产品竞争力。产品设计的根本目的就是要创新产品，满足市场需求和占领更大市场。产品设计本身是创造性的劳动，设计的本质是创新。因此，重视创新设计是增加机械产品竞争力的根本途径。
1.1 机械产品设计过程的主要步骤
对于机械产品设计过程的不同理解，从本质上说是由于对设计的内涵有不同的认识和对设计的理论有不同的理解。设计过程的模型国内外已有很多的论述，归纳起来主要有三种：一是Pahl和Beitz认为：机械设计分为明确任务、概念设计、技术设计和施工设计等四个阶段。二是Ｋoller认为：机械设计分为产品规划、功能设计、定性设计和定量设计等四个阶段。三是邹慧君教授提出：机械设计分为产品规划、方案设计、详细设计和改进设计等四个阶段。总之，产品设计过程中十分重视的步骤是功能设计、定性设计。
1.2 概念设计在设计过程中的地位
在上述产品设计过程中，概括起来说，设计的主要步骤是两步：一是概念设计（Conceptual Design），另一是构型设计（Configuration Design）。前者的目的是制定出方案，后者的目的是设计出具体构型。从已有的各种设计步骤论述中可以看出概念设计应包括产品规划、功能设计和定性设计等内容。
2 概念设计内涵的深刻性
自从Palh＆Beitz于1984年在其《ＥngineeringDesign》一书中提出概念设计这一名词以来，人们已经对概念设计进行了十几年的研究。他们将概念设计定义为：“在确定任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出求解方案，这一部分设计工作叫做概念设计。”
frence在其书中也为概念设计下了一个定义：“概念设计首先是要弄清设计要求和条件，然后生成框架式的广泛意义上的解。在此阶段中对设计师的要求较高，但却可以广泛地提高产品性能。它需要工程科学、专业知识、产品加工方法和商业运作知识等各方面知识相互融合在一起，以作出一个产品全生命周期内最为重要的决策。在这里“框架式的解”是指设计问题的一个轮廓，每个主要的功能都可以对应于其上，通过原理部件间的空间或结构上的关系，使他们有机地结合起来。我们从这个框架中得到产品大致的成本、重量或总体尺寸，以及在目前的环境下的可行性等。这个框架只需对一些特征或部件有一个相对明确的描述，但并不要求详细……”。
由此看来，概念设计不能简单地等同于过去理解的方案设计。概念设计的内涵是十分广泛和深刻的。那么什么是概念设计呢？概念设计是根据产品生命周期各个阶段的要求，进行产品功能创造、功能分解以及功能和子功能的结构设计；进行满足功能和结构要求的工作原理求解和进行实现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统化设计。概念设计的过程是一个发散思维和创新设计的过程，是一个求解实现功能的，满足各种技术和经济指标的，可能存在的各种方案并最终确定综合最优方案的过程。在概念设计的过程中，要求设计人员掌握现代设计方法、先进制造技术、专业理论、商用运作等方面知识。
概念设计具有如下特性：
（1）创新性；创新是概念设计的灵魂。只有创新才有可能得到结构新颖、性能优良、价格低廉的富有竞争力的机械产品。这里的创新可以是多层次的，如从结构修改、结构替换的低层次创新工作到工作原理更换、功能修改和增加等高层次的创新活动都属于概念设计的范畴。在众多设计路径所产生的设计结果中，将产生一组可行的“新”方案。
（2）多样性；概念设计的多样性主要体现在其设计路径的多样化和设计结果的多样化。不同的功能定义、功能分解和工作原理等，会产生完全不同的设计思路和设计方法，从而在功能载体的设计上产生完全不同的解决方案。从而产生了机械式手表和石英手表这两种完全不同的设计结果。
（3）层次性；概念设计的层次性体现在两方面。一方面，概念设计分别作用于功能层和载体结构层，并完成由功能层向结构层的映射。如功能定义、功能分解作用于功能层上，而结构修改、结构变异则作用于结构层，由映射关系将两层连接起来。另一方面，在功能层和结构层中也有自身的层次关系。例如功能分解就是将功能从一个层次向下一层次推进。功能的层次性也就决定了结构的层次性，不同层次的功能对应不同层次的结构。例如结构“自行车”的功能是代步，而自行车的子功能之一“控制行进方向”则由子结构“车把”完成。
概念设计应包括以下主要内容：①功能创新；②功能分析和功能结构图设计；③工作原理解的搜索和确定；④功能载体方案构思和决策。
概念设计是产品设计的先导，又是产品构型设计的前提，概念设计搞好了，产品设计才有可能达到高水平。目前，计算机辅助设计已经深入发展并得到广泛应用，如果仅仅依靠人进行概念设计，将会制约它的进展和应用。同时，概念设计应该可以在计算机辅助智能化设计和专家系统技术的基础上得到充分发展。这就要求我们大力开展机械产品计算机辅助概念设计理论和方法的研究，要求我们开发具有实用价值的计算机辅助概念设计系统。
3 国内外概念设计的研究动态
3.1 国外概念设计的研究动态
在概念设计方法学方面，sturges通过定义功能之间的关系，使功能图的语义更加完善；hanBurg提出了设计人员交互工作的问题和在不确定状态下的决策技术；Braceｗell提出分层的信息结构，实现计算机辅助的功能载体映射。在知识表达和建模方面，Qian通过对功能-行为-结构的表达，由交互方式在领域内产生创新方案：ＵMeDa将设计知识表达为功能-行为-状态的组合关系，以产生新方案；Culleｙ建立了一个产品装配模型，以快速找出所需部件。
在开发辅助工具方面，人们借助人工智能（ai）技术和数据库技术来推动概念设计的智能化。aDzhieｖ提出面向代理的方法，有利于并行设计环境下使各种设计变量保持高度一致性；ＴaBelBenDiaB应用基于实例推理和机器学习的技术学习设计实例并存储起来；li利用定性启发式搜索方法，辅助机构的概念设计。
在基于计算机的设计环境方面，Ｔｗente建立了一个机电一体化产品的设计支撑环境，支持多模型状态；ＴoMiｙaMa利用大型数据库建立了一个概念设计开发环境；sharpe主持开发的环境着重于集成，同时利用了超媒体和超文本技术。
3.2 国内概念设计的研究动态
上海交通大学机械学与设计自动化研究所邹慧君教授等人自1989年开始进行机械运动方案设计专家系统的研究，结合机械产品概念设计开展了较为系统的研究。他们以机械运动系统作为概念设计的对象，用组合分类法对机构分类，建立相应的存储和编码规则，以二元逻辑推理和模糊综合评价相结合的方法建立推理机制，得出可行的方案解，开发了“机构系统方案设计专家系统”。孔凡国将方案创新设计过程划分为两个主要阶段：基于实例功能推理的原始机械方案生成阶段和基于结构推理的方案创新设计阶段，开发了机械方案创新设计智能支持系统（MCiDiss）。在这个基础上，他们还提出了功能-行为-结构的概念设计模型和基于本样体知识表达和推理相结合的方法，使领域知识和基础知识相互融合，以便产生多层次的创新解。为了使概念设计易于为企业机械产品设计人员具体应用和取得实效，他们在国内首次编写了《机构运动方案设计手册》和“机构及其系统设计”，采用现代设计方法进行机械运动方案的构思、拟定和综合评价，同时按实现动作和功用将机构分类，说明其特点和应用场合，供设计人员产品创新设计时应用。同时编著了《机构系统设计》，阐述了方案设计的理论和方法。
华中理工大学周济教授等人的研究主要集中在基于实例的基础上，将之应用于工程中的再设计问题及实例检索与重用上，在相控雷达的方案设计支持系统中应用了这一方法。这种方法可以在再设计中找出相近实例。浙江大学潘云鹤教授等人，提出了基于原型的知识表示和推理方法，并将其应用于广告的方案设计和椅子的方案设计中，冯培恩教授提出了基于设计目录的方案选择智能方法，并将其应用到了固液分离设备当中。得出适当的方案原理解。
同济大学王小同等将人工神经网络与传统人工智能相结合，提出智能设计系统iDs模型及其实现的关键技术。其侧重点在结构设计上，开发了机翼结构方案智能设计系统。
4 机械产品的概念设计
机械产品概念设计的内容由以下三部分组成：
4.1 功能分析与功能结构设计
①功能抽象化；把市场需求和用户要求通过计算机分析，进行功能抽象，突出任务核心和摆脱因循守旧，有利于找出新颖的方案；
②功能分解；将功能进行分解，使其得到合适的的若干子功能，分解过程也是创新过程；
③功能结构图设计；将各子功能的相互关系确定后，进行功能结构图的构思和设计。
4.2 工艺动作的分解和构思
实现机械产品的功能是靠工艺动作来完成的，即一系列工艺动作的目的是完成需实现的功能。工艺动作的分解往往对应于功能的分解。例如缝纫机的缝纫功能分解为刺布、挑线、钩线和送布四大功能，它们所对应的动作为机针上下运动、挑线杆供线和收线、梭子钩线和推送缝料四大动作。又如灌装功能分解为送瓶、灌装、压盖、出瓶四大功能，可用相应的四个动作来完成。同一功能可以由不同的工艺动作实现，因而工艺动作的构思也是相当重要的。例如在制袋充填封口机中，如直接模拟手工制袋动作，则机构动作非常复杂；但如果利用相对运动原理逆反思索方法，制袋成形器不动，而薄膜相对运动，就会使制袋机构大为简化。
4.3 执行机构系统方案构思与设计
实现功能的工艺动作，在机械产品内是靠若干个执行机构来完成的。机构产品概念设计最终归结为机械运动方案设计，也就是执行机构系统方案设计。执行机构系统方案的构思与设计是概念设计中非常重要的内容。它的设计内容框架如图1所示。它分为三部分：动力系统、传动及执行机构系统和控制系统。传动及执行机构系统是方案设计的核心。目前，传动系统和执行机构越来越紧密地连接在一起，而且许多机构同时担负传动和执行的作用，无法分割。因此在概念设计中将它们作为一个整体对待是合理的。控制机构一般采用各执行机构主动曲柄相位差来实现。
图1 执行机构系统方案设计
５ 机械电子系统的概念
设计机械电子系统从本质上说是电子化了的机械。它所实现的功能和工艺动作过程与机械系统基本相同，只是在实现方式和方法上电子化。它的概念设计步骤包括：①功能分析与功能结构构图设计；②工艺动作基本构成；③执行机构及其系统的控制和方案构思、设计。机械电子系统概念设计的基本构成如图2所示。其基本内容包括：①功能分析与功能结构设计；②执行运动的构思与整个执行运动过程设计——集成：③传感检测系统与机电执行机构系统的融合；④信息出来及控制系统与机电执行机构系统和传感检测系统的集成与融合。
图2 机械电子执行系统概念设计
机械电子系统概念设计方法框架如图3所示。它的三个分系统对应着三部分的功能分析与设计，分别作如下说明：①执行机构可采用机械式及非机械式机构，它包括前面提到的机械系统中传动及执行机构；②按检侧信息需要选用合适的测量传感器；③信息处理及控制系统需编制软件，通过处理器进行信息集中、存贮和处理，然后发出程序和动作指令给输入燉输出设备。在机械电子系统中，三个分系统之间是相辅相成、紧密连接的，因而在其概念设计中将三者有机地集成是十分关键和重要的。机械电子系统概念设计的基本特征与机械系统的概念基本相同。但由于涉及到机械、电子、传感测试及软件，机械电子系统概念设计需要掌握更多的知识和技术，设计的过程也就更加复杂。
图3 机械电子系统概念设计方法设计
６ 产品智能化概念设计研究内容和方法
为了提高机械产品概念设计的水平，必须使概念设计实现智能化，采用智能计算机辅助概念设计系统。智能化概念设计主要研究内容和方法阐述如下：
6.1 智能化概念设计的研究内容
（1） 建立各种类型机械产品功能库和功能结构表示库：概念设计的关键是功能创新和表示、功能分解和功能结构图设计。因此根据各种类型机械产品的功能要求和结构特点建立功能库和功能结构表示库，将会大大有利于人们利用已有专业知识和设计专家经验进行机械产品的创新设计。
（2） 建立各种类型机械产品相关的功能载体库和载体创新方法库：概念设计最终应将各种功能、功能载体加以实现，因此将产品相关的功能载体汇总成功能载体库有利于设计人员构思和分析，使设计达到更高水平。为了追求概念设计达到更大的创造性，对功能载体应不断创新，总结现有功能载体所遵循的创新方法将会有利于人们创新功能载体，达到更为完美的程度。
（3） 概念设计的推理方法：概念设计的推理机制是根据一个或一些判断得出另一个判断，并最终求得结果的思维过程。具体来说，就是利用各种知识库中的知识，按一定的推理策略解决机械产品的概念设计。概念设计的推理机，目前有基于类比的推理、基于实例的推理和基于原型的推理等多种形式。
（4） 产品概念设计的评价体系和评价方法：对不同类型的机械产品的评价体系显然是不同的，但是在产品概念设计阶段评价体系仍具有一定的共同点。一般来讲，对机械产品和机械电子产品分为功能、工作性能、动力性能、经济性及结构紧凑性等五个方面。建立评价体系要充分注意科学性、全面性和专家经验性。对于产品概念设计中初步确定的几个方案，最后应用综合选优的方法来确定最佳方案。这里可以实用模糊综合评判法、系统工程评价和价值工程法等方法。
6.2 智能化概念设计研究方法
智能化概念设计的目的是使计算机具有一定程度的智能，辅助人完成概念设计的全过程。“发明是靠99％的汗水和1％的灵感”，在概念设计中，智能化目标就是由计算机完成99％的汗水工作，而由人来完成1％的灵感工作。根据以上认识，机械系统概念设计模型如图4所示。它可以分为三部分：右边部分代表基础知识，它包括原理库、行为库和结构库；左边部分为代表领域知识的本体库和样体库；它们共同作用于中间部分概念设计功能→行为→结构的设计过程中。
（1） 功能→行为→结构的设计过程
功能是指一个结构的目的，是行为的抽象表示，目的是对应出新的行为对象。行为是指实现功能所需要的方法，即功能→行为→结构模型通常所说的工艺动作、实现方法。结构指为实现某些（某一）行为而采用的一组构件、元件以及它们之间的组成关系。从功能→行为→结构的过程是设计的逐步细化的过程，目的在于产生具体的设计方案，设计出产品；从结构→行为→功能的过程是设计的抽象化过程，其目的在于扩展思路、产生新解，以改进设计。
图4 机械系统概念设计
（2） 原理库、结构库与行为库
把目前在机械系统中所使用的广义机构形式存储于结构库中；将对应于该结构的行为抽取出来，在行为库中存储；原理库存储物理原理，用以在功能到行为的过程中开阔设计者的思路。
（3） 本体库与样体库本体库与样体库
代表机械系统概念设计的领域知识。它分为两部分：本体与样体。本体是领域知识的本质和内涵，是其相对稳定的一面，通过对样体知识抽象后得到。本体知识对应设计的功能到行为的推理，它是具有较高抽象度的知识。样体是领域知识的例化，即本体知识细化到结构层后，产生出对应于同一功能的各种结构形式。它代表设计多样性的一面。
在功能和结构之间加入行为层，并在本体库、样体库、原理库、行为库和结构库等领域知识和基础知识的共同支持下，可以使概念设计系统具有一定的智能化，辅助产生创新解。
７ 结 论
概念设计是产品设计中最重要的一环，也是提高产品质量、降低成本和提高企业竞争力的主要手段。为了改善我国机械产品设计落后、缺乏竞争力的被动局面，必须重视产品概念设计。概念设计是在计算机辅助设计广泛应用的基础上提出的，要使其能够实用化和得到广泛应用，开发智能化的计算机辅助概念设计系统将是今后研究的重点。具体可以利用各行业设计人员的专业知识和实践经验开发适合本行业需要的智能化概念设计系统。概念设计的创新性使得该系统必然是以人为核心的人机一体化的智能化集成系统。(end)
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(5/31/2005) |
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