机械产品快速设计理论论文

随着经济的全球化发展，市场竞争格局更加激烈，用户的产品个性化和多样性需求日益增加，产品的规模化、大型化和集聚化等向极端方向延伸，从而造成产品的创新空间越来越宽、复杂程度越来越高，涉及的技术和学科领域越来越多，整体设计的困难度增加;而产品更新频率却越来越快，开发周期越来越短。这些都使得传统设计方法在理论和实践上面临着巨大的挑战，需要有更先进的现代设计理论与方法体系来支撑产品的整个设计，在全局上指导设计过程高质、高效地进行。现代设计理论与方法在其漫长的发展过程中形成了多种理论学说，按其思想内涵可概括为以Pahl和Beitz理论为代表的系统化设计学派、以公理化设计为代表的公理化设计学派、以TRIZ理论为代表的创新性设计学派、以通用设计理论为代表的通用性设计学派和以泛设计理论为代表的全局性设计学派［1］。无论什么学派，在快速创新设计方面，最具典型的设计理论与方法有:模块化设计、参数化设计、产品族设计，以及可重构设计;在快速设计方法使能技术方面，最具代表性的技术有:并行工程和虚拟样机技术。

1快速创新设计理论与方法

1．1模块化设计理论与方法

模块化是指采用具有相对固定结构和功能作用的模块对产品或系统进行组织和规划;通过对产品在某种范围内按照不同功能、相同功能的不同性能或者不同规格进行分析，规划出不同的功能模块，通过不同模块的选择和组合，配置出系列产品，以满足用户的不同需求的设计方法［2］。模块化设计是适应性设计、快速配置设计和可重构设计等现代设计的重要设计方法和核心技术，通过功能模块的配置组合能够实现产品的标准化和个性化设计。模块化设计已在现代产品设计中广泛应用，其理论基础是Suh［3］提出的独立公理理论，即“一个最优设计必须保持功能需求的独立性”。20世纪50年代，欧美一些发达国家提出了模块化设计［4］的概念，随着计算机技术的发展，这一概念越来越得到设计界的广泛关注和深入研究。人们在模块化设计概念的定义、模块的划分与组合、实现过程，以及基于模块化设计的产品平台规划与设计等方面都有相当多的研究。Suh［3］从“功能-设计参数”映射的角度给出了模块化设计的定义:模块化设计是将产品、过程和系统以一定的形式表现，满足预定的客户需求，采用的方法是选择恰当的设计参数，完成从功能需求域到设计参数域的映射。Ulrich等人［4］从设计学角度指出了影响模块化设计程度的两个基本因素:1)产品功能域与物理结构域之间的对应程度。2)产品物理结构间相互关联程度的最小化。PAHL等人［5］仍然认为模块化设计是完成从功能需求域到模块功能域的映射，再考虑模块特性参数(如尺寸、重量等)，完成从模块的功能域到模块的结构域映射，并按照不同的模块功能，在设计域内(功能域和结构域)进行模块分类与定义。在模块化设计的方法研究中，模块划分技术是关键技术之一。ERIXON等人［6］提出了产品某项功能成为独立模块需要满足的11个条件，并将其作为模块划分的普遍原则，根据子功能结构建立模块识别矩阵，然后对模块识别矩阵进行聚类分析。STONE等人［7］考虑产品的各个子功能与能量流、物流和信号流的关联性，将一种功能模型定量化建模方法用于产品架构开发，并以客户需求重要度为度量标准，建立需求与功能数据库，将功能与需求的关系定量化作为模块划分与模块发展的主要依据。GU等人［8］提出了一种基于产品全生命周期技术的多目标(可回收设计、可升级设计、可重用设计和重构设计)模块划分方法，并将模糊数学中权重的概念应用于功能结构分析，为定量化模块划分提供了依据。模块组合技术是模块化设计的另一关键技术。O’GRADY等人［9］针对网络设计环境下分布协同设计，研究了其模块组合方法，即建立一个基于面向对象的模块化产品设计环境，根据用户的需要，将不在一个地区的各个模块制造商生产的模块快速组合成模块化产品。TSAI等人［10］考虑产品设计、加工和装配等复杂性，基于并行工程思想，按产品功能在设计过程中的不同类型接口关系进行模块的不同类型划分，并从中选择最优模块，最后根据模块包含的相关信息，对模块中的各个功能进行优先权排序，以此作为产品规划设计的原则。另外，在模块化设计中，模块接口的匹配是模块组合的重要条件，即一个零/部件结构能够成为模块的条件是零/部件的功能、结构以及其接口特征不能超出模块化产品给定的标准接口所允许的范围［11］。HILLSTROM［12］基于公理化设计原理，并结合面向装配和制造的设计方法，对模块化设计的接口进行了系统分析。

1．2参数化设计理论与方法

参数化设计是产品设计规格化、系列化的一种简单、高效和快速的方法，通过改变结构特征某一部分或某几部分的尺寸，基于参数化驱动技术，实现对特征中相关部分的自动改动。参数化设计是CAD的一个重要理论和方法，它包括两个基本要素:参数化图元和参数化修改引擎。CAD中的图元都是以对象特征的形式表现，并通过参数的调整变化驱动图元的变化，参数包含作为数字化对象图元的所有信息。参数化修改引擎所使用的参数驱动技术，使设计者对设计对象所做的全部改动都可以在其他相关联的部分自动反映出来，并采用智能结构单元、视图和注释符号，通过一个变更和约束驱动引擎使每一个图元都可互相关联。对象特征尺寸的改动、移动或者删除所引起的参数变化，会引起相关对象特征参数产生相应的变化，不同视图下所发生的改变都能以参数化的、双向的方式扩散到所有其他视图，以保证所有设计对象的一致性，不必对所有视图逐一进行修改，从而显著提高设计效率和设计质量。1963年由Sutherland［13］在SketchPad系统中提出参数化设计方法，Light等人［14］在1982年提出变量几何和几何约束思想。为提高零件生成的智能化，在20世纪80年代将人工智能技术(AI)应用到参数化设计中，如神经网络和几何推理等技术，更重要的是将参数化技术应用到实体造型并形成了特征造型技术。产品开发之初，零件形状和尺寸都具有一定的不确定性，因此希望零件模型具有柔性修改的能力。参数化设计可将零件模型中固定的参数变量化，使之成为可以在一定范围内修改的参数，根据不同设计要求，对变量化参数赋予不同数值，就可获得不同形状和规格的零件模型。约束是CAD中参数化模型的重要内容，包括零件图形的几何约束和工程约束。几何约束分为尺寸约束和结构约束。尺寸约束是指通过指定特征尺寸参数描述的约束，如长度尺寸、角度尺寸以及直径尺寸等;结构约束是指几何元素间的拓扑约束关系，如垂直、平行、相等、同心和相切等。工程约束是指尺寸之间的函数约束关系，即根据工程设计知识，通过定义尺寸各变量之间在参数值或者逻辑上的关联关系来表示。

1．3产品族设计理论与方法

产品族设计是通过基本特征、组件或子系统的共享，以满足不同市场需求的多产品设计方法，是实现规模化产品制造的有效手段。对于产品族的定义，许多学者给出了不同的描述。Ulrich［4］将产品族定义为由某种参数化数据结构确定的一组产品，当所有参数赋予某一具体数值时，就表现为一个具体产品。Erens等人［15］认为产品族是具有相同内部接口的一组产品，并且在设计的各个领域(功能域、技术域和物理域)中产品族接口为标准化接口，能够实现产品部件的完全互换。McAdams等人［16］将产品族定义为具有相同功能流的一组产品。Simpson等人［17］定义的产品族是建立在通用产品平台之上的一组相关产品，并共享平台通用特征、部件和子系统，以此满足市场的多样化需求。其中，参数化产品族(scale-basedproductfamily)在平台公共变量不变的基础上，通过可调节变量的值来满足不同性能要求的系列化产品，是产品族设计的一个具体方法，平台通用性的考虑和实例产品性能选择是参数化产品族设计的关键问题［18］。产品族结构体系(ProductFamilyArchitecture，PFA)是现代大规模定制设计方法(DesignforMassCustomization，DFMC)的核心部分，它为制造企业内的不同部门协同工作提供一个公共平台，同时作为一个类产品以实现产品变型设计来满足客户多样化需求。目前研究的产品族模型主要有通用物料清单(GenericBill-of-Material，GBOM)模型、三视图模型和产品族主结构模型等。Tseng等人［19］给出的产品族三视图体系结构模型，包括功能视图、行为视图和结构视图及其相互之间的映射关系。其中，功能视图表达产品的总体功能及其子功能结构图;行为视图从技术角度描述产品功能的技术原理;结构视图则描述产品的零/部件组成与装配模型。Hegge等人［20］提出GBOM定义，以产品族将GBOM定义为一组变量，并通过一组参数指定具体值来确定这些变量，现在GBOM已成为表达产品族结构及其构型的基本模型。在国内也开展了产品族的大量研究。祁国宁等人［21］提出了面向大批量定制(MassCustomization，MC)的产品事物特性表建模技术。由描述产品构成的产品族主结构以及描述零/部件的主模型和主文档组成模块化产品族。其中，产品族主结构描述了一个可配置的模块化产品系统的组成情况，并包括所有标准零/部件。基于产品族的主结构、构件主模型和主文档，结合客户的个性化需求，采用配置设计或变型设计方法，可以进行产品的快速定制设计。此外，Jiao等人［22］在面向对象方法和语义网络的基础上，建立了通用产品族信息模型，其多视图产品族结构采用树形结构、多样化变量值和配置规则进行表达，以此生成不同特殊需求的产品变型，同时减少各视图间的数据冗余。Nomaguchi等人［23］根据标准建模语言(UnifiedModelingLanguage，UML)，提出了关于产品族体系结构的知识表达模型，该模型记录了设计的整个过程的详细步骤和设计结果，方便设计过程的跟踪查看;为便于设计者进行准确、无冗余的知识获取，模型还将用户需求、产品功能、结构和成本等不同层面的产品信息进行了集成。目前，本体技术开始应用于产品族模型的建立，Nanda等人［24］构建了基于本体的产品族设计方法，在表达产品族结构时使用网络本体语言，应用规范化的概念分析(FormalCon-ceptAnalysis，FCA)方法寻找设计特征间的共性元素，在此基础上，建立了产品族多视图模型的一般表达方式;高鹏等人［25］也基于本体的方法提出了本体之间的映射法则，构建了本体映射、知识映射和模型映射三层映射模式，并以此为核心搭建了产品配置模型的建模框架。Siddique等人［26］研究了产品族设计体系结构的开发过程，给出了产品族体系结构的数学模型、评价指标和有效性推理规则，并对产品组件、模块和体系结构进行了构建，给出了装配过程的描述方案。朱斌等人［27］则对传统设计方法学和面向产品族设计的差异进行了研究，从产品设计的需求模型、功能原理模型和结构设计模型等三个方面，论述了关于产品族设计模型的构建方法。

1．4可重构设计理论与方法

来源于可重构制造系统的可重构性的概念出现于20世纪90年代。1997年美国Michigan大学的Ko-ren等人［28］首次提出可重构制造系统的概念。可重构制造系统(ReconfigurableManufacturingSystem，RMS)指系统能根据生产的需要，准确地构建出需要的生产功能和生产能力。在1999年国际生产工程研究学会(CIRP)上，Koren等人［29］又对可重构制造系统进行了重新定义，即可重构制造系统是一种预先设计为可快速改变结构、硬件与相应软件的制造系统，并能实现在一个零件族内快速调整生产能力和生产功能，以满足市场或客户需求的突然变化;因此，RMS的主要特点是:1)将加工零/部件控制在一个零件族内;2)突出生产能力和生产功能变化而驱动的重构;3)以可重构机床(ReconfigurableMachineTools，RMT)为基础进行重构。随着可重构性及可重构制造系统的研究发展，其重要性日益显现。美国国家研究委员会(NRC)于1998年在《2020年制造挑战的设想》报告中，就明确地将可重构技术列入21世纪的六大挑战与十大关键技术中，而且排在十大关键技术的第一位。随着制造领域的研究应用，可重构思想开始从制造系统逐步发展到组织体系、制造装备以及产品设计等各种领域，形成了可重构性的概念。Setchi等人［30］基于可重构性的用途，从较为宏观的角度给出了可重构性的定义，他们认为可重构性是一种重复变更或重排系统中构件的能力，且具有继承性、定制性、可转换性、可诊断性和产品化等特征，以此实现产品多样性、重用性、快速性、低成本、高效率、可靠性和简化性等要求。英国剑桥大学的Siddiqi等人［31］给出了需要驱动的可重构的主要因素，并提出了可重构系统建模方法。我国在最近几年也开展了可重构性理论相关研究。清华大学的罗振璧等人［32］针对传统可重构的局限性，提出了基于面向用户需求与使用变化的和基于拓扑相似性“广义组合理论”的可重构性定义。梁福军等人［33］综合运用相似性分析、图论和集合论等理论，研究了制造系统的逻辑重构设计;楼洪梁等人［34-35］利用图论研究了机床的可重构性。在可重构算法方面，王素欣等人［36］运用粒子群算法解决了关于制造系统单元可重构的问题。刘溪涓等人［37］研究了零件配置过程中约束的不同类型，利用“有效可选域”的概念，建立了最小损失函数算法，该算法不仅考虑了构件约束，还考虑了零件重构约束。刘世平等人［38］研究并建立了重构目标模型，利用两个聚类定量指标给出聚类的目标函数，并采用遗传算法对重构进行求解。在可重构设计方面，各国学者主要研究了机床、机器人和其他新产品的可重构设计。在机床方面，Tilbury等人［39］对机床的组成原理进行了研究。冯宁等人［40］结合可重构机床的特征，运用矩阵结构化方法建立机床各组成部分的运动学方程，并提出了由所选择的构件组成机床的所有拓扑结构的方法。许虹等人［41］基于并行工程思想，提出了一种考虑加工工艺与机床配置同时完成的可重构机床设计方法。在可重构机器人方面，Hui等人［42］研究了一种产品化、可重构和可扩展的机器人系统(IntegratedRasterImagingSystem，IRIS)。Paredis等人［43］研究了可重构机器人及其可产品化系统(ReconfigurableModularManipula-torSystem，RMMS)。赵广涛等人［44］基于树状拓扑结构研究了产品化机器人的重构规划设计问题。于海波等人［45］结合图论原理方法，给出了一种比较简单有效的可重构机器人构型综合方法。魏延辉等人［46］采用两级计算(遗传算法和迭代算法)优化了机器人构形组合设计。李树军等人［47］研究了可重构机器人产品的结构，最后总结并设计了七种具有功能独立性的产品。李国喜等人［48-49］提出了基于功能-原理-行为-结构的产品模块化可重构设计方法和基于可拓理论的变形设计与配置方法。

2快速设计方法使能技术

快速设计方法离不开其使能技术的支撑，这其中最重要的使能技术有并行工程和虚拟样机技术。

2．1并行工程

并行工程(ConcurrentEngineering，CE)不仅是一种设计思想，更重要的是一种方法论，是现有先进设计制造和管理模式的理论基础［50］。美国防御分析研究院于1988年给出了并行工程的定义［51］:对产品设计及其相关过程，包括设计过程、制造过程和市场营销等过程，进行并行、一体化设计的系统化工作模式。这种工作模式要求产品设计开发者在开始设计时，要考虑产品生命周期中的各个阶段因素，其中包括用户需求、产品质量、生产成本与阶段进度。传统的企业组织结构会带来部门之间的分割与封闭，并行工程打破了这种各自独立的工作局面，站在产品全生命周期整个过程的高度，突出参与者集群协同工作的效应，对产品开发过程进行重构，结合先进的设计方法学，并在产品设计的初期将后期的所有因素进行综合考虑，力争完全实现产品设计和制造一次成功，从而极大地缩短了开发周期，降低了产品成本，增强了企业的竞争能力［52］。传统的产品设计制造模式为串行工程(SequentialEngineering，SE)模式，其产品开发过程是顺序完成，各个过程之间基本上是独立的，每一过程的开始是以上一个过程的结束作为前提，彼此缺乏信息交流。并行工程的关键是以系统集成为基础对产品及其过程实施并行设计，即是通过多学科产品开发人员的协调与合作，整合产品的开发流程，以缩短开发周期、提高产品质量、降低成本和增强企业竞争能力为目标的设计［53］。当然，并行设计的产品开发周期也分为不同阶段，每一阶段都有自己相对独立的时间段，不过时间段之间有一部分相互交叉重叠，而这部分重叠时间表示开发过程是同时进行的，因此，并行设计开发的时间远小于串行设计所用的时间。与传统线形的、顺序的且部门相对独立的过程相比，并行设计要求在设计的各个阶段，企业的相关部门应以互相合作、交互和平行的方式进行产品开发。当然，并行工程必须以先进的信息技术和产品设计技术为支撑，如以产品数据管理平台作为支持产品开发的环境，采用工作流来实现设计流程重组与流程管理，采用产品的数字化描述、面向制造的设计(DFM)、面向装配的设计(DFA)和质量功能配置(QFD)等技术来提高产品的设计水平［54］。

2．2虚拟样机技术

在激烈的市场竞争环境下，企业要想占据市场的主动地位，必须比同类企业提前设计并生产出满足用户需求的具有较高质量的新产品，由于物理样机存在成本高、生产周期长等不足，难以支撑企业的快速生产需求，成为企业保持竞争优势的一大技术瓶颈。越来越多的企业和研究机构开始研究采用何种方法取代物理样机从而突破这一瓶颈，正是在这样的技术背景下虚拟样机技术应运而生。虚拟样机技术(VirtualPrototypingTechnology，VPT)是一种基于数字化样机的虚拟设计方法，是计算机辅助/面向设计(CAx/DFx)技术在各个领域的发展和应用。对于虚拟样机的定义［55-56］，从20世纪90年代以来，国内外的研究人员根据各自的研究领域特点，给出了不同的概念。文献［57］中定义虚拟样机技术是“一种崭新的产品开发方法，它是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法”，这里的数字模型指的就是虚拟样机。一个虚拟样机融入了不同工程领域物理模型数据，从产品的功能、技术原理、外观形态到产品的运行管理均模拟真实产品，并支持并行设计等方法学。虚拟样机技术的最核心优势是技术和信息的集成，即基于并行工程思想，应用计算机技术将计算机辅助设计(CAD)技术、系统运动学和动力学、数值计算方法和有限元技术，以及计算机辅助工艺等现代先进设计制造技术结合在一个系统中，迅速高效地解决问题。利用计算机辅助设计建立产品几何结构模型，在计算机技术和专业技术的支撑下，进行虚拟仿真产品的运动学和动力学分析，在此基础上，采用有限元技术进行数值计算分析，验证产品的强度等性能需求，最后将分析的结果通过动画显示、图表等方式直观表达，这样设计者可以方便快捷地对模型进行修改，在同一模型上赋予各种物理特性，取代物理样机，实现产品功能、结构、制造和试验等全过程的仿真分析，由此将设计意图通过计算机实时地表现出来。王栋［58］指出，虚拟样机技术是基于先进建模/仿真技术、信息技术、先进设计制造技术和企业管理技术，并将这些技术应用于复杂产品全生命周期和全系统的设计，并对它们进行集成管理，因此与传统产品设计支撑技术相比，虚拟样机技术更强调系统的集成，集成的思想将覆盖产品整个生命周期，通过不同领域的虚拟化协同设计，实现对产品的全方位测试、分析与验证。随着虚拟样机技术的研究和应用，产品设计开发新模式“设计-虚拟样机-产品样机”逐渐替代了传统模式“设计-样机制造-试验分析”，这对于增强产品设计创新、提高产品设计质量、缩短生产周期和降低产品成本具有重要意义［59］。虚拟样机的应用主要针对大型复杂机械产品，如飞机、车辆和轮船等。最典型的实例为波音公司无纸化研发777飞机［60-61］，整个设计过程全部运用虚拟样机技术，研制费用减少94%，模具设计精度提高10倍，研制周期缩短50%，更重要的是确保了产品一次制造成功。基于虚拟样机技术，德国宝马汽车公司(BMW)研究开发了在三维虚拟环境中的交互碰撞仿真系统，通过改变汽车物理参数(如几何、拓扑结构等)，进行碰撞仿真分析，快速获得碰撞仿真结果，并实时对结果进行动态显示和分析［62-63］。德国大众汽车公司从1994年开始将虚拟样机技术成功用于新产品开发，开发过程中以实时交互的方式进行，以连续和逼真的方式获得产品的设计结果，明显地提高了产品的质量，缩短了产品的开发周期，产品的开发成本也大大降低［64］。国内在20世纪末开始了对虚拟样机技术的跟踪与研究，并取得了初步的研究进展。在21世纪之初，随着我国市场化机制的日渐成熟，产品在市场中的竞争更加激烈，对虚拟样机技术的需求明显增加，社会逐渐形成了这样一个共识，企业要提高产品竞争力，必须应用虚拟样机这一关键技术。清华大学依托985学科重大项目“轿车数字化工程”［65-67］，在国内率先开展了虚拟样机技术的应用。随后，在武器装备［68］、航空发动机和机车车辆等复杂机械产品中也采用了虚拟样机技术，以提高产品的性价比［69-70］。可以预见，在国内复杂产品的设计制造行业中，虚拟样机技术必将成为设计、制造、试验和运行等阶段的技术分析与评价的重要手段之一。

3设计需求与发展趋势

上述每种设计理论都有其各自提出的背景和积极意义，并以解决其应用背景和特定范围内的设计问题为目标，侧重点不尽相同，并无简单的孰高孰低之分。一个好的设计理论应当能适合自身的时代、背景的需求和技术的支持(包括约束)，同时集成现有设计方法的可取之处，运用相关领域的先进研究手段创造性地提出自身的解决方案，并且具备可操作的支持工具与相对完善的评价体系。针对复杂机械系统设计，笔者认为上述设计方法有待从以下几方面进一步完善。1)模块化设计:信息技术、先进制造技术等的不断发展，给产品模块化设计理论和应用研究提出了更多新的课题，融合、利用其他现代设计方法、制造和管理技术已成为现代模块化设计的特点，模块化设计是快速设计、产品族设计和可重构设计等设计理论的基础。但是，复杂机械产品系统内部模块间物理相互作用的非线性、过程之间的耦合性，将造成任何环节或过程出现问题都会导致产品的设计出现问题，因此，基于智能知识的用户需求和功能的整理是模块化设计研究的重点。2)参数化设计:经过几十年的发展，参数化技术在设计中应用越来越广泛，不仅极大地扩展了图形的修改模式，增强了设计的弹性空间，在产品设计的各个阶段，包括概念设计、结构设计、实体造型设计、装配与公差分析以及数值仿真、设计优化等，均显示出强大的生命力，发挥的作用越来越大。对于复杂机械产品，产品设计具有层次性、尺度间的耦合性和参数的模糊性，不可能通过零/部件尺度参数简单的放大与缩小来满足多用户环境的需求，因此，多学科、多参数优化设计是复杂产品设计的必然趋势。3)产品族设计:参数化产品族主要关注于产品设计变量取值的合理共享，是参数化和模块化设计的进一步延伸。复杂机械在结构设计上表现为递归性，即迭代性和反复性，一般需要借能仿真系统，因此，要获得具有平台常量和可调节变量集的数学模型。4)可重构设计:相对传统的设计方式，可重构设计方法较好地解决了继承性和创新性两个设计问题，具有显著的优越性。可重构设计在重用已有的各种设计资源和设计经验知识的基础上，实现了产品的创新设计，能够快速响应竞争激烈的市场多样化和个性化需求，符合未来的发展方向。但传统的可重构性设计的理论基础是独立公理设计理论，强调“设计的明智”和“过程的合理”，强调发散性思维带来的设计创新，而复杂结构机械系统的耦合性和模糊性，则很难满足这一条件。借助模糊集理论研究模糊可重构设计理论和方法是发展趋势之一。

4结语

现代社会的高效率对产品开发设计带来了极大的影响，在日趋激烈的市场竞争环境下，产品开发周期也被极大地缩短，从而促使模块化设计、参数化设计、产品族设计和可重构设计等理论与方法迅速地发展，并取得了很好的应用效果。由于复杂产品具有性能驱动型需求，设计内容具有多源性、层次性和模糊性，设计过程具有递归性、耦合性和智能化等特点，因此上述方法仍需要不断地研究与发展。

作者:胡光忠 柳忠彬 肖守讷 单位:四川理工学院