基于功能與幾何關聯(lián)的單元化設計方法研究*

梁 文，楊 波，李兆弟，周 闖，姚 孔

(1.山東電力設備有限公司，濟南 250022;2.濟南大學 機械工程學院，濟南 250022;3.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，蘭州 730314)

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基于功能與幾何關聯(lián)的單元化設計方法研究*

梁 文1，楊 波2，李兆弟2，周 闖2，姚 孔3

(1.山東電力設備有限公司，濟南 250022;2.濟南大學 機械工程學院，濟南 250022;3.蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，蘭州 730314)

為了縮短設計時間，提高產(chǎn)品設計方案生成的自動化程度，文章從功能與幾何形體關聯(lián)驅動的角度，提出了一種基于功能與幾何關聯(lián)的產(chǎn)品單元化設計方法。首先，根據(jù)單元的語義與結構特點，將產(chǎn)品的構成單元進行了有效分類，并將單元及其包含的信息從功能流的角度進行抽象，建立了單元符號模型；然后，根據(jù)產(chǎn)品的功能需求，從功能流的角度生成產(chǎn)品的設計方案；在此基礎上，從單元的幾何形體角度，考慮單元間的連接關系與特點，建立產(chǎn)品的裝配信息模型，將各個單元組裝成所需產(chǎn)品。最后，開發(fā)了基于功能與幾何關聯(lián)的單元化設計系統(tǒng)，并以實現(xiàn)直線傳輸運動的概念設計為例驗證了系統(tǒng)的有效性。

功能；幾何形體；單元化設計

0 引言

在產(chǎn)品的整個生命周期中，設計階段決定了產(chǎn)品費用的70%，盡管投入在設計階段的費用只占產(chǎn)品費用的12%左右。所以在當今用戶需求多樣性不斷提高而產(chǎn)品設計開發(fā)周期不斷縮短的情況下，對于設計方法進行研究有著非常重要的意義。單元化設計方法為產(chǎn)品設計提供了新的途徑，它是在參數(shù)化[1]和變型化設計方法的基礎上，運用單元化思想，對產(chǎn)品按功能進行結構分解，并實現(xiàn)產(chǎn)品動態(tài)建模的一種設計方法[2-4]。

單元化設計有很多種方法，國內外學者從不同的角度對此進行了研究。Tolman等[5]提出了產(chǎn)品定義單元的概念，龔京忠等[6]從用戶的功能需求入手，在引入模塊劃分技術的基礎上提出了產(chǎn)品設計概念中的模塊化設計方法。Thom J.van Beek等[7]建立了產(chǎn)品內部功能-行為-狀態(tài)模型，完成功能模塊劃分，王占松等[8]提出了一種基于機械設計意圖建模的知識主動推送服務方法。王波等[9]針對產(chǎn)品裝配結構與裝配關系問題，以產(chǎn)品結構樹為基礎，結合裝配層次結構與裝配單元劃分構建了裝配樹模型。劉巍巍等[10]通過模塊化方法，對機械產(chǎn)品的非結構化數(shù)據(jù)進行研究，建立了產(chǎn)品方案設計模型。

上述文獻對單元化設計方法做了很多有益的嘗試，以上述工作為基礎，本文在產(chǎn)品功能需求的基礎上，通過建立單元的符號模型，實現(xiàn)產(chǎn)品功能流角度的單元化建模，進而得到單元的結構模型，最后通過對單元幾何約束的處理來實現(xiàn)產(chǎn)品的生成。該方法不僅將產(chǎn)品的功能需求按照設計學方法科學的融入了設計過程，而且對于實現(xiàn)各單元在幾何約束方面的關聯(lián)驅動也具有非常重要的意義。

1 單元模型的建立

1.1 單元定義及分類

在基于單元的產(chǎn)品設計中，單元是指產(chǎn)品中能夠完成某些具體功能的零件的集合。根據(jù)功能分類，單元可以分為以下幾類：驅動單元、傳動單元、支撐單元、執(zhí)行單元、聯(lián)接單元等。為了便于設計方案的生成，將聯(lián)接單元以外的單元統(tǒng)稱為功能單元，如表1所示。

表1 單元分類

1.2 單元的符號表示

產(chǎn)品的設計過程其實就是對設計對象進行信息處理的過程，本文中的設計對象就是各個單元，單元中包含了功能、結構等多種信息，從最初的抽象概念到最終的結構設計，單元的信息內容、形態(tài)都是不斷發(fā)展的。如何有效地描述和處理單元及其相關信息是產(chǎn)品設計建模的基本問題。為了便于描述單元信息，本文將單元及其包含的信息從功能流的角度進行抽象，建立了單元符號模型。

(1)功能單元符號模型

若將功能單元看作一個具有輸入輸出信息的系統(tǒng)，那么功能則表達了系統(tǒng)對輸入輸出信息的轉換能力，因此可建立功能單元模型如圖1所示。

圖1 功能單元符號模型

其中輸入、輸出信息包括：運動信息(運動類型、運動往復性、運動連續(xù)性、運動穩(wěn)定性、相對位置)、裝配關系、接口信息。其中接口信息又包括：空間位姿約束、匹配體素類型(平面，柱面，錐面，球面，圓環(huán)面，漸開齒輪面，直線)、幾何尺寸。

基于上述基本信息，功能單元符號模型可進一步細化表示為圖2。

圖2 功能單元符號模型

為了便于單元信息的整理、檢索和匹配，我們將常見的運動信息、裝配關系和接口信息分類并進行編碼表示，其編碼方式如表2、表3、表4所示。

表2 運動信息類型及編碼

注：假設每個單元輸入的都是水平運動

表3 常見的裝配關系及其匹配的接口信息

表4 接口信息類型及編碼

按照上述表格中的編碼，部分單元的圖譜可以表示為

表5 部分單元圖譜

(2)聯(lián)接單元符號模型

聯(lián)接單元是將功能單元聯(lián)接起來的一種結構形式，它可以是各種零件的集合，也可以是一種物理或化學方式，聯(lián)接單元與功能單元之間的關系主要體現(xiàn)為他們之間的接口關系，所以建立聯(lián)接單元符號模型如圖3所示，其中邊代表功能單元與聯(lián)接單元之間的裝配關系。

圖3 聯(lián)接單元符號模型

2 基于功能單元的設計方案生成

2.1 產(chǎn)品功能分析

產(chǎn)品常用的功能-結構映射如圖4。

圖4 產(chǎn)品功能-結構映射圖

在設計具有復雜功能的產(chǎn)品時，通常通過產(chǎn)品功能分析將產(chǎn)品總功能分解成幾個相對簡單的子功能，從而更加容易的實現(xiàn)功能與結構的一一映射。

產(chǎn)品和功能單元都是設計實體，他們是一個相對概念，所以也可以將產(chǎn)品看作一個具有輸入輸出參數(shù)(Pin，Pout)的系統(tǒng)，那么產(chǎn)品的功能可以定義為:“系統(tǒng)的輸入量和輸出量之間的一般的、有希望的關系。”產(chǎn)品整體的功能模型可建立如圖5所示。

圖5 產(chǎn)品功能模型

功能可以表示為Function：f({Pin}{Pout}),相應的從功能流的角度產(chǎn)品可以表示為f產(chǎn)品({Pin}{Pout})，單元可以表示為f單元({Pin}{Pout})，從產(chǎn)品到單元的映射方式有三種：串聯(lián)映射，并聯(lián)映射，串聯(lián)—并聯(lián)映射。如圖6所示。

圖6 產(chǎn)品到單元的映射方式

例如，要求實現(xiàn)一個與輸入軸平行的減速輸出，則可建立其產(chǎn)品功能模型：

旋轉運動→產(chǎn)品→與輸入軸相互平行的減速旋轉運動

該設計需求為單一輸入、單一輸出，可采用串聯(lián)映射模式。其映射過程可表述為：

PU1in→PU1out→PU2in→PU2out→PU3in→PU3out

其中，U1：輸入軸1，U2：傳動單元，U3：輸出軸2。因此，可采用圖7所示傳動機構。

圖7 實例1傳動機構

當設計需求為要求實現(xiàn)兩個輸出：輸出軸1與輸入軸相互平行；輸出軸2與輸入軸異面垂直時，則其功能模型可建立為：

由于該實例要求實現(xiàn)兩個輸出，可采用并聯(lián)映射模式。其映射過程可以表述為：

其中，U1：輸入軸1，U2：傳動單元1，U3：傳動單元2，U4：輸出軸2。因此，可建立圖8所示的滿足設計需求的結構。

圖8 實例2傳動機構

2.2 基于功能單元的產(chǎn)品設計方案生成

本文將設計方案按其逐級生成的過程，分為初步設計方案、基本設計方案和最終設計方案。①初步設計方案：由只具備功能信息而無結構信息的基本功能單元構成組成(例如齒輪傳動)；②基本設計方案：由帶有一定結構信息的基本功能結構單元組成(例如直齒圓柱齒輪傳動)；③最終設計方案：由所需功能結構單元及各個功能單元之間的聯(lián)接單元共同組成。基于上述分類，設計方案的確立步驟如下：

Step1：查詢輸入輸出特征表確定初步設計方案

如圖4所示，產(chǎn)品功能的實現(xiàn)，往往體現(xiàn)為以其構成單元輸入輸出為索引的串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)模式的功能傳遞過程，總結機械系統(tǒng)一些常見功能結構的功能傳遞特點，我們建立了如表6所示的部分結構單元的輸入輸出特征表。根據(jù)已確定的映射方式，遍歷單元的功能輸入輸出表，確定產(chǎn)品的初步設計方案。以圖7為例，根據(jù)串聯(lián)映射模式，以齒輪傳動為索引遍歷表6，得到產(chǎn)品的基本設計方案為：

動力機→聯(lián)軸器→輸入軸→齒輪傳動→輸出軸→工作機

Step2：確定功能單元并生成功能結構圖

在確定各功能單元后，根據(jù)功能單元符號模型中運動信息的編碼進行各功能單元之間的運動信息匹配，若匹配成功便將具體的功能單元編號并生成功能結構圖，否則重新選擇功能單元。如圖7，PU2in—PU2out的運動信息編碼是10000—10000，即功能單元U2的運動形式是單向、勻速、連續(xù)、水平的旋轉—旋轉，因此可選擇直齒輪圓柱齒輪傳動；U1與U2之間的匹配就是PU1out與PU2in的運動信息編碼的匹配，因編碼都是10000，匹配成功。該傳動機構的功能結構圖為圖9所示。

圖9 實例1功能結構圖

Step3：確定聯(lián)接單元，生成最終設計方案

每兩個功能結構單元之間都是由聯(lián)接單元聯(lián)接的，所以功能單元若匹配成功，則選擇聯(lián)接兩功能單元的聯(lián)接單元，得到整個的設計方案。如圖7，U1與U2之間、U2與U3之間選擇普通平鍵聯(lián)接。

這種方法實現(xiàn)了設計方案的分層確定，提高了確定方案的速度，并且減少了個單元之間的耦合關系。

3 基于幾何形體關聯(lián)的單元匹配

在設計方案生成過程中，僅針對單元符號模型中的運動信息做了匹配，而單元的幾何形狀和尺寸可能存在不匹配的現(xiàn)象，因此在幾何形體方面運用單元符號模型中的裝配關系和接口信息來進行單元匹配。首先可建立裝配信息模型以描述各單元之間的裝配關系，例如對于圖7產(chǎn)品，可建立其如圖10所示的裝配信息模型。

圖10 裝配信息模型

其中，U1、U3為直軸單元，U2為直齒圓柱齒輪傳動單元；邊為單元之間的裝配信息，U12、U23為普通平鍵聯(lián)接。

各單元之間能夠正確裝配的關鍵是實現(xiàn)各單元接口的匹配。在具體操作中，首先需選擇要匹配的體素，然后根據(jù)單元之間的裝配關系，從形狀和尺寸兩方面進行幾何約束匹配。其中涉及到兩個關鍵技術：

(1)單元的動態(tài)編輯技術：亦即在原模型基礎上直接對單元不符合匹配要求的部分進行形狀編輯，其流程圖如圖11所示。

圖11 單元動態(tài)編輯流程圖

(2)參數(shù)化設計技術：亦即對單元不符合匹配要求的部分進行形狀尺寸編輯，其流程圖如圖12所示。

對于上例，從單元間的接口信息角度考慮，根據(jù)表3，U1與U2其體素匹配類型為柱面—柱面，幾何尺寸類型為直徑與長度，根據(jù)表4，可知其接口信息代碼為11，在此基礎上，即可采用單元的動態(tài)編輯技術以及參數(shù)化設計技術實現(xiàn)單元的有效裝配。

圖12 參數(shù)化設計流程圖

如圖13a所示，對于孔與軸的裝配需實現(xiàn)孔軸同心與面面重合兩個體素的匹配。孔軸同心可通過軸線共線實現(xiàn)；對于面面重合，由于孔是圓柱面，軸是平面，不滿足體素匹配要求，因而需進行單元的動態(tài)編輯，根據(jù)體素匹配結果，可選擇柱面—柱面或平面—平面。

圖13 孔軸匹配

若選擇柱面—柱面，即圖13b，則根據(jù)提示選取基準體素，即孔面，則對方形的軸進行動態(tài)編輯，將方形軸修改成為圓柱形軸。接著進入?yún)?shù)化設計流程，確定基準體素尺寸信息，根據(jù)基準體素尺寸信息修改軸的尺寸，使的孔、軸的直徑和長度相同。

通過對軸的體素類型和幾何尺寸的修改，可以將原來的無法裝配的單元成功裝配，從而提高單元的利用率。

4 系統(tǒng)應用

在SolidWorks2013的平臺上，開發(fā)了基于功能與幾何關聯(lián)的單元化設計系統(tǒng)。下面以實現(xiàn)直線傳輸運動結構的概念設計為例，驗證系統(tǒng)的有效性。

Step1: 根據(jù)設計需求建立如圖14的產(chǎn)品功能模型

圖14 產(chǎn)品功能模型

Step2: 如圖15選擇帶傳動傳輸形式，該輸出為單一輸出，故采用串聯(lián)映射模式。遍歷功能輸入輸出表，得到基本設計方案。

圖15 產(chǎn)品的功能分析

Step3:進行功能單元的選擇，同時進行單元運動信息的匹配，同時確定各功能單元之間的聯(lián)接單元，得到最終設計方案，見圖16、17。將功能單元編號得到如圖18的功能結構圖。

圖16 功能單元的選擇

圖17 功能單元的匹配和聯(lián)接單元的添加

圖18 功能結構圖

其中，U1：電動機U2：聯(lián)軸器U3：輸入軸U4：帶傳動U5：輸出軸U6：支架。

Step4:根據(jù)各個單元的接口信息建立所需單元之間的裝配關系模型，然后在裝配體的模式下打開單元，進行形狀和尺寸的調整，進而裝配出產(chǎn)品模型，完成整個的產(chǎn)品設計。

圖19 最終產(chǎn)品模型

5 結論

本文從功能的角度出發(fā)，通過幾何形體的匹配，提出了一種單元化快速設計方法。該方法將單元按照其功能特性分為兩類，并按照各自的特點建立了相應的符號模型，基于單元的功能傳遞特點建立輸入輸出特征表，通過單元迭代得到設計方案，最大程度的實現(xiàn)產(chǎn)品設計的自動化。作為一種以數(shù)據(jù)庫為基礎的概念設計方法，目前具有一定的局限性，在此基礎上，進一步完善數(shù)據(jù)庫信息并向詳細設計方向進行研究是下一步的工作方向。

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(編輯 李秀敏)

Unitized Design Method Based on Function Associated with Geometric

LIANG Wen1，YANG Bo1，LI Zhao-di1，ZHOU Chuang1，YAO Kong2

(1.Shandong Power Equipment CO.,Ltd.,Jinan 250022,China;2.School of Mechanical Engineering, University of Jinan, Jinan 250022, China；3.Lanzhou Lanshi Energy Equipment Engineering Institute Co., Ltd., Lanzhou 730314, China)

In order to shorten the design time and improve the automation of product design scheme generation, a unitized design method based on function associated with geometric shapes was proposed in this paper. At first, the product composition unit was classified effectively according to its semantic and structural features, then the unit and the information contained in it was abstracted in the perspective of function flow, establishing unit symbol model. After that, the product design was generated in the perspective of function flow according to the product's functional requirements. On this basis, considering the connection relationship and the characteristics between the unit from the view of the geometric form of unit, establishing product's assembly information model, assembling each unit into the product. At last, a unitized design system based on function associated with geometric shapes was develop, and a case of conceptual design to achieve the linear transmission movement was used to demonstrate the availability of the system.

function；geometric form；unitized design

1001-2265(2016)10-0021-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.10.006

2015-11-06；

2015-12-28

國家自然科學基金項目(50975124)

梁文(1988—)，女，山東濟寧人，山東電力設備有限公司，碩士，研究方向為現(xiàn)代設計方法及理論，(E-mail)xzhanji000000@163.com；通訊作者：楊波(1968—)，女，黑龍江牡丹江人，濟南大學教授，博士，碩士生導師，研究領域為現(xiàn)代設計方法與理論、協(xié)同設計，(E-mail)me_yangb@ujn.edu.cn。

TH122;TG506

A