现代机械设计方法研究
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作者: 许忠美
摘 要： 机械产品的方案设计正朝着计算机辅助实现、智能化设计和满足异地协同设计制造需求的方向迈进，由于产品方案设计计算机实现方法的研究起步较晚，目前还没有成熟的、能够达到上述目标的方案设计工具软件。综合运用文中四种类型设计方法是达到这一目标有效途径。虽然这些方法的综合运用涉及的领域较多，不仅与机械设计的领域知识有关，而且涉及系统工程理论、人工智能理论、计算机软硬件工程、网络技术等各方面的领域知识，但仍然是产品方案设计必须努力的方向。
关键词： 现代机械设计 系统化 结构模块化 产品特征 智能化
随着近年来人类科学技术水平的加速发展，特别是计算机软硬件性能的持续提高，以及计算机技术对各行各业全面深入的渗透，各技术领域的思维、观念和方法不断得以更新。机械设计作为一个具有几百年历史的技术领域，也在世界科技进步的大潮中获得了新生。目前，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。
根据目前国内外设计学者进行机械产品方案设计所用方法的主要特征，我们可以将方案的现代设计方法概括为下述四大类型。
一、系统化设计方法
系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，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。
系统化设计思想于上世纪70年代由德国学者Pahl和Beitz教授提出，他们以系统理论为基础，制定了设计的一般模式，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想的基础上，制定出标准VDI2221技术系统和产品的开发设计方法。
由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，进行方案设计时采用的具体研究方法亦存在差异。具有代表性的系统化设计方法有设计元素法、图形建模法、“构思”―“设计”法、矩阵设计法、键合图法，等等。
二、结构模块化设计方法
从规划产品的角度提出：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，以及开发设计过程中计划的可调整性，由此提高设计效率和设计的可靠性，同时也降低新产品的成本。Feldmann将描述设计任务的功能化产品结构分为四层：（1）产品→（2）功能组成→（3）主要功能组件→（4）功能元件。并采用面向应用的结构化特征目录，对功能元件进行更为具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STRAT。
这种方法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。
这种方法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几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（连接和配合部），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。我国结合软件构件技术和CAD技术，将变形设计与组合设计相结合，根据分级模块化原理，将加工中心机床由大到小分为产品级、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，再由这些功能模块组合成不同的加工中心总体方案。
这种方法以设计为目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，形成解集设计目录。并在解集设计目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。
根据机械零部件的连接特征，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式元件的连接；
4）具有模块化结构和模块化元件的连接，并采用准符号表示典型元件和元件间的连接规则，由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时，用“功能建立”模块对功能进行分解，并规定功能分解的最佳“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。
三、基于产品特征知识的设计方法
基于产品特征知识设计方法的主要特点是：用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验，建立相应的知识库及推理机，再利用已存储的领域知识和建立的推理机制实现计算机辅助产品的方案设计。
机械系统的方案设计主要是依据产品所具有的特征，以及设计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。
四、智能化设计方法
智能化设计方法的主要特点是：根据设计方法学理论，借助于三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，以及多媒体、超媒体工具进行产品的开发设计、表达产品的构思、描述产品的结构。在利用数学系统理论的同时，我们考虑了系统工程理论、产品设计技术和系统开发方法学VDI2221，研制出适合于产品设计初期使用的多媒体开发系统软件MUSE。上述各种方法并不是完全孤立的，各类方法之间都存在一定程度上的联系。
机械产品的方案设计正朝着计算机辅助实现、智能化设计和满足异地协同设计制造需求的方向迈进，由于产品方案设计计算机实现方法的研究起步较晚，目前还没有成熟的、能够达到上述目标的方案设计工具软件。我认为，综合运用文中四种类型设计方法是达到这一目标的有效途径。虽然这些方法的综合运用涉及的领域较多，不仅与机械设计的领域知识有关，而且涉及系统工程理论、人工智能理论、计算机软硬件工程、网络技术等各方面的领域知识，但仍然是产品方案设计必须努力的方向。
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