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数字化设计技术及其在农业机械设计中的应用

2016/10/27    来源:互联网    作者:阎楚良  杨方飞  张书明      
关键字:数字化设计  知识工程  虚拟原型  
针对数字化设计技术的定义分析了其特点,阐述了当今数字化设计技术研究的热点——计算机辅助概念设计、知识工程、虚拟原型技术、同时探讨了农业机械数字化设计技术未来的发展趋势,即突出产品创新设计、重视虚拟现实技术、强调产品协同设计。

引言

    企业竞争力的构成要素、一般认为有以下几个方面:功能、质量(功能的实现及保持)、价格(全成本、效益)、交货期、售后服务(维修升级培训)、环境(含人、机)相容性等等,原则上这些方面都是在产品设计阶段就确定的。所以说,产品设计是制造业的灵魂近年来,信息技术的迅猛发展使得传统的设计方法逐渐为现代设计方法所取代、大批学者对现代设计方法进行了研究,产生了如并行设计、虚拟设讯稳健设计绿色设计优势设计、模糊设计等一批新的设计方法数字化设计技术涵盖了现代设计的最新技术、同时又是现代设计的前提对其进行深入研究十分必要。

1 数字化设计技术的含义及特点

    1.1 含义

    总体而言,数字化设计技术是指将计算机技术应用于产品设计领域计算机辅助设计( CAD)便是数字化设计最初的应用,随着研究的深入,数字化设计的内容扩展了很多,已经不仅仅局限在CAD方面数字化设计技术比较完备的定义是:数字化设计技术是基于产品描述的数字化平台,建立基于计算机的数字化产品模型。并在产品开发全程采用,达到减少或避免使用实物模型的一种产品开发技术。

    1.2 特点

    首先,具有统一的产品定义模型。数字化设计技术通过建立产品设计到制造的单一数字化产品定义模型,也是面向产品生命周期管理( product life management,简称PLM)的基础。针对信息集成的产品模型涌现出许多不同的模式,如集成产品模型产品全信息模型、全息产品模型、灵巧产品模型、分块的全局产品模型等这些模式各有侧重,如集成产品模型强调产品信息的集成;全息产品模型强调产品模型和设计环境模型的相互作用;灵巧产品模型面向虚拟仿真,弥补了传统产品集成模型对产品与仿真以及仿真工具联系不足的缺点。总而言之,目前,产品定义模型大多是抽象的功能概念框架,具体实现方法和技术还有待于进一步研究。

    其次,实现并行设让一项设计工作可由多个设计队伍在不同的地域分头并行设计、共同装配,形成一个可完成强度。可制造性、成本和功能测试的完整的数字化模型。由于面向产品生命周期的产品模型信息的完备性。数字化设计有助于实现产品的面向装配的设计(design for assembly,简称DFA)面向制造的设计(design for manufacturing,简称DFM)和面向维修的设计(design for service ability,简称DFS)等的DFX设计,而DFX的设计在提高产品设计质量与速度方面具有重要的意义。

    再次,设计过程中减少或避免实物模型的制造传统设计在产品定型生产前需经过“样机生产一样机测试-修改设计”的过程,且需反复多次,这不仅耗费物力、财力。还使得产品上市周期延长。数字化设计则在制造实物模型之前,先进行计算机仿真分析与测试,排除某些设计不合理性。

2 当今数字化设计技术研究的热点

    2.1 计算机辅助概念设计(CACD)

    根据现代设计程式化、逻辑化的产品设计思想。产品开发有一定程序可以遵循国内外对产品开发的设计过程的模型有许多论述,如Pahl和Beitz在其《Engineering Desig》中指出,机械设计分为明确任务、概念设计、技术设计和施工设计等4个阶段;海交通大学邹慧君教授提出的机械设计分为产品规划计、详细设计和改进设计等4个阶段。

    概括上述产品设计过程,设计的主要步骤分为两步:一是概念设计(conceptual design),一是构型设计(config uration  design)前者的目的是制定出方案,后者的目的是设计出具体构型。概念设计的重要地位日益突出,概念设计的结果是产品方案,它最终决定着产品的功能、质量、价格、交货期等企业竞争力构成要素据统计,尽管概念设计阶段实际投入的费用只占产品开发总成本的5%,却决定了产品总成本的70%。传统计算机辅助设计系统主要面向产品详细设计阶段,只能解决产品的二维和三维描述。而对于产品的概念设计则没有提供有力的支持,不能充分地体现设计人员的创新设计思维活动。所以其不是真正意义上的计算机辅助产品设计从20世纪80年代后期开始,计算机辅助概念设计(computer aided conceptual design,简称CACD)技术逐渐受到人们的重视,目前已成为设计领域的研究热点之一。

    实现计算机辅助概念设计的关键技术是产品信息建模和推理技术在概念设计阶段产品信息建模主要分为功能信息建模和几何信息建模。功能信息建模包括功能的表达和功能的分解与组合。对功能的表示方式主要有3种:动名词组;输入输出流转换;输入输出状态转换。功能分解与组合是在功能表达的基础上,依据一定的作用原理。将总功能进行逐级分解。得到合适的若干子功能,然后确定各子功能的相互关系,实施功能的重组,进行功能结构的构思和设计对于产品残缺几何信息如何描述、表达及操作,则是概念设计阶段几何信息建模的难点。推理技术有知识驱动和数据驱动两种驱动方式。知识驱动应用于存在大量领域知识的情况下,典型技术如知识推理和优化;而数据驱动指依赖大量领域实际数据参与推理。如事例推理、神经网络和机器学习等,其中基于事实推理(cased-based reasoning,简称CBR)正成为一个重要的发展方向。

    2.2 知识工程( KBE)

    知识工程(knowldge-based engineering,简称KBE)在数字化设计技术中的应用愈来愈广泛现代设计之所以不同于传统的设计,是由于市场、竞争和技术进步形势的变化,它比过去任何时候都更加依赖于对新知识的获取,而不是依赖经验。过去的一二十年间,在人工智能和知识工程等领域发展起来的基于框架、规划模型本体等多种知识建模技术。主要是为实现计算机对知识的智能推理,提高计算机智能服务的。对于新知识的获取,通常有以下几个来源:已有知识;市场信息;数字仿真或虚拟现实;物理模型试验;样机试验:已有产品运行表现谢友柏对以上各来源中知识获取的分析和方法进行了详细的研究。

    知识可分为显性知识(explicit knowledge)和隐性知识(tacit knowledge)。对于显性知识和隐性知识的获取,许多学者做了研究。但是在实现显性知识和隐性知识统一建模,进行知识与知识、知识与人、知识与过程等知识集成等方面有待进一步研究。

    2.3 虚拟原型(VP)

    虚拟原型技术(virtual prototyping,简称VP)近年来作为数字化设计的一个重要的分支,得到了人们的普遍关注。虚拟原型技术是在CAX (如CAD CAM、CAE等)/DFXf如DFA DFM DFS等)等技术基础上发展而来。它将信息技术、先进制造技术和先进仿真技术等应用于复杂系统全生命周期,并进行综合管理。从系统的层面来分析复杂系统,支持“由上至下”的复杂系统开发模式。

    虚拟原型是根据产品设计信息或产品概念产生的在功能、行为和感观特性等方面和物理原型尽可能相似的可仿真的计算机模型虚拟原型技术经过近十年的发展,已经可以部分替代物理原型,在产品设计中得到了广泛的应甩虚拟原型和物理原型相比,具有成本低、制作周期短、灵活性强容易修改、在设计过程的早期阶段就可以建立等优势,对提高产品的设计质量和设计效率起到了很大的作用。相关的研究表明,目前虚拟原型技术己由原来的孤立应用于产品设计过程的若干阶段,逐步向为对产品全生命周期以及并行设计环境下的研究转变,其中面向虚拟装配的虚拟原型技术因其对实际产品设计生产带来的积极推动作用成为热点之一。

责任编辑:马倩
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