（机械设计及理论专业论文）自行车模块化概念设计系统的研究与开发.pdf

中文摘要 自行车设计的发展趋势是多品种、小批量、个性化、市场反应快。模块化 设计技术的特点是开发周期短、快速响应市场变化。自行车设计的早期阶段即概 念设计，是模块方案创建和创新的关键。本文把模块化设计的技术应用于自行车 的概念设计阶段，使自行车的设计过程可视化、快速化、个性化，达到了预期的 目的。 本文在研究模块化设计和概念化设计的基础之上，针对自行车设计的特点， 探讨了自行车的模块化概念设计的理论和实现。分析了自行车模块化概念设计系 统的结构，并把该系统拆分成3 个相对独立的子系统：基础数据库、自行车模块 化数据库、用户交互接口。首先，在p r o e n g i n e e r 平台上创建与之链接的基础数 据库，把p r o e n g i n e e r 的设计平台优化成为适合中国机械标准和自行车设计要求 的界面。其次，分析了自行车的结构，对自行车进行功能模块的拆分，创建了自 行车模块化数据库。再次，创建了一系列互换功能文件，使自行车的每个功能模 块内部都有不同的模型可进行互换设计。最后，应用p r o e n g i n e e r 的开发工具开 发了用户交互接1 2 ，使用户能够在参数的对话框界面上选择设计个性化的自行 车。 关键词。自行车 自行车设计系统模块化设计概念设计 a b s t r a c t t h ed e v e l o p i n g t e n d e n c yo fb i c y c l e - d e s i g n i s m u l t i p l e v a r i e t y , f e w - b a t c h , i n d i v i d u a t i o n , r e s p o n d sq u i c k l yt ot h ec h a n g i n go ft h em a r k e t t h ef o r e - s t a g eo f b i c y c l e - d e s i g n a t i o n , c o n c e p t u a ld e s i g n ，i st h ek e yt ot h ec r e a t i o na n di n n o v a t i o no f m o d u l a rd e s i g n m o d u l a rd e s i g nt e c h n o l o g yw a su s e da tt h es t a g eo fb i c y c l e c o n c e p t u a ld e s i g n , s oa st om a k et h ep r o c e s so fb i c y c l ed e s i g nv i s u a l ，q u i c k l ya n d i n d i v i d u a f i o n b a s e d0 1 1t h er e s e a r c ho f m o d u l a rd e s i g na n dc o n c e p t u a ld e s i g n , i na l l u s i o nt 0t h e c h a r a c t e r i s t i co fb i c y c l e d e s i g n , t h eb i c y c l e - d e s i g ns y s t e mw a sa n a i y z e da n de x p l o r e d i tw a sd i s c o m p o s e di n t o3r e l a t i v e l yu n a i d e ds u b s y s t e m s ：t h eb a s i cd a t a - b a s e , t h e b i c y c l e sd a t a - b a s e ，t h ej o i n tb e t w e e nt h eu s e ra n dt h es y s t e m f i r s t l y , b a s e do nt h e p r o e n g i n e e rs y s t e m , t h eb a s e dd a t a - b a s ew a se s t a b l i s h e d ，s ot h a tt h eo r i g i n a l p r o e n g i n e e rs y s t e mw a so p t i m i z e dt of i tt h em e c h a n i c a ls t a n d a r do fc h i n aa n dt h e r e q u i r e m e n to ft h eb i c y c l e d e s i g n s e c o n d l y , t h es t r u c t u r eo fb i c y c l ew a sa n a l y z e d a n dd i s a s s e m b l e di n t os e v e r a lf u n c t i o n a lm o d u l e s ，s ot h a tt h eb i c y c l em o d u l a r d a t a - b a s ew a se s t a b l i s h e d t h i r d l y , as e r i e so fi n t e r c h a n g i n gd o c u m e n t sw e r em a d e b a s e do nw h i c he v e r ym o d u l ec a nb ei n t e r c h a n g e da m o n gd i f f e r e n tm o d u l e s f i n a l l y , i nt h ea i do ft h eh i g h - c l a s st o o l so fp r o e n g i n e e r , t h ej o i n tb e t w e e nt h el l s e ra n dt h e s y s t e mw a sf o u n d e dt om a k eu s e r sd e s i g ni n d i v i s u a l i z e db i c y c l e sw i t hd i a l o gb o xo f p a r a m e t e r k e yw o r d s ： b i c y c l e ， m o d u l a rd e s i g n , b i c y c l e d e s i g ns y s t e m ， c o n c e p t u a ld e s i g n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：磷铋叼勿签字日期：汐护多年声月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤生盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：特设才k 签字日期：w 叼年月厂日 一锄知易，苏 导师签名：乃，们 签字日期：少铲少月c 厂日 第一章绪论 1 1 自行车设计的研究现状 第一章绪论 1 1 1 传统自行车设计的方式 自行车属民用机械产品，一辆自行车犹如一台机器，有其一定的技术，经济 和使用要求，因此，作为一个产品系统，自行车具有相应的设计体系、设计方法 和设计程序。 传统的设计程序将自行车设计分成几个阶段来进行：需求分析阶段、概念设 计阶段、详细设计阶段。 需求分析阶段：拟制技术任务、拟制前应进行市场调研，了解分析使用要求， 同时广泛收集国内外有关资料确定设计方案。一般自行车的技术任务书大体包括 以下内容： 1 所设计自行车的用途和应用范围； 2 所设计自行车的理论和依据； 3 国内外同类型自行车结构特征的分析对比； 4 国内外同类型自行车的技术规格的分析对比； 5 所设计自行车结构、使用特征和优缺点的详细叙述； 6 所设计自行车的主要技术规格，并确定其轮廓尺寸和重量； 7 预计所设计自行车的主要技术指标。 概念设计阶段：根据已确定技术任务书的要求，设计自行车的具体结构。 概念设计的组成内容如下： 1 自行车总图( 表明各部件外形和相互位置及整车效果) ； 2 主要部件的设计图( 表明各部件的位置、结构形式和主要尺寸) ； 3 自行车成车技术条件和检查方法； 4 计算书( 包括传动系统的力学分析、性能分析和主要件强度的初步计算) ； 5 功能分析及各项技术经济指标的详细分析。 概念设计工作一般是分头进行，并由主任设计员统一掌握。在自行车总图或 部件装配图以及其它工作每告一段落，应征求有关人员的意见，或进行适当的讨 论，以便加以修正，然后按规定程序进行审查。 详细设计阶段：自行车的详细设计是绘制全部设计零件的工作图、部件图和 制订必要的技术文件。这些资料是以后制订生产工艺及技术检验等生产过程中各 第一章绪论 个阶段的指导性文件。 详细设计阶段一般包括以下三个步骤： 1 绘制装配工艺图。零件图作完以后，便开始作部件装配图，也就是绘制 检验装配图，同时绘制整车的总图； 2 绘制零件工艺图。零件设计是在己被批准的技术设计中的部件装配图的 基础上来进行的； 3 拟订产品技术文件。技术文件包括部件明细表、零件明细表、标准件明 细表、主要外购件汇总表、图样目录、鉴定大纲和产品说明书等。 1 1 2 传统白行车设计的缺陷 由上节的自行车设计流程可以看出：目前自行车的设计水平仍然停留在二维 绘图的状态，既耗时，又费成本，市场响应速度慢。 根据对自行车行业的进一步调查和研究，目前自行车行业还存在以下不足： 1 ) 国内的自行车生产企业众多，水平参差不齐，且品种单一，不能满足人们 随生活水平的提高而日益增长的各种不同的需求。同时，单一产品生产过剩的市 场呈现供大于求的状况，从而，又产生各生产企业之间的压价竞争。产品利润极 低。 2 ) 缺少必要的行业规范，国内自行车整车和零部件质量较低，不能形成质量 优势和品牌优势。 3 ) 产品设计缺乏创新性，设计出的产品存在着严重的模仿和抄袭的现象。 其次国内自行车厂商缺乏统一的行业指导和规范，行业生产分散，不利于生产资 源合理利用。另外从设计到生产时效性差，不适合当今快速的市场变化速度。 从长远看，自行车产业依然有着广阔的发展前景，但由于国内外厂商间激烈 的市场竞争和产品供大于求的状况，要求国内厂商尽快引入创新的设计方法并不 断开发出创新的产品，较高产品的设计质量以最短的开发时间抢占市场，以新颖 的产品创造市场。 就设计方法而言，由于自行车结构复杂、参数很多，在设计过程中必须首先 将部分受约束条件限制的未知尺寸参数假设为已知量，凭设计人员的经验给定一 个近似值，通过计算来判断它是否满足约束条件。若满足约束条件，则进行下一 个集合参数的设计试算。若不满足约束条件，修改给定值的大小，重新进行计算 和判断，直到试出满足约束条件的值为止。因此整个设计过程为一个反复试探、 反复计算的过程，手工计算相当繁琐冗长，并且在设计、计算过程中存在着一定 程度的不确定性和偶然性，给设计工作带来了很大的不便，造成人力资源的浪费， 生产周期长，直接影响经济效益。 2 第一章绪论 1 - 2 现代产品设计的研究现状 1 2 1 面向具体实现的设计研究 就设计过程中的某一个阶段或某一个方面研究其具体实现方法，包括： 1 ) 为设计服务的基本理论与技术，如功能分析、价值工程、产品建模、产品 数据交换、变量几何、实体造型技术、数据库技术、网络技术、人工智能理论、 优化算法、决策理论、虚拟现实、仿真技术等。 2 ) 设计手段与工具，如参数化设计、变量化设计、基于特征的设计、仿生设 计、基于实例的设计、优化设计、模块化设计、虚拟设计、相似设计、田口设计 法、反求设计、动态设计、计算机辅助工程、计算机辅助设计等。 3 ) 设计过程某阶段的研究，如市场分析、创新设计、概念设计、造型设计、 公差设计、精度设计、设计评价等。 4 ) 面向某一目标的设计，如快速设计、d f x 、绿色设计、宜人性设计、可靠性 设计、智能设计与设计自动化等。 1 2 2 现代产品设计技术面临的挑战 1 ) 产品的复杂性更高； 2 ) 竞争更为激烈： 3 ) 产品生命周期不断缩短； 4 ) 快速响应，对产品开发时间的要求更短； 5 ) 计算机的功能将更加强大，应用更加普及； 6 ) 网络发展迅速，宽带网络将应用并逐渐普及，带宽不再是网络通讯的瓶颈； 7 ) 设计风险更大，由于竞争的激烈，迫使设计人员必须在多种因素不确定的 高风险情况下迅速做出决策： 8 ) 环境因素、社会因素对产品的要求更趋严格。 1 2 3 现代产品设计技术的发展趋势。圳 1 ) 数字化设计随着计算机技术的飞速发展和c a d 软件的不断完善，设计过 程的数字化己成为现代产品设计的基本特征，计算机辅助设计的过程不仅在于数 据处理、结构强度分析、结构设计、动态仿真和系统优化，而且发展到动态三维 图形可视化和多媒体虚拟现实阶段；不仅用于产品方案设计、技术设计及分析评 价，还用于工艺过程仿真、全面质量管理、成本评估等，使研究开发和生产准备 周期大幅度缩短，成本下降。9 0 年代，波音公司率先在7 7 7 客机的开发中实现了 无纸化设计。可以预见，随着计算机技术和c a d 技术的进一步发展，数字化设计 3 第一章绪论 必将成为设计者进行产品设计的基本形式。随着数字化的发展与普及，大批相关 技术也获得了快速的发展，包括产品设计管理( p d m ) 、电子图档管理( e d m s ) 、工 程数据库等。 2 ) 网络化协同设计计算机网络技术的发展一日千里。其传输速度的提高、 带宽的加大、覆盖范围的扩大使协同设计、动态区域联盟、虚拟企业联盟等新的 设计与制造模式成为可能。不同部门、不同企业、不同地区甚至不同国家的企业 或设计人员完全可以为了一个共同的设计任务组织在一起，共同合作，交互协同， 实现资源共享，减少重复工作，最大限度地发挥各个企业和设计人员的优势，从 而实现优势互补，以最小的代价快速完成最好的设计。 3 ) 模块化设计现代产品设计的复杂性使任何部门或人员独立完成整个产品 的设计越来越困难，只有将产品划分为子系统，才能从根本上降低设计的复杂性， 加快产品的发展。同时，随着市场竞争的加剧，用户需求逐渐多样化，而同时产 品的生命周期却日益缩短，企业必须改变原有的大批量生产模式，转而采用与市 场相适应的多品种、小批量生产模式。这一切都要求必须改变原有的以产品为单 位的设计模式，转而采用模块化的设计模式。随着产品模块化设计的发展，制造 企业与设计人员将出现分化，一部分企业与人员专门从事模块的设计与制造，而 另一部分企业与人员将专门从事产品设计任务的分析及模块的组合与拼装。 4 ) 智能化设计人工智能技术的发展与在设计领域的应用使现代产品设计越 来越呈现智能化的特征。 5 ) 绿色设计随着生产的发展和人类技术的进步，人类的生存环境遭到大量 破坏，许多不可再生资源的储量急剧减少，于是，环境因素成为产品设计中不得 不考虑的因素。近年来，对绿色产品设计方法的研究方兴未艾。绿色产品的概念 是2 0 世纪7 0 年代在美国政府起草的环境污染法规中首次提出的，它是指在产品的 生命周期全程中，符合特定的环境保护要求对生态环境无害或危害极少，资源 利用率最高，能源消耗最低的产品。可以预见，绿色设计方法将是未来的设计工 程师必备的设计技术之一。 1 3 研究课题的提出、内容及意义 当今社会大力提倡节能、环保和健康，自行车作为一种传统的交通工具，面 对其它的高科技交通工具，不仅不会被淘汰出局，而且，必将会有更加广阔的发 展空间。 现代产品设计的复杂性使任何部门或人员独立完成整个产品的设计越来越 困难，只有将产品划分为子系统，才能从根本上降低设计的复杂性，加快产品的 4 第一章绪论 发展。同时，随着市场竞争的加剧，用户需求逐渐多样化，而同时产品的生命周 期却日益缩短，企业必须改变原有的大批量生产模式，转而采用与市场相适应的 多品种、小批量生产模式。这一切都要求必须改变原有的以产品为单位的设计模 式，转而采用模块化的设计模式。随着产品模块化设计的发展，制造企业与设计 人员将出现分化，一部分企业与人员专门从事模块的设计与制造，而另一部分企 业与人员将专门从事产品设计任务的分析及模块的组合与拼装。 现代产品设计技术和市场的要求，自行车设计应该具备以下特点： 1 ) 自行车中有不少独立的功能单元，如前轮模块、后轮模块、脚蹬模块、 链轮模块、鞍座模块、后座模块、车架模块、前叉模块、车把模块、刹车模块等， 这一特点使其适应于模块化设计方法； 2 ) 适应多品种、小批量的设计方式； 3 ) 快速反应市场的能力，新产品的开发周期短； 4 ) 用户定制的设计方式，用户可以通过网上自主选择自己需要的样式进行 组合。 本文为适应社会与市场的需要，引入模块化设计和概念设计两个理论体系， 并将二者与计算机辅助设计有机的结合在一起，研究并开发自行车模块化概念设 计系统。该系统基于p r o e n g i n e e r 系统平台，设计创建自行车的设计系统，应用 其开发工具创建友好的用户界面，该系统各种设计参数直接反映了设计的意图， 具有统一的数据库，把整个自行车系统拆分成相互独立且整体统一的模块，模块 内部的零件又可以实现互换的柔性化装配。 用户通过自行车设计系统进行自行车的设计的基本过程如图i - i 所示，其设 计包括两个基本过程：零件设计和整车装配。 系统建立在p r o e n g i n e e r 平台的基础上，如图1 - 5 所示，利用其开发模块完 成开发。 自行车设计系统内嵌于p r o e n g i n e e r 系统。本文通过注册的方式在启动 p r o e n g i n e e r 系统时就把自行车设计系统( c o n f i g w i n 文件) 注册到平台之上。用 户通过与自行车设计系统界面的交流来完成设计的任务。 第一章绪论 不 满 意 图1 - 1 自行车参数化设计流程 图1 - 2 基于p r o e n g i n e e r 的参数化设计系统 本课题的研究意义： ( 1 )提高自行车设计水平，缩短设计周期： 不 满 意 第一章绪论 ( 2 ) 采用p r o e n g i n e e r 的开发工具创建自行车零件库和整车装配模板库，用 户既可方便的利用已有库资源，又可扩充库； ( 3 ) 使设计的自行车完全依据自行车的设计意图，整个自行车设计系统是一 个有机的整体，有统一的数据库，相互联系紧密的关系式，由驱动参数控制被动 参数； ( 4 ) 基础数据库把p r o e n g i n e e r 系统改造成为更优的设计平台，更加符合中 国人的设计要求，更加适合自行车的设计要求： ( 5 ) 全参数驱动，以关系式把关键设计参数与受控参数连接起来，整个数据 库模型形成一个有机的连接紧密的体系。 第二章自行车模块化概念设计的理论和方法 第二章自行车模块化概念设计的理论和方法 2 1 模块化设计理论与技术基础 2 1 1 模块化的概念 对于模块化这个概念，目前还没有形成统一的定义，许多学者根据各自的研 究，从不同的角度对其进行了表述： 模块化设计口5 1 是综合考虑系统对象，把系统按功能分解成不同用途和性能 的模块，并使之接口标准化，选择不同的模块( 必要时设计部分专用模块) 以迅 速组成各种要求的系统的一种方法。 模块化设计 3 7 1 是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规 格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选 择和组合可以构成不同的产品，以满足市场不同需求的设计方法。 模块( 3 9 】是一组同时具有相同功能和相同结合要素，而具有不同性能或用途 甚至不同结构特征，但能互换的单元，模块化设计是基于模块的思想，将一般产 品设计任务设计成模块化产品方案的设计方法。它包括两方面内容：一是根据新 设计要求进行功能分析，合理创建出一组模块一即模块创建；二是根据设计要 求将一组存在的特定模块合理组合成模块化产品方案即模块综合。它有两种 设计形式：一是基型设计，另一是变型设计。基型设计明显包含上述两方面内容， 而变型设计一般只包含第二方面内容，但当互换模块不存在时，也须包含第一方 面的内容。 从系统的观点出发3 矗4 2 - 5 ”，对模块化对象采用分解和组合方法，建立模块 体系和运用模块组合成( 产品) 系统的全过程，叫模块化。模块化是标准化的高 级形式，是一种思维的工具。 一般认为，截止目前为止，对模块化这个概念还没有形成统一的定义嘲随 着研究的进一步发展，人们对其本质的认识还将进一步深化。 童时中提出的模块化产品开发进程：【4 3 】 模块化产品系统的设计 1 系统的外部设计 问题的定义：调查、研究、分析、比较、提出设想 第二章自行车模块化概念设计的理论和方法 目标的选择和计划的制定：可行性论证、具体目标、整体规划 2 系统的方案设计 系统的总体构成：系统轮廓、构成模式、范围、规模、主特征、与外关系等 系统的分创和功能分配：系统分解、模块化产品系统层次图 系统的人机功能分配 3 系统功能( 指标) 设计 确定各子系统及模块的性能参数 确定子系统及模块的几何尺寸系列 确定模块的基本布局 编制模块化产品的系列型谱 确定模块的接口 可靠性分析 确定实施功能的技术途径 4 系统的模型化 5 系统的分析与评价 模块系统设计 1 模块系统总体设计：更具体的模块定义 2 模块构成的典型化： 功能典型化 结构形式典型化 接口典型化 产品及模块参数系列化 对模块进行进一步的优化 模块化产品设计：模块选择、模块综合 传统的模块化设计侧重于功能的实现，随着计算机技术的不断进步和现代设 计理念的提出，模块化设计在内涵和外延上都有了新的内容，并处于不断发展和 完善之中。为了实现快速相应市场的目的，企业必须对生产的各个环节进行系统 分析和整体安排，才能使模块化设计系统更好地发挥自身的功效。系统体系框架 如图2 1 所示。 前期准备准确的市场定位是提高产品竞争力的关键。分析市场需求，结合本 企业设计制造能力，选择市场前景广阔的一类产品作为模块化设计的对象，确定 9 第二章自行车模块化概念设计的理论和方法 产品的功能、性能、参数范围，建立完善的产品系列型谱。 系统开发通过功能分析将产品划分为若干功能模块，并使其功能参数标准 化、系列化模块结构参数化：建立全生命周期的模块数据模型：分析模块之间的 接口，以实现快速装配。 市 场 分 忻 与 凋 研 前期准备广1 系统开发 盘 品 功 能 体 系 创 建 漠 央 划 分 漠 央 数 据 漠 型 漠 块 凌 口 际 准 化 设 计 任 务 分 忻 系统应用 漠 央 选 择 漠 决 组 与 布 局 盘 晶 防 真 与 评 阶 图2 - 1 模块化设计系统体系结构架 系统应用将用户需求分解为一系列可以用模块实现的予任务，从模块库选择 符合要求的模块，如果没有所需的模块，则按照功能要求进行参数化设计，形成 新的模块结构。对模块进行布局和可装配性分析，形成完整的设计方案。并进行 各种工程分析和仿真。如果得到多种设计方案，还需进行方案评价和选优。 2 1 2 自行车模块化设计的关键技术 模块化设计不是针对某一具体产品的设计，而是面向产品族的设计。模块化 设计系统的建立需要进行模块化系统规划，即规划出模块系列和模块化产品系 列，不同类型产品规划出的模块系统形式不同。模块化设计的关键技术包括如下 几点： 1 ) 模块的划分 首先要对产品进行功能模块划分，即从产品功能分析角度将产品总功能划分 为若干功能单元，产品结构中对应于这种功能单元的结构称为功能模块。功能模 块划分的层次高低是否合理对于产品的性能、外观以及模块的通用化程度和成本 都有很大影响。研究对象和研究角度、出发点不同，功能模块划分的方法和结果 第二章自行车模块化概念设计的理论和方法 各异。 2 ) 模块系列和模块化产品系列的规划 产品系列化是模块化设计的目的之一，它是根据产品的主参数、型式、尺寸、 基本结构等进行合理规划，协调产品之问的关系，进行标准化，使之成为一族系 列化产品。模块系列是根据功能模块按照一定的结构规律进行扩展，派生出横向 模块系列、纵向模块系列，再在模块系列的基础上规划出模块化产品系列。 3 ) 模块结构的创建 即所规划模块的具体实现，包括模块结构的方案设计、详细设计以及其它模 块组成信息的组织等，这是保证模块化设计系统运行的基础。 4 ) 模块接口 模块接口是指结构模块组合时相互间几何、物理关系的结合面成为模块接 口。模块接口是模块可组合的依据，模块接口的标准化决定着模块的通用化程度。 5 ) 模块间的信息集成 信息集成是实现各种先进制造技术的重要前提，实现信息集成的一个基本手 段就是建立信息模型，产品信息模型是指覆盖产品整个生命周期、能为计算机理 解和处理的、能唯一描述产品的数字化表达。 2 2 概念设计理论与技术基础 2 2 1 概念设计的内涵 概念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 义上的概念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。概念设计的各 个环节紧密相连，在设计过程中相互依赖，互为驱动。一般意义上的概念设计是 指在产品的功能原理基本确定的情况下，产品外观造型的设计过程。计算机辅助 概念设计( c a c d ) 是c a d 的一个重要分支。概念设计是一个相当复杂的过程，因 为一个好的设计方案既要有合理的功能结构、美观的造型、简便的操作，同时还 要富有创新性。因此，c a c d 涉及设计方法学、人工智能技术、c a d 技术以及 认知与思维科学。 传统的c a d 系统可以产生复杂、精确和完整的三维造型，但由于其本身并 不是为概念设计而开发的，同时缺乏设计方法学的支持，没有体现概念设计的创 第二章自行车模块化概念设计的理论和方法 造性过程，从而基本上是在设计方案基本定型之后的概念化绘图工具。因此，计 算机辅助概念设计的研究的目的就在于在设计早期提高设计的质量，更简捷的生 成设计对象，提供一个进行信息交流和对象评价的平台，避免因设计失败而造成 的浪费。 2 2 2 概念设计在工程设计领域的研究状况 1 概念设计中系统化设计方法的研究 现代产品方案设计的系统化设计方法将设计看成由若干设计要素组成的一 个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次 性，所有的设计要素集合后，即可实现设计系统所需完成的任务。模块化的思想 渗透在整个技术系统的开发过程。 2 概念设计建模技术的研究 建模技术是计算机辅助概念设计的核心技术。许多学者从工程设计方法学中 概念设计的定位出发，提出层次概念模型、基于广义特征的概念模型f 2 1 1 2 1 2 程设 计概念模型，】基于功率键图的概念设等概念设计建模方法与技术。 另外，从产品设计学的角度看，产品设计过程可视为一个特征的演化过程， 概念设计过程亦然。许多学者将他们在产品结构设计、装配设计等方面的研究成 果加以拓展，应用在概念设计过程，提出以支持变量特征和概念设计为标志的各 类产品模型，如基于特征关联语义的模型、基于变动特征的模型、信息基因模型、 生成型特征设计模型等建模方法。这些模型中的特征概念在继承原有特征的性质 和属性操作的基础上增加了语义型、变动性、置换性和遗传性等新特点，以适应 概念设计过程中对象的抽象性、模糊性和继承性。他们支持的设计模式更加符合 产品的实际设计过程，在一定程度上体现了概念设计中的特征演化过程。 2 2 3 概念设计在机械建模领域的应用 机械产品设计的过程一般可如图2 - 2 表示，主要分三个阶段：需求分析、概 念设计、详细设计【2 5 1 。需求分析阶段把目标市场中的用户需求映射为用需求详 细说明书描述的需求产品。概念设计阶段的主要目标是概念产品，对一些重要的 设计性能，关键的设计参数要在这个阶段确定下来。而详细设计则确定所有的详 细参数。如尺寸、公差以及所有的部件的其它设计参数。各阶段分别完成一定的 设计任务，同时各阶段又是相互联系、互相依赖的。 第二章自行车模块化概念设计的理论和方法 用户需求 需求分析 自行车功能方 案的分析分解 结构方案的分 析分解和设计 用户功能 需求 一 运动功能 方案 一 自行车布 局与结构 意熹卜，陌面详细结构设计广，1 一一二 图2 - 2 一般机攘产品设计过程圈2 - 3 自行车结梅设计过程 针对自行车的模块化概念设计，通过分析设计各阶段的任务及设计方案的 形成过程，如图2 - 3 所示，自行车结构设计的步骤为： 1 需求分析：作为系统化的设计过程，自行车的结构方案设计需以规范的 功能要求和产品定义作为设计的起点，以便在系统框架内进行有效的设计。为此， 设计首先要在建立产品的功能模型的基础上将用户需求转化为用户功能需求。 2 功能分析、分解：自行车完成行驶功能是由车轮和路面之间的相对运动 来实现的。通过分析自行车的运动，可将自行车总功能逐级分解为分功能( 或子 功能) ，建立自行车的功能结构，产生自行车运动功能方案解。 3 。结构方案求解与设计：通过功能结构映射寻求实现功能的结构载体，根 据运动分配、布局的设计，产生自行车的结构布局方案，同时可进行自行车结构、 第二章自行车模块化概念设计的理论和方法 外形尺寸的初步规划。此时得到自行车的结构方案解，自行车的主要结构特征确 定，力流及结构布局模式确立 4 结构动、静强度分析：利用c 创三( 计算机辅助工程) 分析工具，对主要结 构进行动、静刚度分析和优化，对结构不合理处，给出反馈信息，修改结构方案。 5 详细结构设计：利用三维造型、装配工具，将结构概念模型细化，确定 自行车各个零部件的详细结构。 在基型设计的基础上，进行自行车的变型设计、系列化设计，以模块化的产 品系列，快速响应市场需求。 概念设计是在确定任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的 作用原理及其组合等确定出基本求解途径，得出求解方案，这一部分设计工作叫 做概念设计。 概念设计实质上就是要根据产品生命周期各个阶段的要求，进行产品的功能 创造、功能分解，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。事实上，在上一节中所述的自行车设 计各阶段之间并无明显的界限，各个阶段的不断重复在整个设计过程中都存在。 因此，广义的概念设计包含了产品在详细设计之前的各个设计环节，完成产品的 功能设计、原理设计、形状布局及初步的结构设计。 概念设计系统模型分为功能域、结构域和评价域三个子模型。在功能域，通 过功能定义、功能分析，建立自行车的功能结构；在结构域进行模块结构的创建： 在评价域评价设计方案的优劣，选择最佳的设计方案。整个设计过程经历分析、 分解，功能结构映射，模块划分，方案评价各步骤。在求解的过程中需要相应的 设计知识，设计规则的支持，因此，要建立设计知识库、数据库及图形库等作为 设计的基础。 2 3 本章小结 本章在综述现代产品设计的基础之上，根据自行车自身设计的特点，对模块 化设计和概念化设计两个设计理论进行研究，并联系自行车设计进行分析。提出 模块化设计的概念，分析模块化设计的关键技术。提出概念设计的内涵和研究状 况，分析概念设计在自行车设计中的应用。 1 4 第三章自行车模块化概念设计系统的开发与研究 第三章自行车模块化概念设计系统的开发及关键技术的实现 3 1 自行车模块化概念设计系统的结构 自行车模块化概念设计系统基于p r o e n g i n e e r 系统平台，设计创建了自行车 的设计系统，应用其开发工具创建友好的用户界面，该系统各种设计参数直接反 映了设计的意图，具有统一的数据库，把整个自行车系统拆分成相互独立且整体 统一的模块，模块内部的零件又可以实现互换的柔性化装配。自行车模块化概念 设计系统的结构如图3 一l 所示： 图3 - l 自行车设计系统结构 自行车模块化概念设计系统的数据库包括：基础数据库和自行车数据库。 具体结构如图3 - 2 所示。 基础数据库：初始化p r o e 设计平台；生成一系列符合中国 的机械、材料、单位等标准；生成更友好的设计界面：建立 一系列通用库 自行车数据库：整车库、零件库( 车架、车把、鞍座、脚蹬、 前轮、后轮、传动链) 、布局、骨架 图3 - 2 数据库模块的结构 参数化模块结构的建立是通过基于p r o e n g i n e e r 的模块结构创建系统完成 的。通过输入设计参数，在布局文件控制下，得到模块的结构原型，完成基本特 第三章自行车模块化概念设计系统的开发与研究 征拓扑关系的设计，利用p r o e n g i n e e r 的r e l a t i o n 和p r o g r a m 功能按照结构特征 的内在联系完成设计参数的关联，快速生成模块实例。 3 2 自行车设计系统基础数据库的创建 在该模块之上，用户新建模型可以自动生成一个完整、标准的文件模板。包 括图纸标准、机械标准、材料标准，这些数据把原先的p r o e 默认模式经过改变 和扩充，生成符合中国标准的基础模板。这套模板大大减少了重复性的工作和出 错的可能。 p r o e n g i n e e r 是美国出产的软件，默认的标准为a n s i ( 美国国家标准) 。a n s i 标准与中国国家标准( g b l 有根大的不同。如a n s i 的单位为英制：长度为英寸， 重量为磅；a n s i 的三视图投影方向为第三象限，即右视图在右边，中国制图标 准为第一象限，即左视图在右边。a n s i 标准与g b 的机械制图各种符号如焊接 符号、基准符号等都不一样，所以，没有配置的p r o e n g i n e e r 并不能适合中国机 械行业的设计要求。 本文建立一个自行车设计系统的基础数据库模块。该模块系统的初始化 p r o e n g i n e e r 设计平台，把p r o e n g i n e e r 默认的标准改为中国国家标准( g b ) ，添 加一系列方便设计的材质库、标准件库和通用件库。 工程师在此平台之上进行设计完全符合中国标准和中国的设计习惯，而且， 还有许多方便设计库文件可调用。 基础数据库：初始化p r o e n g i n e e r 设计平台：生成一系列符合中国的机械、 材料、单位等标准；生成更友好的设计界面；建立一系列机械标准件库。 3 2 1 基础数据库规划与配置 基础数据库的结构如图3 3 所示 1 6 第三章自行车模块化概念设计系统的开发与研究 3 2 2 系统配置 图3 3 基础数据库的结构 系统配置文件c o n f i g p r o 是p r o e n g i n e e r 系统最主要的配置文件，它决定着 整个系统的运行环境，对p r o e n g i n e e r 的使用至关重要，其它的配置文件也是以 它为主线展开的。 p r o e n g i n e e r 系统的c o n f i g p r o 选项有上千个，每个选项都控制着特定的对 象，有它特定的作用。本文主要进行了以下的系统配置内容： p r o _ e o l o r m a p _ _ p a t hd ：p r o _ s t d s c o n f i g s c o l o r m a p p r o _ c o l o r m a p _ p a t hd p r o t 龇n f i g s t e x t u r e _ s e a r c h _ _ p a t hd ：p r o _ s t d s t e x t u r ed i r t e x t u r e _ s e a r c h _ p a t hd ：p r o _ s t d s t e x t u r e _ d i r t e x t u r e s t e x t u r e _ s e a r c h _ p a t hd ：p r o _ s t d s 、t e x t u r e _ d i r g r a p h i c - l i b r a r y k m a t e r i a l s ! 存甜销群槲蝌嶙蝴拍群f o rs t a r tf i l e s 槲铂斜槲群揣槲啪料艄鞘! s t a r t _ m o d e l _ d i rd ：p r o _ _ s t d s k s t a r tf i l e s t e m p l a t es o l i d p a r td ：p r o _ s t d s k s t a r tf i l e s k g t a r t p a r t p r t t e m p l a t es h e e t m e t a l p a r td ：p r o _ s t d s k s t a r t _ f i l e s l 蚍a t s h m t l p r t t e m p l a t e _ d e s i g n a s md ：p r os t d s k s t a r t _ f i l e s k s t a r t a s s y a s m ! 指日9 日料撑精嘶精样# j 斜# s p e c i a ld i r e c t o r i e s 拍样嵴槲嵴躺啭槲嵴 群# p r o _ l i b r a r yd i rd ：p r os t d s k l i b r a r y p r o _ m a t e r i a l _ d i rd ：p r o _ s t d s k n a t e r i a l _ d i r p r o _ s y m b o l _ d i rd ：p r o _ s t d s k s y m b o u i r 1 7 第三章自行车模块化概念设计系统的开发与研究 p r of o r m a t _ a i r 击龟鼬蠢舾由。 p r o _ g r o u p _ d i rd ：p r o _ s t d s g r o u pd i r p r on o t ed i rd ：d r os t d s 、n o t cd i r p r o _ t e x t u r e _ l i b r a r yd ：p r o _ s t d s t c x m r e _ d i r g r a p h i e - l i b r a r y k m a t e r i a l s p r o _ s h e e tm e td i rd ：p r os t d s k s m e t a l _ d i r t o l e r a n c et a b l ed i rd ：d r os t d s t o lt a b l e s k i s o d r a w i n g _ s e t u p _ f i l ed ：p r o _ s t d s c o n f i g s c o m p a n y d f l f o r m a t _ s e t u p _ f i l ed ：p r os t d s c o n f i g s c o m p a n y d t l b o r n _ f o r m a td ：p r o _ s t d s c o n f i g s c o m p a n y f m t s y s t e m _ c o l o r s _ f i l ed ：p r o _ s t d s e o n i i g s 、s y s e 0 1 s c l t r a i ld i rd ：、备用p r o t a i l ! 捌蝌荆蝌蜊觯蜊蝌拌辨觯s e a r c hr 蜘? h s 槲嶙黼锩斜帮群黼群抽料蝌蝌女啭蛑 s e a r c h _ p a t h _ f i l ed ：p r o _ s t d s c o n f i g s k s e a r c h p r o s e a r c hp a t h _ f i l ed ：自行车k s e a r c h p r o ! 瑚肄黼嵴黼辱蝌嵴蝴肄e n v i r o n m e n to p t i o n s 揣嵴揣嵴撕啪 # 槲觯 p r o m p to ne x i ty e s p r o v i d e _ p i c k _ m e s s a g e _ _ a l w a y sy e s f l i p _ a r r o w _ s c a l e2 i n f o _ o u t p u t _ m o d ec h o o s e m e n us h o w _ i n s t a n c e sn o e n a b l ea b s o l u t ea c c u r a c yy e s p r ou n i t _ l e n g t hu n i t _ m m p r o u n i tk i l u n i t m a s so g r a m d e f a u l td e cp l a c e s2 s k e t c h e rd e ep l a c e s2 o r i e n t a t i o nt r i m e t r i c m o d e l _ _ n o t e _ d i s p l a yn o ! 指哗蝻锚哗揣嵴特￥槲 s a v e r e t r 陋v eo p t i o n s 柏蝴嵴批