面向产品创新设计的CAD方法综述
2001/2/18 来源:计算机辅助设计与图形学学报 作者:俞 杰 耿卫东 潘云鹤

    核心提示:1、引 言,2、基于分解的功能方案设计方法, 2.1 功能逻辑分解方法, 2.2 fbs(function-behavior-state)方法,3、面向功能单元的结构设计方法,4、基于装配的产品改良设计方法,4.1 坐标系约束方法,4.2 位置约束方法,4.3 运动学方法,4.4 fits-against方法,5.1 面向对象设计模型[13,14],5.2 gdt(general design t

  摘 要 对现有的与产品创新设计有关的CAD方法从4个方面进行了分析和归纳,分析了各种方法的优缺点,以期为深入研究实用的、符合工程设计要求的产品创新设计CAD方法提供有益的参考。
  关键词 产品创新设计,设计方法模型,CAD方法 

    1、引 言

  随着科技的发展,产品更新换代也越来越快,工厂中以往那种单一产品大批量生产的状况已经无法适应。目前生产中流行的是小批量、多种类的设计要求,这就要求工程设计人员建立一套有效的产品开发方法。为此,许多专家学者以计算机图形学为理论基础,以产品几何(特征)模型为核心,提出了面向零件、面向装配以及面向制造的计算机辅助设计方法等等模型。虽然,现有的许多CAD软件在产品的分析、计算、绘图以及制造方面发挥了很大的作用,但是产品开发更多更重要的是非数据计算的、通过思考、推理和判断来解决的创新活动。基于几何(特征)模型的CAD技术能够缩短设计时间、改良已有设计、提供方便有效的制造接口,但是只有创新活动才能真正从根本原理上进行产品革新,才能为社会提供种类更多、功能更丰富、价格更经济、性能更有效的新产品,才能在产品的性能、质量、价格等方面产生质的飞跃。可以说现代设计的核心就是创新设计, 它需要根据以往的设计经验、根据新兴技术所提供的新原理、新方法进行产品的分析、设计。因此,许多专家学者试图将人工智能技术融入CAD技术之中,并为之做了许多有益的尝试,提出了许多种面向产品创新设计的CAD方法,对加速新产品的开发起了积极的作用。
  面向产品创新设计的CAD方法主要以现有的CAD技术以及人工智能技术为基础,以产品创新为目的,它以产品的设计要求为初始输入,产品设计方案为最终输出,包含了概念设计方案的生成、功能单元的结构设计、产品装配设计、详细设计、改良设计以及产品数据模型的生成等方面。
  产品开发过程包括市场调研、需求分析、功能方案设计、结构设计、装配设计、详细设计、改良设计以及生产、销售等等环节。根据这一过程和面向产品创新设计的侧重面,我们把现有对面向产品创新设计的CAD方法的研究归纳为基于分解的功能方案设计方法、面向功能单元的结构设计方法、基于装配的产品改良方法、面向全过程的设计方法及模型等4类。前3类是创新设计过程的3个主要阶段,第4类主要从设计方法学角度论述计算机辅助创新设计方法的设计过程模型。下面对这4种类型的研究分别加以叙述。

    2、基于分解的功能方案设计方法

  产品的功能方案设计可以说是整个设计过程中最初的也是最重要的一步,它需要找出可以实现该产品功能的各种可能方案并进行优选,关键性的一步就是如何进行产品设计要求的功能分解,因为产品的设计要求是最精炼的产品功能描述,而形成产品的却是许许多多完成一定功能的零部件的组合。如何将抽象的产品设计要求转换为具体的、现实的功能要求充分体现了人的创造活动。对这方面的研究,焦点主要集中在功能分解的依据上,有2种方法比较典型:一种以Robert H Sturges为代表,以价值工程理论(VE)为背景,采用功能分解,称为功能逻辑分解方法:另一种以Yasushi Umeda为代表,以人的认知模型为背景,采用行为分解,称为FBS方法。虽然两者都处于发展之中,但是我们认为后者的分解依据更贴近工程设计的思维模式

    2.1 功能逻辑分解方法
  功能逻辑分解方法从价值工程理论演化而来,经历了基本功能逻辑分解到扩展的功能逻辑分解2个阶段。它的核心是认为设计是一个以功能为基本单位的逻辑问题,认为功能是代表做什么的符号,具有逻辑操作性。它把最终目标,也就是整个产品的综合功能认为是初始功能,它可以被逻辑分解为N个第2层功能,继而分解为第3层功能,直至完成某单一功能的理论上不必再分解的基本功能。整个分解过程被看作是不断问HOW的一个逻辑求解过程,即怎样来实现要被分解的功能,最终形成网状结构的功能扩展结果。该逻辑操作依托于功能定义库,功能定义库进行功能的描述以及定义该功能的后续功能,只有基本功能没有后续功能,并且定义功能块之间的关系。在这种功能扩展中功能块之间存在着:(1)与......点击查阅全文......↓