機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法和發(fā)展方向

1、機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法和發(fā)展方向摘要：機(jī)械產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)對(duì)于產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造到使用階段 都有著至關(guān)重要的影響，都關(guān)系著機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量、性能和 安全可靠性。在這個(gè)階段產(chǎn)生的設(shè)計(jì)問(wèn)題其影響是巨大的， 是難以通過(guò)后續(xù)工作來(lái)彌補(bǔ)的。同樣，這一階段的設(shè)計(jì)也是 創(chuàng)意設(shè)計(jì)的階段，也是提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的階段，如果設(shè) 計(jì)人員能夠打開(kāi)思維，開(kāi)啟智慧，剔除繁瑣技術(shù)上的約束， 那么將會(huì)設(shè)計(jì)出具有強(qiáng)大市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。本文從機(jī)械產(chǎn) 品總體設(shè)計(jì)的一般過(guò)程出發(fā)，分析了機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的原則， 并且結(jié)合當(dāng)前市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)對(duì)產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)的要求，將經(jīng)濟(jì)性、 創(chuàng)新性和技術(shù)性貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)的始終。試圖通過(guò)本文的分 析為當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究提供一

2、定的理論借鑒。關(guān)鍵詞：機(jī)械產(chǎn)品；設(shè)計(jì)；研究；發(fā)展趨勢(shì)引言改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的機(jī)械設(shè)計(jì)已經(jīng)不再是過(guò)去的單純 提高生產(chǎn)力水平，提供工業(yè)機(jī)械，以及致力于工業(yè)化建設(shè)而 發(fā)展了，而是將大量的機(jī)械產(chǎn)品投入市場(chǎng)，創(chuàng)造利潤(rùn)，機(jī)械 設(shè)計(jì)正式進(jìn)入了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代。目前，機(jī)械企業(yè)面臨的是 來(lái)自于全球的競(jìng)爭(zhēng)，所以產(chǎn)品設(shè)計(jì)的競(jìng)爭(zhēng)能力、產(chǎn)品設(shè)計(jì)的 周期、設(shè)計(jì)成本以及產(chǎn)品的質(zhì)量、舒適度和售后服務(wù)都至關(guān) 重要。總體設(shè)計(jì)階段在產(chǎn)品具體設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造和銷售以及 維護(hù)的前期，對(duì)于產(chǎn)品的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程有著重大的影響。這 個(gè)階段是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分，也是最為關(guān)鍵的階 段，設(shè)計(jì)質(zhì)量的優(yōu)劣直接決定了產(chǎn)品的性能、成本及其在市 場(chǎng)上的競(jìng)

3、爭(zhēng)力和企業(yè)的效益。1、系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)是：將設(shè)計(jì)看成由若干個(gè)設(shè) 計(jì)要素組成的一個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)設(shè)計(jì)要素具有獨(dú)立性，各個(gè)要 素間存在著有機(jī)的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設(shè)計(jì)要素結(jié) 合后，即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)所需完成的任務(wù)。制定的機(jī)械產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)進(jìn)程模式，基本上沿用了德國(guó) 標(biāo)準(zhǔn)vdi2221的設(shè)計(jì)方式。除此之外，我國(guó)許多設(shè)計(jì)學(xué)者在 進(jìn)行產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)時(shí)還借鑒和引用了其他發(fā)達(dá)國(guó)家的系統(tǒng) 化設(shè)計(jì)思想，其中具有代表性的是：（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(jì)和 零件設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、作業(yè)控制等的基礎(chǔ)，從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的宏 觀過(guò)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)

4、換為產(chǎn)品開(kāi)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(jī)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(jì)過(guò)程劃分成功能需求層次、實(shí) 現(xiàn)功能要求的概念層次和產(chǎn)品的具體設(shè)計(jì)層次。同時(shí)采用了 生命系統(tǒng)圖符抽象地表達(dá)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(jī)械設(shè)計(jì)中系統(tǒng)科學(xué)的應(yīng)用歸納為兩個(gè)基本問(wèn) 題：一是把要設(shè)計(jì)的產(chǎn)品作為一個(gè)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(jì)過(guò)程看成 一個(gè)系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，正確、合理地確定設(shè)計(jì)中各個(gè)方 面的工作和各個(gè)不同的設(shè)計(jì)階段。由于每個(gè)設(shè)計(jì)者研究問(wèn)題的角度以及考慮問(wèn)題的側(cè)重 點(diǎn)不同，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)采用的具體研究

5、方法亦存在差異。2、結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)方法從規(guī)劃產(chǎn)品的角度提出：定義設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)以功能化的產(chǎn) 品結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，引用已有的產(chǎn)品解(如通用零件部件等)描 述設(shè)計(jì)任務(wù)，即分解任務(wù)時(shí)就考慮每個(gè)分任務(wù)是否存在對(duì)應(yīng) 的產(chǎn)品解，這樣，能夠在產(chǎn)品規(guī)劃階段就消除設(shè)計(jì)任務(wù)中可 能存在的矛盾，早期預(yù)測(cè)生產(chǎn)能力、費(fèi)用，以及開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò) 程中計(jì)劃的可調(diào)整性，由此提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)的可靠性， 同時(shí)也降低新產(chǎn)品的成本。feldmann將描述設(shè)計(jì)任務(wù)的功能 化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分為四層，(1)產(chǎn)品一(2)功能組成一 (3)主 要功能組件一 (4)功能元件。并采用面向應(yīng)用的結(jié)構(gòu)化特 征目錄，對(duì)功能元件進(jìn)行更為具體的定性和定量描述。同時(shí) 研制出適合

6、于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)早期和設(shè)計(jì)初期使用的工具軟件strato認(rèn)為專用機(jī)械中多數(shù)功能可以采用已有的產(chǎn)品解，而具 有新型解的專用功能只是少數(shù)，因此，在專用機(jī)械設(shè)計(jì)中采 用功能化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，對(duì)于評(píng)價(jià)專用機(jī)械的設(shè)計(jì)、制造風(fēng)險(xiǎn) 十分有利。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(gè)或幾個(gè)模塊化的基本結(jié)構(gòu)，通過(guò)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(gè)系統(tǒng)。理想的模塊化基本結(jié)構(gòu)應(yīng)該具 有標(biāo)準(zhǔn)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(jì)化，具有互換性、相容性和 相關(guān)性。我國(guó)結(jié)合軟件構(gòu)件技術(shù)和cad技術(shù)，將變形設(shè)計(jì)與 組合

7、設(shè)計(jì)相結(jié)合，根據(jù)分級(jí)模塊化原理，將加工中心機(jī)床由 大到小分為產(chǎn)品級(jí)、部件級(jí)、組件級(jí)和元件級(jí)，并利用專家 知識(shí)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。3、基于產(chǎn)品特征知識(shí)的設(shè)計(jì)方法基于產(chǎn)品特征知識(shí)設(shè)計(jì)方法的主要特點(diǎn)是：用計(jì)算機(jī)能 夠識(shí)別的語(yǔ)言描述產(chǎn)品的特征及其設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)和 經(jīng)驗(yàn)，建立相應(yīng)的知識(shí)庫(kù)及推理機(jī)，再利用已存儲(chǔ)的領(lǐng)域知 識(shí)和建立的推理機(jī)制實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)。機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)主要是依據(jù)產(chǎn)品所具有的特征，以 及設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推量和決策，完成機(jī)構(gòu)的 型、數(shù)綜合。欲實(shí)現(xiàn)這一階段的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，必須研究

8、 知識(shí)的自動(dòng)獲取、表達(dá)、集成、協(xié)調(diào)、管理和使用。為此， 國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)學(xué)者針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)知識(shí)的自動(dòng)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。3. 1編碼法根據(jù)“運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換”功能（簡(jiǎn)稱功能元）將機(jī)構(gòu)進(jìn)行分類, 并利用代碼描述功能元和機(jī)構(gòu)類別，由此建立起'機(jī)構(gòu)系統(tǒng) 方案設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)”知識(shí)庫(kù)。在此基礎(chǔ)上，將二元邏輯推理 與模糊綜合評(píng)判原理相結(jié)合，建立了該“專家系統(tǒng)”的推理 機(jī)制，并用于四工位專用機(jī)床的方案設(shè)計(jì)中。3. 2知識(shí)的混合型表達(dá)法針對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，采用混合型的知識(shí)表達(dá) 方式描述設(shè)計(jì)中的各類知識(shí)尤為適合，這一點(diǎn)已得到我國(guó)許 多設(shè)計(jì)學(xué)者的共識(shí)。在研制復(fù)雜產(chǎn)品方案設(shè)

9、計(jì)智能決策支持系統(tǒng)dmdss中，將規(guī)則、框架、過(guò)程和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等 知識(shí)表示方法有機(jī)地結(jié)合在一起，以適應(yīng)設(shè)計(jì)中不同類型知 識(shí)的描述。將多種單一的知識(shí)表達(dá)方法（規(guī)則、框架和過(guò)程）, 按面向?qū)ο蟮木幊淘瓌t，用框架的槽表示對(duì)象的屬性，用規(guī) 則表示對(duì)象的動(dòng)態(tài)特征，用過(guò)程表示知識(shí)的處理，組成一種 混合型的知識(shí)表達(dá)型式，并成功地研制出“面向?qū)ο蟮臄?shù)控 龍門銃床變速箱方案設(shè)計(jì)智能系統(tǒng)gbcdis"和“變速箱結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)gbsdes” o3.3利用基于知識(shí)的開(kāi)發(fā)工具在聯(lián)軸器的cad系統(tǒng)中，利用基于知識(shí)的開(kāi)發(fā)工具nexpert-object,借助于面向?qū)ο蟮姆椒?，?chuàng)建了面向?qū)ο?的設(shè)計(jì)方法數(shù)據(jù)庫(kù)，為

10、設(shè)計(jì)者進(jìn)行聯(lián)軸器的方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)提供了廣泛且可靠的設(shè)計(jì)方法譜。則利用nexpert描述 直線導(dǎo)軌設(shè)計(jì)中需要基于知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)的內(nèi)容，由此尋求出 基于知識(shí)的解，并開(kāi)發(fā)出直線導(dǎo)軌設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)。4、各類設(shè)計(jì)方法評(píng)述及發(fā)展趨勢(shì)綜上所述，系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法將設(shè)計(jì)任務(wù)由抽象到具體 （由設(shè)計(jì)的任務(wù)要求到實(shí)現(xiàn)該任務(wù)的方案或結(jié)構(gòu)）進(jìn)行層次 劃分，擬定出每一層欲實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)和方法，由淺入深、由抽 象至具體地將各層有機(jī)地聯(lián)系在一起，使整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程系統(tǒng) 化，使設(shè)計(jì)有規(guī)律可循，有方法可依，易于設(shè)計(jì)過(guò)程的計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)。機(jī)械產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)通常無(wú)法采用純數(shù)學(xué)演算的方法進(jìn)行，也難以用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行完整的描述，而需根據(jù)產(chǎn)品特 征進(jìn)行形式化的描述，借助于設(shè)計(jì)專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推 理和決策。因此，欲實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)，必須 解決計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和運(yùn)用產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)和專家設(shè)計(jì)決策等有 關(guān)方面的問(wèn)題，由此形成基于產(chǎn)品特征知識(shí)的設(shè)計(jì)方法。機(jī)械產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)正朝著計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)、智能化設(shè)計(jì)和滿足異地協(xié)同設(shè)計(jì)制造需求的方向邁進(jìn)，由于產(chǎn)品方案 設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法的研究起步較晚，目前還沒(méi)有成熟的、 能夠達(dá)到上述目標(biāo)的方案設(shè)計(jì)工具軟件。作者認(rèn)為，綜合運(yùn) 用文中四種類型設(shè)計(jì)方法是達(dá)到這一目標(biāo)有效途徑。雖然這 些方法的綜合運(yùn)用涉及的領(lǐng)域較多，不僅與機(jī)械設(shè)計(jì)的領(lǐng)域 知識(shí)有關(guān)，而且還涉及到系統(tǒng)工程理論、人工