基于設計意圖的產品參數化變型設計研究及應用

羅國富，丁立家，劉小娟，段 瑞

（鄭州輕工業學院 機電工程學院，鄭州 450002）

0 引言

參數化設計是利用已存在的設計實例，在不破壞原有設計基本原理、基本結構特征和功能基礎上、可快速、高質量、低成本地產生與原有設計相似的新產品，滿足不斷變化的市場需求，它是滿足產品變型設計要求的主要技術之一。文獻[1～3]重點強調了模型的尺寸參數驅動變型設計，未研究變型設計中的設計意圖 (包括尺寸參數的來源、知識或經驗等)、無法保證模型變型設計后的工程有效性。

準確地獲取了產品設計意圖，能夠在進行產品參數化尺寸變型設計中充分參考重用經過生產實踐考驗的產品設計信息、知識、經驗等資源，更好地滿足設計要求。文獻[4]將設計意圖表示成產品的要求功能、約束條件、技術要求和幾何信息的相互關系，以樹形結構表示設計者的思考順序并提出了一種產品設計意圖模型，記錄了產品設計意圖；文獻[5]提出了設計思考過程模型，模型記錄了設計步驟和設計決策，描述了設計過程背后的設計意圖；文獻[6]從需求的角度分解設計意圖，形成意圖域，對產品進行結構劃分，形成載體域，用意圖域映射載體域，實現了意圖捕捉、建模和求解，最后得到參數化設計中的主參數。

本文由設計意圖定義出發，建立設計歷史過程模型捕捉設計意圖，理解如何產生的設計結果，進而在設計結果中分析設計意圖的記錄、表達和捕捉，基于設計意圖開發了減速器參數化設計系統，更好地滿足產品設計要求。

1 設計意圖定義及捕捉

產品設計一般可劃分為需求分析、概念設計和詳細設計三階段。設計意圖在各個設計階段的體現形式有所不同，如文字描述、圖形表達、實物建模、尺寸約束等多種形式，是設計者為了使設計產品滿足一定的功能需求，在設計過程中希望達到其設計目的所做的打算。設計意圖的定義包含三方面的信息，一是“目的”，二是“打算”，三是“設計過程”。“目的”是希望達到但還未實現的目標，是對產生結果的考慮，其最終表現形式是設計結果；“打算”是思考如何實現目標，不是對設計結果的闡述，而是對如何產生預期結果這一過程的思考即思考過程；“設計過程”表明了設計者在進行一系列的思考、決策等思想過程且為了達到目標所做的操作等是一個功能實現的物理過程，即設計歷史過程。設計過程決定了設計結果，設計結果是設計過程的表現形式，設計意圖貫穿于整個產品設計過程中，三者關系如圖1所示。

因此對設計意圖的捕捉可以分為兩類：一是通過研究產品設計歷史過程來推測設計意圖并理解設計結果；二是通過設計結果獲取或捕捉設計者的設計意圖以實現對產品設計的共享和重用。

圖1 設計過程、結果和意圖關系

2 設計歷史過程建模

關于產品設計歷史過程大致有兩種看法：Shah等[7]認為產品設計的歷史過程是走向產品最終設計結果過程中的事件和狀態的一步步記錄，記錄的事件和狀態表達了產品設計意圖；Chen等[8]則從機械工程的角度，指出設計歷史過程是產品從最初的需求分析到最終的詳細設計的整個發展過程中所產生的約束和決策的記錄，設計意圖體現在從最初問題定義到最終幾何和拓撲設計的全過程。

目前的CAD軟件能在設計結果模型中追蹤到設計者的操作步驟，潛在地表達了設計者的設計意圖，但對于設計結果產生的歷史尚不能很好地記錄和表達，而無法解釋如何產生的設計結果，即設計過程中背后的意圖。本節建立了產品設計歷史過程模型，記錄并表達了設計過程中背后的設計意圖，其主要包含問題分解過程和方案求解過程兩部分，如圖2所示。

該過程模型中包括設計意圖分解過程中采用的依據、問題求解過程中的映射矩陣或算法以及設計思考過程如決策過程中最終方案選定、評估和決策依據等非幾何信息，都是產品設計意圖的記錄和體現。

2.1 設計意圖分解過程

設計本身是根據需求包括消費者對產品性能、用途和要求，設計者利用自己的專業知識和個人經驗等，進行滿足功能和結構要求的工作原理求解、進行實現功能結構的工作原理求解和進行實現功能結構的工作原理載體方案的構思和系統化設計[9]。

產品設計過程即在各種需求和約束條件下產品功能的實現過程。產品功能滿足了人們對產品用途、性能等各方面的需求，能充分表達設計者的設計意圖，故功能需求是設計意圖的意義所在。根據產品特點、性能、用途等功能需求提出設計問題，將總設計問題進行聚焦、分解，一般由設計者的設計知識、從業經驗和理論知識等將設計問題分解為若干個子問題或者直接分解為問題元，每個子問題又可分解衍生為問題元，其分解過程如圖3所示，問題元是不可再分的具有直接描述產品某項功能需求的特性，如性能、指標，功能參數等。子問題分解到什么程度不可再分是其粒度問題，以子問題能否求得技術原理解作為分解依據，若子問題可以找到物理作用原理及相應的物理結構來解決，那么該子問題就是問題元，否則，需要繼續分解，直到找到相應的物理結構為止。問題元的分解形成標志著功能需求的分解完成，其分解過程即是將模糊化的、概念化的設計意圖逐漸地清晰明朗化的過程。

圖2 設計過程模型

圖3 設計意圖分解過程

2.2 問題求解過程

總設計問題分解為各個問題元后，設計問題逐漸清晰明朗化，總功能需求轉化為一個個可解的、具體的設計問題，然后進行問題求解過程，求解過程是為了找到一個或多個具體解決方案來滿足問題元的設計功能需求。

具有直接描述產品某項功能需求特性的問題元與方案集中滿足產品某項功能需求的物理結構或幾何模型不是一一對應但具有某種映射關系，問題元求解過程即是找到其與物理結構之間的映射關系。將問題元組成行，滿足問題元的物理結構組成列，形成二者的映射關系矩陣，可以用Amn表示，其中n表示將設計問題分解為n個問題元，m表示根據問題元表達的功能需求找到m個物理結構或者幾何模型。

矩陣元素Aij的值取1或0，若第j個物理結構能實現第i個問題元，表示二者具有相關性映射關系，則Aij=1，否則Aij=0，即得到了問題元與物理結構之間的映射關系矩陣。該映射關系矩陣是設計問題分解的依據，充分體現了設計者的設計意圖。

產品設計過程是設計意圖從抽象到具體、產品設計信息逐步細化、反復迭代的過程，經過一系列評價、決策最終得到設計結果。設計意圖不止在產品設計過程中得到表達及捕捉，在設計結果中同時隱含的體現。

3 設計結果中設計意圖的體現

機械產品的設計意圖在設計結果中的主要體現方式是基于特征的計算機三維實體表達，通過具有工程語義信息的特征、參數、約束和構造過程歷史樹，對零件的詳細設計意圖表達或通過裝配層次關系樹和約束配合關系表達產品的裝配設計意圖[10]。

在減速器箱體的三維建模中，箱體壁上創建盲孔特征，可先創建圓柱體，再對箱體和圓柱體進行布爾運算，或者直接利用“盲孔”特征在箱體壁上打一個深度為H的盲孔，顯然后者更清晰地表達設計者的意圖。再利用參數化技術，建立盲孔深度與壁厚的關系式H = T-Constant，(H為孔深，T為壁厚，Constant為常值)，則可以控制盲孔的深度隨箱體壁厚度的改變而改變，從而保持了設計者的設計意圖，避免了由于修改孔深H過大箱體壁出現透孔的情況。

裝配過程中，設計者通過采用合理的約束配合關系，如兩個面的接觸配合裝配可以選擇“重合”和“距離”命令（兩面距離值為零），來體現設計意圖。例如減速器軸承與軸承端蓋、軸承內圈與軸肩的配合結果都是使配合平面接觸，但通常對前者的配合命令選擇“距離”同時設置兩配合面距離為零，而后者軸承內圈與軸肩的配合命令選擇“重合”，是因為軸承端蓋用于軸承外圈固定、軸承的防塵和密封，在實際裝配過程中需要對端蓋進行調整，如在其與箱體配合面間加密封環、墊圈等，從而調整軸承端蓋與軸承外圈的距離，可知軸承與軸承端蓋之間不只是簡單的重合，因此選擇“距離”的約束配合關系；軸承內圈與軸肩的配合其目的是通過軸肩對軸承進行軸向定位，需明確限定兩者的位置關系，故通過選擇“重合”命令達到了其裝配要求[11]，同時體現了上述設計意圖。

4 參數化變型設計實例應用

通過對設計歷史過程模型研究設計意圖的記錄和捕捉及設計結果中設計意圖的表達和捕捉，在對產品及其零部件尺寸參數化過程中能夠參照設計中的幾何信息、約束關系等，保留原作者的設計意圖，準確地選取尺寸參數，方便地確定不變參數、可變參數和導出參數等，更好地實現對產品設計知識的重用。

以單級圓柱齒輪減速器為例進行驗證。根據功能需求，實現減速功能為總的設計意圖，其分解為具有直接描述產品某項功能需求特性的問題元，如輸入、傳動、潤滑、支撐、密封、連接和輸出等設計問題，分解過程如圖4所示。滿足元意圖的解決方案中包括箱體、單齒輪、高速軸、低速軸、油潤滑散熱、聯軸器、端蓋、密封件、螺栓、鍵、軸承等物理模型，如箱體可解決支撐和部分密封的問題，油潤滑散熱同時滿足潤滑和散熱的目的等，將其縱向排列，將傳動、輸入等問題元橫向排列，得到映射關系矩陣，如表1所示，故得到了問題元和物理結構的映射矩陣A8,11，該矩陣是設計問題分解的依據，如傳動問題元可以由齒輪、高速輸入軸、低速輸出軸和鍵等映射的物理結構來解決完成，充分體現了設計者的設計意圖。最后各個零部件的具體詳細設計牽涉到評價、決策等，是逐步細化、反復迭代的過程，由于篇幅所限，在此不再詳述。

再根據設計結果中繪圖平面選擇、添加幾何關系和尺寸標注等體現和表達形式充分理解設計者的設計意圖，在此基礎上進行基于PROTOOLKIT二次開發參數化設計，保證了模型變型設計后的工程有效性，從而實現了設計知識的共享和重用。作者已開發了減速器參數化設計系統，圖5是部件聯軸器參數化設計窗口，圖6是聯軸器模型變型前后對比圖。

表1 映射關系矩陣表

圖4 減速器設計意圖分解過程

圖5 聯軸器參數化對話框

圖6 聯軸器模型變型前后對比圖

5 結束語

本文給出了設計意圖定義并系統地描述了產品設計過程和設計結果中設計意圖的表達及捕捉，并在此基礎上對產品及其零部件進行參數化變型設計，避免了產品原設計意圖在幾何模型的拓撲結構發生變化時被破壞，保證了模型變型設計后的工程有效性，實現了設計知識的共享和重用。

[1] 秦紅玲, 周新聰, 袁松. 基于Pro/E的船用齒輪箱的參數化設計[J]. 機械設計與制造. 2011, 9: 223-225.

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[3] 劉夫云, 鄧小林. 配置產品尺寸參數修改與變型設計方法研究[J]. 計算機集成制造系統. 2008, 11: 2092-2096.

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[5] 孫兆洋, 劉繼紅. 設計思考過程模型中設計意圖的表達[J]. 機械工程學報. 2009, 45(8): 182-189.

[6] 姜少飛, 陳帥, 魯聰達, 黃敬猛. 設計意圖捕捉與參數化設計集成研究[J]. 計算機集成制造系統. 2011, 17(4):726-731.

[7] Shah J J, Leon D K.Database infrastructure for supporting engineerring design histories[J]. Computer Aided Design.1996, 28(5): 347-360.

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[9] 汪旭.基于設計意圖捕捉的概念建模技術研究[D]. 北京:清華大學, 2010.

[10] 張應中, 羅曉芳. 設計意圖元表示研究[J]. 計算機集成制造系統. 2010, 16(7)1345-1353.

[11] 西北工業大學機械原理及機械零件教研室. 機械零件課程設計指導書(減速器)[M]. 西安:陜西科學技術出版社,1981.