机械产品概念设计及其方法综述

王磊

摘要:论述了概念设计的定义和内容,分析了国内外的发展动态;将机械系统和机械电子系统相对照,讨论了它们概念设计的内容和方法,论述了智能化概念设计的研究内容和方法,给出了计算机支持的设计模型。

关键词:概念设计;机械产品;机电一体化;人工智能

引言

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概念设计

产品设计是从需求出发寻求设计出的产品解的过程。产品的设计过程大概可分成需求分析、概念设计、总体装配设计和详细设计四个过程。上述四个设计过程既有顺序上的逻辑性，又有相互之间的重叠性。在这四个阶段中，概念设计日益引起人们的关注和重视。概念设计是工程设计的前期工作过程，概念设计的结果是产生设计方案。概念设计包括设计人员对设计任务的理解，设计灵感的表达，设计理念的发挥。概念设计应该充分体现设计人员的智慧和经验。概念设计过程的前期工作尤其应充分发挥设计师的形象思维，构想市场需求，确定功能要求，选择工作原理。概念设计的后期工作较多地集中在构思功能结构、选择功能与结构解，组成概念设计方案等方面。

2基于协同设计的概念设计流程

基于协同设计的机械产品概念设计原型系统的工作流程主要包括任务分解、任务调度和协同设计等。在接到设计任务之后，设计承担者首先要明确设计任务，尽可能地将其量化、细化、明确化。然后按设计任务的实际情况和涉及的内容组建设计小组，设计小组中的成员可以是一位专家，也可以是一个协同单位，为每个设计小组成员分配网络节点，组成协同设计网络。接下来将复杂的设计任务分解、细化，通过设计管理者的协调与调度，将子任务分配到某一个节点或某几个节点进行设计，实现协同设计。

2.1机械产品概念设计解决方案

机械产品概念设计可以由基于规则推理与基于实例推理相结合的方法得出。支持库包括规则库、实例库、数据库、模型库和方法库等，支持库维护系统对各库进行管理和维护，推理机包括规则推理机和实例推理机，具体采用哪种推理方式由控制器来实时决定。基于实例的推理（CBR）按照一定的规则检索实例库，通过对检索到的实例的转换与调整，形成设计结果，同时将设计结果放进实例库存储，完成对实例库的扩充，是知识的学习过程。基于规则的推理首先将推理知识以框架、规则等形式存储起来。设计之初，用户输入设计要求到控制器，控制器根据具体设计要求决定相应的操作。设计要求大致包括设计功能要求、设计约束条件等，其中设计功能按作用分为基本功能和辅助功能，按用户需要分为必要功能和不必要功能，基本功能和必要功能在设计过程中要无条件地满足，而不必要功能和辅助功能可以尽可能地满足，如不能满足可以放宽或放弃。简单的基本功能有输出构件实现给定运动、实现输入输出构件间的运动变换、实现导引设计和其它特定功能(定位、夹紧、测量、分度、超越、离合、制动等)，除此之外的复杂功能要求大致有两种，一是输入输出关系不是一对一，而是一对多、多对一或多对多;二是整个运动周期中的运动不是单一的某种运动，但在一特定段内为确定的某种运动。

2.2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:

2.2.1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。

2.2.2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。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。

(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结束语

机械产品的概念设计和方法是一个系统的过程，如何将机械产品概念设计和相关的产品设计人员的设计理念融合在一起，是需要在实际生成中不断综合有效的方法，并且不断积累经验，同时开发机械产品的自动化系统，才能更有效地促进机械产品的持续发展。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。

参考文献

[1]邹慧君.顾明敏.机械系统方案设计专家系统初探(一）-知识库管理系统的建立[J].机械设计，1996(5):26-28.

[2]邹慧君、顾明敏.机械系统方案设计专家系统初探（二)-推理系统的建立和应用[J].机械设计，996(6):12-14.