0 引言

    產(chǎn)品的變型設計是在保持產(chǎn)品基本原理和總體結(jié)構(gòu)基本不變的條件下，為滿足特定的功能要求或用戶個性化需求，對產(chǎn)品的某些局部結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)要素或尺寸進行調(diào)整、變更。設計過程中，需求是變型設計的動力，用戶的需求驅(qū)動了產(chǎn)品系列化的發(fā)展。如何利用現(xiàn)有的商業(yè)CAD來快速反應市場需求，是當今市場、企業(yè)和設計人員面臨的一個關(guān)鍵問題。與自頂向下的設計模式相適應，在以TBS模型為核心的產(chǎn)品建模的基礎下，可以快速實現(xiàn)產(chǎn)品的變型設計。而隨著人們?nèi)找嬖黾拥木�神需求，產(chǎn)品外形的多變化也越來越和人的審美和個性結(jié)合在一起。如何整合現(xiàn)在各種變型設計方法的優(yōu)勢，以需求為驅(qū)動，充分考慮工業(yè)美學的原則把提高變型設計的適應性和響應性，是變型設計的關(guān)鍵所在。

    1 面向需求的產(chǎn)品裝配模型變型設計

    1.1 需求模型到裝配模型

    從產(chǎn)品模型上講，裝配模型是一個支持產(chǎn)品從概念設計到零件設計，并能完整、正確地傳遞不同裝配體設計參數(shù)、裝配層次和裝配信息的產(chǎn)品模型。它是產(chǎn)品設計過程中數(shù)據(jù)管理的核心，是產(chǎn)品開發(fā)和支持設計靈活變動的強有力工具。裝配模型的建立為面向裝配的產(chǎn)品設計提供了信息來源，并對并行工程和面向裝配設計提供了信息支持。產(chǎn)品在市場上要擁有競爭優(yōu)勢，必需要改善或創(chuàng)造產(chǎn)品，并且在產(chǎn)品的差異性上有所突破，滿足人們個性化的需求。對設計者而言，對現(xiàn)有產(chǎn)品的上進行功能的改進，性能的提高或者尺寸的改進等，使其更加適合于用戶的需要。用戶的需要在經(jīng)過具體的分析調(diào)查后，建立出相應的產(chǎn)品需求模型，從產(chǎn)品需求模型入手，逐步分析將其映射到裝配模型中去。

    1.2 功能結(jié)構(gòu)映射

    功能通俗地說是指產(chǎn)品的效能、用途和作用。而改進的產(chǎn)品所需要的增加或改進的需求特征是與產(chǎn)品所完成的某個子功能是相對應的。需求特征的描述是通過產(chǎn)品功能的描述表達出來的。并通過這種表達完成到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化的映射。在功能向結(jié)構(gòu)的映射過程中，是通過結(jié)構(gòu)映射模型來完成的。ian和Gero提出了功能行為結(jié)構(gòu)FBS設計過程模型。在FBS模型中，“結(jié)構(gòu)”用于定義該設計由哪些元件組成，這些元件的屬性如何，以及元件之間的關(guān)系;“行為”表示設計者用來推斷出結(jié)構(gòu)的辦法，它由行為類型、行為變量和定性的因果關(guān)系構(gòu)成;“功能”則是一個設計目的的表達。行為在功能結(jié)構(gòu)之間起溝通的橋梁。功能結(jié)構(gòu)映射模型如圖1所示。

圖1 功能結(jié)構(gòu)映射模型

    1.3 工業(yè)美學原理指導產(chǎn)品外觀

    產(chǎn)品美學問題是“以用戶的需求為中心”的另一個重要方面。在體驗經(jīng)濟時代，重要的是用戶的情感體驗，“美”是人類永恒的情感主題，“美”使產(chǎn)品具有更高的品質(zhì)，能體現(xiàn)產(chǎn)品對用戶更細微的關(guān)懷，還能反映出產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)的文化品味。提高產(chǎn)品的美學品質(zhì)，是工業(yè)設計學科出發(fā)的原點，也是一個永恒的立足點。越是經(jīng)濟發(fā)達的社會，產(chǎn)品的物效功能只是產(chǎn)品必備的基本條件，產(chǎn)品的文化層面才是更為重要的內(nèi)容，用戶體驗的是產(chǎn)品中的文化因素、美學因素。工業(yè)產(chǎn)品的造型是通過變化多個造型要素相互之間的關(guān)系而形成的。在具體的零件的形態(tài)變型設計過程中，要遵循工業(yè)美學的原則來進行。使所完成的最終產(chǎn)品不僅具有實際的使用功能還具有符合人們美學感受的精神功能。不僅滿足人們的使用要求，還滿足人們的精神和心理的需求。

    在需求決定功能變化，TBS實現(xiàn)結(jié)構(gòu)變化，美學原則指導形態(tài)變化思想的指導下，建立了面向功能需求的裝配模型變型設計框架。

    2 面向功能需求的裝配模型變型設計框架

    2.1 裝配模型變型設計框架的確立

    在變型設計中，所要設計的大部分產(chǎn)品是技術(shù)比較成熟型產(chǎn)品。就整體而言，變型設計就是一個相應于產(chǎn)品的基本組成結(jié)構(gòu)而對設計任務逐步分解、求精的過程，即運用一定的規(guī)則將對整個產(chǎn)品的設計歸結(jié)為對其中各個部件、零件等功能模塊的設計。目前的變型設計理論，有基于裝配模型的變型理論、模塊化變型設計、基于特征的變型設計理論、基于參數(shù)設計和變量設計方法的變型設計理論，以及基于實例推理的變型設計理論。在這些理論中基于特征的和參數(shù)化設計的變型可以通過三維設計平臺，比如Pro/E等軟件，借助軟件本身的操作平臺來實現(xiàn)。需要解決的關(guān)鍵問題是參數(shù)改變以后，約束問題的解決。由于參數(shù)化的只是零件的部分特征，容易出現(xiàn)裝配模型隨著修改的增加而產(chǎn)生裝配模型崩潰的問題。而模塊化變型設計是建立在模塊的定義和組織管理基礎之上的，其對特定產(chǎn)品的模塊的劃分不是隨意的，而且模塊與模塊之間的裝配關(guān)系是預先確定的，也不能隨意改變，因而這也就限制了其使用范圍。它不可能建立一種通用統(tǒng)一的設計環(huán)境或適應于較大范圍的產(chǎn)品設計�；�于實例推理的變型設計理論，能合理利用已有資源，實現(xiàn)產(chǎn)品的快速變型設計。但也存在著實例修改怎樣實現(xiàn)的問題。基于裝配建模的變型設計重點是裝配模型的建立過程，旨在建立完整的描述產(chǎn)品裝配信息的數(shù)據(jù)模型，以期不僅可以表達零件的幾何模型，而且可以通過表達零件之間的裝配關(guān)系反映整個產(chǎn)品的功能要求和設計者的設計意圖。因而符合自頂向下的設計思想并且支持概念設計。隨著CAD技術(shù)和三維造型軟件的發(fā)展，以裝配模型為基礎的變型設計是研究的重點�？傊�，以上述及的變型設計理論和方法，均不同程度地解決了變型設計中一些重要問題，達到了一定的目的和要求。它們也存在不足：①不支持產(chǎn)品設計的全過程，無法表達設計者的設計意圖，特別是在概念設計階段；②沒有提供對已有產(chǎn)品資源的有效的組織管理形式和手段，缺少多層次的變型方法。這就導致設計人員在進行變型設計時，不是求解的方法和求解的結(jié)果嚴格受限，就是非變型的產(chǎn)品的大量涌現(xiàn)，達不到變型設計目的；③缺少一個有效的支持變型設計的人機協(xié)作的環(huán)境。在產(chǎn)品變型設計中，特別是在外形的變化過程中，缺乏工業(yè)美學原則的約束。

    在整個設計過程中，關(guān)鍵是概念設計中的功能的變化如何被現(xiàn)有的CAD系統(tǒng)支持的問題。針對以上的不足，我們提出了面向需求的變型設計框架，如圖2所示。此框架將裝配模型、特征參數(shù)化技術(shù)、模塊化的思想以及CBR技術(shù)結(jié)合起來，以建模技術(shù)中TBS模型為核心，提出了一種面向需求基于裝配模型的變型設計智能框架，充分發(fā)揮了裝配模型、CBR技術(shù)和TBS模型建模的各自的優(yōu)點，較為全面、系統(tǒng)地表述了變型設計的流程和產(chǎn)品變型設計中的各級模型。

圖2 面向需求的裝配模型變型設計框架

    2.2 面向功能需求的裝配模型變型設計框架的特點

    (1)概念模型在需求模型的基礎上完成的，在概念模型的建立過程中已經(jīng)考慮到需求變化的特征，因而概念建模是在一定空間的有約束的空間求解的過程。

    (2)裝配模型是實例推理的基礎，裝配建模是在CBR運行過程中實現(xiàn)的，這樣使裝配建模的結(jié)果大量地重用了企業(yè)的已有資源。縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。

    (3)采用需求模型、概念模型和裝配模型表示產(chǎn)品的變型，具有多視圖的特點。

    (4)較為系統(tǒng)地給出了變型設計的模型，符合設計過程中自頂向下的設計思路，支持概念設計和并行設計。

    (5)由于TBS模型的引入，使其成為產(chǎn)品資源的有效的組織管理形式和手段，實現(xiàn)了多層次的變型方法。

    (6)把工業(yè)美學的原則作為一個重要的原則在整個框架中提出來，把產(chǎn)品的工業(yè)設計的內(nèi)容與產(chǎn)品設計本身來融合在一起，使之在整個變型過程中就包含這一方面，而不是在整個產(chǎn)品的后期才作為單獨的階段來完成。

    3 結(jié)束語

    本章中在提出了以TBS建模為基礎，遵循美學原則來實現(xiàn)面向用戶需求的產(chǎn)品變型設計新思想。并在此思想的指導下，建立了面向需求的產(chǎn)品變型設計框架。此框架系統(tǒng)地建立了變型設計模型。并以TBS為中心的特征參數(shù)化建模為基礎，以過程中的自頂向下思想和局部的模塊化思想相結(jié)合，以裝配模型為核心，以參數(shù)化特征技術(shù)為平臺，實現(xiàn)了多層次的變型設計。從而為產(chǎn)品的快捷變型設計、系列化設計和優(yōu)化設計提供了可行的方法。

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本文標題：面向需求的產(chǎn)品裝配模型變型設計框架研究

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