基于功能表面的产品结构设计自动化研究与实现

基于功能表面的产品结构设计自动化研究与实现

发表时间：2019-11-26T09:35:05.917Z 来源：《中国西部科技》2019年第24期作者：谢健达

[导读] 本文首先分析了功能表面的产品结构设计自动化概念的提出，接下来详细阐述了概念设计产品模型，最后对基于广义定位原理的功能表面表述进行论述，希望给行业内人士以借鉴和启发。

摘要：本文首先分析了功能表面的产品结构设计自动化概念的提出，接下来详细阐述了概念设计产品模型，最后对基于广义定位原理的功能表面表述进行论述，希望给行业内人士以借鉴和启发。

引言

计算机辅助产品概念设计的困难之一在于不容易产生和选择合适的方法以便于将用户的需求映射到实现这些需求的物理模型,为了实现上述映射过程,需要考虑需求功能与产品结构间的映射关系。设计自动化的实质,从狭义上讲,就是实现产品设计中的功能———结构自动映射。

1功能表面的产品结构设计自动化概念的提出

从几何的角度看,点、线、面、体是空间几何的组成要素,其中点是几何的基本单位。但是,在产品结构中,点和线的功能概念十分模糊,不易采纳;而表面不仅有明确的几何含义,而且有规范的数学表达形式。从功能的角度看,产品功能是由零件间相互配合而保证的,而这种配合关系是通过不同零件表面之间的接触、摩擦等得到的。表面可以表达零件之间的定位、夹紧、传动、支持、阻挡、密封等功能,又是制造、装配过程中考虑的关键因素。因此,表面可以作为功能的载体,每个表面是一个独立的功能单元,实现某种程度的功能,可以说产品功能是由零件表面来实现的。这样,可将表面分为两类:起作用的表面和不起作用的表面,不起作用不是绝对不起作用,而是相对不起作用,是指与产品功能联系不密切的表面,起作用的表面称之为功能表面,其余的为非功能表面。例如对轴承零件来说,从轴承功能的角度看,只考虑外圈面和内圈面,对于其余的侧外面、侧内面,侧竖面等也是轴承的重要组成表面,起着定位作用,但与轴承功能关系不大。

2概念设计产品模型

2.1概念设计产品模型框架

概念设计的主要任务是完成功能到结构的映射,从而将功能需求和单个机械零件对应起来。为了解决功能向结构直接映射存在的多解性、不确定性等问题,本研究在设计知识库的支持下,运用分解重构原理,采取相应的分解、重构策略,构建功能向功能表面、功能表面向结构的映射过程,实现功能到结构的稳定映射关系,从而完成概念产品结构创成。由概念设计产品模型框架可以看出,设计过程实质上是分解重构过程

2.2设计知识库建模

在设计领域,设计者专业知识、经验等设计知识是保证产品性能和质量的首要因素,因此,如何有效获取、表示、组织、共享设计知识是建立设计知识库的关键。根据机械系统复合功能产品中每个零件的状态模式和运动机理各不相同,我们将现有的实体零件进行分类整理,提取特征参数和约束条件,建立了功能特征知识库、结构进化规则知识库、功能表面知识库、组件(结构)知识库,从而构成了基于功能表面的、支撑概念设计过程的设计知识库。

2.3功能向功能表面的映射过程

功能表面FP定义中的元素———功能特征F明确表达了功能表面在产品结构中承担某些特定的功能,是产品功能的范畴,因此,产品功能需求可以通过相应的功能表面表达,即实现与功能匹配的功能表面组合必须满足功能的需求。

2.4功能表面向结构的映射过程

从功能表面到结构的映射是一种重构过程(即综合过程)。功能表面与功能表面集的重构可以直观地反映设计信息由少到多、由简到繁的综合过程,构成从无序到有序、从低级到高级的产品设计生命周期。在功能表面向结构映射的过程中,我们将功能表面作为功能载体,在设计知识库的支持下,按照功能表面-功能零件-功能产品的重构顺序,根据功能单元和定位方式,完成功能表面到单元结构分层逐步综合。

3基于广义定位原理的功能表面表述

刚性实体具有独占性,四维空间内任意一点只能属于唯一实体的唯一点。两个实体在接触时,必然发生相互作用,即相互限制对方的自由度。在两者能力不平衡的情况下,其中必有一个成为主动件,而另一个则成为从动件。主动件通过运动不断占有从动件原来的空间,从而使从动件产生大致沿接触面法线方向上朝向从动件一侧的运动趋势。从动件的实际运动为其各个表面受作用的综合结果。运动实质上是通过主动件对从动件在四维空间的动态“限位”作用来实现的。通常讲的零件定位实质上是指机体(相对静止)对该零件的“限位”。从这一意义上讲,运动和定位在本质上是一致的。四维空间的引入把零件的运动传递和空间定位,传动和定位两组概念统一起来,从而在机械产品设计中可以按照同样的规律来统一处理,据此提出了机械产品的广义定位原理:构成机械产品的每个零件在四维空间中都必须具有确定的位置,即零件的12个空间自由度全部消除,这就是机械产品的广义定位原理。传统六点定位原理只考虑了刚性实体在空间静态定位的抽象条件与要求,仅作为在静态夹具定位设计的依据。它并未从结构设计角度考虑如何实现定位,也没有根据机械产品功能上的各种要求综合考虑实际的定位问题,因而操作起来常有矛盾产生,使得产品结构设计主要根据经验进行,难以实现自动化。广义定位原理阐明了机械产品中每一零件都应遵循的法则,即每个零件的广义定位都是依靠与其直接相关的零件来达到。因此,零件广义定位是产品达到最终设计状态的一个非常重要的综合约束条件,可以作为产品概念设计自动化和结构设计自动化的理论基础,进而实现零件的自动设计。

5基于功能表面分解重构的产品设计过程模型

科学发现是对现实世界的认识,它扩大了人类对自然的认识能力;而创造发明则是产生物质世界不曾存在的物品,其本质是已有物品的分解与重新组合构造,新发明是现实世界的结构的重构。这里的分解和重构是辨证的统一体,与传统的分解方法有本质的区别,称之为“分解重构”理论。分解是产品※机构※零件※特征※表面※线※点的过程,重构即综合,是分解的逆过程。在产品结构设计中,各独立单元的功能与结构,例如功能表面,功能零件,功能产品都需在分解的基础上重构形成。根据对象的关系类型,各独立单元的功能与结构可以分层逐步综合,例如,功能表面—功能零件—功能产品的顺序重构。产品结构设计过程中,我们采用功能表面作为功能载体,根据要求创建产品原型,产品原型由功能表面组成。从产品原型中分解出实现特定功能的各功能表面,重构出替代该功能表面功能的各概念零件或部件;同样再从生成的概念零件中分解出功能表面,重构出新的零件,使产品功能结构进一步细化。根据需求一步步地分解重构,最终创成产品的概念结构,即实现产品的功能传递链。整