基于產品功能分析與結構優化的機械設計方法*

丁立軍，戴曙光，孟青云，沈力行（.上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 00093；.上海醫療器械高等專科學校醫療器械工程系，上海 00093）

基于產品功能分析與結構優化的機械設計方法*

丁立軍1，2，戴曙光1，孟青云2，沈力行2
（1.上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2.上海醫療器械高等專科學校醫療器械工程系，上海 200093）

在對機械產品功能和結構分析的基礎上，建立了一種機械設計的分析和評價方法。該方法首先對產品進行功能分析和分解，形成若干產品子功能，在對子功能的實現機構進行分析和比較的基礎上，應用功能—機構優化算法對產品的機構選擇方案進行評價。通過對所選機構的結構組成進行分析和優化，形成最終的產品實現方案。最后，通過實例驗證了該設計方法的可行性。

功能分析；結構優化；分析和評價

開發性機械設計是應用成熟的科學技術或經過實驗證明可行的新技術，設計未曾有過的新型機械結構的過程。在以往機械設計過程中存在著許多問題[1-2]：首先，沒有相對成熟的行之有效的設計理論和方法，僅憑設計師的經驗辦事，因此常常初次的設計問題較多，經過多輪修改和產品試制才能實現產品功能、結構的最優化。而且，由于某些設計在總體實現方案上具有先天缺陷，即使通過數輪修改仍不能解決問題，甚至需對原方案推倒重來，造成較大損失。

基于傳統設計方法的不足，近年來出現了一些新的機械設計方法，如優化設計、健壯設計、可靠性設計、并行設計、模塊化設計、計算機輔助設計[3-8]等。其中機械優化設計是建立在數學最優化方法與計算機程序設計基礎上的一種新的設計方法。采用這種設計方法，可以使機械產品在各種約束如工藝、性能、生產條件等方面的限制下，求得設計的最優方案，主要應用于設備部件或機構中的參數優化。健壯計和可靠性設計的提出是為了滿足產品設計性能的穩定性，使設計出的產品具有健壯性，亦即使產品和過程具有抵抗外界干擾所引起的質量波動的能力，主要解決設計質量的符合性問題。模塊化設計是基于快速設計思想提出的設計方法，主要包括：側重功能分解的設計和基于結構的設計兩種主要設計思想[9]。該方法是在對產品整體功能分析和結構分解的基礎上提出的模塊化設計理念和方法，但在實施上還存在著模塊功能分割、接口標準化等問題，還不是成熟的機械設計方法。

因此，探索合理的機械設計方法，使產品設計，尤其是初步設計階段就能實現產品功能、結構的最優化設計，這對于避免設計中的重大缺陷和減少后續修改設計工作量，加快設計進程具有重要的作用。本文以機械設計過程中解決產品功能分析和結構實現為著眼點，提出基于功能實現和結構優化的機械設計方法。

1 產品的功能—機構分析和評價

機械設計包括功能和結構設計兩部分。產品的功能設計是以消費者的潛在需求為依據來設計產品的功能。經過功能的成本核算后，由專業人員進行產品設計、企業安排生產，功能設計實質上是市場調查研究的結果。一旦產品的功能確定下來，下一步的問題就是設計產品的結構確保實現產品的功能要求。

圖1 產品功能—機構分析

以功能實現為目標的產品結構設計，應對產品功能進行進一步分析，形成子功能列表，并對實現該子功能的可能實現機構進行列表，如圖1所示：

在功能—機構分析的基礎上建立起來的子功能-實現結構的對應關系后，下一步就要選擇實現產品全部功能的優化機構。這一過程的基本原則是：實現設計結構最簡化和功能的最優化。結構設計的最簡化有兩個方面的要求：一方面要求產品實現機構的簡單化，包括某一功能實現機構的實現難度的大小，即機構實現的復雜性問題；同時也包含產品中單個機構的多功能化問題，即一個機構實現的功能越多，實現所有功能的機構數量就越少，這一過程稱為機構的功能組合。另一方面是實現產品功能的最優化，所選擇的機構能夠滿足產品功能要求并達到性能參數的最優化。這兩方面的要求可以通過各自分配一定的權值加以解決。

為實現機構的功能—機構優化配置，考慮建立以下功能-機構評價算法模型：

設表達式：

且當F取其最大值時的機構選擇方案，為最優選擇方案。

其中：

αi：子功能i中選用機構的功能參數；

βi：子功能i中選中機構實現的復雜度參數。若在前面第1～i個功能環節中出現過該機構，則此處βi=0；

λ1：機構功能權重系數；

功能保證為主的裝置，取λ1＞λ2；以結構簡單考慮為主的裝置，取λ1＜λ2。

mi：第i個功能環節的計算基數，mi=μi×M。M為總功能基數初值； μi為根據功能的重要性分配的權值；且

機構參數α、β設置原則見表1、2。

表1 機構功能系數(α)

表2 機構復雜度系數(β)

2 結構優化設計原則

在完成所有實現機構選擇后，下一步就是產品的整體結構布局，即通過機構的集成或合理布置達到結構的最簡化和功能的最優化。這一步驟應遵循以下原則。

（1）總體結構布局合理

布局合理即在產品的總體布局上，使在功能-機構分析步驟中選擇的所有功能實現機構達到整體上的布局最優化，以滿足各項功能和性能指標要求。總體布局結構合理性也體現在結構的緊湊上，產品結構緊湊有利于結構簡化、達到減少生產材料，節約成本的目的。

（2）良好的性能穩定性和可靠性

除了滿足產品的基本功能性要求外，具體的性能指標是反映產品使用性的重要參數。其中，產品的穩定性和可靠性是兩大關鍵指標。不同的產品結構實現方案，對產品的穩定性和可靠性有著較大的影響，實現產品較高的穩定性、可靠性是產品的結構設計中要考慮的關鍵因素。

（3）滿足精度要求

除了產品零部件加工精度和元器件的本身性能參數對產品的精度產生影響外，產品不同的結構設計方案，對產品的精度也會產生影響，因此，在產品的結構設計中，最大程度的實現工作精度要求，也是結構設計要考慮的因素。

（4）良好的操作性

良好的操作性是衡量產品功能指標之一，是滿足產品使用性的體現。產品良好的操作性應符合人-機工程學原理，是產品結構設計是否合理的重要評價指標之一。

3 舉例

例如：要設計某條形試件的手動扭矩-轉角測量裝置，并要求達到一定的測量精度。對其功能分析后，對這一裝置的設計功能、子功能及可能的實現機構進行列表，并將各個子功能的實現機構的復雜度系數和功能系數進行評估，如表3所示。

表3 裝置功能和實現機構對照表

通過對該裝置的功能的實現機構進行初步思考，提出以下3個機構實現方案（表4）：

表4 裝置的機構實現方案

令總功能基數初值M=100；且系統為功能、結構并重系統，即：λ1=λ2=0.5。

在完成所有機構方案選擇后，下一步就是產品的整體結構布局，既通過機構的集成或合理布置達到結構的最簡化和功能的最優化。

在方案中出現頻率最高的渦輪蝸桿機構既可以實現加載增力也可以實現加載自鎖子功能，同時該結構可以實現對轉角的讀數進行放大，實現精確讀數子功能。考慮到刻度盤直徑不至于過大，選用傳動比為1∶30的蝸輪蝸桿機構；為了讀數的方便和保證精度，可以考慮在扭矩輸入端加裝指針和刻度盤，其中指針以套筒的形式與輸入軸間隙配合可以實現調零功能，這兩個機構集成在一起，實現了結構的緊湊；扭矩測量裝置放在裝夾機構后端和固定機架之間，比安置在裝夾機構前段更有利于測力的穩定性、準確性以及方便扭矩傳感器與數據顯示器的接線。由此，該測試裝置的結構構架就基本完成了，裝置初步結構設計方案如圖2、圖3所示。

圖2 扭矩-轉角測量裝置結構示意圖

4 結論

本文所采用的機械設計方法是建立在對產品功能分析的基礎上，通過對不同子功能的實現機構進行列表，采用功能-機構優化算法選擇最優機構組合，并建立了產品結構設計的優化原則，對產品進行整體結構設計。在應用該方法對產品進行功能分析和結構設計時應注意以下問題：

（1）產品功能分析的完整性和準確性

圖3 輸入組件結構

產品功能分析是機構選擇和結構設計的前提，因此產品功能分析的完整性和準確性就關系到整個產品結構設計的成敗。產品的功能分析基于產品的功能設計，是對整個產品功能實現的具體化和細化，須具有完整性，不能有任何遺漏，否則可能造成無法挽回的損失；產品功能分析的準確性也是十分必要的，對關鍵子功能的描述要達到定量的要求，為后續的機構選擇和結構提供依據。

（2）功能—機構分析的準確性

在產品功能進行合理劃分時，須使每項子功能具有一定的獨立性和可實現性。在功能劃分時要考慮某項子功能在所有子功能中的相對重要性，并給出合理的權值估計；對某項子功能的實現機構列表時，對該機構的實施難度和復雜性進行合理估計，這些工作是進行后續產品功能—機構評價的依據。

（3）產品結構設計的合理性

產品的結構設計不僅關系到產品功能實現的好壞，更是關系到產品整體結構的合理性。產品的結構設計是否合理，既要考慮組成機構多功能化，還要考慮機構的組成是否有利于提高產品的整體性能指標以及實現產品整體結構的最優化。

（4）標準零部件的采用

在設計工作中，應考慮盡可能的采用市場上已有的標準零部件。采用標準零部件可以有效減少產品開發時間，同時，標準零部件還具有成本低、質量可靠、互換性強和便于維修等優點。

［1］毛銀氚.淺談機械設計技術的現狀與趨勢［J］.裝備制造技術，2008（5）：124-126.

［2］楊海榮.現代機械設計的創新方法研究［J］.機電信息，2011（18）：161-162.

［3］吳淑芳，黃啟良，王宗彥，等.機械產品參數化優化設計方法研究與應用［J］.礦山機械，2012，33（2）：18-21.

［4］邱繼偉，張瑞軍，叢東升，等.機械零件可靠性設計理論與方法研究［J］.工程設計學報，2011，18（6）：401-405.

［5］巫宗萍.健壯設計及其在機械設計中的應用［J］.機械設計與制造，2010（5）：25.

［6］楊建中，王藝穎，楊曦，等.并行設計技術分析及其在產品研發中的應用［J］.重慶科技學院學報，2013，15（3）：111-114.

［7］周皖青.CATIA在汽車模具逆向工程設計中的應用［J］.企業科技與發展，2008（16）：63-64.

［8］劉淑芬，高奇.虛擬制造技術在現代機械工程設計領域中的應用［J］.裝備制造技術，2009（6）：86-87.

［9］汪云祥，高洪.模塊化設計及其在齒輪減速器中的應用［J］.安徽機電學院學報，2002，17（2）：9-12.

A Mechanical Design Method Based Product Function Analysis and Structure Optimization

DING Li-jun1,2，DAI Shu-guang1，MENG Qing-yun2，SHEN Li-xing2
（1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai20093，China；2.Department of Medical Devices Engineering，Shanghai Medical Instrumentation College，Shanghai20093，China）

Based on the analysis of structure and function of mechanical products，the article establishes an analysis and evaluation method of mechanical design.In this method，product’s function is analyzed and decomposed into several sub-functions.On the basis of analysis and comparison of implement mechanisms， a function-mechanism optimization algorithm is established to evaluate the product’s mechanism composition program.Through analyzing and optimizing the structure of these mechanisms chosen in the product/s mechanism composition program，a final product implementation program is formed.Finally，an example is showed to demonstrate the feasibility of the design method.

function analysis；structure optimization；analysis and evaluation

TH122

A

1009－9492(2014)05－0057－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.014

丁立軍，男，1971年生，山東龍口人，博士，講師。研究領域：測試信號的獲取與處理、機電工程。

(

編輯：向 飛)

*國家自然科學基金（編號：51075280）；上海市教委重點學科第五期資助基金（編號：J50505）

2014－03－10