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面向需求的产品装配模型变型设计框架研究

2016/4/19    来源:互联网    作者:田蕴  刘健  丁志敏      
关键字:变型设计  装配模型  需求模型  
介绍了面向需求的装配模型变型设计的相关概念,在分析变型设计各种方法的基础上,将装配模型、特征参数化技术、模块化的思想以及CBR技术结合起来,以建模技术中TBS模型为核心,提出了一种面向需求基于装配模型的变型设计智能框架。为产品的快捷变型设计、系列化设计和优化设计提供了可行的方法。

    0 引言

    产品的变型设计是在保持产品基本原理和总体结构基本不变的条件下,为满足特定的功能要求或用户个性化需求,对产品的某些局部结构形式、结构要素或尺寸进行调整、变更。设计过程中,需求是变型设计的动力,用户的需求驱动了产品系列化的发展。如何利用现有的商业CAD来快速反应市场需求,是当今市场、企业和设计人员面临的一个关键问题。与自顶向下的设计模式相适应,在以TBS模型为核心的产品建模的基础下,可以快速实现产品的变型设计。而随着人们日益增加的精神需求,产品外形的多变化也越来越和人的审美和个性结合在一起。如何整合现在各种变型设计方法的优势,以需求为驱动,充分考虑工业美学的原则把提高变型设计的适应性和响应性,是变型设计的关键所在。

    1 面向需求的产品装配模型变型设计

    1.1 需求模型到装配模型

    从产品模型上讲,装配模型是一个支持产品从概念设计到零件设计,并能完整、正确地传递不同装配体设计参数、装配层次和装配信息的产品模型。它是产品设计过程中数据管理的核心,是产品开发和支持设计灵活变动的强有力工具。装配模型的建立为面向装配的产品设计提供了信息来源,并对并行工程和面向装配设计提供了信息支持。产品在市场上要拥有竞争优势,必需要改善或创造产品,并且在产品的差异性上有所突破,满足人们个性化的需求。对设计者而言,对现有产品的上进行功能的改进,性能的提高或者尺寸的改进等,使其更加适合于用户的需要。用户的需要在经过具体的分析调查后,建立出相应的产品需求模型,从产品需求模型入手,逐步分析将其映射到装配模型中去。

    1.2 功能结构映射

    功能通俗地说是指产品的效能、用途和作用。而改进的产品所需要的增加或改进的需求特征是与产品所完成的某个子功能是相对应的。需求特征的描述是通过产品功能的描述表达出来的。并通过这种表达完成到产品结构变化的映射。在功能向结构的映射过程中,是通过结构映射模型来完成的。ian和Gero提出了功能行为结构FBS设计过程模型。在FBS模型中,“结构”用于定义该设计由哪些元件组成,这些元件的属性如何,以及元件之间的关系;“行为”表示设计者用来推断出结构的办法,它由行为类型、行为变量和定性的因果关系构成;“功能”则是一个设计目的的表达。行为在功能结构之间起沟通的桥梁。功能结构映射模型如图1所示。

功能结构映射模型

图1 功能结构映射模型

    1.3 工业美学原理指导产品外观

    产品美学问题是“以用户的需求为中心”的另一个重要方面。在体验经济时代,重要的是用户的情感体验,“美”是人类永恒的情感主题,“美”使产品具有更高的品质,能体现产品对用户更细微的关怀,还能反映出产品生产企业的文化品味。提高产品的美学品质,是工业设计学科出发的原点,也是一个永恒的立足点。越是经济发达的社会,产品的物效功能只是产品必备的基本条件,产品的文化层面才是更为重要的内容,用户体验的是产品中的文化因素、美学因素。工业产品的造型是通过变化多个造型要素相互之间的关系而形成的。在具体的零件的形态变型设计过程中,要遵循工业美学的原则来进行。使所完成的最终产品不仅具有实际的使用功能还具有符合人们美学感受的精神功能。不仅满足人们的使用要求,还满足人们的精神和心理的需求。

    在需求决定功能变化,TBS实现结构变化,美学原则指导形态变化思想的指导下,建立了面向功能需求的装配模型变型设计框架。

    2 面向功能需求的装配模型变型设计框架

    2.1 装配模型变型设计框架的确立

    在变型设计中,所要设计的大部分产品是技术比较成熟型产品。就整体而言,变型设计就是一个相应于产品的基本组成结构而对设计任务逐步分解、求精的过程,即运用一定的规则将对整个产品的设计归结为对其中各个部件、零件等功能模块的设计。目前的变型设计理论,有基于装配模型的变型理论、模块化变型设计、基于特征的变型设计理论、基于参数设计和变量设计方法的变型设计理论,以及基于实例推理的变型设计理论。在这些理论中基于特征的和参数化设计的变型可以通过三维设计平台,比如Pro/E等软件,借助软件本身的操作平台来实现。需要解决的关键问题是参数改变以后,约束问题的解决。由于参数化的只是零件的部分特征,容易出现装配模型随着修改的增加而产生装配模型崩溃的问题。而模块化变型设计是建立在模块的定义和组织管理基础之上的,其对特定产品的模块的划分不是随意的,而且模块与模块之间的装配关系是预先确定的,也不能随意改变,因而这也就限制了其使用范围。它不可能建立一种通用统一的设计环境或适应于较大范围的产品设计。基于实例推理的变型设计理论,能合理利用已有资源,实现产品的快速变型设计。但也存在着实例修改怎样实现的问题。基于装配建模的变型设计重点是装配模型的建立过程,旨在建立完整的描述产品装配信息的数据模型,以期不仅可以表达零件的几何模型,而且可以通过表达零件之间的装配关系反映整个产品的功能要求和设计者的设计意图。因而符合自顶向下的设计思想并且支持概念设计。随着CAD技术和三维造型软件的发展,以装配模型为基础的变型设计是研究的重点。总之,以上述及的变型设计理论和方法,均不同程度地解决了变型设计中一些重要问题,达到了一定的目的和要求。它们也存在不足:①不支持产品设计的全过程,无法表达设计者的设计意图,特别是在概念设计阶段;②没有提供对已有产品资源的有效的组织管理形式和手段,缺少多层次的变型方法。这就导致设计人员在进行变型设计时,不是求解的方法和求解的结果严格受限,就是非变型的产品的大量涌现,达不到变型设计目的;③缺少一个有效的支持变型设计的人机协作的环境。在产品变型设计中,特别是在外形的变化过程中,缺乏工业美学原则的约束。

    在整个设计过程中,关键是概念设计中的功能的变化如何被现有的CAD系统支持的问题。针对以上的不足,我们提出了面向需求的变型设计框架,如图2所示。此框架将装配模型、特征参数化技术、模块化的思想以及CBR技术结合起来,以建模技术中TBS模型为核心,提出了一种面向需求基于装配模型的变型设计智能框架,充分发挥了装配模型、CBR技术和TBS模型建模的各自的优点,较为全面、系统地表述了变型设计的流程和产品变型设计中的各级模型。

面向需求的装配模型变型设计框架

图2 面向需求的装配模型变型设计框架

    2.2 面向功能需求的装配模型变型设计框架的特点

    (1)概念模型在需求模型的基础上完成的,在概念模型的建立过程中已经考虑到需求变化的特征,因而概念建模是在一定空间的有约束的空间求解的过程。

    (2)装配模型是实例推理的基础,装配建模是在CBR运行过程中实现的,这样使装配建模的结果大量地重用了企业的已有资源。缩短了产品开发周期。

    (3)采用需求模型、概念模型和装配模型表示产品的变型,具有多视图的特点。

    (4)较为系统地给出了变型设计的模型,符合设计过程中自顶向下的设计思路,支持概念设计和并行设计。

    (5)由于TBS模型的引入,使其成为产品资源的有效的组织管理形式和手段,实现了多层次的变型方法。

    (6)把工业美学的原则作为一个重要的原则在整个框架中提出来,把产品的工业设计的内容与产品设计本身来融合在一起,使之在整个变型过程中就包含这一方面,而不是在整个产品的后期才作为单独的阶段来完成。

    3 结束语

    本章中在提出了以TBS建模为基础,遵循美学原则来实现面向用户需求的产品变型设计新思想。并在此思想的指导下,建立了面向需求的产品变型设计框架。此框架系统地建立了变型设计模型。并以TBS为中心的特征参数化建模为基础,以过程中的自顶向下思想和局部的模块化思想相结合,以装配模型为核心,以参数化特征技术为平台,实现了多层次的变型设计。从而为产品的快捷变型设计、系列化设计和优化设计提供了可行的方法。

责任编辑:张瑾
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