機械產品功能創新設計研究現狀分析

田海榮

摘要：機械產品是指那些具有物理實體結構且在操作過程中僅涉及物理行為的人造物理裝置。制造業特別是機器制造業，是國家經濟的支柱產業和經濟增長的發動機，是高新技術產業化和現代化的基礎，是國家安全的重要保障。為實現我國機械工業從“國外引進型”向“自主創新型”跨越，達成創造強國的宏愿，必須重視機械產品設計理論及方法的研究。

關鍵詞：機械產品;功能創新設計;研究現狀;

引言

機械產品的傳統設計高度依賴技術和設計人員的經驗，存在設計周期長、創新能力低等問題，無法滿足工業生產使用新型多功能機械產品的需要。隨著AI技術的成熟，還推廣和利用了基于知識的快速創新設計技術，試圖結合專家經驗、人工智能、海量數據提取、云計算分析等，構建機械產品快速創新設計系統。為實現產品需求分析的逐一處理，實現產品零件搜索、自動裝配和智能優化，大大縮短機械產品創新設計周期，加速了機械產品更新迭代速率，對促進工業自動化、信息化發展也有積極幫助。

1功能定義

功能是對技術系統或產品工作能力的抽象描述。對需求信息或者產品的效能應用科學、精簡的語言的抽象描述就是功能定義。功能定義的意義有以下三個方面：（1）明確需求。功能定義是對設計本質和核心的抽象表達，便于工程設計人員找到實現產品功能的方式。（2）便于功能分析。機械產品概念設計階段的功能分析，首先將機械產品各組成抽象為功能，功能定義對于功能單元間內在聯系的界定比較有利。（3）開拓思路。功能定義僅僅抽象出需求的核心及本質，但與實現產品功能的具體結構無關，所以，工程設計人員在思想及概念上分離具體結構和形式與功能，這有利于擺脫思想束縛，也利于機械產品的創新設計。功能定義雖然尚未統一，但多數專家都從各自研究角度提出各自觀點。首先，功能定義時需要考慮比較多因素，得出一個被大家廣泛接納的功能定義非常有挑戰性。對于機械產品，機器的工作過程中物料涉及的只有構型變化、運動形態變化及兩種以上的多種物料包容、混合等變化。因此，在機械產品物料形態、構型、混合變化的基礎上建立機械產品功能集，為提升功能導向搜索（Function-Oriented Search，FOS）的效率和質量打下堅實基礎。

2機械產品快速創新設計系統

2.1明確知識獲取流程

為了實現目標產品的快速創新設計，需要明確界定整個設計過程，并確保設計系統與邏輯過程保持一致。總之，快速創新設計系統的運行過程分為五個主要階段：（1）了解機械產品的設計要求，包括形狀、尺寸、功能等。（2）根據設計要求，從概念設計入手，首先獲取機械產品的模型結構，記錄參數、結構數據等，并將各項參數、結構資料等存儲到概念模式庫內。（3）查找符合機械產品設計和裝配的包裝和零件。一旦收集到適當的殼體和零件，應進行試驗性裝配，以確保它們與零件的兼容性。（4）組合效果評估。根據評估結果確定并找出機械產品的瑕疵并進行優化。將為設計優化的機械產品設置存儲在物理庫中。（5）形成最終設計方案，按照方案生產機械產品，最后方案儲存在方案庫。

2.2功能分析系統技術

功能分析系統技術（FAST）最早是由通用電氣公司工程師L.D.Miles應用于價值工程的基礎上提出，后經研究和發展逐步成為相對成熟的功能分析方法。功能分析系統技術可以用以定義、分析和理解機械產品功能及各子功能之間的內部聯系，也可用于功能改善以提升產品價值，并按照邏輯和優先次序把功能排列并測試其從屬關系，使工程設計人員更加了解產品的功能原理，分析機械產品設計目標和明確改進設計方案。

2.3快速生產產品方案

設計了一個快速生成的產品模塊，允許直接裝配從包裝中提取的零件。對于儲存在「包膜零件資源庫」中的每種類型的零件資訊，請根據設計配置標示零件。然后，零件會自動按照標記順序裝配，以獲得初始產品。產品通常在精度等方面存在缺陷，因此需要優化。設計者根據零件移動參數、表面放置類型等調整零件的組合方式。在產品中，進一步提高了產品的整體精度和不同部件之間的運動協調。

2.4三維建模技術應用

三維CAD技術包含交互技術、圖形變換技術、曲面造型以及實體造型技術等內容。其中，作為不可或缺的交互技術，是在產品設計過程當中，使人和機器適時的交換彼此所需要的信息，讓參與設計的人員可以通過機器將所看到的產品信息情況進行修改或者重新構思，非常便捷的掌握到每步操作所展示的結果，將設計產品更加直觀的展現出來;圖形變換技術是將用戶坐標系和圖形輸出設備坐標系進行聯結，可以運用矩陣運算來實現圖形的旋轉、平移、縮放甚至是透視變換等不同需求;實體造型技術是在計算機視覺、計算機動畫、計算機虛擬現實等領域建立起的3D實體模型技術。此技術通過將幾何模型的形狀及屬性等重要信息儲存于計算機中，由計算機生成具有真實感的三維圖形。綜合背景場景、光影效果等多項技術的內容，在產品設計方面凸顯更為真實、直觀的效果，很大程度提升產品設計的技術能力和產品質量。

3研究現狀總結及存在問題分析

（1）功能需求獲取。機械產品作為連接客戶和企業的紐帶，客戶需求表達是客戶對企業產品的總要求，更是作為產品生命周期的起點，機械產品概念產生及產品開發都很大程度上依賴于對客戶需求的認識。如何全面、準確獲取客戶需求，完成客戶需求到產品設計要求的映射，可以使設計者有目的的分析產品功能，是進行產品設計的關鍵。（2）功能分解與功能結構構建。采用由底向上或自頂向下的單項式建立功能結構，在機械產品功能分解中很難一次性實現功能結構構建，分解功能及分解到何種程度尚未有具體的流程性指導，且功能分解過程過于依賴主觀經驗，分解過程難以避免可操作性差、準確性低的問題。（3）設計更改。對于大型、復雜的設備，其設計開發時間長、環節多、質量要求高，在液、氣動計算、結構設計、材料選擇、強度校核時，有可能發生與計劃不符的內容增加或修改。例如進行工程圖紙的設計、校對、審核時，也會產生更改（含改進、改錯）。這些更改必須以書面的形式傳遞給關聯部門，包括對已打印輸出圖紙的更改。這也是一種糾正措施，可預防不合格的發生。圖紙更改流程如下：①發起更改。圖樣可以更改或者換新圖，由設計者了解生產進程并發起審批流程。②填寫改圖通知單。按照給定格式填寫圖紙編號、零部件名稱、改圖部門、更改原因、類型、緊急程度，以及原局部圖示內容和新圖示內容等。尺寸、文字、符號、圖形須按照國標要求標注。③實施更改。由專職改圖人員按照通知單內容負責對底檔及在用資料室圖紙進行詳細更改，并加注相應的標識和保留記錄等。

結束語

現代機械產品的設計必須在速度、精度、質量等方面進行整合，以滿足用戶對機械產品設計、裝配和使用的要求。以知識為基礎的機械產品快速創新設計系統可以通過構建知識庫和數據庫并結合兩者實現零件的快速組裝，一方面可以根據設計解決方案從知識庫中快速檢索解決方案的包裝零件，另一方面又能夠根據專家經驗和數據調用，實現對零件的快速組裝，顯著縮短了從設計到裝配的周期。此外，該系統還提供備件調節和程序評估功能，從而通過優化調節來提高整體系統性能。

參考文獻

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