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1、提升机械设计能力的终极方法,用理论来指导实践在没有实际工作经验时学习理论知识，往往觉得很晦涩难懂枯燥无味，工作若干 年后，积 累了一定实践经验，回头再看相关的理论，会有一种相见恨晚的感觉。一正文一 科学技术的飞速发展，产品功能要求的日益增多，复朵性增加，寿命期缩短，更 新换代速度加快。然而，产品的设计，尤其是机械产品方案的设讣手段，则显得 力不从心， 跟不上时代发展的需要。H前，计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、加工制造、生产 规划已得到了比较广泛和深入的研究，并初见成效，而产品 开发初期方案的讣算机辅助设 计却远远不能满足设计的需要。为此，作者在阅读 了大量文献的基础上，概括总结了国内 外
2、设讣学者进行方案设讣时采用的方法， 并讨论了各种方法之间的有机联系和机械产品方 案设计计算机实现的发展趋 势。根据口前国内外设讣学者进行机械产品方案设讣所用方法 的主要特征，可以 将方案的现代设计方法概括为下述四大类型。1. 系统化设计方法系统化设计方法的主要特点是：将设计看成山若干个设计要素组成的一个系统， 每个设讣 要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有 的设计要素结合后， 即可实现设计系统所需完成的任务。系统化设计思想于70年代山徳国学者Pahl和Beitz教授提出，他们以系统理论为基础， 制订了设计的一般模式，倡导设计工作应具备条理性。德国工程师协会在这一设计思
3、想的 基础上，制订出标准 VDI222 广技术系统和产品的开发设讣方 法。制定的机械产品方案设讣进程模式，基本上沿用了德国标准VDI2221的设计方式。除此 之外，我国许多设计学者在进行产品方案设计时还借鉴和引用了其他发 达国家的系统化设 计思想，其中具有代表性的是：(1) 将用户需求作为产品功能特征构思、结构设计和零件设计、工艺规划、作 业控 制等的基础，从产品开发的宏观过程出发，利用质量功能布置方法，系统地将用户需求信 息合理而有效地转换为产品开发各阶段的技术U标和作业控制规 程的方法。(2) 将产品看作有机体层次上的生命系统，并借助于生命系统理论，把产品的 设计 过程划分成功能需求层次、
4、实现功能要求的概念层次和产品的具体设计层 次。同时釆用了 生命系统图符抽象地表达产品的功能要求，形成产品功能系统结 构。(3) 将机械设计中系统科学的应用归纳为两个基本问题：一是把要设计的产品 作为一 个系统处理，最佳地确定其组成部分(单元)及其相互关系：二是将产品设 计过程看成一 个系统，根据设计 U 标，正确、合理地确定设计中各个方面的工作 和各个不同的设计阶 段 o 山于每个设计者研究问题的角度以及考虑问题的侧重点不同，进行方案设计时釆 用 的具体研究方法亦存在差异。下面介绍一些具有代表性的系统化设计方法。1.1 设计元素法 用五个设计元素（功能、效应、效应载体、形状元素和表面参数）描述
5、“产品解”， 认为 一个产品的五个设计元素值确定之后，产品的所有特征和特征值即已确定。 我国亦有设计 学者采用了类似方法描述产品的原理解。1.2 图形建模法研制的14设计分析和引导系统” KALEIT,用层次清楚的图形描述岀产品的功能结构及其相 关的抽象信息，实现了系统结构、功能关系的图形化建模，以及功能层 之间的联接。将设计划分成辅助方法和信息交换两个方面，利用 Nijssen 信息分析方法可以采 用图形 符号、具有内容丰富的语义模型结构、可以描述集成条件、可以划分约束 类型、可以实现 关系间的任意结合等特点，将设计方法解与信息技术进行集成，实现了设计过程中不同抽 象层间信息关系的图形化建模
6、。文献11将语义设计网作为设计工具，在其开发的活性语义设计网 ASK 中， 采用结 点和线条组成的网络描述设计，结点表示元件化的单元（如设计任务、功 能、构件或加工 设备等），线条用以调整和定义结点间不同的语义关系，山此为 设计过程中的所有活动和 结果预先建立模型，使早期设计要求的定义到每一个结 构的具体描述均可山关系间的定义 表达，实现了计算机辅助设计过程山抽象到具 体的飞跃。1.3 “构思一“设计”法将产品的方案设计分成“构思”和“设计”两个阶段。“构思”阶段的任务是寻求、选择 和组合满足设讣任务要求的原理解。“设计”阶段的工作则是具体实现构思阶段的 原理解将方案的 14构思”具体描述为：
7、根据合适的功能结构，寻求满足设计任务要求的原 理解。 即功能结构中的分功能山 44结构元素”实现，并将 14结构元素”间的物理联接 定义为 14功 能载体 S “功能载体”和 14结构元素”间的相互作用乂形成了功能示意图（机械运动简图） 方案的设 IT 是根据功能示意图，先定性地描述所有的“功能载体”和“结构元素笃再 定量地描述所有结构元素和联接件（“功能载体”）的形状及位 置，得到结构示意图。Roper, H.利用图论理论，借助于山他定义的14总设计单元（GE） ”结构元素（KE八 14功能结构元素（FKE） ”联接结构元素（VKE八“结构零件（KT） m结构元素零件 （KET） ”等概念，
8、以及描述结构元素尺寸、位置和传动参 数间相互关系的若干种简图， 把设计专家凭直觉设讣的方法做了形式化的描述， 形成了有效地应用现有知识的方法，并 将其应用于 14构思呀设计邙介段。从设计方法学的观点出发，将明确了设计任务后的设计工作分为三步：1）获取 功能和功 能结构（简称为助能了 2）寻找效应（简称为效应 5 3）寻找结构（简称 为 14构形规 则并用下述四种策略描述机械产品构思阶段的丄作流程：策略 分别考虑 14功能”效应 构形规则化因此，可以在各个丄作步骤中分别创建变 型方案，山此产生广泛的原理解谱。 策略 2： 壮效应与詩勾形规则（包括设计者创 建的规则）关联，单独考虑功能（通常 与设
9、讣任务相关）。此时，辨别典型的构形规 则及其所属效应需要有丰富的经验，产生的 方案谱远远少于策略 1 的方案谱。策 略 3功能气“效应”构形规则三者密切相关。 适用于功能、效应和构形规则 间没有选择余地、具有特殊要求的领域，如超小型机械 .特 大型机械、价值高的 功能零件，以及有特殊功能要求的零部件等等。策略 4：针对设计 要求进行结构 化求解。该策略从已有的零件出发，通过零件间不同的排序和连接，获得预 期功 能 O1.4 矩阵设计法在方案设计过程中采用 14要求一功能”逻辑树（“与或”树）描述要求、功能之间的相互 关 系，得到满足要求的功能设计解集，形成不同的设计方案。再根据 14要求一功
10、能”逻辑树 建立“要求一功能”关联矩阵，以描述满足要求所需功能之间的复杂关 系，表示出要求与 功能间一一对应的关系。Kotaetal 将矩阵作为机械系统方案设讣的基础，把机械系统的设计空间分解为功 能子空 间，每个子空间只表示方案设汁的一个模块，在抽象阶段的高层，每个设 计模块用运动转 换矩阵和一个可进行操作的约束矢量表示；在抽象阶段的低层， 每个设计模块被表示为参 数矩阵和一个运动方程。1.5 键合图法将组成系统元件的功能分成产生能量、消耗能量、转变能量形式、传递能量等各 种类型， 并借用键合图表达元件的功能解，希望将基于功能的模型与键合图结合 , 实现功能结构的 自动生成和功能结构与键合图
11、之间的自动转换，寻求山键合图产 生多个设计方案的方法。2、结构模块化设计方法从规划产品的角度提岀：定义设计任务时以功能化的产品结构为基础，引用已有 的产品解 （如通用零件部件等）描述设计任务，即分解任务时就考虑每个分任务是 否存在对应的产 品解，这样，能够在产品规划阶段就消除设计任务中可能存在的 矛盾，早期预测生产能力、 费用，以及开发设讣过程中讣划的可调整性，山此提 高设计效率和设讣的可靠性，同时也 降低新产品的成本。Feldmann将描述设讣 任务的功能化产品结构分为四层，（1）产 品一（2）功能组成一（3）主要功能组件-（4）功能元件。并釆用面向应用的结构 化特征录，对功能元件进行更为具
12、体的定性和定量描述。同时研制出适合于产品开发早 期和设计初期使用的工具软件STRATo认为专用机械中多数功能可以采用已有的产品解，而具有新型解的专用功能只是 少数，因 此，在专用机械设计中采用功能化的产品结构，对于评价专用机械的设 计、制造风险十分 有利。提倡在产品功能分析的基础上，将产品分解成具有某种功能的一个或儿个模块化 的基本结 构，通过选择和组合这些模块化基本结构组建成不同的产品。这些基本 结构可以是零件、 部件，甚至是一个系统。理想的模块化基本结构应该具有标准 化的接口（联接和配合部）， 并且是系列化、通用化、集成化、层次化、灵便化、 经济化，具有互换性、相容性和相关 性。我国结合软
13、件构件技术和CAD技术，将变形设计与组合设讣相结合，根据分级模块 化原理，将加工中心机床山大到 小分为产品级、部件级、组件级和元件级，并利用专家知 识和 CAD 技术将它们 组合成不同品种、不同规格的功能模块，再山这些功能模块组合成 不同的加工中 心总体方案。以设讣为 LI 录作为选择变异机械结构的工具，提出将设计的解元素进行完整的、 结构化 的编排，形成解集设汁II录。并在解集设计L1录中列出评论每一个解的附加信息，非常 有利于设计工程师选择解元素。根据机械零部件的联接特征，将其归纳成四种类型：1）元件间直接定位，并具有 自调整 性的部件；2）结构上具有共性的组合件；3）具有嵌套式结构及嵌套
14、式元 件的联接:4） 具有模块化结构和模块化元件的联接。并采用准符号表示典型元 件和元件间的连接规则， 山此实现元件间联接的算法化和概念的可视化。在进行机械系统的方案设计中，用功能建立模块对功能进行分解，并规定功能 分解的 最佳 14粒化”程度是功能与机构型式的一一对应。结构建立”模块则作为功 能解的选择 对象以便于实现映射算法。3. 基于产品特征知识的设计方法机械系统的方案设计主要是依据产品所具有的特征，以及设讣领域专家的知识和经验进行 推量和决策，完成机构的型、数综合。欲实现这一阶段的计算机辅助设计，必须研究知识 的自动获取、表达、集成、协调、管理和使用。为此，国内外设讣学者针对机械系统方
15、案 设讣知识的自动化处理做了大量的研究工作，采用的 方法可归纳为下述儿种。3.1 编码法根据“运动转换”功能（简称功能元）将机构进行分类，并利用代码描述功能元和机 构类 别，山此建立起件几构系统方案设讣专家系统知识库。在此基础上，将二元 逻辑推理与 模糊综合评判原理相结合，建立了该专家系统的推理机制，并用于 四工位专用机床的方 案设计中。利用生物进化理论，通过自然选择和有性繁殖使生物体得以演化的原理，在机构方案设计 中，运用网络图论方法将机构的结构表达为拓扑图，再通过编码技术， 把机构的结构和性 能转化为个体染色体的二进制数串,并根据设计要求编制适应 值，运用生物进化理论控制 繁殖机制，通过选
16、择、交叉、突然变异等手段，淘汰 适应值低的不适应个体，以极快的进 化过程得到适应性最优的个体，即最符合设 计要求的机构方案。3.2 知识的混合型表达法 针对复杂机械系统的方案设计，采用混合型的知识表达方式描述设讣中的各类知 识尤为适 合，这一点已得到我国许多设计学者的共识。在研制复杂产品方案设计智能决策支持系统DMDSS中，将规则、框架、过程和 神经网 络等知识表示方法有机地结合在一起，以适应设计中不同类型知识的描 述。将多种单一的 知识表达方法（规则、框架和过程），按面向对象的编程原则， 用框架的槽表示对象的属 性，用规则表示对象的动态特征，用过程表示知识的处 理，组成一种混合型的知识表达型 式，并成功地研制出“面向对象的数控龙门铳床变速箱方案设讣智能系统GBCDIS”和 “变速箱结构设讣专家系统 GBSDES”。3.3 利用基于知识的开发工具在联轴器的CAD系
