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【转贴】机械产品方案的现代设计方法及发展趋

发布时间:2017-12-03 阅读:

  【发布】现代产品设计的机械设计方法和趋势

  摘要:根据国内外机械产品设计的主要思想特点,将产品方案的设计方法归纳为基于产品特征知识和智能的系统化,模块化的结构。指出了四种方法的特点及四种方法之间的有机联系,提出了产品设计计算机实现的方向。简介:科学技术飞速发展,产品功能要求越来越高,复杂度越来越高,寿命缩短,加快了更换。但是,产品的设计,特别是机械产品解决方案的设计是无能为力的,无法跟上时代的步伐。目前,计算机辅助产品设计制图,设计计算,制造,生产计划已经更加广泛和深入的研究,取得了初步成效,而计算机辅助设计初步计划的产品开发远远不能满足需要的设计。因此,本文在大量文献的基础上,总结了国内外设计学者在程序设计中采用的方法,探讨了各种方法之间的有机联系以及机械产品设计计算机实现的发展趋势。根据国内外设计学者对机械产品设计所采用的方法的主要特点,该方案的现代设计方法可归纳为以下四类。 1,系统设计方法系统设计方法的主要特点是:设计作为一个由多个设计元素组成的系统,每个设计元素是独立的,各个元素之间有一个有机的联系,并且有一个分层的,所有的设计元素结合在一起,就可以实现完成任务所需的设计系统。系统设计的思想是德国学者Pahl和Beitz在20世纪70年代提出的。基于系统的理论,制定了总体设计模式,主张设计工作要组织。德国工程师协会根据这一设计理念开发了标准VDI 2221“技术系统和产品开发与设计方法”。机械产品设计过程模型的制定基本上遵循德国标准VDI 2221的设计。除此之外,我国许多设计学者在设计产品解决方案时也借鉴和借鉴了其他发达国家的系统设计思想。其代表如下:(1)以用户需求为产品特征,结构设计与部件设计,工艺规划与工作控制的概念设计。基于产品开发的宏观过程,采用质量功能展开方法,将用户需求信息系统化地转化为产品开发各个阶段的技术目标和运行控制程序。 2)将产品作为生命体系中的生命体系,通过生命体系理论,将产品设计过程划分为功能需求层次,实现功能需求的概念层次和具体的设计层次该产品。同时,傅先生抽象地表达了产品的功能需求,(3)将系统科学在机械设计中的应用归纳为两个基本问题:一是将产品设计为一个系统来确定最好的部分(单位)及其关系;其次,产品设计过程作为一个系统,根据设计目标,正确合理地确定设计工作的各个环节和设计的各个阶段。由于每个设计人员都要研究问题的角度,并考虑不同侧重点的问题,程序设计中使用的具体研究方法也不同,有一些具有代表性的系统设计方法代表1.1设计元素法五个设计要素(函数,效果,效果向量,形状要素和面参数)描述了“产品解决方案“,确定产品所有特征值和中国已经确定的特征值的五个设计要素的产品也使用了类似的设计学者的方法来理解产品解决方案。 \\ u0026模型由“设计分析与指导系统”KALEIT开发,具有清晰的图形描述层次描述了产品的功能结构及其相关的抽象信息,并描述了系统结构与功能关系的图形化建模以及功能设计分为两个方面:辅助方法和信息交换,Nijssen信息分析方法可以采用图形符号,内容丰富的语义模型结构,可以描述集成条件,可以分为约束类型,可以实现关系和其他特性的任意组合,设计方法的解决方案和信息技术的集成,实现设计过程不同抽象层之间信息关系的图形化建模[11]使用语义设计网作为设计工具,在主动语义设计网络ASK开发的,它使用n由节点和线组成的网络描述设计,用于调整和定义节点间不同语义关系的元素(如设计任务,功能,组件或处理设备等),从而预先模拟所有活动和结果设计过程使早期的设计要求每个结构的定义可以通过定义关系来描述具体的描述,现在计算机辅助设计过程从抽象到具体的飞跃。 \\ u0026 1.3“概念” - “设计”方法产品设计分为“概念”和“设计”两个阶段。 “概念”阶段的任务是寻求,选择和结合设计任务要求的解决方案。这个工作的“设计”阶段是概念解决方案概念阶段的具体实现。程序的概念被描述为:根据适当的功能结构,寻求满足原理解决方案设计任务的要求。也就是说,功能结构中的子功能是通过“结构要素”来实现的,“结构要素”之间的物理连接被定义为“功能运营商”。 “功能载体”和“结构元素”之间的相互作用也形成了功能图机械运动图)。该方案的“设计”是基于一个功能示意图,首先定性描述所有“功能载体”和“结构单元”,然后定量描述所有“结构单元”和耦合(“功能载体”)的形状和位置。 。 Roper,H.借助图论,借助于他定义的“GE”,“KE”,“FKE”,“VKE”,KT和KET等概念以及描述关系的几个图位于结构元素的大小,位置和驱动参数之间形式化设计专家的直观设计描述如何有效地应用现有知识并将其应用于“概念”和“设计”阶段从设计方法论角度我们将设计任务后的设计工作分为三个步骤:1)获得功能和功能结构(简称“功能”); 2)找到效果(简称“效果”); 3)寻找(以下简称“配置规则”),采用以下四种策略来描述机械产品概念阶段的工作流程:策略1:分别考虑“功能”,“效果”和“构成规则”。 ,变体可以在单独的工作中单独创建g步骤,产生了广泛的原则性解决方案。策略2:“效果”与“构建规则”(包括由设计者创建的规则)相关联,并被单独考虑(通常与设计任务相关)。此时,要区分典型的配置规则及其效果需要有丰富的经验,导致该方案的频谱远少于该频谱的策略1.策略3:“功能”,“效果” “配置规则”是彼此密切相关的。适用于功能,效果和配置规则之间没有选择,对于超小型机器,大型机器,高价值特性以及特殊部件等领域有特殊要求。策略4:设计需求的结构化解决方案。策略从现有的部分开始,通过不同的部分之间的排序和链接来获得所需的功能。 1.4矩阵设计法在程序设计过程中使用“需求 - 功能”逻辑树(“和”树)来描述需求,功能之间的关系,以满足功能设计方案设置的要求,形成不同的设计。根据“请求函数”逻辑树,建立“请求函数”相关矩阵来描述符合要求的函数之间的复杂关系,并指出需求和函数之间的一一对应关系。 Kotaetal使用矩阵作为机械系统设计的基础。机械系统的设计空间被分解成功能子空间。每个子空间仅代表方案设计的一个模块。在抽象阶段的高层,每个设计模块使用一个运动变换矩阵和一个约束向量来表示操作;在抽象阶段的较低层,每个设计模块被表示为参数矩阵和运动方程。 1.5键合图系统组件的功能分为产生能量,消耗能量,改变能量形式,传递能量等类型,并用键合图表示解决方案的功能组件,希望基于功能模型和关键点结合图的结合,实现了功能结构的自动生成和功能结构与键合图之间的自动转换,并寻求一种从键合图生成多种设计方案的方法。 2,从规划的角度出发,模块化设计方法的结构:基于功能产品结构的设计任务的定义,现有的产品解决方案(如通用部件等)来描述设计任务,即分解任务考虑每个子任务是否存在相应的产品解决方案,以便在产品规划阶段消除设计任务中的矛盾,提前预测生产能力和成本,计划的可调性在开发设计过程中可以进行改进,从而提高设计效率和设计可靠性,同时也降低了新产品的成本。 Feldmann将功能性产品结构的设计任务分为四层,(1)产品→(2)功能性元件→(3)主要功能性元件→(4)功能性元件。面向应用的结构化特征目录用于更加具体和定性地描述功能组件。同时开发了用于早期产品开发和早期设计工具的STRAT软件。据认为,大多数特种机器可以使用现有的产品解决方案,而具有新解决方案的特殊功能只有少数。因此,在特种机械设计中采用功能性产品结构对于评估特种机械的设计和制造风险是非常有利的。主张在产品功能分析的基础上,将产品分解成一个或几个模块化基本结构的某种功能,通过选择这些模块化基本结构并组合成不同的产品。这些基本结构可以是零件,部件,甚至是一个系统。理想的模块化基础结构应该具有标准化的接口(耦合和匹配),并且是序列化,泛化,集成,分层,灵活,经济,可互换,兼容和相关的。中国软件组件技术与CAD技术相结合,结合变形设计和组合设计,按照分级模块化原则,加工中心机从大到小的产品级别,元件级别,元件级别和元件级别,以及利用专家知识和CAD技术将不同品种,不同规格的功能模块相结合,然后由这些功能模块进入不同的加工中心整体程序,以设计好的目录为工具,选择变异的机械结构,一个完整的并提出了设计方案元素的结构排列,形成方案集设计目录,并在方案集设计目录中列出每个方案的附加信息,对设计工程师选择方案元素非常有帮助,这些组件的耦合特性,将被归纳为四种类型:1)组件之间直接定位,并具有自我调节组件; 2)通用部件的结构; 3)具有嵌套结构和嵌套连接的嵌套元素; 4)模块化结构和模块化元件连接。准符号用于表示典型组件与组件之间的连接规则,实现组件之间的连接和概念可视化的算法化。在设计机械系统时,功能由“功能建立”模块分解,功能分解的最佳“粒化”程度定义为功能与组织类型的一一对应关系。 “结构建设”模块作为功能解决方案的选择来促进映射算法。 3.基于产品特征知识的设计方法基于产品特征的产品设计方法的主要特点是:用计算机可识别的语言描述设计领域的产品特点和专家的知识和经验,建立相应的知识库和推理机,然后利用存储的领域知识和建立的推理机制来实现计算机辅助产品的设计。机械系统设计主要是根据产品特点,以及设计专家的知识和推动决策的经验来完成机构类型,数量的综合。要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,整合,协调,管理和使用。为此,国内外设计学者对机械系统设计知识的自动化处理进行了大量的研究工作,所采用的方法可概括如下。 3.1编码根据“运动转换”功能(简称功能要素)对组织进行分类,并利用代码来描述功能要素和组织类型,从而建立起“制度系统设计专家系统”的知识基础。在此基础上,结合二元逻辑推理和模糊综合评判的原理,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。利用生物进化理论,通过自然选择和有性繁殖,使生物体进化。在机制设计中,网络图论是用来表示一个组织的结构作为一个拓扑图。然后将结构和性能转化为单个染色体的二元串,并适应设计要求,利用生物进化理论来控制生殖机制,通过选择,交叉,突变等手段,淘汰适应性适应个人低,进化非常迅速该过程获得最适应的个人,最符合设计要求的机构计划。 3.2知识的混合表达对于复杂的机械系统设计,使用混合知识来描述各类知识的设计是特别合适的,这一直是我们在许多设计学者中的共识。在DMDSS的开发中,复杂产品设计的智能决策支持系统将规则,框架,过程,神经网络等知识表示方法有机地结合起来,以适应设计中对不同类型知识的描述。各种单一的知识表达方法(规则,框架和过程),根据面向对象的编程原理,利用框架的槽对象属性,规则表示对象的动态特征,知识过程处理,形成Hybrid类型的知识表达,并成功开发出“面向对象的数控铣床齿轮箱程序设计智能系统GBCDIS”和“传动结构设计专家系统GBSDES”。 3.3使用基于知识的开发工具在一个用于耦合的CAD系统中,使用基于知识的开发工具NEXPERT-OBJECT,通过面向对象的方法创建一个面向对象的设计方法数据库,程序设计和结构该仪器的设计提供了广泛可靠的设计方法学谱。然后用NEXPERT来描述直线导轨设计的基于知识的设计,从而找到基于知识的解决方案,并开发出线性导轨设计专家系统。 \\ u0026 3.4设计目录法构建“功能模块”,“功能元解决方案”和“组织组织”三个功能目录,并采用三级渐进设计目录作为机械传动知识库原理方案的智能设计系统,开发设计辅助工具。 3.5基于实例的方法在设计专家系统知识库的开发中,使用基本谓词来描述设计需求,设计条件和选定的解决方案。框架结构用于描述“项目实例”和各种“概念实体”实例推理技术产生候选解决方案以匹配产品设计需求。 4,智能设计方法智能设计方法的主要特点是:根据设计方法,借助三维图形软件,智能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开发设计,产品表达描述产品结构的想法。在充分利用数学系统理论的基础上,考虑了系统工程理论,产品设计技术和系统开发方法VDI2221,开发了适合产品初步设计的多媒体开发系统软件MUSE。在ATM的设计中,产品的整个开发过程总结为“产品规划”的三个阶段,“开发”和“生产计划”,以及现有的CAD尖端技术 - 虚拟现实技术得到充分利用。 1)产品规划 - 概念产品。它的使命是确定产品的外部特征,如颜色,形状,表面质量,人体工程学等,而使用CAD三维模型的初步构想则表达了建立一个完整的模型来反映简单模型的外观,模型可以是虚拟环境,借助数据上限和3D鼠标,用户也可以在一定程度上参与到这个环境中,并且可以快速生成不同的形状和颜色。三维模型是检测外部形状基础的效果,也是几何设计变量显示的基础,也是基于各种类型分析的发展过程。 2)开发 - 设计产品。在这个阶段,按照“系统综合”的原则,在实体模型上配置和集成元素。解决方案元素根据设计目标具有不同的含义:它们可以是基本元素,例如螺栓,轴或轮毂联轴器;传输系统的元件,如机械,电气,电子元件,控制技术或软件组件;也可以是要求,特点,形状等。将该函数的关键解元素配置到三维模型中后,可以分析产品配置(设计模型中的解元素之间的关系)。产品配置分析是整合“产品规划”和“发展”手段结果的重要因素。 3)生产计划 - 产品的加工和组装。在这个阶段,主要讨论CAD技术在装配过程中的应用。利用计算机图像在相应的位置显示求解元素的装配过程,即通过虚拟装配模型揭示形状与装配之间的关系,从而发现问题,找出解决方法。解决问题。他们认为CAD技术在产品开发三个阶段的综合应用,可以使“产品规划”,“开发”和“生产计划”的设计过程不断进行综合分析。因此,每个阶段存在的问题都可以较早找到,产品在开发过程中不断完善和完善。中国使用虚拟现实技术进行设计还处于起步阶段,利用面向对象技术,重点研究了时序综合的机构组合方案专家系统,并借助OpenGL技术性能图形和交换处理能力,由专家系统从三维环境中全方位设计的方案观察运动过程中机构间联动状态是否存在冲突,标准模块的建设,整体产品结构和制造(见图1)称为快速成型技术,建议将快速成型技术,多媒体技术和虚拟展示技术与神经网络(用于解决过程各个阶段的过程)结合起来发展过程,指出随着计算机软件的不断完善, e和硬件,多媒体图形处理技术应尽可能应用于产品开发。例如,三维图形(三维模型)应取代三维结构想象所需的装配,拆卸和设计耦合等。使用智能CAD系统SIGRAPH-DESIGN作为开发平台,产品开发过程分为概念设计,装配设计和零件设计。基于变量设计技术,建立了胶印机凸轮机构的概念模型。根据文献介绍的研究工作,概念模型是基于机理类型和数量的综合。在软件SIGRAPH-DESIGN提供的变量设计功能的帮助下,原理图随着机构变化的结构参数的变化而变化。概念模型参数被传递到组装模型的下一个层次,部分设计。五,各种设计方法回顾与发展趋势综上所述,系统设计方法从设计任务抽象到具体(从设计任务要求到实现任务的程序或结构)层次化,制定每一层要实现的目标和方法,从浅到深,从抽象到具体层次的有机联系在一起,整个系统的系统设计,法律的设计遵循,有方法跟随,易于设计过程计算机辅助实现。结构模块化设计方法作为一个功能结构模块的实现,通过结构化模块的组合来实现产品设计。对于特定类型的机械产品,由于其部件功能比较清晰,相对稳定,因此结构模块更容易分割。因此,采用结构模块化方法来设计方案是合适的。由于实体和功能不是一对一的对应关系,一个实体通常可以实现多个功能,一个功能往往可以通过多个实体来实现。因此,如果在产品设计总体方案中采用模块化设计方法,则结构模块的划分和选择是困难的,要求设计人员具有丰富的设计经验和广泛的多学科知识领域。机械产品设计往往不能用纯粹的数学微积分方法,很难用数学模型来完成描述,而是根据产品的形式描述特点,借助设计专家的知识和经验进行推理和决策-制造。因此,为了实现计算机辅助产品的设计,必须解决计算机存储和应用产品设计知识和专家设计决策的问题,从而形成基于产品特征知识的设计方法。目前,智能设计方法主要采用三维图形软件和虚拟现实技术进行设计,具有良好的可视化性。在发展的早期阶段,用户可以在一定程度上直接参与设计,但是系统较差,而且组件的结构,形状,大小,位置等对软件的合理确定需要更高的智能化程度,或者有经验丰富的设计师参与。值得一提的是:上述方法并没有完全隔离,各类方法之间存在一定的联系,比如结构化模块化设计方法,结构化模块的划分包含系统思维,产品设计的特点和设计方法知识库和推理机,通常需要系统化和结构化的模块化方法。另外,基于产品特征知识的设计也是该程序智能化设计的基础之一。在机械产品设计中,可以实现特定功能的通用零部件或通用机构被视为结构模块,并应用于系统设计层次的具体设计,即将结构模块化方法集成到系统设计方法不仅可以保证设计的标准化,而且可以简化设计流程,提高设计效率和质量,降低设计成本。网络技术的快速发展,远程协同设计与制造,以及从用户的产品功能需求→设计→加工→组装→完成并行工程成为可能,但实现的重要前提条件之一这些目标是产品设计的有效性的三维可视化,为此,不仅三维图形软件,智能设计软件越来越多地应用于产品设计,虚拟现实技术和多媒体,超媒体工具等产品设计中目前德国等发达国家在产品设计上主要着眼于超媒体技术,产品数据交换标准STEP和标准虚拟现实建模语言VRML(基于互联网虚拟环境的标准交换格式)的应用,设计机械产品正朝着计算机辅助实施,智能化迈进设计和满足不同地方协同设计和制造的需求。由于计算机实现产品设计方法的研究起步较晚,实现上述目标程序设计工具软件还不成熟。笔者认为,文中综合运用四种设计方法是实现这一目标的有效途径。虽然这些方法的综合应用涉及很多领域,但不仅涉及到机械设计知识领域,还涉及到系统工程理论,人工智能理论,计算机硬件和软件工程,网络技术等知识领域,但仍然产品设计必须努力方向。国外在这方面的研究取得了初步成效。我们的设计学者也认识到了CAD技术和国际交流合作的重要性以及应采取的措施。在本文其他地方转载免费下载http://paper.studa.com

关键词: 社会科学