（机械电子工程专业论文）机械设计中轴系的结构方案设计.pdf

大连理r 大学硕士学位论文 摘要 本文源自于机械结构方案设计的下游细化工作，通过对设计模型的研究，以机械设 计中轴系为研究对象，针对轴系主要的功能元进行了分类讨论，提出了运用特征数据属 性一词来描述各个类型的功能元，以滚动轴承的1 4 项特征的提取为基础，讨论了传动 功能元齿轮副的特征属性，轴的属性，并在此基础上建立了合理并有一定扩展性的数据 结构实现了特征属性按类别的存储。应用符号表达、集合运算等知识对单轴和轴系情况 下的结构布局设计问题分别进行了详细的讨论，对轴系的多种结构模型进行了计算分 析，通过实例给出了圆锥外啮合齿轮传动的9 种结构布局形式。 结合相关的设计模型，总结出与实际相适应的轴系结构方案设计的总流程，并在其 指导下开发实用的结构方案辅助设计平台。建立系统主流程模型、数据集成模型、图形 生成模块、结构布局多方案生成模块、滚动轴承匹配模块下设计了与下游设计相联系的 设计模块。从而整个设计流程流畅，易于用户理解操作。 采用面向对象的方法对系统的层次结构进行分析，根据模块化的思想把系统划分为 显示层、数据层、业务层及存储层，各层之间采用统一接口的形式进行数据交换，从而 保证了系统的稳定性与扩展性。应用企业级关系数据库系统m i c r o s o ns o ls e e r2 0 0 0 作为数据平台构建系统数据模型，采用面向对象的编程语言对系统的业务流程进行实 现，采用a d 0 o l e d b 技术进行数据访问。最后，本文采用理论结合实践的研究方法， 通过系统在实际例子中的应用对系统的有效性和适用性进行了验证，对解决方案进行了 总结，从而证明了系统的先进性与实用性。 关键词：特征属性；存储模型；轴系模型；结构方案 孙涛：机械设计中轴系的结构方案设计 s t n l c t u r ed e s i g no fs h a f ts y s t e mi nm e c h a n i c a ld e s i g n a b s t r a c t t h i sp a p e rd c r i v e sh o mt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fd e t a i lr e s e a r c ho fs t r u c t u r c s c h e m ed e s i g i l ，as u bp r o j e c to ft h ew h o l es y s t e m ht l l i sp 印e ra d v a n c e dd e s i 印m o d e l sa r e 肌a l y z e d ，a l l dt h es t n l c t u r ec h a r a d e r i s t i c so fs h a f cs y s t e m 缸ei n t e g r a t e d t h em a i f i l n c t i o n a l i t e mo fs h a f is y s t e mi sd i s c u s s e d t h ef e a t l l r e p r o p e r y i s p u tf o 刑a r dt os u m m a r i z ea f c a n e b a s c dd e s j 铲m o d d 叻ec i l r r c n ls j t u a t j o no fs t n 】c t u f cc d n c e p t u a ld e s j 舭a 1 1 dl h e e ) 【i s t i n gp m b l 锄sa r ea n a l y z e di nt h i sp 印e i t l l e1 4f e a t u r ei t e m so fr o l l i n g b e a 血g s 盯c s t u d i e df i i s t l y ，t h e nt h ef c a t l l r e so fg e a rp a i r 粕ds h a f ti sa b s 仃a d e d a tt h em e 柚w h i 重e ，a n r c a s o n a l b l ea n de x t e n s i b l ed a t as t m c t u r ei se s t a b l i s h e dt 0r e a l i z et h es t o r a g eo ff c a t u r ed a t a i t h ef c a t u r e - b a dd e s i g nm o d e l ，s h a f ts y s t e mm o d u l e sa r ca d o p t e dm i c r o c o s m i c a l l yt oc o l l n e c t t h ef i l n d i o n a l c o n c e p ta n ds t m c t u r a is c h e m e ，w h i i e c a l c t l i a t e c o n c e p t i s e m p i o y e d m a a o c o s m i c a l l yt oa c h j e v et h ec o o p e r a t i o no ft h ew h o l ed e s i g np f o c e s s t h em a t h e m a t i c m o d u l ei sa d o p t e dj nb o t hs i n 酎es h a f ta n dm u n i - s h a f ts y s t e mt oc a l c u l a t et h ed i v e r s i 丘e ds h a f t f o 珊si nd i f ! f e r e n ts t m c t u f es c h e m e t h e9s t n l c t u f cs c h 锄e s0 fb e v e lg e a rp a i fi s 酉v e no u ta s a ne x 锄p l e t h u sa c c o r d i n gt or c l a t e dd e s i g nm o d u l e ，t h em a i nn o wc h a n0 fs t m c t u r cs c h e m ed e s i g i i a d a p tt ot h et e a ld e s i g nj ss u m m a r i z e d o nt h eg u i d 蛐c eo ft h et h i d l 【i n gt h ec o m p u t e ra i d e d s t r u c t 砒es c h e m ed e s i g ns y s t e mi sd e v e l o p e da n di l n p l e m e n t e d t h es y s t e mm a i nf l o wm o d e l ， d a t a i n t e 掣a t i o nm o d e l ，可a p h i c sb u i l d i n gm o d e l ， m u l t i s t n l c t u r es c h e m e d e s i 驴 m o d u l e ，f o l l i n gb e a r j n gd e s i g l lm o d e la dj t ss u bs y s t e mf o rd e t a i ld e s j 铲a f c n s t n i c t e d t h e s em o d e l sg i l a r a n t e et h e 如珊o fam u n i l a y e rd e s i g ns y s t e mc o n t a i n e dt h eg e n e r a l s t m c t i l r cd e s i g n ，d a t ai n t e 伊a t e di ns y s t e mo nt h eb a s eo ft l i e 酉o b a ld 鹤i g nn o w t h u saf l u e n t a n du s e 卜埘e n d l ys y s t e mi sd e s i g n e du n d e r t h ed i f e c t i o no ft h ea b o v ed c s c r i p t i o na i l dt h e o r i e s 1 1 l es y s t e mh i e r a f c h ym o d e li sa n a l y z e db yt h eo b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d h lo r d e rt o e h a n c es t a b 订i t y 柚de x p a n s i b i l i t y ，t h es y s t e mi sd i v i d e dt od i s p l a yl a y e r ，d a t al a y e f ， o p e r a t i o nl a y c r 柚ds t o r a g el a y e r a n di tu s e st h ei m e r f a c et oe x c h a n g cd a t ab e t w e e nt h e s e l a y e r s t h es y s t e md a t a 肿d e l i sb u i l db a s e do nm i c r o s o f is q ls e r v e r2 0 0 0d a t a b a s es y s t e m t h ea p p l i e ds o f m a r ci sp m g m m m e db yo b j e c t - o r i e n t e dp r o 掣a ml a l l g l l a g ea n da d o 0 l e d bd a t aa c c e s s i n gi t e r f h c e a tl a s t ，t h es y s t e mi si m p l e m e n t e di i lt h er e a le x a m p l e ，a i l dt h e p r a d i c eo fs o f t w a r ei nt h ee x a m p l es h a w st h a tt h ea p p r o a c h e so ft h ep a p e ra r ee f 话c t i v ea n d p r a c t i c a b l e k e yw o r d s ：f e a t u r ep r o p e r t y ，s t o 船g em o d u l e ，s h a nm o d u i e ，s t m c t u r es c h e m e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 珏! 盔日期：型玺1 2 = 这 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：2 垫蛊 导师签名：墨堑纽 础上明止 人连理_ l = 人学硕士学位论文 1 课题的背景与意义 1 1 方案设计的应用背景 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。方案设计是设计过程的早期阶段，其目标是获得产品 的基本形式或形状。广义上的方案设计包含了从产品的需求分析到进行详细设计之前的 设计过程。它包括功能设计、原理设计、形状设计、布局设计和初步的结构设计。方案 设计的各个环节紧密相连，在设计过程中互相依赖，互为驱动。方案设计在产品设计过 程模型中的地位及其作用如图1 1 所示。可见方案设计是设计过程的初步阶段，其目的 是获得足够多的有关产品的基本形式或形状的信息。 图1 1 方案设计的地位和作用 f i g 1 1n e p 0 s i t i o na n df u 眦t i o no fs t n l c t i s c h 锄ed e s i 驴 一般意义上的方案设计是指在产品的功能和原理基本确定的情况下，产品外观造型 的设计过程。方案设计是根据产品生命周期各个阶段的要求，进行产品功能创造、功能 分解以及功能和子功能的结构设计：进行满足功能和结构要求的工作原理求解和进行实 现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统化设计。方案设计的过程是一个发散思维 和创新设计的过程，是一个求解实现功能的，满足各种技术和经济指标的，可能存在的 各种方案并最终确定综合最优方案的过程。在方案设计的过程中，要求设计人员掌握现 代设计方法、先进制造技术、专业理论、商用运作等方面知识。 现代化工业要求机械产品不断提高性能、缩短设计制造周期并具有柔性，以适应产 品市场激烈竞争的要求，这既是机械制造业赖以生存的关键，也是当前倡导技术创新的 核心。机械产品的性能，包括使用、维护和制造性能在很大程度上取决于设计过程。机 械产品的设计过程往往是首先提出功能原理、其次是运动( 力) 设计，然后是总体运动 孙涛：机械设计中轴系的结构方案设计 与结构布局方案设计，最后是具体零件结构和工艺设计。有时把功能原理设计、运动( 力) 设计与结构布局设计统称为整机方案设计或方案设计，主要是根据机械产品应用的行业 特点，实现使用功能所采取的物理、化学原理设计，相应的某些机械运动( 力) 设计、 使用操作、外形以及结构布局设计等；而零件与工艺设计是以制造单元实现整机方案设 计中的各个零件及装配细节设计。各部分设计既各有侧重、各有特点，又相互支持、相 互渗透，只有统筹兼顾才能使设计方案趋于完善。 整机方案的创新设计是产品更新换代或大幅度提高产品质量的最活跃因素，是知识 密集、技术创新突破点多的并行过程。在整机方案设计过程中，设计人员综合应用各种 知识、经验或思想和方法，产生一些新的思路或概念，包括原理、运动、结构与布局方 案等，都属于创新设计【。如果在整机方案设计时作出了错误选择，将很难用后续的漂 亮的细节设计来弥补i z j 。 由于机械运动方案设计是在运动单元基础上进行构思，往往主要评价运动( 力) 性 能，较少涉及如何实现运动方案的零件结构、装配工艺性及经济性能，因而在所构思运 动方案对还有一定的局限性。w e l c h l 3 j 指出现有工程工具( g 气d 、o 气e 软件) 只胜任几 何设计任务，方案设计方法和手段需要研究是显而易见的。整机方案设计中的结构布局 设计大多数是在运动( 力) 方案基础上进行，如果结构布局设计过于复杂或工艺性太差， 有时不得不牺牲运动( 力) 性能以换取较好的结构与工艺性能，或抛弃所选定的运动方 案重新选择，往往反复几次才能得到一个较好的整机设计方案。近年来采用并行工程进 行结构布局设计有较大进展。 1 2 国内外研究现状 如何实现机械产品的整机方案创新设计，是否有规律可循，国内外学者对此进行了 卓有成效的研究。目前主要体现在功能设计、运动( 力) 设计和结构布局设计三个方面。 功能原理设计是为了实现使用功能所采取的物理、化学原理设计，k o l k r 【4 l 把整机方案 设计用功能、效应、效应载体、形状元素和表面参数五个设计元素分别描述和确定设计 方案，但现行的功能原理设计方案往往来源于行业特点。对于运动( 力) 设计方案，也有 称概念设计或机构设计，六十年代中期，用图论对其进行了研究。s e l l 【5 】将寻找、选择、 组合满足设计任务要求的原理解分为“构思”，而把具体实现构思阶段的原理解定义为 “设计”阶段。k o t a 【6 疑出了将机构概念设计进行量化表示方法，把总功能不断分解为 功能子空间，每个子空间又由参数矩阵和一个运动方程表示，可以进行定性的机械运动 仿真。台湾成功大学的颜鸿森【。7 l 提出了颜氏创造性机构设计方法。该方法可以系统的推 导出合乎方案设计要求与约束的拓扑构造，并给出了设计方法。上海交通大学邹慧君等 大连理工大学硕士学位论文 【8 1 应用模糊综合评价及专家系统等工具，开发出“机构系统方案设计专家系统”。哈尔 滨工业大学王知行等 9 1 运用虚拟现实技术，进行组合机构方案设计。 在设计早期的设计活动以综合的观点来看主要是组合各种相关设计单元。纵观各种 设计的种种设计单元都要求定性的分析机构的功能和行为。正因如此，定性推理和表达 被广泛的应用在人工智能这个领域来解决概念设计问题。e e r 和b r o w n 使用复杂机构 的组合单元来定性的预演和解释机构的行为。在他们的研究中首次提出了符号运算这个 基本概念。n i e l s e n 在研究中把符号运算扩展为定性向量来动态的描述运动和力的信息。 在f o r b u s 、f a l 血g 和s 岫的研究中定性向量和符号运算用来定以运动副的行为。 有几篇文献在研究机构概念综合时提到了机构基本单元的概念用来识别和解释复 杂机构。因为基本单元块具有实际的结构而且执行具体功能因此可以让设计者用来表示 机构的功能。k o t a 和c l l i o u 建立了个基本单元库，创建了一种利用矩阵来寻求功能 解的机构自动设计方法。在这些研究中它们把构型方向问题直接的或是间接在综合过程 的当作了详细信息。在参考文献1 5 】中输入输出方向以矩阵的形式来表示，这个矩阵在通 过一系列变换直到最后能过匹配上某个以有的基本单元。 在三维空间构型领域只有有限的一些研究工作。p r a b h u 和t a y l o r 提供一种方法用 方位和位置信息进行系统分析。他们的方法基本是利用再生过程( 插入新元素) 来需求 一个满足设计要求的解。因此不适合当前变换的空间构型研究。c h 酞r a 眦i 和b l i 曲的 研究产成包含基本结构的所有可能空间结构的机构。他们引入输入输出和长度向量来基 本结构的空间构型信息，使用一种约束再生法把方位、认识、位置问题一个个的解决。 本文所使用的三个基本向量的思路就来源于他们的研究。但是我们把三个向量组合成了 一个矩阵，而且提供种方法满足空间变换，因此能更高效的解决空间构型问题。 在设计方法学方面，s t u r g e s 通过定义功能之间的关系，使功能图的语义更加完善 ”2j ；h a n b u r g 提出了设计人员交互工作的问题和在不确定状态下的决策技术；b r a c e w e u 提出分层的信息结构，实现计算机辅助的功能载体映射。在知识表达和建模方面，q i a n 通过对功能、行为、结构的表达，由交互方式在领域内产生创新方案【1 3 j ：u m e d a 将设 计知识表达为功能、行为、状态的组合关系，以产生新方案【1 4 】：c l l l l c v 建立了一个产品 装配模型，以快速找出所需部件。 在开发辅助工具方面，人们借助人工智能( a i ) 技术和数据库技术来推动设计的智能 化。a d z l l i e v 提出面向代理的方法，有利于并行设计环境下使各种设计变量保持高度一 致性；t a b e l 2 b e n d i a b 应用基于实例推理和机器学习的技术学习设计实例并存储起来；l i 利用定性启发式搜索方法，辅助机构的概念设计【l ”。在基于计算机的设计环境方面， t w e n t e 建立了一个机电一体化产品的设计支撑环境，支持多模型状态：t o mi v 锄a 利 孙涛：机械设计中轴系的结构方案设计 用大型数据库建立了一个设计开发环境；s h a r p e 主持开发的环境着重于集成，同时利用 了超媒体和超文本技术。 上海交通大学机械学与设计自动化研究所邹慧君教授等人自1 9 8 9 年开始进行机械 运动方案设计专家系统的研究，结合机械产品设计开展了较为系统的研究l l 。他们以机 械运动系统作为设计的对象，用组合分类法对机构分类，建立相应的存储和编码规则， 以二元逻辑推理和模糊综合评价相结合的方法建立推理机制，得出可行的方案解，开发 了“机构系统方案设计专家系统【1 7 儿”j ，。 孔凡国将方案创新设计过程划分为两个主要阶段：基于实例功能推理的原始机械方 案生成阶段和基于结构推理的方案创新设计阶段，开发了机械方案创新设计智能支持系 统( m ci dl s s ) 【1 9j 。在这个基础上，他们还提出了功能、行为、结构的概念设计模型和 基于本样体知识表达和推理相结合的方法，使领域知识和基础知识相互融合，以便产生 多层次的创新解。为了使概念设计易于为企业机械产品设计人员具体应用和取得实效， 他们在国内首次编写了机构运动方案设计手册1 2 。1 和“机构及其系统设计”f 2 ，采 用现代设计方法进行机械运动方案的构思、拟定和综合评价，同时按实现动作和功用将 机构分类，说明其特点和应用场合，供设计人员产品创新设计时应用。同时编著了机 构系统设计田j ，阐述了方案设计的理论和方法。 华中理工大学周济教授等人的研究主要集中在基于实例的基础上，将之应用于工程 中的再设计问题及实例检索与重用上【2 3 】，在相控雷达的方案设计支持系统中应用了这一 方法。这种方法可以在再设计中找出相近实例。浙江大学潘云鹤教授等人，提出了基于 原型的知识表示和推理方法 2 4 j 冯培恩教授提出了基于设计习录的方案选择智能方法，并 将其应用到了固液分离设备当中【2 ”。得出适当的方案原理解。同济大学王小同等将人工 神经网络与传统人工智能相结合，提出智能设计系统i d s 模型及其实现的关键技术。 其侧重点在结构设计上，开发了机翼结构方案智能设计系统【2 6 1 。 1 3 课题的研究意义 清华大学1 2 ”采用双向设计方法以利于实现概念设计和结构设计的信息集成。同济大 学【2 8 j 将人工神经网络与人工智能相结合，提出机翼结构方案智能设计系统的i d s 模型及 其关键技术。b t g e t t 【2 9 提出基于零件装配的全局结构设计方法。z h a n g l 3 0 l 建立适 合机构计算机集成制造的一般模型。j i n l 3 1 通过设置零件部件属性、功能及其相互关联知 识库建立设计模型与表示方法；d o w l a t 幽a h i 【3 2 1 对现有并行工程的几种有效方法进行了比 较和总结。l i n p 习讨论了装配模型、装配方案与装配设计的并行设计环境。把运动、结 大连理丁大学硕士学位论文 构布局与装配设计结合，营造创新方案并行设计的集成环境，是近年来方案创新设计方 法研究的热点之一。 同一运动方案可以有多种结构布局，不同行业特点要求的性能不同，如在重型机械 行业，侧重于强度刚度而体积大小并不重要( 曲柄多采用简支曲轴式) ，但在轻工行业， 体积小和动力学性能好则是重要指标，而强度与刚度并不是主要指标( 曲柄多采用悬臂 式) 。因此，在同一整机方案设计中，各部分的运动( 力) 性能与结构工艺性能是确定 的，若在不同应用场合下，所得到的评价结果有所不同，不同的设计者评价视角不同， 追求的特色也不同，这也许是工程设计多样性的魅力所在。所以，评价指标体系和评价 方法要体现设计者的意图或特定行业及应用场合的特点，不能一成不变，探讨建立恰当 的评价指标体系和科学的评价模型是十分有意义的课题。 1 4 本文的主要工作 1 ) 概述了产品设计的过程与方法，分析了基于功能分解，基于实例知识的设计方法， 叙述了在产品的实际设计当中，知识的存储表达与集成共享的地位和作用，并运用 了基于实例的方法探讨了产品设计的过程。 2 ) 经过分析比较了现有的几种设计方法的特点，并结合自己的论文设计之初的一些想 法，给出了本文的知识表达的方法。 3 ) 对设计实例与知识的表达存储上，结合工程应用实际的具体情况，构建了通用性， 可扩展的数据模型，并编制了相应的辅助设计程序，实现了知识与实例的维护。 4 1 给出基于实例的设计过程的模型，以减速器为研究对象，对减速器设计中的知识进 行表达，并对减速器中的部件，轴的具体方案进行了设计，结果较为满意。 1 5 本文的结构 针对方案设计的理解以及对相关的理论技术的研究的基础之上，采用了基于实例的 思想，并在讨论了轴系的结构方案的建模方法之上，对结构布局的多方案问题进行了较 为细致的讨论。 第一章叙述了课题的应用背景与意义。 第二章对概念设计的方法学进行了较为深入的研究与分析，介绍了基于功能的设计 方法和基于实例的设计方法学的相关的知识和设计流程。 第三章对机械设计当中最基本的轴系进行了深入的研究，针对不同的布局方案对各 个结构功能元的不同要求，对功能元进行了分类，提取了轴系结构功能元的特征属性， 并建立合理的数据结构来实现特征数据的管理与维护。 孙涛：机械设计中轴系的结构方案设计 第四章通过数学的方法和符号的表达方法建立了轴系结构布局多方案的计算模型， 并且以单一轴和单级圆锥齿轮传动为例，进行了计算，并且对比实际情况当中的应用， 证明了模型的正确性与有效性。针对减速器的设计建立了基本的知识推理规则，从而确 定了本文的基于实例的设计思想。 第五章在建立了系统的总体设想和基础数据的基础上，运用计算机编程技术实现了 软件平台的开发，并实例验证了设想的正确性。 第六章部分界面展示与开发技术简介。 大连理工人学硕士学位论文 2 方案设计的方法学 理解产品设计过程，尤其对产品的早期设计的过程和特点有尽可能深入的理解是构 造产品方案设计辅助工具的出发点。本章对方案设计中的结构方案设计进行了较深入的 分析，建立了方案设计的过程模型，提取了设计要素，并指出方案设计的本质。 方案设计的主要模块包括：功能概念设计即功能分解与功能方案设计；结构概念设 计即结构布局设计，本文的主要工作就是结构布局设计。 功能概念设计的解多是以矩阵、符号、简图等抽象表示的，结构布局设计其目的是 使功能概念设计的逻辑解物理实体化、结构可视化；起到联结功能概念设计和下游详细 设计的作用。 图2 1 结构方案设计与原理方案设计和细节设计的关系 f i 9 2 1t h ep o s i t i o no f s 仃u c n 】r es c h e m ed e s i 朗w i t h i nt h ed e s i 印p r o c e s s 产品的设计是一个从无到有、从上到下、从模糊到清晰、从抽象到具体的复杂过程。 由于对设计的内涵有不同的认识和对设计的理论有不同的理解，产品设计过程被描述为 不同的形式，主要有以下三种：一是p a h l 和b e i 乜认为：机械设计分为明确任务、概念 设计、技术设计和施工设计等四个阶段。二是k o l l e r 认为：机械设计分为产品规划、功 能设计、定性设计和定量设计等四个阶段。三是邹慧君教授提出：机械设计分为产品规 划、方案设计、详细设计和改进设计等四个阶段。不管如何划分，都要解决做什么的问 题，怎么做的问题，具体怎么做的问题，将设计结果转化为各种文件输出的问题。 在上述产品设计过程中，概括起来说，设计的主要步骤是两步：一是概念设计，另 一是构型设计。前者的目的是制定设计方案，而后者的目的是设计出具体的产品构型。 其中概念设计是产品设计中的重要阶段，是整个进程中最终决定产品技术经济效果的关 键阶段。 孙涛：机械设计中轴系的结构方案设计 2 1 方案设计的方法学 方案设计过程是对设计思维规律的直接体现，可理解为一个完整的设计思维流。 方案设计过程建模是为了将产品设计过程中最前端的、最有创造性价值的、又最不确定 的设计过程迸行抽象并加以模型化、规律化，从而实现对一个有效的、顺利的开发过程 实行监控。方案设计过程模型主要提供时间约束信息和信息传递关系信息，它是对方案 设计深刻内涵的一种表达和提炼，同时它也可对方案设计产生正确而深刻的理解，为开 发产品方案设计过程的计算机辅助支持工具打下坚实的基础。设计过程的公式化是对设 计过程进行优化和计算机辅助的前提条件。通过设计过程的系统化，可将设计思维过程 条理化、层次化，分清哪些工作必须由设计者完成，哪些工作可由计算机完成，从而能 够对必须经设计者思维加工的部分设法给予引导，对于可由计算机自动完成的部分利用 计算机较容易地来完成。同时，设计者的创造性不应该受到限制，而应通过系统得到优 化和辅助，除了传统的过程描述之外，还可以通过使用基本知识库，通过信息准备和设 计评价来辅助设计者。 计算机辅助方案设计的过程模型一般都是基于各种设计方法学的基本理论。设计 方法学为产品的开发建立了连续的设计过程及其逻辑学，给出了设计过程的通用的抽象 化方式的描述。根据不同的设计方法学的理论，设计的过程也有所不同。下面主要介绍 两种设计方法学理论。 2 1 1 基于功能分解的设计 基于功能分解的设计过程要产生多个可能的解，经过分析、比较与评价，确定一个 较好的解，基于该解完成后续的设计内容。是一个从抽象到具体、从定性到定量的过程。 设计的一般性步骤是：从产品需求目标的抽象和总的定性功能的分解和综合开始，接着 是寻找各定性分功能的可行解，并加以综合，形成定性功能结构方案，然后通过定性功 能的量化，做出完全满足功能需求的方案粗略草图，并分别进行技术综合评价，选择最 佳方案。不难看出，这种设计过程模型与普适设计方法学的设计思路是一致的，普适设 计方法学正是对这种设计思维过程的一般的、与产品无关的抽象概括。可以看到，这种 概念设计的整个过程是以功能为核心进行分析和综合的，在此我们称之为基于功能的设 计过程模型3 岫【3 卦。该方法依据了“以问题为中心”的设计思想，通过对问题( 如用户需 求1 的抽象，产生一系列可能概念，即多个解，经过评价确定一个解。该策略特别适用 于新设计，即产品或部件的核心技术采用了全新的原理。工程设计领域中的很多理论研 究结果均适用于该策略。 人连理工大学硕士学位论文 重 新 定 义 图2 2 基于功能分解的设计过程模型 f i g2 2t h ed e s i 印m o d u l eb a s e do nf u n c t i o na n a l y z a t i o n 2 1 2 基于实例的设计 设计过程中只产生一个解，经过修改、完善与评价，如果该解是一个较好的解则进 行后续的设计，反之，产生一个新解，一直找到一个较好的解。“以产品为中心”的设 计思想，即待设计产品的一个概念是在对已有产品的工作原理进行分析、总结的基础上 提出来的。该策略特别适用于适应性设计及变参数设计。适应性设计是在给定功能和形 状相适应的基本条件下，对个别单元进行修改。变参数设计是在所有的单元的功能结构 以及布局安排己经给定的情况下，对个别单元的形状和尺寸大小进行修改。 孙游：机械没计中轴系的结构方案设计 图2 3 基于实例的设计过程模型 f i g2 3t h ed e s i 口m o d u l eb 嬲e do nc a s e s 企业的设计人员往往按第二类策略开发新产品，他们认为这种策略既能体现时问竞 争的要求，又能最大限度的体现他们以往的设计经验。依据第二类策略进行理论研究正 成为工程设计领域中的又一重要方向。由于该类研究的思路与企业设计人员的设计思路 相同，很容易被接受，因此研究成果被企业应用的可能性更大【3 6 1 。而对工程设计的理论 研究大多依据第一类策略进行，也许用这些理论成果去指导设计更为有效。但企业的大 多数设计人员不能跟踪理论研究的发展，或不愿接受第一类设计策略，使得这些理论的 大量研究结果不能在新产品开发中得到广泛应用。因此采用何种方法将两种策略有效的 结合，使得设计人员在使用第二类策略的同时，自觉或不自觉地将第一类策略的研究成 果运用到设计过程中，成为我们研究的重点之一。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 方案设计的特点 2 2 1 方案设计的实质 在方案设计阶段，产品各要素处于一种抽象、模糊的离散状态。这种状态既导致了 设计的复杂性，同时也导致了产品的可塑性，给设计师提供了一个广阔的设计思维空间。 产品的方案设计过程中，自由度是整个产品开发过程中最大的。自由度大，对设计人员 的约束相对较少，不确定因素多，创新的空间较大，设计的知识相应也较少，是最可能 发挥创造力的时候。而到设计后期或制造阶段，则要考虑到各种客观情形如产品的材料、 工艺、成本等，从而大大约束了创意思维的发挥，使得产品的创新难以得到体现。因此 产品的方案设计是产品设计过程中最重要、最复杂，同时又是最活跃、最富创造性的设 计阶段。可见，其本质是创造和革新，也即创新。而创新的源泉从本质上来自于人类的 智慧。产品的创新不仅需要设计人员有丰富的除了专门领域知识以外的设计知识和经 验，需要有对问题的综合能力，更大程度上依靠的是非计算性的人类智能如灵感、顿悟、 直觉等来完成。这些难以用算法表示的创造性设计思维活动，将贮存在大脑中的各种信 息加以重新分析和组合，形成新的联系，来满足设计的需要。 产品设计的目的是为了满足人类的需要，方案设计应是人性化的设计，近来涌现的 诸如绿色设计、定制设计、敏捷设计、并行设计、全生命周期设计、创新设计等方法， 其本质目的也在于通过设计营造一个人性化的环境，满足人们个性化和多样化的需求。 只有让用户全程参与方案设计、设计师挖掘用户潜在需求并超越用户导向的设计，才是 最能创新的设计。因此，其本质在于设计的人性化和创新性，是用户全程参与方案设计、 设计师超越用户导向的产品创新设计。创新性和人性化是设计的灵魂。 2 2 2 方案设计特点 ( 1 ) 创新：创新是设计的灵魂。只有创新才有可能得到结构新颖、性能优良、价格低 廉的富有竞争力的机械产品。这里的创新可以是多层次的，如从结构修改、结构替换的 低层次创新工作到工作原理更换、功能修改和增加等高层次的创新活动都属于概念设计 的范畴。在众多设计路径所产生的设计结果中，将产生一组可行的“新”方案。 ( 2 ) 多样性：方案设计的多样性主要体现在其设计路径的多样化和设计结果的多样化。 不同的功能定义、功能分解和工作原理等，会产生完全不同的设计思路和设计方法，从 而在功能载体的设计上产生完全不同的解决方案。 ( 3 ) 层次性：一方面，设计分别作用于功能层和载体结构层，并完成由功能层向结构层 的映射。如功能定义、功能分解作用于功能层上，而结构修改、结构变异则作用于结构 层，由映射关系将两层连接起来。另一方面，在功能层和结构层中也有自身的层次关系。 孙涛：机械设计中轴系的结构方案设计 例如功能分解就是将功能从一个层次向下一层次推进。功能的层次性也就决定了结构的 层次性，不同层次的功能对应不同层次的结构。 ( 4 ) 不良结构性：表现为产品信息是定性的、不精确的、不确定的、不完整的、不一 致的。 ( 5 ) 抽象性：方案设计所涉及的设计对象和设计概念不同于详细设计阶段的对象和概 念，相对更抽象。表现在：1 ) 产品的几何细节不重要，甚至可以忽略；2 ) 与功能和行为 无关的其他属性被忽略；3 ) 设计对象更多是词汇意义上的表示，其具体外延尚需确定。 ( 6 ) 经验性：在工程实际中，设计人员通常是依据以前的设计经验来完成当前的设计， 并不是每次都从头开始。产品的设计往往是从设计人员所能获取的设计经验开始的，设 计人员根据自己的设计经验，或者参考他人的设计经验来生成和评价设计方案。当所能 得到的设计经验少到不足以直接产生一个设计方案时，设计人员更多地是对以往的设计 经验进行加工，模仿推理以产生创造性的设计方案。设计人员对以往设计经验的获取和 使用处于较低的层次，可以称之为经验的直接引用。此外，研究人员还从不同的研究领 域或角度总结出了概念设计所具有的其他一些特性，如综合性、艺术性、多目标性、反 复迭代性等等。 2 3 布局方案设计与方案设计的关系 在对设计方法学进行了详细阐述的基础上，接下来我们讨论一下结构布局方案设计 与方案设计的关系，从而可以更好的理解结构方案设计的目的和其重要意义，可以从下 图中看出： 嚣黜嚣 蓠龆管 参数 功能元 局田圉例 1 瓣卜蘩磐卜f ，细群卜 厂 厂 厂 图2 4 结构设计在整个设计流程中的地位 f 蟾2 41 1 1 ep o s i t i o no f s t n j c t u r ed e s 蜘i nt h e ，h 0 1 ed e s 嘲p r o c e s s 运动原理方案设计是设计过程的第一步，原理方案的创新是实现产品创新的关键。 计算机辅助概念设计( c a c d ) 的研究以及开发就应运而生了。c a c d 系统的根本目的 就在于能有效支持产品的创新设计。在设计早期应用c a c d 系统至少有以下好处：能满 足概念设计烬的各类特殊需求，能有效提高设计的质量，能更为筒捷地生成设计对象， 大连理上大学硕士学位论文 能提供一个进行信息交流和对象评价的更好的平台，可以避免因设计失败而造成的浪 费。 2 4 本章小结 本章主要阐述了方案设计的相关知识，首先分析了产品设计的过程、策略和方法， 指出方案设计在产品设计中的重要性，随后探讨了设计的过程模型，提取辅助设计者的 方案设计要素，以期对计算机辅助设计提供支持，最后对方案设计的特点进行了讨论， 并得并且着重指出了结构布局方案设计在整个设计流程中所处的地位以及与上游运动 原理方案设计和下游结构细节设计的关系。 孙涛：机械设计中轴系的结构方案设计 3 结构功能元及其特征属。眭 3 1 基本功能要素 3 1 1 功能元的定义 机械产品的概念设计内容由以下三部分组成： 功能抽象化：把市场需求和用户要求通过计算机分析，进行功能抽象，突出任 务核心和摆脱因循守旧，有利于找出新颖的方案； 功能分解：将功能进行分解，使其得到合适的的若干子功能，分解过程也是创新 过程； 功能结构图设计：将各子功能的相互关系确定后，进行功能结构图的构思和设 计。 机器是由许多零件按特定关系组合而成用以实现客户需求的大系统，客户需求通常 转化为设计功能，通过寻找满足功能的结构元件完成方案设计过程。比如：用来完成支 撑功能的功能元有滚动轴承集；用来完成传递运动的有齿轮副集；用作紧固功能元有螺 栓集都是各个类型的功能元，每一类功能元又因为其功能特性而又可以细分很多类型。 同样的滚动轴承，又可以分为：深沟球轴承、圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承等。以设计 变速箱为例：由系统工程的观点，我们以一个变速箱的结构设计为例，对于这样一个较 大的产品进行分解，对分解的最基本的基本单元又按特征信息的观点进行分类处理： 鼷兰廷王 大连理工大学硕士学位论文 图3 ，3 功能元关系图 f i g 3 31 m er e l a t i o n s h i po f f 蛐c t i o n a l i t e m 图3 3 显示了功能元之间的关系，以及其相互的构成关系，描述了本文工作的系统 框架，其中功能元的定义和分解粒度有关。其中功能元1 到n 是我们前面定义得到的功 能元，比如说一种滚动轴承，一种齿轮副，建立起功能元集合列表，即完成本文的前期 的基础性工作，针对功能元进行特征提取，并存储建立起管理程序，集成到辅助设计平 台当中；运用集合运算的方法，对指定数目的功能元按照建模的符号运算法讨论起可能 的轴上布局形式，提供给设计使用者。设计者确定方案后会有看到设计结果的结构简图。 3 1 2 功能元的分类 图3 4 功能元分类 f j g 3 4t h ec 1 a s s m c a t i o n o f f u n c t j o n a l i t e m 孙涛：机械设计中轴系的结构方案设计 功能元按照其完成的功能分类，主要分为如下几个大类，这里我们只列出了本文归 纳总结的部分功能元，其中主要是用于轴系的功能元件 3 9 1 。 支承类的回转副：机架与可动构件的连接：滚动轴承，滑动轴承 联接类的回转副：其功能只起到联接两构件的作用：如销联接、螺纹联接 传递运动类移动副：导轨：移动导轨、滚动导轨 齿轮副：平行轴：外啮合：直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮；非圆齿轮、不完全齿轮 内啮合：结构与外啮合差异很大，应单列；垂直相交：直齿圆锥齿轮；蜗轮副 3 2 功能元的描述 3 2 1 特征属性的定义 特征的定义，特征包含几何信息和非几何信息f 4 0 】。从传统的设计观点来看，传统的 特征是由几何及其拓扑元素组成的形状信息集；从制造观点来看，特征是表示与制造相 关的形状和技术属性；若基于构造c a x 集成化产品信息模型为目的，并从并行工程的观 点看，特征的内容主要包括形状特征、精度特征、装配特征、材料特征、性能分析特征 和附加特征等。由此可知，特征是构成产品描述的形状、参数、属性和性质表达的信息 集，在不同工程活动中，特征的形式和内涵不同，并且可以识别、混合、转换，且在各 种应用中能覆盖该项应用的全部要求。 这里我们将特征定义为结构设计中涉及到的结构功能特征，使用性能特征等1 4 ”，比 如在设计一个支撑用的滚动轴承的时候，可以通过设定相应的特征，例如满足使用寿命 长的轴承并且能承受双向轴向力的轴剥2 3 】，这样通过对预先存储的轴承集合进行检索就 可以方便的将设计要求特征转换成后台特征编码并且实现快速的查询，从中检索出符合 要求的轴承。所以这里我们提出特征的概念，针对结构设计中的所要涉及的各个类型的 零件做一个全面的考虑，从中提取我们预先定义好的特征元素，从而为后续的设计提供 基础，以建立起轴系结构设计系统流程。功能元与特征属性的关系如图所示： 大连理t 大学硕士学位论文 图3 5 功能元与特征属性的关系