0 引言

    產(chǎn)品的變型設(shè)計(jì)是在保持產(chǎn)品基本原理和總體結(jié)構(gòu)基本不變的條件下，為滿足特定的功能要求或用戶個(gè)性化需求，對(duì)產(chǎn)品的某些局部結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)要素或尺寸進(jìn)行調(diào)整、變更。設(shè)計(jì)過(guò)程中，需求是變型設(shè)計(jì)的動(dòng)力，用戶的需求驅(qū)動(dòng)了產(chǎn)品系列化的發(fā)展。如何利用現(xiàn)有的商業(yè)CAD來(lái)快速反應(yīng)市場(chǎng)需求，是當(dāng)今市場(chǎng)、企業(yè)和設(shè)計(jì)人員面臨的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。與自頂向下的設(shè)計(jì)模式相適應(yīng)，在以TBS模型為核心的產(chǎn)品建模的基礎(chǔ)下，可以快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的變型設(shè)計(jì)。而隨著人們?nèi)找嬖黾拥木�神需求，產(chǎn)品外形的多變化也越來(lái)越和人的審美和個(gè)性結(jié)合在一起。如何整合現(xiàn)在各種變型設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì)，以需求為驅(qū)動(dòng)，充分考慮工業(yè)美學(xué)的原則把提高變型設(shè)計(jì)的適應(yīng)性和響應(yīng)性，是變型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

    1 面向需求的產(chǎn)品裝配模型變型設(shè)計(jì)

    1.1 需求模型到裝配模型

    從產(chǎn)品模型上講，裝配模型是一個(gè)支持產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到零件設(shè)計(jì)，并能完整、正確地傳遞不同裝配體設(shè)計(jì)參數(shù)、裝配層次和裝配信息的產(chǎn)品模型。它是產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中數(shù)據(jù)管理的核心，是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和支持設(shè)計(jì)靈活變動(dòng)的強(qiáng)有力工具。裝配模型的建立為面向裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了信息來(lái)源，并對(duì)并行工程和面向裝配設(shè)計(jì)提供了信息支持。產(chǎn)品在市場(chǎng)上要擁有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，必需要改善或創(chuàng)造產(chǎn)品，并且在產(chǎn)品的差異性上有所突破，滿足人們個(gè)性化的需求。對(duì)設(shè)計(jì)者而言，對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的上進(jìn)行功能的改進(jìn)，性能的提高或者尺寸的改進(jìn)等，使其更加適合于用戶的需要。用戶的需要在經(jīng)過(guò)具體的分析調(diào)查后，建立出相應(yīng)的產(chǎn)品需求模型，從產(chǎn)品需求模型入手，逐步分析將其映射到裝配模型中去。

    1.2 功能結(jié)構(gòu)映射

    功能通俗地說(shuō)是指產(chǎn)品的效能、用途和作用。而改進(jìn)的產(chǎn)品所需要的增加或改進(jìn)的需求特征是與產(chǎn)品所完成的某個(gè)子功能是相對(duì)應(yīng)的。需求特征的描述是通過(guò)產(chǎn)品功能的描述表達(dá)出來(lái)的。并通過(guò)這種表達(dá)完成到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化的映射。在功能向結(jié)構(gòu)的映射過(guò)程中，是通過(guò)結(jié)構(gòu)映射模型來(lái)完成的。ian和Gero提出了功能行為結(jié)構(gòu)FBS設(shè)計(jì)過(guò)程模型。在FBS模型中，“結(jié)構(gòu)”用于定義該設(shè)計(jì)由哪些元件組成，這些元件的屬性如何，以及元件之間的關(guān)系;“行為”表示設(shè)計(jì)者用來(lái)推斷出結(jié)構(gòu)的辦法，它由行為類型、行為變量和定性的因果關(guān)系構(gòu)成;“功能”則是一個(gè)設(shè)計(jì)目的的表達(dá)。行為在功能結(jié)構(gòu)之間起溝通的橋梁。功能結(jié)構(gòu)映射模型如圖1所示。

圖1 功能結(jié)構(gòu)映射模型

    1.3 工業(yè)美學(xué)原理指導(dǎo)產(chǎn)品外觀

    產(chǎn)品美學(xué)問(wèn)題是“以用戶的需求為中心”的另一個(gè)重要方面。在體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，重要的是用戶的情感體驗(yàn)，“美”是人類永恒的情感主題，“美”使產(chǎn)品具有更高的品質(zhì)，能體現(xiàn)產(chǎn)品對(duì)用戶更細(xì)微的關(guān)懷，還能反映出產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)的文化品味。提高產(chǎn)品的美學(xué)品質(zhì)，是工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)科出發(fā)的原點(diǎn)，也是一個(gè)永恒的立足點(diǎn)。越是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的社會(huì)，產(chǎn)品的物效功能只是產(chǎn)品必備的基本條件，產(chǎn)品的文化層面才是更為重要的內(nèi)容，用戶體驗(yàn)的是產(chǎn)品中的文化因素、美學(xué)因素。工業(yè)產(chǎn)品的造型是通過(guò)變化多個(gè)造型要素相互之間的關(guān)系而形成的。在具體的零件的形態(tài)變型設(shè)計(jì)過(guò)程中，要遵循工業(yè)美學(xué)的原則來(lái)進(jìn)行。使所完成的最終產(chǎn)品不僅具有實(shí)際的使用功能還具有符合人們美學(xué)感受的精神功能。不僅滿足人們的使用要求，還滿足人們的精神和心理的需求。

    在需求決定功能變化，TBS實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變化，美學(xué)原則指導(dǎo)形態(tài)變化思想的指導(dǎo)下，建立了面向功能需求的裝配模型變型設(shè)計(jì)框架。

    2 面向功能需求的裝配模型變型設(shè)計(jì)框架

    2.1 裝配模型變型設(shè)計(jì)框架的確立

    在變型設(shè)計(jì)中，所要設(shè)計(jì)的大部分產(chǎn)品是技術(shù)比較成熟型產(chǎn)品。就整體而言，變型設(shè)計(jì)就是一個(gè)相應(yīng)于產(chǎn)品的基本組成結(jié)構(gòu)而對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)逐步分解、求精的過(guò)程，即運(yùn)用一定的規(guī)則將對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)歸結(jié)為對(duì)其中各個(gè)部件、零件等功能模塊的設(shè)計(jì)。目前的變型設(shè)計(jì)理論，有基于裝配模型的變型理論、模塊化變型設(shè)計(jì)、基于特征的變型設(shè)計(jì)理論、基于參數(shù)設(shè)計(jì)和變量設(shè)計(jì)方法的變型設(shè)計(jì)理論，以及基于實(shí)例推理的變型設(shè)計(jì)理論。在這些理論中基于特征的和參數(shù)化設(shè)計(jì)的變型可以通過(guò)三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，比如Pro/E等軟件，借助軟件本身的操作平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是參數(shù)改變以后，約束問(wèn)題的解決。由于參數(shù)化的只是零件的部分特征，容易出現(xiàn)裝配模型隨著修改的增加而產(chǎn)生裝配模型崩潰的問(wèn)題。而模塊化變型設(shè)計(jì)是建立在模塊的定義和組織管理基礎(chǔ)之上的，其對(duì)特定產(chǎn)品的模塊的劃分不是隨意的，而且模塊與模塊之間的裝配關(guān)系是預(yù)先確定的，也不能隨意改變，因而這也就限制了其使用范圍。它不可能建立一種通用統(tǒng)一的設(shè)計(jì)環(huán)境或適應(yīng)于較大范圍的產(chǎn)品設(shè)計(jì)�；�于實(shí)例推理的變型設(shè)計(jì)理論，能合理利用已有資源，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速變型設(shè)計(jì)。但也存在著實(shí)例修改怎樣實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題�；�于裝配建模的變型設(shè)計(jì)重點(diǎn)是裝配模型的建立過(guò)程，旨在建立完整的描述產(chǎn)品裝配信息的數(shù)據(jù)模型，以期不僅可以表達(dá)零件的幾何模型，而且可以通過(guò)表達(dá)零件之間的裝配關(guān)系反映整個(gè)產(chǎn)品的功能要求和設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖。因而符合自頂向下的設(shè)計(jì)思想并且支持概念設(shè)計(jì)。隨著CAD技術(shù)和三維造型軟件的發(fā)展，以裝配模型為基礎(chǔ)的變型設(shè)計(jì)是研究的重點(diǎn)�？傊�，以上述及的變型設(shè)計(jì)理論和方法，均不同程度地解決了變型設(shè)計(jì)中一些重要問(wèn)題，達(dá)到了一定的目的和要求。它們也存在不足：①不支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全過(guò)程，無(wú)法表達(dá)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖，特別是在概念設(shè)計(jì)階段；②沒(méi)有提供對(duì)已有產(chǎn)品資源的有效的組織管理形式和手段，缺少多層次的變型方法。這就導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行變型設(shè)計(jì)時(shí)，不是求解的方法和求解的結(jié)果嚴(yán)格受限，就是非變型的產(chǎn)品的大量涌現(xiàn)，達(dá)不到變型設(shè)計(jì)目的；③缺少一個(gè)有效的支持變型設(shè)計(jì)的人機(jī)協(xié)作的環(huán)境。在產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)中，特別是在外形的變化過(guò)程中，缺乏工業(yè)美學(xué)原則的約束。

    在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，關(guān)鍵是概念設(shè)計(jì)中的功能的變化如何被現(xiàn)有的CAD系統(tǒng)支持的問(wèn)題。針對(duì)以上的不足，我們提出了面向需求的變型設(shè)計(jì)框架，如圖2所示。此框架將裝配模型、特征參數(shù)化技術(shù)、模塊化的思想以及CBR技術(shù)結(jié)合起來(lái)，以建模技術(shù)中TBS模型為核心，提出了一種面向需求基于裝配模型的變型設(shè)計(jì)智能框架，充分發(fā)揮了裝配模型、CBR技術(shù)和TBS模型建模的各自的優(yōu)點(diǎn)，較為全面、系統(tǒng)地表述了變型設(shè)計(jì)的流程和產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)中的各級(jí)模型。

圖2 面向需求的裝配模型變型設(shè)計(jì)框架

    2.2 面向功能需求的裝配模型變型設(shè)計(jì)框架的特點(diǎn)

    (1)概念模型在需求模型的基礎(chǔ)上完成的，在概念模型的建立過(guò)程中已經(jīng)考慮到需求變化的特征，因而概念建模是在一定空間的有約束的空間求解的過(guò)程。

    (2)裝配模型是實(shí)例推理的基礎(chǔ)，裝配建模是在CBR運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的，這樣使裝配建模的結(jié)果大量地重用了企業(yè)的已有資源�？s短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

    (3)采用需求模型、概念模型和裝配模型表示產(chǎn)品的變型，具有多視圖的特點(diǎn)。

    (4)較為系統(tǒng)地給出了變型設(shè)計(jì)的模型，符合設(shè)計(jì)過(guò)程中自頂向下的設(shè)計(jì)思路，支持概念設(shè)計(jì)和并行設(shè)計(jì)。

    (5)由于TBS模型的引入，使其成為產(chǎn)品資源的有效的組織管理形式和手段，實(shí)現(xiàn)了多層次的變型方法。

    (6)把工業(yè)美學(xué)的原則作為一個(gè)重要的原則在整個(gè)框架中提出來(lái)，把產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容與產(chǎn)品設(shè)計(jì)本身來(lái)融合在一起，使之在整個(gè)變型過(guò)程中就包含這一方面，而不是在整個(gè)產(chǎn)品的后期才作為單獨(dú)的階段來(lái)完成。

    3 結(jié)束語(yǔ)

    本章中在提出了以TBS建模為基礎(chǔ)，遵循美學(xué)原則來(lái)實(shí)現(xiàn)面向用戶需求的產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)新思想。并在此思想的指導(dǎo)下，建立了面向需求的產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)框架。此框架系統(tǒng)地建立了變型設(shè)計(jì)模型。并以TBS為中心的特征參數(shù)化建模為基礎(chǔ)，以過(guò)程中的自頂向下思想和局部的模塊化思想相結(jié)合，以裝配模型為核心，以參數(shù)化特征技術(shù)為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了多層次的變型設(shè)計(jì)。從而為產(chǎn)品的快捷變型設(shè)計(jì)、系列化設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可行的方法。

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本文標(biāo)題：面向需求的產(chǎn)品裝配模型變型設(shè)計(jì)框架研究

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