产品结构设计要求篇1
关键词：电子产品；结构设计；影响因素
中图分类号：tH156文献标识码：a文章编号：1672-545X（2015）11-0258-02
作者简介：郑海航（1987-），男，广东汕尾人，学士，准备评中级机械工程师，研究方向：产品结构开发
电子产品的功效不仅需要通过原理性设计来实现，同样也需要进行电子产品结构设计优化来实现。电子产品的结构性设计与原理性设计相辅相成、不可分割，在电子产品设计时要综合考虑。但是一些电子产品设计人员在产品设计时只侧重于功能性原理设计，忽略了结构性设计。在对电子产品结构设计时要充分考虑到电子产品的功能，综合考虑电子产品生产和维修、产品设计零件材料、产品功效实现、产品用户使用、产品使用寿命、产品经济效益等影响因素。
1电子产品结构设计的要求与原则
1.1电子产品的结构设计要求
电子产品结构设计的要求一般体现在以下几个方面：第一是功能要求，电子产品作为一种商品，要在结构设计中体现自身的使用价值；第二是产品质量要求，产品美观、实用、环保等质量要求决定了产品的价值，有助于实现电子企业的经济效益；第三是产品结构优化，电子产品结构设计涉及到工艺、材料、联接方式、形状、位置、尺寸等结构设计元素，找到结构优化的最佳方案；第四实现结构设计创新，现代电子产品与信息技术同步发展，在高速发展的现代社会，电子产品更新升级速度相当的快速，所以在对电子产品结构设计时要运用创造性思维，运用最先进的电子技术和设备，实现电子产品的盈利。
1.2电子产品结构设计的基本原则
第一，实现各个部件的预期功能的原则，立足结构设计的整体，协调各个结构之间的关系，简化电子产品结构，实现一个结构多种功能；第二，遵循强度与刚度的要求，通过结构设计、减小应力集中、改善受力情况来增加强度，对外壳材料进行综合的检测，满足所需要的强度和刚度；第三，满足制造工艺和装配要求的原则，在结构设计中，要简化电子产品零部件的配置、提升产品装配性能、合理划分装配单元等来实现零部件的合理安装；第四，满足用户审美的原则，电子产品不仅要有实用功能，更不可以忽视电子产品的外在美感[1]。
2结构设计阶段应考虑的主要因素
2.1产品的生产和维修方面的因素
做好电子产品结构设计生产和维修环节，笔者建议从以下几个方面做起：一是增强元器件布局的安全性、高效性、方便性。做到电路清晰识别，避免波峰焊出现隐蔽效应。产品的生产是做好电子产品的基础，因此在产品生产阶段就应当做好结构设计，设计好的产品才能投入生产中。电子产品的设计一定要结合其实用性考虑，将实用性纳入到电子产品结构设计工作中，做到产品的美观设计和实用设计相结合。其次，注重组件部件的连接。组件部件的连接要综合考虑连接线的方式和种类，其对组装效率和产品检修有很大的影响，一般来讲，排线连接生产效率要高，插拔连接较方便，同时，在维修方面的设计也非常重要，电子产品要做到维修便捷，因此在维修方面的设计要易于打开相应设备，维修的线路和主板能够直观地被维修人员看到，及时检查故障点，快速维护产品性能。产品生产和维修是结构设计阶段应当考虑的首要因素。
2.2产品设计零件材料方面的的因素
对产品设计零件材料的选择，也将极大的影响到电子产品设计的效果。在零件材料的选择上，要考虑零件材料是否环保、可回收再利用、安全等因素。在对电子产品设计零件材料的选择上，要选择信誉较好、价格较合适的厂家，不能贪图低价的便宜，缩减生产成本，采购前要选定产品设计所需要的材料，采购时尽量选择材料优质，价格合适的厂家，采购来的零件材料要送到相关的检测部门，经过一系列的检测程序后，安全合格后方可投入到正式的电子产品设计环节中；电子产品的种类不断增多，电子产品的使用人群增多，电子产品的普及产生了较多的电子污染，对土地资源、水资源等都造成了不可修复性的威胁。可是相关电子技术设计人员却忽视了对电子产品的后期处理，造成许多电子产品在被使用后没有得到科学的处理方法，电子设计人员要牢牢树立环保意识，要实现电子产品设计各个环节的无污染。另外，还要考虑电子产品的可回收利用。
2.3产品功效实现方面的因素
电子产品的功效能否实现很大程度上取决于产品内部布局的合理性，因此要想实现电子产品预先设计的功能，就必须要考虑元器件布局、电路板布线、组件部件布局、以及三者之间的相互影响。在元器件布局上要克服电路之间相互干扰的问题，考虑电路板承重限度，避免过重导致电路板的变形甚至是断裂，对于怕热的元器件要远离物源；在电路板布线方面，要考虑公共、高频线路阻抗、信号、接地等因素对信号的影响，避免分布电容对布线带来的干扰；在组件部件布局方面，应该考虑到与相关因素的地理位置距离。
2.4产品在用户使用方面的因素
电子产品设计是为了服务广大用户，因此，要考虑到用户使用方面的因素。电子产品贴近人们生活，所以务必要保证其安全性，完善安全保护接地措施，安装电子安全设备，比如安全接地、防雷接地等，消除触电的隐患；杜绝外界因素对电子产品机械零部件损害，延长电子产品机械零部件的寿命；电子产品对外辐射较大，久而久之，对设计人员、用户等都形成了无形的生命威胁；对电子产品结构的设计要有可靠的防过热高温、防火、防爆措施；同时，不可忽视对电子产品运输、存储时的安全，防止引起意外爆炸。
2.5产品使用寿命方面的因素
产品的结构好坏，对产品使用寿命有着很大的影响。综合考虑散热、热保护、热机械固定、太阳辐射等温度对产品使用寿命的影响因素，及时为元器件散热，对功率性发热的元器件实施热保护，避免长时间的太阳直射，保护元器件，避免电子产品的过早报废，延长产品使用寿命；保证电气连接、机械连接的可靠，进行防振动设计，防止连接松动和噪音产生；在结构设计时既要避免内部电路的误操作，又要避免外部电路的误操作，避免误操作对元器件的损害。避免印制线路由于电路板变形过量而断裂，提高产品的耐用性，提高产品的使用性能[2]。
3结束语
实现电子产品结构设计需要综合考虑很多因素，只要电子设计人员准确把握电子产品结构设计的影响因素，才能实现电子产品的预期功效，使电子产品更加符合人们的需求，满足人们日益增长的使用需要，使电子企业在激烈的市场竞争中处于不败之地，获得长足发展。
参考文献：
[1]于龙飞.电子通讯产品结构设计研究[J].信息技术与信息化，2014，11:47-48.
产品结构设计要求篇2
LLpC产品工业设计中需要满足加工效率高、安全性、良好人机与操控、良好维护性等要求。因此，对应地，设计过程中考虑分析加工各个功能模块的布局，获得高效率的加工方式;考虑在设备加工过程中操作人员的安全性问题;考虑人员操作的易用性，获得良好的精确操作及监视需要;考虑使用后的定期维护需要，需要将控制模块进行独立布局，而不影响其他模块。概括地，该产品的特点有:(1)体量大;基于计算机辅助设计的设计方法容易造成尺度把握不当而造成装配误差。同时该产品的人机尺度与交互关系成为设计要点，设计过程中应注重计算机数据对人机尺度的检测与验证。通过分析确定的人机尺寸数据输入前期的模块化设计中，为后期造型与结构设计作重要参考。(2)零件多;大型机床功能较繁琐，实现功能的零件多，设计过程中需要利用计算机辅助设计软件基于零件的三维数据构建三维模型，佘月明等人对复杂层次关系的造型做了研究，必要时候采用逆向工程方法进行三维数据采集。(3)构造复杂，需要提前进行产品布局设计;大型机床产品功能模块多，因此构造必然复杂，零件装配点多而连接关系复杂，因此，在计算机辅助设计时，应先构建主体零件，次要零件的尺寸、位置及装配关系。(4)生产方式与材料特性对造型风格影响大;确定功能模块的布局后，则需要导入生产方式的考虑，以建立造型设计的基本工程要求。魏专等人研究的造型比例关系在数控机床造型设计中的应用［6］，提供了一定参考。
2LLpC产品的多目标体系构建
针对该产品的多个特点及设计的要求，在产品计划阶段我们对该产品的要求进行目标化，构建出多目标的体系，如图1所示，通过目标体系对产品设计的指导，加强产品的设计的方向和过程控制。图1多目标体系示意(1)整体性:该部门要求产品具有整体感的结构与外观设计。产品的复杂性与零件数量多，要求在产品设计过程中，对整体结构进行统一规划，避免产生多个零件群的链接关系，及产品设计装配时考虑都与一个共同体进行链接。另外对产品的外观需要保持整体性，避免结构零件的外露而破坏整体性。(2)维护性:该目标要求是产品应具有灵活的维护性，产品构造上可采用模块化装配方式，每个模块相对独立，如果某个部件出现故障需要维修，只需在对局部该模块进行修理和维护，不改变其他模块的链接关系，无需拆解整体结构，这与传统整体式结构相比体现出了高效性、便利性和较低的成本。著名奥运场馆水立方的外墙设计采用了模块化的结构，整体造型的局部每块覆膜都是独立装嵌的，如果某一个模块受损坏，只需要根据该模块编号更换该模块的一个覆膜即可，维护非常方便。这种理念是设计师在整体风格与系统性因素分析所获得的。导入维护性目标，在大型激光加工中心产品结构上，系统分析功能模块与布局。(3)外观品质:该目标要求是产品外观风格设计具有一定品质感，框架式构造与外壳的加工方式对外观风格影响明显，可利用加工方式获得的造型特点进行整体造型设计，通过外观主型面的造型分割形成设备品质感较强的风格。(4)可靠性:该目标要求是研发流程可控性好，风险低;基于框架式构造的产品设计流程稳健可靠，属于比较规范合理的产品设计流程，通过对功能布局、整体结构、框架结构等几个关键环节的质量控制，确定了整体结构后，该产品设计即可定型，后期的可变因素很小，大大降低了设计风险。在产品周期中，如果那个部件出现问题，可更换或者局部改良，不影响其他零部件品质。(5)拓展性:该目标要求产品的更新换代可行性。对于大型机床产品，产品的系列化与延续性对于品牌的战略尤其重要，单一的产品系列势必导致片面的市场格局。在保证产品品质的基础上可根据市场细分，基于同一平台拓展出不同功能定位的产品。这一策略在汽车品牌的车型开发中常见。模块化结构形式有助于功能的模块化定义，对于影响终端界面的模块可进行更新换代，而共用的基础部分保持不变，即可根据产品的系列化定位进行基于平台架构的不同功能组合延展，在不增加太多成本的基础上实现不同产品系列的拓展。(6)易用性:该目标要求整体产品在人机交互过程中，保证操作人员从尺寸、操作范围、操作过程等方面便于使用。对于体量大的LLpC产品，人机易用性是产品设计重要的目标。
3多目标作用下的产品框架方式创意
在产品设计的工程结构中，一般会采用单体式结构，即每个主体零件都成为结构的一部分，结构上并没独立承重与支持的单体，这种结构方式简单实用。另一种整体式结构是框架式结构，当需要考虑产品的稳定性和扩展性时，可采用这种设计理念，它对产品起整体支撑作用，其他零件则只需设计与它的装配关系。框架式结构的产品具有便于拆卸、维护、更换、重组、升级等优点。LLpC产品设计开发过程将面临着模块布局、人机界面、安全性、操作性、维护性等多个目标要求，多重因素的叠加促使该产品的结构主体成为重要的关键点。提出框架式设计理念对以上目标问题进行整合规划设计，以求获得实用功能布局、友好人机关系、便利功能维护、高效操作性的设计结果，提高产品的品质与形象。
4框架式结构应用的可行性对比分析
基于以上初步讨论，我们需要将两者进行对比性分析，寻找框架式理念的优势与LLpC产品多目标要求的吻合度，同时对比传统单体式结构。大型激光加工中心应用框架式结构设计的可行性是LLpC产品自身的产品特点分别与应用框架式与单体式结构设计对比分析，寻找其多元性系统性的关系，根据对比结果评估其应用的对应情况，见表格1。从上表对比可见，框架式结构理念对于LLpC产品的工业设计具有较好的优势，符合多个目标的要求，此对比情况对于产品开发初期的规划与设计定位具有重要的指导作用。
5设计过程验证———框架式结构的应用过程
基于多目标体系的构建，我们综合了相关的产品设计方法，应用该结构形式对LLpC产品进行了工业设计的过程应用，进一步验证其作用，以多个目标为导向，我们应用了功能定量优化设计、人机交互设计、外观特征造型设计、计算机辅助设计等多种设计方法，研究过程包括:(1)产品规划设计初期，我们对所需完成的工作作出一个计划性安排，流程的规划主要包括:功能定量优化法优化功能分区与结构机构———基于结构优化的框架搭接———基于布局方案与品牌形象外化的外观造型设计———基于装配与维护的细节设计———基于计算机辅助评价方法———基于基础零件标准化的生产监控。(2)产品结构机构设计在LLpC产品设计前期，以整体性目标导向，导入框架式理念，对产品进行模块化布局设计，根据优化的模块方案，进行了产品框架结构与机构的设计，设计结果见图2。(3)外观创意设计完成产品整体框架构建后，以外观品质、易用性目标导向，导入生产方式与框架式特指进行外观创意设计。主要完成内容有外观造型的风格化、色彩方案、人机界面、观察门的开合方式等。其中重点是在框架范围内根据合理的人机关系进行功能细化的设计;然后根据生产方式及产品风格进行外观造型特征营造设计，设计结果如图3所示。(4)零件标准化完成外观方案设计及三维数据建立后，则进行结构设计阶段。考虑到产品装配过程中涉及到较多的装配位置及装配误差问题，以可靠性目标导向，基于简化原则。结构零件中的连接零件采用统一标准设计，仅在链接孔位预留装配余地，大大减少了零件数量简化了生产工序与装配流程。连接零件的设计采用可调式设计方案，装配时可根据零件尺寸误差进行局部调整。(5)三维数据的评估完成LLpC产品整体外观结构数据构建后，即可基于计算机辅助软件进行零件装配，图4所示，装配的顺序应根据零件的重要性与尺寸从大到小分别装配。完成产品整体零件模拟装配后即可进行结构分析与装配干涉分析，以验证数据的可靠性与可行性。分析检查过程中，如发现零件的干涉(装配过盈)，则根据零件的重要性进行逐级调整参数。(6)设计完成的产品实物将生产完成的产品结构、外观零件根据预先设计的装配流程进行装配工装。完成装配的产品实物如图5所示，最后根据产品实物进行人机操作验证，见图6。根据系列设计方法的指导与辅助，完成了多目标导向的框架式结构在LLpC产品工业设计中的应用研究与实践，有效验证了多目标作用的效果与框架式结构在大型产品机床设备中的应用设计可行性。
6结束语
产品结构设计要求篇3
关键词：机械产品；布局设计；建模
1设计约束
产品设计是一个有限约束的综合过程，其中一系列相关约束共同构成设计环境的约束系统，是支撑产品生命周期中各个视图的问题解空间。约束c是表示设计变量和设计域的一种关系。它作用于设计过程，并最终影响设计结果。设计约束可以表示为c={x，a}，其中x是与设计相关联的约束变量，具有和设计参数相同的属性和功效，是约束系统和设计之间联系的桥梁；a表示约束的属性，包括约束范围、作用、大小和类型等。约束可分为系统约束与环境约束两类，其中系统约束分为功能约束和结构约束，是贯穿整个设计过程的主要约束路线，而环境约束是指在产品设计过程中所采用的设计手段，方法与设计规则。根据约束所起的作用及其内部属性，又可将约束分为：功能约束、结构约束、关系约束和选择约束。将其形式化表达为如下四元组：c=［cfn，cs，crs，co］t，其中，cf表示功能约束类的变量及其约束；cs表示结构类的变量及其约束；cr表示关系类的变量及其约束；co表示选择类的变量及其约束。在设计信息和约束的抽象中，由于设计信息的多样性和复杂性，需要将约束进一步细化。
cf={af，ff}；cs={es,ss};cr={fr,sr};co={lo,so}。
其中，af表示与功能属性相关的约束，表明产品实现的功能；ff表示与功能行为相关的约束，表明产品具体能实现的行为。es表示与产品相关配套设施构成的环境结构形式；ss表示产品本身的详细形状结构约束形式。fr表示从功能到结构的关系约束；sr表示从结构到功能变量之间的约束关系。lo表示逻辑类约束；so表示选择类型约束。具有多种约束变量的约束系统较为复杂，为了便于约束管理和约束运算，将其进行层次划分，约束分层表达将约束分为上层、中间层和下层，这是一种自顶向下的设计思想。其中，上层约束由产品设计过程的前两个阶段需求分析和概念设计中相关信息导出；下层约束表示的是后续定位在零件结构的详细设计视图中的相关信息；而中间层约束主要表达布局设计信息。
2基本概念
根据布局设计过程中联接与定位的先后关系，将布局方法归纳为如下三种：（1）先定位后联接。先布置各个设计单元，即先将参与布局的设计单元大致位置固定。然后，再根据产品需求分析视图和概念设计视图中所得到的要求，进一步细化定出较为具体的设计单元之间的联接方式，例如，圆柱旋转副、棱柱移动副、球体旋转副等。（2）先联接后定位。先确定设计单元之间的联接方式，然后再考虑其相互位置关系。（3）联接定位。这种方式将定位和联接先后顺序模糊化，即介于上述两种方法之间。联接方式先不严格固定，同时兼顾设计单元之间的相互位置关系，继而最终确定出布局联接定位关系，得到设计单元的布置方式。
3求解方法
传统的优化求解方法，如罚函数法、复合形法、约束变尺度法、随机方向法、简约梯度法、可行方向法等，都有较为广泛的应用。然而，随着问题规模和复杂程度的逐渐增大，传统优化方法易出现局部最优解等的局限性，为此许多研究人员提出了新的算法。目前研究较多的有专家系统技术，人工神经网络方法以及各种智能启发式算法，例如遗传算法、模拟退火算法和禁忌搜索法等。
4设计要求
通常布局设计有一定的布局目标和要求，用dr表示。布局设计要求属于产品设计约束中的环境约束，它包括产品空间体积最小，布局密度尽可能大，产品的重心尽可能低，产品装配性好，装配路径的花费经济以及布局设计中的其它限定要求和描述等。
5布局设计模型
在详尽分析了布局设计所涉及的各种因素的基础上，本文用布局设计模型来描述装配设计阶段的布局设计过程，简称布局模型，并将其形式化表示为如下的四元组：ldm=［du，lc，ls，dr］t。其中，du为设计单元；lc为布局约束；ls为求解方法；dr为设计要求。
6产品多层次表达
从产品发展的全生命周期过程来看，可以得到产品的多层次表达。如下图所示，产品从需求分析阶段到后期行为阶段是一个特征演化过程。同时，诸多特征在各阶段相应视图的层次变化中都具有继承性和不完备性，并且将随着设计过程的细化和推进而逐步趋于完备。其中，由于产品的形态结构可塑性强，用户消费心理、产品的美观性、宜人性等因素在设计中摆在相当突出的地位，因而需求分析阶段的相关特征不容忽视。而功能特征、设计要求则是设计过程进化的动力所在。设计过程的特征演化主要表现在概念设计、布局设计和详细设计阶段特征的产生、继承、变异、抽象、派生、映射以及后期行为阶段的消亡等几个方面。设计方案的选择和循环往复主要发生在这些特征之间。
概括起来，多视图特征在设计过程中主要表现出下列特点：
①分类层次性。设计过程中的特征多视角性主要涉及三个方面，即功能需求、结构特性和制造特点。每类特征又可根据设计过程不同环节的需求进一步细化，形成分类层次结构，最底层即为实际工程应用中面向不同环节的基本元素。
②相互依赖性。在产品的概念设计阶段基本确定产品的功能需求；在具体化设计阶段，根据产品的功能要求，确定产品的结构特性；在详细设计（工艺设计或可制造性分析）阶段则根据产品的结构及功能，产品的批量、技术经济要求及现有的生产条件、包括人员素质，管理方式，制造环境和经验习惯等，确定产品的制造特点。同时，结构设计必须顾及产品的功能性和工艺性，这表现为特征间的反馈性。设计过程的循环反复，正是因果性和反馈性之间协调和统一的具体表现。
③关联多重性。同一功能可以由不同的结构来实现。同一结构又可以表现为不同的功能。如—个外回转面，既可能是一个支承面，也可能是一个导向面，同样，—个导向功能既可由圆柱结构，也可以用槽结构来实现。此外，同一结构特征可以用不同的工艺加工方法来形成；反之，不同的工艺方法可以实现相同的产品功能和结构。这一特点要求设计，制造过程中不断对功能、结构和制造间进行协调和优化。
④表达同一性。尽管特征有功能、结构和制造的多方面含义。其属性类型及其值域也多种多样，但其基本的作用对象都是构成特定形状结构的几何形体，任何的特性归根到底都可具体化为形状的特性以及相应的几何生成方法。
参考文献
［1］郭万林.机械产品全生命周期设计［j］.中国机械工程，2002，（7）.
产品结构设计要求篇4
［关键词］机械产品方案设计方法发展趋势
根据目前国内外设计学者进行机械产品方案设计所用方法的主要特征，将方案的现代设计方法概括为下述四大类型。
一、系统化设计方法
系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。系统化设计思想于70年代由德国学者pahl和Beitz教授提出，他们以系统理论为基础，制订了设计的一般模式，倡导设计工作应具备条理性。德国工程师协会在这一设计思想的基础上，制订出标准VDi2221“技术系统和产品的开发设计方法。由于每个设计者研究问题的角度以及考虑问题的侧重点不同，进行方案设计时采用的具体研究方法亦存在差异。下面介绍一些具有代表性的系统化设计方法。
1.设计元素法。用五个设计元素(功能、效应、效应载体、形状元素和表面参数)描述“产品解”，认为一个产品的五个设计元素值确定之后，产品的所有特征和特征值即已确定。我国亦有设计学者采用了类似方法描述产品的原理解。
2.图形建模法。研制的“设计分析和引导系统”KaLeit，用层次清楚的图形描述出产品的功能结构及其相关的抽象信息，实现了系统结构、功能关系的图形化建模，以及功能层之间的联接。将设计划分成辅助方法和信息交换两个方面，利用nijssen信息分析方法可以采用图形符号、具有内容丰富的语义模型结构、可以描述集成条件、可以划分约束类型、可以实现关系间的任意结合等特点，将设计方法解与信息技术进行集成，实现了设计过程中不同抽象层间信息关系的图形化建模。
3.“构思”―“设计”法。将产品的方案设计分成“构思”和“设计”两个阶段。“构思”阶段的任务是寻求、选择和组合满足设计任务要求的原理解。“设计”阶段的工作则是具体实现构思阶段的原理解。将方案的“构思”具体描述为：根据合适的功能结构，寻求满足设计任务要求的原理解。即功能结构中的分功能由“结构元素”实现，并将“结构元素”间的物理联接定义为“功能载体”，“功能载体”和“结构元素”间的相互作用又形成了功能示意图(机械运动简图)。方案的“设计”是根据功能示意图，先定性地描述所有的“功能载体”和“结构元素”，再定量地描述所有“结构元素”和联接件(“功能载体”)的形状及位置，得到结构示意图。Roper，H.利用图论理论，借助于由他定义的“总设计单元(Ge)”、“结构元素(Ke)”、“功能结构元素(FKe)”、“联接结构元素(VKe)”、“结构零件(Kt)”、“结构元素零件(Ket)”等概念，以及描述结构元素尺寸、位置和传动参数间相互关系的若干种简图，把设计专家凭直觉设计的方法做了形式化的描述，形成了有效地应用现有知识的方法，并将其应用于“构思”和“设计”阶段。
4.矩阵设计法。在方案设计过程中采用“要求―功能”逻辑树(“与或”树)描述要求、功能之间的相互关系，得到满足要求的功能设计解集，形成不同的设计方案。再根据“要求―功能”逻辑树建立“要求―功能”关联矩阵，以描述满足要求所需功能之间的复杂关系，表示出要求与功能间一一对应的关系。将矩阵作为机械系统方案设计的基础，把机械系统的设计空间分解为功能子空间，每个子空间只表示方案设计的一个模块，在抽象阶段的高层，每个设计模块用运动转换矩阵和一个可进行操作的约束矢量表示；在抽象阶段的低层，每个设计模块被表示为参数矩阵和一个运动方程。
5.键合图法。借用键合图表达元件的功能解，希望将基于功能的模型与键合图结合，实现功能结构的自动生成和功能结构与键合图之间的自动转换，寻求由键合图产生多个设计方案的方法。
二、结构模块化设计方法
从规划产品的角度提出：定义设计任务时以功能化的产品结构为基础，引用已有的产品解(如通用零件部件等)描述设计任务，即分解任务时就考虑每个分任务是否存在对应的产品解，这样，能够在产品规划阶段就消除设计任务中可能存在的矛盾，早期预测生产能力、费用，以及开发设计过程中计划的可调整性，由此提高设计效率和设计的可靠性，同时也降低新产品的成本。Feldmann将描述设计任务的功能化产品结构分为四层，(1)产品(2)功能组成(3)主要功能组件(4)功能元件。并采用面向应用的结构化特征目录，对功能元件进行更为具体的定性和定量描述。同时研制出适合于产品开发早期和设计初期使用的工具软件StRat。认为专用机械中多数功能可以采用已有的产品解，而具有新型解的专用功能只是少数，因此，在专用机械设计中采用功能化的产品结构，对于评价专用机械的设计、制造风险十分有利。
三、基于产品特征知识的设计方法
基于产品特征知识设计方法的主要特点是：用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验，建立相应的知识库及推理机，再利用已存储的领域知识和建立的推理机制实现计算机辅助产品的方案设计。机械系统的方案设计主要是依据产品所具有的特征，以及设计领域专家的知识和经验进行推量和决策，完成机构的型、数综合。欲实现这一阶段的计算机辅助设计，必须研究知识的自动获取、表达、集成、协调、管理和使用。
四、智能化设计方法
智能化设计方法的主要特点是：根据设计方法学理论，借助于三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，以及多媒体、超媒体工具进行产品的开发设计、表达产品的构思、描述产品的结构。在利用数学系统理论的同时，考虑了系统工程理论、产品设计技术和系统开发方法学VDi2221，研制出适合于产品设计初期使用的多媒体开发系统软件mUSe。
我国利用虚拟现实技术进行设计还处于刚刚起步阶段。利用面向对象的技术，重点研究了按时序合成的机构组合方案设计专家系统，并借助于具有高性能图形和交换处理能力的openGL技术，在三维环境中从各个角度对专家系统设计出的方案进行观察，如运动中机构间的衔接状况是否产生冲突等。
五、各类设计方法评述及发展趋势
综上所述，系统化设计方法将设计任务由抽象到具体(由设计的任务要求到实现该任务的方案或结构)进行层次划分，拟定出每一层欲实现的目标和方法，由浅入深、由抽象至具体地将各层有机地联系在一起，使整个设计过程系统化，使设计有规律可询，有方法可依，易于设计过程的计算机辅助实现。
结构模块化设计方法视具有某种功能的实现为一个结构模块，通过结构模块的组合，实现产品的方案设计。对于特定种类的机械产品，由于其组成部分的功能较为明确且相对稳定，结构模块的划分比较容易，因此，采用结构模块化方法进行方案设计较为合适。因此，若将结构模块化设计方法用于一般意义的产品方案设计，结构模块的划分和选用都比较困难，而且要求设计人员具有相当丰富的设计经验和广博的多学科领域知识。
机械产品的方案设计通常无法采用纯数学演算的方法进行，也难以用数学模型进行完整的描述，而需根据产品特征进行形式化的描述，借助于设计专家的知识和经验进行推理和决策。因此，欲实现计算机辅助产品的方案设计，必须解决计算机存储和运用产品设计知识和专家设计决策等有关方面的问题，由此形成基于产品特征知识的设计方法。
目前，智能化设计方法主要是利用三维图形软件和虚拟现实技术进行设计，直观性较好，开发初期用户可以在一定程度上直接参与到设计中，但系统性较差，且零部件的结构、形状、尺寸、位置的合理确定，要求软件具有较高的智能化程度，或者有丰富经验的设计者参与。
在机械产品方案设计中，视能够实现特定功能的通用零件、部件或常用机构为结构模块，并将其应用到系统化设计有关层次的具体设计中，即将结构模块化方法融于系统化设计方法中，不仅可以保证设计的规范化，而且可以简化设计过程，提高设计效率和质量，降低设计成本。网络技术的蓬勃发展，异地协同设计与制造，以及从用户对产品的功能需求设计加工装配成品这一并行工程的实现成为可能。但是，达到这些目标的重要前提条件之一，就是实现产品方案设计效果的三维可视化。为此，不仅三维图形软件、智能化设计软件愈来愈多地应用于产品的方案设计中，虚拟现实技术以及多媒体、超媒体工具也在产品的方案设计中初露锋芒。
机械产品的方案设计正朝着计算机辅助实现、智能化设计和满足异地协同设计制造需求的方向迈进，由于产品方案设计计算机实现方法的研究起步较晚，目前还没有成熟的、能够达到上述目标的方案设计工具软件。作者认为，综合运用文中四种类型设计方法是达到这一目标有效途径。虽然这些方法的综合运用涉及的领域较多，不仅与机械设计的领域知识有关，而且还涉及到系统工程理论、人工智能理论、计算机软硬件工程、网络技术等各方面的领域知识，但仍然是产品方案设计必须努力的方向。国外在这方面的研究已初见成效，我国设计学者也已意识到CaD技术与国际交流合作的重要性，及其应当采取的措施。
参考文献:
[1]机械设计手册编委会:机械设计手册.机械工业出版社,2004
[2]盛伯浩陈宗舜:机械产品设计与CaD技术,2005
产品结构设计要求篇5
关键词：机械；产品；方案设计；
abstract:accordingtothecurrentdomesticandforeignscholarsmainlythinkingdesignfeaturesofmechanicalproductdesign,productdesignmethodoftheprogramaresummarizedassystematic,modularstructure,productfeaturesfourtypesbasedontheknowledgeandintelligence.pointsoutthattheorganicconnectionbetweenthefeaturesofthefourmethodsandtheinteractionbetweenthem,thedirectionofproductdesigncomputer.
Keywords:mechanical;products;design
中图分类号：F407.4文献标识码：文章编号:
1系统化设计方法
系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。
我国许多设计学者在进行产品方案设计时还借鉴和引用了其他发达国家的系统化设计思想，其中具有代表性的是：①将用户需求作为产品功能特征构思、结构设计和零件设计、工艺规划、作业控制等的基础，从产品开发的宏观过程出发，利用质量功能布置方法，系统地将用户需求信息合理而有效地转换为产品开发各阶段的技术目标和作业控制规程的方法。②将产品看作有机体层次上的生命系统，并借助于生命系统理论，把产品的设计过程划分成功能需求层次、实现功能要求的概念层次和产品的具体设计层次。同时采用了生命系统图符抽象地表达产品的功能要求，形成产品功能系统结构。③将机械设计中系统科学的应用归纳为两个基本问题：一是把要设计的产品作为一个系统处理，最佳地确定其组成部分(单元)及其相互关系;二是将产品设计过程看成一个系统，根据设计目标，正确、合理地确定设计中各个方面的工作和各个不同的设计阶段。
1.1设计元素法
用五个设计元素(功能、效应、效应载体、形状元素和表面参数)描述“产品解”，认为一个产品的五个设计元素值确定之后，产品的所有特征和特征值即已确定。我国亦有设计学者采用了类似方法描述产品的原理解。
1.2图形建模法
研制的“设计分析和引导系统”KaLeit，用层次清楚的图形描述出产品的功能结构及其相关的抽象信息，实现了系统结构、功能关系的图形化建模，以及功能层之间的联接。
1.3“构思”―“设计”法
将产品的方案设计分成“构思”和“设计”两个阶段。“构思”阶段的任务是寻求、选择和组合满足设计任务要求的原理解。“设计”阶段的工作则是具体实现构思阶段的原理解。
将方案的“构思”具体描述为：根据合适的功能结构，寻求满足设计任务要求的原理解。即功能结构中的分功能由“结构元素”实现，并将“结构元素”间的物理联接定义为“功能载体”，“功能载体”和“结构元素”间的相互作用又形成了功能示意图。方案的“设计”是根据功能示意图，先定性地描述所有的“功能载体”和“结构元素”，再定量地描述所有“结构元素”和联接件(“功能载体”)的形状及位置，得到结构示意图。
1.4矩阵设计法
在方案设计过程中采用“要求―功能”逻辑树(“与或”树)描述要求、功能之间的相互关系，得到满足要求的功能设计解集，形成不同的设计方案。再根据“要求―功能”逻辑树建立“要求―功能”关联矩阵，以描述满足要求所需功能之间的复杂关系，表示出要求与功能间一一对应的关系。将矩阵作为机械系统方案设计的基础，把机械系统的设计空间分解为功能子空间，每个子空间只表示方案设计的一个模块，在抽象阶段的高层，每个设计模块用运动转换矩阵和一个可进行操作的约束矢量表示;在抽象阶段的低层，每个设计模块被表示为参数矩阵和一个运动方程。
1.5键合图法
将组成系统元件的功能分成产生能量、消耗能量、转变能量形式、传递能量等各种类型，并借用键合图表达元件的功能解，希望将基于功能的模型与键合图结合，实现功能结构的自动生成和功能结构与键合图之间的自动转换，寻求由键合图产生多个设计方案的方法。
2结构模块化设计方法
将描述设计任务的功能化产品结构分为四层，(1)产品(2)功能组成(3)主要功能组件(4)功能元件。并采用面向应用的结构化特征目录，对功能元件进行更为具体的定性和定量描述。同时研制出适合于产品开发早期和设计初期使用的工具软件StRat。认为专用机械中多数功能可以采用已有的产品解，而具有新型解的专用功能只是少数，因此，在专用机械设计中采用功能化的产品结构，对于评价专用机械的设计、制造风险十分有利。
提倡在产品功能分析的基础上，将产品分解成具有某种功能的一个或几个模块化的基本结构，通过选择和组合这些模块化基本结构组建成不同的产品。这些基本结构可以是零件、部件，甚至是一个系统。理想的模块化基本结构应该具有标准化的接口(联接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化，具有互换性、相容性和相关性。我国结合软件构件技术和CaD技术，将变形设计与组合设计相结合，根据分级模块化原理，将加工中心机床由大到小分为产品级、部件级、组件级和元件级，并利用专家知识和CaD技术将它们组合成不同品种、不同规格的功能模块，再由这些功能模块组合成不同的加工中心总体方案。
以设计为目录作为选择变异机械结构的工具，提出将设计的解元素进行完整的、结构化的编排，形成解集设计目录。并在解集设计目录中列出评论每一个解的附加信息，非常有利于设计工程师选择解元素。根据机械零部件的联接特征，将其归纳成四种类型：①元件间直接定位，并具有自调整性的部件;②结构上具有共性的组合件;③具有嵌套式结构及嵌套式元件的联接;④具有模块化结构和模块化元件的联接。并采用准符号表示典型元件和元件间的连接规则，由此实现元件间联接的算法化和概念的可视化。在进行机械系统的方案设计中，用“功能建立”模块对功能进行分解，并规定功能分解的最佳“粒化”程度是功能与机构型式的一一对应。“结构建立”模块则作为功能解的选择对象以便于实现映射算法。
2.3基于产品特征知识的设计方法
基于产品特征知识设计方法的主要特点是：用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验，建立相应的知识库及推理机，再利用已存储的领域知识和建立的推理机制实现计算机辅助产品的方案设计。机械系统的方案设计主要是依据产品所具有的特征，以及设计领域专家的知识和经验进行推量和决策，完成机构的型、数综合。欲实现这一阶段的计算机辅助设计，必须研究知识的自动获取、表达、集成、协调、管理和使用。为此，国内外设计学者针对机械系统方案设计知识的自动化处理做了大量的研究工作，采用的方法可归纳为下述几种。
2.3.1编码法
根据“运动转换”功能(简称功能元)将机构进行分类，并利用代码描述功能元和机构类别，由此建立起“机构系统方案设计专家系统”知识库。在此基础上，将二元逻辑推理与模糊综合评判原理相结合，建立了该“专家系统”的推理机制，并用于四工位专用机床的方案设计中。
2.3.2知识的混合型表达法
针对复杂机械系统的方案设计，采用混合型的知识表达方式描述设计中的各类知识尤为适合。在研制复杂产品方案设计智能决策支持系统DmDSS中，将规则、框架、过程和神经网络等知识表示方法有机地结合在一起，以适应设计中不同类型知识的描述。将多种单一的知识表达方法(规则、框架和过程)，按面向对象的编程原则，用框架的槽表示对象的属性，用规则表示对象的动态特征，用过程表示知识的处理，组成一种混合型的知识表达型式，并成功地研制出“面向对象的数控龙门铣床变速箱方案设计智能系统GBCDiS”和“变速箱结构设计专家系统GBSDeS”。
2.3.3利用基于知识的开发工具
在联轴器的CaD系统中，利用基于知识的开发工具neXpeRt-oBJeCt，借助于面向对象的方法，创建了面向对象的设计方法数据库，为设计者进行联轴器的方案设计和结构设计提供了广泛且可靠的设计方法谱。则利用neXpeRt描述直线导轨设计中需要基于知识进行设计的内容，由此寻求出基于知识的解，并开发出直线导轨设计专家系统。
2.3.4设计目录法
构造了“功能模块”、“功能元解”和“机构组”三级递进式设计目录，并将这三级递进式设计目录作为机械传动原理方案智能设计系统的知识库和开发设计的辅助工具。
2.3.5基于实例的方法
在研制设计型专家系统的知识库中，采用基本谓词描述设计要求、设计条件和选取的方案，用框架结构描述“工程实例”和各种“概念实体”，通过基于实例的推理技术产生候选解来配匹产品的设计要求。
产品结构设计要求篇6
生产灵活性(flexibility)与整体性奥迪汽车公司推出的第三代车身空间框架(audiSpaceFrame，aSF?)如图1所示，该空间框架采用最新技术制造出更坚韧、更强操作性能的全铝车身框架［1］，此车架结构的采用为奥迪汽车提供了更轻、更强和更安全的车身构造。框架式结构设计原理是将产品根据功能的关联性程度进行模块化分析与设计，该原理运用于aSF车架设计中则是将一种多体连接的整体式结构转化为主次连接的框架式简化结构。根据该设计原理，在生产过程中，会将产品整体划分为主体框架和分体模块，如图1中的奥迪汽车车架由主体框架和三个功能厢体模块组成。另外有些产品如多功能螺丝刀、吸尘器的设计，采用通用性的接口连接，这样根据局部功能进行模块化更换和生产，满足不同产品功能需要，可降低生产成本，提高生产的灵活性。框架式结构采用模块化装配方式，每个模块相对独立，如果某个部件出现故障需要维修，只需对该模块的局部进行修理和维护，不改变其他模块的链接关系，无需拆解整体结构，这与传统整体式结构相比体现出了高效性、便利性和低成本等优点。如奥运场馆水立方的外墙采用了模块化的框架式结构;苹果电脑公司推出的G5电脑机箱采用全铝金属框架结构，如图2所示，该产品的内部零件模块、外观侧板和基座都是连接在整体结构上的。本文将探讨在LLpC产品开发设计中导入框架式结构的可用性，系统地从设计角度分析功能模块的布局;运用框架式结构的设计手段保持产品整体风格，在用户视觉范围内不暴露结构性零件，进而保持产品的外观整洁性。
外观造型的系列感(series)框架式结构在各类产品开发设计中的应用对其外观风格颇有影响，如在系列化产品的开发设计中，采用统一的框架式结构可塑造出外观造型相似的系列化产品风格特征。根据不同人群定位、功能定位等要求，更换局部模块以形成不同功能产品，而整体结构保持着相对稳定和独立性，进而保持产品的系列化风格。图3所示为电子产品外观夹边设计［2］，此结构方式的采用使其在外观上形成了一种独特的视觉分割效果，使产品显得更精致和纤薄。iphone4手机也采用了这种设计方法，根据不同功能需求更换上盖模块，中框结构和下盖可以保持不变，可获得视觉效果不同的系列产品。图4所示的iBm服务器机柜整体设计也采用了框架式结构，外壳与内部零件模块可根据功能需要进行选择性装配。这样的设计方式可实现只更换前面板和内部模块，形成不同功能产品系列［3］。
可控性(controllability)基于框架式结构的产品开发设计流程可控性好、风险低，通过对功能布局、整体结构和框架结构等几个关键环节的质量控制，可确定整体结构形式，后期设计研发过程中可变因素少，大大降低了设计风险。特别是在产品升级与更新时，框架式结构可减少产品零件的定制数量，简化研发流程，进而提高对产品功能品质和工艺的控制性。使用过程中，如果哪个部件出现问题，即可更换或者局部改良，不影响其他零/部件的使用。
拓展性(extending)大型机床产品的系列延续性对于品牌产品的战略发展尤其重要。单一的产品系列可能导致片面的市场格局，在稳定产品品质的基础上可根据市场细分，基于同一平台拓展出不同功能定位的产品，这一策略在大众、标致等汽车的车型工程开发中尤为常见。框架式结构形式有助于功能的模块化定义，对于影响终端界面的模块可进行更新换代，而共用的基础部分保持不变，即可根据产品的系列化定位进行基于平台架构的不同功能组合延展，在不增加太多成本的基础上实现不同产品系列的拓展，因此具有较好的产品拓展性。
大型激光加工中心的结构特点与工业设计分析
大型激光加工中心(Large-scaleLaserprocessCen-ter，LLpC)是一种通过激光对截面积在2m×2m内、高度为0．15m内的大体量金属材料件进行打孔、切割和雕刻等加工的设备，可进行材料的熔覆及修复工作，LLpC是本文研究的主要对象。其功率可设定在1～2kw范围内;X轴行程为3～4m，Y轴行程为1．5～2m，Z轴行程为0．1m左右，最大速度可达18m/min，定位精度为±0．015mm，重复定位精度为±0．01mm。该设备控制系统由高功率激光器、激光专用制冷系统、外光路系统和多功能大型激光数控加工机床组成。其技术特点有:1)采用高效的自动化激光熔敷技术，可以有效地减小热影响区，降低叶片裂纹的产生。2)可以在氢气保护下进行，而无需真空环境。3)加工精度高，易于数字化控制，可加工几何形状复杂的零/部件。大型激光加工中心主要应用于模具加工、机械制造、石油、化工、轻工、能源和交通等行业。该类产品开发设计中需要综合考虑加工效率、安全性、良好人机交互性和良好维护性等方面的要求。因此，在设计过程中需分析各个功能模块的合理化布局，以获得高效率的加工方式，如考虑在设备加工过程中操作人员的安全性问题;考虑人员操作的易用性，以获得良好的精确操作及监视效果;考虑使用后的定期维护需求，将控制模块进行独立布局，不与其他模块形成功能交叉区域。
奥地利生物学家贝塔朗菲(1937年)最早对一般系统作出了定义:系统是由若干要素以一定结构形式连接构成的具有某种功能的有机整体。按照系统的定义，本文的研究对象LLpC产品设定为系统需要满足三个基本条件，即:若干要素、结构形式和功能输出。基本系统性关系可以用式(1)表示:m={S，F}(1)式中:m为产品系统设计的功能输出，即LLpC产品设计的结果与加工过程的整体效果;S为系统功能模块(即要素)的集合;F为建立在模块集合S上的各种结构链接关系。在LLpC产品系统中，m为一个产品系统设计的功能输出，即产品设计的功能效果;S为固定的功能组成模块，只在产品系列化时才产生变化;F为一个可变的要素，包含了结构形式，也包含了连接方式与系统、外界交互形式。在该类产品设计中，可采用整体结构连接与框架式结构连接两种方式，前者是产品的每个功能模块相互产生结构性连接，形成固定模块的整体产品系统;后者则是根据设计要求先将整体结构方式进行独立设计定型，然后再进行功能模块组装，如控制柜、操作面板和检测门等模块均采用常规标准件，然后与主体框架结构进行连接，形成有主体框架和可变模块组成的产品系统。通过产品设计系统分析、以用户为中心的设计评估等方法适当改变F的关系，可获得一个更优化、更高效率的产品系统功能输出m。#p#分页标题#e#
因此，该类产品开发设计的重点是F。式(1)中的m也可以表示为:m=m1∪m2∪m3∪m4(2)式中:m1为大型设备产品中各个组件模块之间的关系，如激光加工模块与加工材料的空间位置匹配关系，材料进、出口与主体的对接，控制机柜与激光加工模块的相对位置等;m2为个体模块与整体加工中心系统的关系，如材料进、出口对操作人员的视觉与操作障碍，控制柜对产品其他模块的位置重叠影响，控制面板与检测门的位置重叠影响等;m3为本产品系统功能与外环境的关系，包括产品占地面积，产品与加工环境的匹配关系，其他工序对该产品可能的相互影响等内容;m4为本产品系统与人的人机关系，包括一般操作人员对该产品控制过程的直观性，应急操作的方式与位置等内容。式(1)中的S可以表示为:S=∑ni=1(kiwi+ki+1wi+1+…+knwn)(3)式中:n为产品功能模块数量，可根据工业设计分析方法进行针对性定义;wi为产品中的第i个独立模块;ki为第i个独立模块的设计特征与要求，即某个模块对系统的影响因子，如控制面板是与人直接接触的，则其他模块的位置不能布局在人的操作范围内;如控制柜必须是开放的独立空间，该范围不再安排其他模块;又如检测门可与其他模块重叠，但需保证对操作人员安全保护性;材料进、出口位置须是独立的。本文将LLpC产品设定为一个系统，其功能输出m体现在经工业设计有效地完成大型材料的激光加工的效果。而要素S为激光加工模块(范围)、控制模块、待加工的材料、加工完成的材料、正在加工的材料、操作模块，以及基座七大部分;其结构链接形式为F，该结构形式的选择将影响该产品系统功能m的最终结果。本文将运用三维虚拟原型辅助法进行分析，假定可变性结构连接F为框架式结构，从功能布局、人机界面模块化、产品维护和外观整体性等几个方面研究框架式结构在LLpC产品开发设计中的可行性。
1功能布局分析———框架式结构理念的条件以功能为对象，大型激光加工中心产品按加工流程可分为:进料区、加工区(含控制区)及出料区。每个功能区在工作过程中相对独立，在各功能区功能完成后进行区间对接。如进料口完成材料装载工序后，将待加工的材料输送至加工区进行加工工序，进料口完成输送动作后与加工区保持暂时性的独立;此时，可考虑向进料口分配下一件材料，加工区在加工过程中保持独立空间。加工过程中，工作人员需要适时观察与调整加工工序，因此，需要考虑加工过程中的人机界面，加工完成的材料从出料口输出，完成加工过程等几方面因素。图5所示为基本功能布局图，图5中激光加工范围包括:激光模块(含三轴电动机)及其行程范围。从模拟的原型中，分析模块布局与加工过程，发现该加工流程可初步地分为线型、L型两种流程布局，这两种流程布局占用空间大、效率低。通过分析加工流程的间歇性相关特点，笔者发现设备在进料工序的行程与出料的行程相似，基于运用框架式结构原理的进料口与出料口重叠式的优化布局方式，将进料输送动作与出料动作合并，即n型的流程布局。加工流程布局如图6所示。经过三种布局形式对比，发现线型布局为进料口与加工区域、出料口呈现线型横向排列，如图6a所示;L型布局为三个功能模块呈现L型的排列，如图6b所示;n型布局为进料口与出料口重叠布局，利用升降架结构完成出料、进料的上下错位输送，如图6c所示。对三种布局结构从以下几个主要内容进行对比研究。1)完成流程所需的时间，是指完成一个零件从输入→加工→输出所需的时间。2)场地占用，为产品的投影面积，同时结合工作人员活动范围的投影进行综合分析，场地占用面积大可能造成工作人员与机床工作的空间重叠而造成安全隐患。3)操作效率，是指流程布局对完成加工总量的效果，同时结合工作人员对操作模块的不定期检测所影响效率的情况。4)产品整体性，是指该加工中心布局形式对整体产品的完整性、形象的统一感的比较。布局的效益对比见表1。表1所示表明，以框架式结构为基础的n型布局具有较好的优势，因此选择n型布局进行加工中心结构设计是可行的。
2人机(human-machine)界面的模块化分析以工作人员(用户)为中心进行产品分析，按操作人员的活动流程为:开机启动→电动机复位调试→操控入料→加工控制→监视(加工过程)→控制出料(加工完成)→检查材料→操控入料→查看与维护等。基于n型布局，其操作过程中产生几个重要的人机界面，可能影响结构布局与产品外观设计，分别为:操作控制界面、观察界面和维护界面。因此，需要根据以用户为中心的评价原则，对该产品的几个重要人机界面进行分析。图7所示为大型激光加工中心人机操作范围平面图，该范围包含了操作界面、观察界面和维护界面，从而可确定LLpC产品的外观平面格局。图8所示为人机操作范围的立面图，图8所示是以人机数据为依据，将操作控制界面、观察界面和维护界面进行了区域划分，确定产品立面基本外观格局。通过界面平面与立面图的综合研究，得出以框架式结构为基础的人机界面模块化组合形式的可控性高。
3维护的需求在LLpC产品的使用过程中，工作人员需要不定期地对控制模块进行检查、维护以及零件的更换。因此，该产品的维护模块需保持足够的开放性与独立性。按框架结构设计原理应选择独立模块，以便不影响加工范围及人机界面模块。由此，该模块应该设计在产品外立面，以图7所示为例，维护模块应设计在加工中心外沿曲线范围内，在图8所示中，维护模块应设计在人的观察界面(窗口)范围之外，比如上方或下方，考虑到操作的便利性，笔者认为下方较为合适。
4外观设计整体感要求及隐藏式结构LLpC产品是体量较大的工业产品，其外观设计对于产品的品质、形象具有重要的作用。整体产品外观设计应保持完整性，即外观上应看不到结构装配的零件，即产品零件的工程结构连接方式是隐藏式连接结构;同时，视觉上的体量不能给予用户过大的压迫感。具体要求:1)在外观整体风格一致情况下，在用户视觉范围内应看不到暴露的结构零件，以保持外观的整体性与设计感，因此对结构的连接方式提出了挑战。2)产品系列化的扩展性，即该产品在系列化功能拓展时，可保持产品的基本功能不变，可根据需要更换某个模块。鉴于以上对LLpC产品外观设计的要求，试用框架式结构原理进行验证，发现运用框架式结构设计原理可以满足不同功率、不同加工种类和不同型号产品系列化的要求。
工业设计验证#p#分页标题#e#
采用框架式理念的设计思路对LLpC产品进行设计验证，首先根据系统分析确定模块布局，基于该布局进行框架结构设计，然后进行外观设计，运用计算机辅助软件pro/e进行产品数据构建及结构设计、装配等，完成后期数据分析及修改后，将数据转换为工程图输出，进行数字化的生产加工。将生产完成的产品结构、外观零件根据预先设计的装配流程进行最后实物装配。完成装配的整体产品实物如图9所示。其中左边低矮的箱体部分为上下n型结构，分别进行待加工材料的装入和加工完成材料的卸出工序(编号2、编号3);整体外观保持了整洁感，无外露结构件;操作模块设计在产品右侧(编号6)，便于观察与控制，高度参考人机工程95%的人体尺寸;控制模块设计在产品右边(编号7)，保持独立性。以上验证结果均体现了框架式结构在LLpC产品开发设计中的各项优势，即可行性高的特点。
产品结构设计要求篇7
关键词：冰箱产品；塑料件；结构设计
中图分类号：tB657文献标识码：a
一、新时期家电产品中塑料件结构设计中优化造型结构设计理念
1、外观形状设计
外观形状是产品使人体视觉上产生美感、进而达到心理上美的享受的商品的综合印象，要想使家电产品实现上面的效果，设计师在其中就扮演了重要的角色，设计师在外观设计的过程中，通常要通过外观设计中最重要的点、线、面和角等几何元素的综合应用，这些元素的综合应用可以创造家电产品外形的起伏、棱角、曲面和圆角等，从而实现这一效果。
2、图案纹理设计
图案纹理设计在家电产品的设计别重要，其设计内容主要包括：流行时尚和传统元素，对于流行时尚方面而言，要在流行时尚的设计理念的指导下来挖掘设计元素并且寻求设计思想，用图案纹理设计的表达效果给予合追求时尚和跟随流行的消费者一种鲜明的时代感和感染力。对于传统元素方面而言，要从传统元素这种设计思想的指导下寻求创作源泉和创作思想，赋予家电产品古老文明的内涵，通过这种创造给予消费者喜闻乐见的好感。
3、色彩设计
色彩设计主要从以下几方面的内容来设计：其一，家电产品的市场定位和对产品时尚潮流进行研究要从产品的功能和结构两方面来进行分析。其二，通过色彩设计给消费者创造一种温馨的家电环境，从而使使用者感受到家电产品带来的亲切感和愉。其三，家电产品的色彩设计可以实现其和周围环境形成一种和谐的基调，从而使使用者感受到温馨和舒适。
二、冰箱产品中塑料件的结构设计
1、壁厚的设计
壁厚的合理设计对一个塑料制品来说是至关重要的，制品的壁厚一般在1～6mm范围内，而最常用的壁厚数值为2～3mm。壁厚的设计与塑件尺寸有一定关系，其关系见表1。举例说明，在冰箱设计中，门体上下饰条的大面壁厚为2.5mm（材料为aBS），抽屉壁厚为2～3mm（材料为pS），挤出件设计要做到尽量壁厚一致，壁厚一般为2mm。过薄的壁厚不能保证制品的强度，过厚的壁厚要消耗大量材料、增加制品成型后的冷却硬化时间，此外还容易产生气泡、凹陷、夹心和收缩不均匀，从而造成应力集中。
壁厚的设计一般来说应遵循如下原则：制品的设计应尽量保证壁厚均匀，避免壁厚突然变厚或变薄；对于壁厚过厚的地方，采用增加工艺孔等方式去掉多余的壁厚，消除该处产生的内应力。
表1
2、脱模斜度的设计
为了塑料从模腔中脱出，在平行于脱模方向上的塑件表面上设有一定斜度，称之为脱模斜度。脱模斜度的大小取决于塑料的性质、收缩率的大小、制品的壁厚和形状，设计时一般考虑以下几种情况：制品形状复杂，深度较深，不易脱模的，塑料的收缩率大的，应选用较大的脱模斜度；制品尺寸精度要求高的，制品较高、较大的，应选用较小的脱模斜度。一般而言，对于透明GppS材料的抽屉而言，脱模斜度在不影响外观和使用功能的前提下，应尽量大，正常情况下不小于2度。而对于aBS材料的其他零件，相应的脱模斜度可小些。
3、加强筋的设计
增加加强筋可以在不增加壁厚的情况下，使塑件强度和刚度提升，以节约塑料用量，减轻重量，降低成本。并有效防止塑件翘曲，还起到辅助浇道的作用。加强筋的设计要点：
用高度较低、数量稍多的筋代替高度较高的单一加强筋，避免厚筋底冷却收缩时产生表面凹陷。当筋的背面出现凹陷影响美观时，可采用装饰结构予以遮掩。
筋的布置方向最好与熔料的充填方向一致。筋的根部用圆弧过渡，以避免外力作用时产生应力集中而破坏。但根部圆角半径过大则会出现缩水现象。一般不在筋上安置任何零件。位于制品内壁的凸台不要太靠近内壁，以避免凸台局部熔体充填不足加强筋在防止制品变形、增加制品刚性方面的应用。为了防止正面收缩痕迹，尽量将与正面连接的壁厚减薄，如果强度有影响，可以将连接处局部减薄。一般而言，筋条的厚度为0.5～0.75倍的正面壁厚。
4、孔的设计
塑料制品上的孔通常有两种，一种是制品本身有各种用途的装配孔，另一种是为了改善制品的性能而设置的工艺孔，不管是哪一种孔，设计合理，就会有一个好的质量并且便于制品的成型。具体应用主要分三种情况：当制品需有侧孔时，往往会使模具增加侧抽芯机构，使模具的制造复杂化，因此应尽量改进设计，简化模具结构，确保顺利脱模；制品上孔的位置，应尽可能设置在不易削弱制品强度的位置上；对于脆性制品，相邻孔之间以及孔到制品边缘之间，要留有适当的距离，以防止在连接和固定制品时发生破裂。
三、新时期家电产品中塑料件结构设计中优化功能结构设计技术
1、优化几何形状设计
壁厚：从家电产品的经济角度分析，如果使用过厚的塑料件壁厚，过厚的塑料件壁厚不仅增加了家电产品原材料的成本，同时还有利于延长塑料件的使用周期，这样做的缺点就是会大大增加产品的材料费用和成本；过厚的塑料件壁厚在家电产品设计角度分析，很难达到均匀硬化的状态。太薄的塑料件壁厚太薄，在脱模过程和装配使用的过程中容易发生翘曲变形主要是由于刚度性能差和强度性能差的原因造成的。
2、优化装配设计
2.1塑料件之间的连接方式设计
自攻螺钉连接法有很多优点和特点，简单的模具加工和较好的装配强度是这种方法最好的优点，但这一方法也有其自身的缺点，这种方法需要多的自攻螺钉、较发杂的装配工序和较高的成本费用，同时这种方法在拆卸的过程中也比较繁杂。卡钩-扣位连接法相对于上述方法而言也有很多自身的优点和特点，其中，模具加工复杂是这种方法很大的特点，但这种方法还有很多优点，装配方便是这种方法最重要的优点，卡钩-扣位连接法要求卡钩-扣位之间松紧合适，满足这一要求是为了实现方便事后操作的目的。
2.2间隙配合设计
家电产品的塑料件成型后，会有一些很明显的缺点，塑料件成型后会产生误差，而这个误差产生的原因是多方面的，其一是因为塑料件成型后自身留有残余应力发生翘曲变形导；其二是模具加工制造造成的；其三是由于热胀冷缩造成的。所以，塑料件之间间隙配合不能偏大偏小，应该保持在合理的状态，因为塑料件之间缝隙超标是由于偏大的间隙配合造成的，还有，塑料件之间干涉是由于偏小的间隙配合造成的。
3、强度设计方案的优化
强度设计主要靠零件强度设计和连接强度设计这两种方式来实现其设计效果。决定零件强度的因素很多，其一，家电产品塑料件使用材料的壁厚；其二，所使用的塑料件材料的形状；其三，塑料件的加强筋和结构形式；这三个方面的原因是决定零件强度的主要原因。在加强连接强度的过程中可以选择多种方法，其中螺钉联接和卡钩-扣位联接这两种方式是主要的使用方式，要求在把握产品的总体外形尺寸上，从而加强强度设计方案的优化。
4、降低成本的设计优化
在塑料件的结构强度等各方面的条件满足塑料件的设计要求时，就可以减少塑料件的壁厚，从而达到降低材料成本的目的。当满足塑料件的结构强度和使用要求的条件时，可以减少无关紧要的加强筋的使用，在这一过程中还可以简化零件结构，从而实现零件简单实用的目标。采用低成本的塑料件表面处理工艺设计方案。
四、新时期家电产品中塑料件结构设计的一些建议
1、适应模具加工制造和注塑方面的设计创新
适应模具加工制造和注塑方面的工艺结构设计的创新中，对结构设计师的要求特别严格，结构设计师要充分考虑模具加工制造方面的问题，同时，适应模具加工制造和注塑方面的设计创新和对塑料件设计要以有利于成型、脱模和提高成品质量为设计原则，另外，适应模具加工制造和注塑方面的工艺结构设计的创新中结构设计师还要做到在满足几何形状设计的基础上，充分考虑塑料件结构的细节设计，同时还要让它与几何形状设计的思维方法一致。
2、适应批量生产方面的工艺结构的设计创新
适应批量生产方面的工艺结构设计创新，对结构设计师的要求较为复杂，其主要内容主要是指结构设计师在设计塑料件的过程中要考虑多方面的问题，其一，应该充分考虑生产线上的效率，例如，要创造出方便和快捷的员工装配和操作，这种方式就有利于提高生产效率和经济效益。其二，适应批量生产方面的工艺结构的设计创新离不开工艺结构设计、几何形状设计和成本设计的作用，要求结构设计师适应批量生产方面的工艺结构的设计创新的过程中统筹全局，还要注重细节。
结束语
新时期家电产品中塑料件结构的设计主要包括几方面的内容，其一是家电产品的造型结构设计，其二是家电产品的功能结构设计，其三是工艺结构设计，其中塑料件结构的功能结构设计家电产品结构设计的核心，其二和其三家电产品结构设计的基础，本文从这三方面对新时期家电产品中塑料件结构设计提出了一些创新性的建议。
参考文献
[1]杨德华，陈立新.浅谈冰箱零件结构设计方法[J].科技致富向导，2012，24：148-151.
产品结构设计要求篇8
关键词：设计知识重用FBS模型知识模板
中图分类号：tp391文献标识码：a文章编号：1672-3791（2014）08（a）-0104-02
工装设计在产品的研制过程中占据着重要的地位，其设计速度的快慢、质量的好坏直接影响到整个产品的交货期和质量。但传统的工装设计模式已不能满足当今企业对市场快速响应和精益生产的需求[1]。目前，国内外的众多学者将基于知识、基于神经网络、基于遗传算法以及基于实例推理等理论、方法广泛应用于工装的设计中，虽然可支持多重集成，在一定程度上提高了工装设计的效率，但仍存在不足之处，如描述复杂、存储量大以及工作量大等问题，不易于知识的查询和检索。本文针对工装设计中存在的实际问题，提出了一种基于知识模板的工装设计知识重用方法，通过利用FBS模型构建设计知识模板可以提高工装设计的效率以及进行设计知识的重用，进而可大幅度减少设计人员的工作量，缩短产品研制周期。
1与FBS有关的概念
Gero和Qian最早提出了功能―行为―结构（Function-Behavior-Structure，FBS）的设计过程模型。对其进行了系统的研究，并用数学模型描述其结构，还研究了各映射空间之间的关系。FBS模型得到了众多研究者的认可，广泛应用于各设计领域中，是许多设计学领域取得研究成果的基石。
本文是基于FBS模型建立可重用工装产品设计知识模板，利用FBS模型中功能、行为及结构之间的映射关系，使知识模板在工装产品设计过程中得到重用。因此，有必要对FBS模型中功能、行为以及结构的基本概念作进一步了解。
功能（Function）是描述一个产品能否满足客户需求的特定能力，目的是将产品改变到客户满意的状态。
行为（Behavior）是根据产品的功能寻找能实现该功能的工作原理，是产品实现方案的基本运动原理。
结构（Structure）作为产品最终的表现形式，其不仅包括产品本身的外部结构，还应包括产品整个设计方案的结构，是产品各零部件之间关系的一种抽象[2]。
2基于FBS模型的工装知识模板的构建
2.1面向对象的知识模板FBS模型
用面向对象技术表达FBS模型中的功能、行为和结构，可以清楚地表达模型各元素之间的相互依赖关系及实现关系。FBS模型中功能和结构要通过行为才能联系起来，而结构又是功能和行为的载体。FBS模型的设计路线并不是唯一的，即一个功能可以与多个行为相对应，同样，一个行为的获取也不止一种结构。在设计方案求解时，首先满足功能需求，再由功能转化为行为，对功能和结构进行匹配时，在满足功能要求的多个物理结构中，利用约束条件选出最合理的结构解，其本质就是工装产品的设计信息在不同层次之间的映射及转换。
工装产品的映射结构由FBS模型映射得到，其设计过程并不是各零部件的简单堆积，各零部件之间还存在着各种设计信息及约束关系，需要找到一个合适的载体来表达，而知识模板则可作为这个载体，将这些设计信息进行集成，基于FBS模型实现变形工装产品的设计。
2.2基于FBS模型的工装知识模板的形成
所谓知识模板就是产品的功能、行为、结构等信息的载体，是多角度描述系统设计目标的工具，是由相似对象的所有共同特征抽象而形成的，集成多种设计知识，品设计时进行知识的重用。
基于FBS模型的工装知识模板的形成主要包括四个阶段，如工装产品的功能分解、行为描述、由功能到结构的映射以及约束规则描述等。在对工装产品的功能进行分解时，首先要寻找能实现总功能的结构，在没有相对应的结构时，则要将总功能分解为若干子功能，直至所有的子功能都能满足相应的结构为止。事实上，总功能表达的都是一个总体的设计目标，一般都由组件级结构组合到一起来实现，只有将总功能进行分解，才有与其相对应的原理解。对功能进行分解时，要先将功能分解转化为行为描述的分解，根据工装产品的功能寻找能实现该功能的工作原理，最终再映射到相应的结构。
工装知识模板的形成过程中还包括各种设计知识的提取，既有静态知识，也有动态知识。静态知识主要是指对设计目标的属性、性能指标等的描述，而动态知识则是一些约束规则的集合。
3基于知识模板的有轨架车快速设计
3.1基于FBS模型的有轨架车知识模板的构建
有轨架车是一种常用的装配工装。在其设计过程中，将客户的需求通过功能、行为以及结构之间的映射转化为有轨架车的主要结构单元，而知识模板则将各结构单元之间的关系进行集成、表达。有轨架车各主要部件之间的FBS映射关系描述如表1所示。
有轨架车知识模板的形成过程中除了各部件之间FBS映射关系描述外，还包括静态知识及动态知识的提取，如其特征属性：中心高度（弧形托架中心到地面的垂直高度），轨道间距（左右轮轴之间的距离），托架间距（前后托架间的距离），托架半径（弧形托架的内半径），托架宽度（弧形托架的宽度）等；约束条件：托架形状、最大横移动程以及最大升降动程等。
3.2基于实例推理的有轨架车知识模板检索
实例推理（Case-BasedReasoning，CBR）是一种相似类比推理技术，在有轨架车的设计过程中，通过实例推理技术在工装实例库中检索相似实例，通过修改得到满足客户需求的实例。
某客户需求：中心高度1555mm，轨道间距850mm，托架间距900mm，托架半径445mm，托架宽度150mm，托架形状为水平，最大横移动程60mm，最大升降动程70mm。（有轨架车各特征属性的权重分别为：中心高度0.5，轨道间距0.25，托架间距0.125，托架半径0.12，托架宽度0.005）在工装实例库中检索与客户需求相似的实例，根据有轨架车实例参数表（表2）中的特征属性及约束条件，利用相似度求解方法得到满足要求的实例如表3所示。
由表3可知，满足客户需求的最佳实例为实例6。以该实例作为知识模板对客户需求的工装产品进行设计，可实现设计知识的重用，提高设计效率。
4结语
本文利用FBS模型中功能、行为以及结构之间的映射关系构建知识模板，以知识模板作为原型对客户需求的工装产品进行设计，并以大型工装有轨架车为例，构建其知识模板，通过实例推理技术检索出符合客户需求的最佳实例，不仅实现了设计知识的重用，而且大大提高了设计的效率。但知识模板的利用需要完善的知识库支持，因此，如何通过有效的方法更好地总结前人的设计经验，完善知识库，还有待进一步的深入研究。
参考文献
产品结构设计要求篇9
关键词：模块化；液压挖掘机；配置设计
中图分类号：S611文献标识码：a
一、模块化设计的特点
从理论上和实践中研究模块化设计对企业生产的重要性表明，该方法在技术上和经济上都具有明显的特点，主要体现在以下几个方面:(1)易于实现局部更新、产品更新换代快。这是因为对产品进行模块化设计，只需更换部分零件或模块，因此，企业通过设计、制造个别模块即可更新产品，大大缩短了设计和制造周期，不断推出新产品，占领市场份额；(2)同一模块可以用于多种产品，通用性好，重用率高，降低了生产成本；(3)模块之间的独立性，使得模块的互换性强，便于维修；(4)功能划分和模块设计保证了机械的性能，产品稳定可靠；(5)适用于多品种小批量生产。
模块化设计的特点：(1)它面向的是产品系统；(2)它是标准化的设计；(3)它的过程是由上而下；(4)它是组合化的设计；(5)它需要有新理论的支撑；(6)它有两个对象是:产品或模块。
二、模块化技术与配置设计相结合的重要意义
(1)产品模块化是产品配置设计的前提和基础。配置设计是把组成产品的各种功能的相关零部件通过相互约束而结合在一起，实现整机的功能。产品模块化的作用就是把产品进行模块化划分，形成相互独立的模块或零件进行管理，为产品的配置设计做准备工作。
(2)对产品模块化可以减少产品的设计、制造周期，降低产品的设计成本，并缩短产品的交货期，快速响应市场。产品配置设计利用产品模块化的这一特点，实现了用模块配置的方式，快速地生产出顾客所需要的产品的目的。
(3)在模块化基础上的配置设计能够提高产品的质量，同时，增加企业对市场的快速应变能力。因为，根据模块化设计的特点可知，对产品进行模块化设计能保证产品的机械性能和稳定性、可靠性。这种仅对单个模块进行配置设计和制造的生产方式，既能保证产品的先进性和竞争性、加快其更新换代，又确保了新产品性能的稳定性和可靠性。
(4)能够以大规模的生产方式，满足用户的多样化、个性化的需求。通过产品配置，用有限的模块组合出无限的产品，尽可能的扩大了设计知识的重用能力；以大批量的生产成本实现个性化的客户定制产品，极大程度地提高了客户对企业所提供的产品的满意程度。
(5)模块化可以让企业实现将在其生产的多种产品中都用得上的标准化部件的数目最大化，这样企业既能够减少库存，又能够同时生产多种产品。在配置过程的早期阶段就可以将标准化模块组装好，而使得产品个性化的附加部件模块，将推迟到制造过程的最后阶段来完成，从而达到降低库存空间的使用率。
三、液压挖掘机的设计特点
产品个性化需求是工业产品特别是机械产品的发展趋势。据了解，目前的很多制造型企业都是采用基于产品系列和面向订单设计的多品种、小批量的生产模式，而对产品进行模块化配置设计可以有效地支持这种生产模式。分析液压挖掘机的制造过程可知，它的结构组成有大约30％是固定配置，而约70％是由客户的个性化要求，而这70%的个性化需求大多数属于要求动力系统、液压系统、快换装置和驾驶室、以及增加附件装置等进行定制，表3-1是关于液压挖掘机的设计周期的表达。对于液压挖掘机的这种生产模式，有必要引进对其进行配置设计这一方法，通过液压挖掘机模块化设计，形成应用基于模块化的配置设计技术，快速检索或模块组合形成满足客户要求的产品，从而使企业更好地应对批量定制的市场需求。
表1液压挖掘机设计周期
四、液压挖掘机的组成结构与工作原理
(一)组成结构
液压挖掘机一般是由动力装置、传动系统、回转机构、行走机构、工作装置、操纵机构和辅助设备等组成。常用的全回转液压挖掘机的动力装置、传动系统的主要部分、回转机构、辅助设备和驾驶室等都安装在可回转的平台上，通常称为上部转台，因此又可将单斗液压挖掘机概括成工作装置、上部转台和行走机构等三部分。
(二)工作原理
液压挖掘机的基本工作过程：在驱动力作用下，工作装置上的铲斗接触并抓牢物品，然后提升铲斗，回转到卸载区卸下物品，再使转台回转，铲斗下降到挖掘面，进行下一次作业。
实现液压挖掘机的基本工作过程的原理是：通过利用发动机，把柴油的化学能转化为活塞做功的机械能，经过连杆、曲轴的共同作用，把直线运动改变成旋转运动，然后由液压柱塞泵把从发动机输出的机械能转化为液压能，再由液压系统把液压能分配到各个执行元件，实现液压能到机械能的转变，从而实现液压挖掘机的整个工作过程。
五、液压挖掘机配置设计过程
(一)液压挖掘机配置需求创建
液压挖掘机配置设计的目标是尽可能地满足客户多变的、个性化的需求。而对客户需求信息的获取和分析处理、正确理解客户需求、充分表达需求语义和准确转化客户需求，是成功完成产品配置设计任务的必要前提，并且此相关前提工作的完成情况最终影响产品配置结果能否满足用户要求。因此，应该正确理解客户的各种需求，并做适当引导，将客户模糊的需求信息表达转化成对产品技术需求的信息。
液压挖掘机的配置需求管理，就是要根据客户对需求的描述，用设计的语言，把客户需求编译成为设计文档。客户需求是产品配置设计的最初来源，企业能够把客户对液压挖掘机的配置需求信息进行收集和处理，是成功实现配置设计任务的基础。因此，正确处理客户需求，是个性化液压挖掘机配置设计的重要环节。
(二)基于模块化的液压挖掘机配置设计模型
(1)液压挖掘机主结构
产品的主结构描述了一个可配置的、包括所有标准构件的模块化产品系统的组成情况，在产品主结构的基础上，可以根据不同客户的需求，从中派生出客户的定制产品。产品主结构的主要特点是：它是通过设计者对企业已有产品实例进行归纳、总结得到的；面对客户个性化需求的产品，只需通过相应的规则对主结构中不同版本的零部件，进行选择需求模块进行组合，就可以生成满足客户需求的产品实例结构模型。
液压挖掘机根据不同的用途，客户要求它能够实现的功能不同，对应的主结构中的功能模块版本也不一样。因此，有必要对液压挖掘机的产品实例模型进行归纳，结合产品族概念，总结形成通用的模块化产品主结构，为后续能快速配置设计生产客户定制个性化产品提供帮助。
(2)建立液压挖掘机配置模型
产品结构设计要求篇10
abstract:thispaper,aimingatspecialvehiclesuchassemi-trailertanktruck,analyzedthesimilarcharacteristicsoftheseproducts,andusedquickconfigurationcombinedwithrulebaseandexamplebase.Clusteringmethodofweightedeuclideandistancewasappliedtocalculatesimilaritybetweenhistoricalexampleandthenewproductsoastoresolvesimilarcaseextractioninconfigurationprocess.theconfigurationknowledgebasedwasadoptedtooptimizetheconfigurationresultsandproductconfigurationmethodbasedonsimilarcasefortheslabandframeproductswasalsorealized.itsatisfiedtheorderrequirements,andrealizedtheboardproductconfigurationbasedhistoricalexamples.
关键词：历史实例；产品配置；物料清单；基于订单
Keywords:historicalinstance；productconfiguration；billofmaterial；orderbased
中图分类号：tH16文献标识码：a文章编号：1006-4311（2011）17-0035-02
0引言
基于模块化技术的产品配置方式，是一种新兴的产品设计制造关键性技术，可以有效地缩短产品的设计周期，按照订单灵活快速确定产品的结构方案，提高各种设计资源的重用和降低产品的设计生产成本。产品配置方法国内外对此进行了大量研究，目前主要有基于规则（rulebased）和基于资源（resourcebased）这两种产品配置方法。基于规则的产品配置方法已被成功应用于验证用户订单的技术合理性，并初步指导实际装配，取得了较好的经济效益。
本文将具有板结构特征的产品为研究对象，从面向订单的需求出发，构建与用户需求相适应的产品配置模型，通过分析一系列板、框类产品的特征相似性，并进行历史实例与待求目标产品的相似匹配，提出了基于相似历史实例的产品配置方法。
1产品的快速配置模型
1.1板构件产品的特征分析经过对大量的车辆板构件产品的分析，该类产品具有以下几点特征：①属性参数相似：所有零部件具有长度、宽度、厚度、角度等属性参数。②零部件类别统一：产品由有限种（2-3种）材质、不同形状、尺寸、数量的板式零部件构成。③装配参数和参数确定方式相似：对所有零部件装配的过程中，我们能够通过装配参数，例如数量、位置、倾斜度等进行描述。④设计生产流程相似：大多为厂家自制件，从订单出发，先确定产品零部件的各个参数，再绘制相应的工程图以供实物制造，最后组装成品。
1.2快速配置模型的建立产品快速配置的关键是在正确理解和表达用户需求的基础之上，在资源库中找到可以满足订单需求的模块，以组成所需的产品。配置知识的表达作为产品配置模型的基础，配置模型的建模过程实际上是对现有产品所蕴涵的知识、经验、关系的表达和提取的过程。对板构件产品的相似特征进行分析可知，其产品快速配置的解可用包含产品自身属性参数和装配参数的产品物料清单与装配约束的规则来一同表达，关于约束的规则也是参数确定方式之一，图1给出了板构件产品的快速配置模型，其可表达为：p=f（pa，S，V，H，R），其中，p为要配置的产品，f为配置方法，该配置方法对括号内的数据集进行操作，pa为产品装配结构模型，S为板构件集，V为变量集，H为以往的产品实例集，R为规则集。
板构件集S={S1，S2…Si…Sn}，i=1，2…n。Si是可用属性参数和装配参数描述的板式零部件，i为板构件的iD编号，产品装配结构模型pa表示具有相似装配结构的产品集合，板构件产品pa的相似装配结构指构成该产品的所有板构件Si及其装配方式相似。变量集V包含三个变量子集：需求变量子集VD、板构件属性变量子集VS1和装配变量子集VS2。VD描述订单上的需求，变量的个数与订单上描述需求指标的个数相关，VDk即为第k个需求变量。VS1描述板构件自身的尺寸属性和材料属性，VS2描述板构件装配时的约束参数，VSi1k即为板构件i的第k个属性变量，VSi2k即为板构件i的第k个装配变量。VS1和VS2为待求配置变量，其值组成快速配置结果的一部分。因此，变量集V={VD，VS1，VS2}，其中VD={VDk}，VS1={VSi1k}，VS2={VSi2k}，i=1，2，…n，k=1，2，…。实例库H是已经成功定型生产的实例集。实例存储的合理性是实现快速配置的基础，直接关系到实例匹配的效率和最终解的优劣程度。实例的表示关系到实例的内容和结构组织方式。针对板构件产品的特征，实例需采用双层结构来存储两个方面的内容。第一层存储实例化的需求变量子集VD，第二层存储实例化的构件变量VS1和VS2。因为如果两产品实例的需求变量子集VD接近，则一般来说两产品的设计方案也应相似，所以将第一层需求变量子集VD作为已知量进行属性匹配求解，第二层的内容将是待求产品的初解，最终将形成产品的Bom等设计制造资源。设描述产品需要n个需求变量，H中有m个实例，实例库的表达如表1所示。
规则集R作为产品快速配置模型的配置知识库，用以表达产品配置变量间的关系，是确定配置变量值的方式之一。根据板构件产品参数的基本确定方式，将R中的规则分成四类，分别形成四个子集：属性配置规则R1、装配约束规则R2、设计经验规则R3和结果校核规则R4。则规则集R可表达为R={Rijk}，i=1，2…n，j=1，2，3，4，k=1，2…，Rijk表示约束板构件Si变量的第k条第j类规则。由于板构件产品参数的确定方式并不复杂，基本上都是利用力学和数学为基础的设计计算公式，故规则的构造也并不复杂，设计计算公式的有限性决定了配置知识库也不会很庞大，根据文献[4]，采用规则if（Condition）then（Result）的方式构造配置规则即可。另外，在设计者优化某一配置变量与设置并不只有一条规则的情况下，规则之间或许会有冲突，产生覆盖规则的问题。为了能够有效地处理这一问题，应对规则设置完成之后，对整个规则中Result的左边同名变量的数量通过程序进行检查。实际上，考虑到基于相似实例的配置方法中大部分配置变量通过基于相似实例来赋值，规则只是用于少数配置变量的优化，在通常状况之下，在设置规则时，设计者从宏观方面就能够控制规则的冲突问题。以半挂式罐车为例，R1和R2是以力学和数学为基础的，可在相关国标和行标中查得计算公式，来约束VS1和VS2中的变量；R3是设计人员根据个人以往经验设定；R4是为确保能承载用户要求的载重吨位而进行的强度和刚度校核。如果要表达当罐车车间腹板的高厚之比大于70时就需要在腹板中布置一些加固件，只需使用规则if（VS611/VS613>70）then（VS98=true），其中VS611，VS613，VS98分别表示车架腹板的高、厚和腹板中部是否需要另外加固件。
2基于产品历史实例的配置优化方法
产品配置方法f是根据用各个户需求参数对产品模型中的各构件类实例化的过程。
在基于历史实例的产品配置中，要想处理类似实例的筛取问题就应选用适宜的匹配算法。目前，在众多领域中都普遍的应用到聚类分析算法，它能够通过加权的n维空间距离把目标对象同已有对象作出排序，这在聚类分析中是经常用到的距离度量方法，由于加权欧氏距离的聚类算法注意到在相似聚类过程中，对象里的各个属性变量影响作用的不一样，在参数型属性的实例检索中更加有效。它通过计算历史实例和待求产品之间的欧氏距离来确定相似度，距离越小则表明相似程度越大。半挂罐车产品的需求变量是用来描述外形尺寸、速度、承载重量、容积等性能参数的，通过带权参数的欧氏距离的聚类算法对需求变量进行处理可以得到产品实例间的相似度，以此为依据进行产品相似实例的筛取工作。基于历史实例的产品配置全过程如图2示，分为如下几个步骤：
2.1对订单数据的采集。提取用户订单中的重要的变量参数，将用户的需求转换成需求变量集VD中的各元素。
2.2进行历史实例和目标配置方案的匹配提取。确定历史实例与目标产品相似度的加权距离的聚类算法过程如下：
设产品订单实例中的需求变量为VD1，VD2…VDn，且共有m个历史实例，VDij表示第i个实例第j个需求变量的值，则有：
待求配置实例向量x=（VD1，VD2…VDn）
需求变量的权值求解采用层次分析法，将作为匹配属性的板构件需求变量作为同层因素进行同层次两两因素间的相对比较，构造判断矩阵，采用其常用的1~9，其比率标度意义如表2，也可由通过总结历史设计经验建立判断标度表，确定每一个需求变量的权重值。
2.2.3求带权的欧式距离cdi及与目标实例相似程度ri，并选取最匹配的历史实例。目标实例与各历史实例的加权欧式实例：目标实例与各历史实例的相似度为：ri=1-cdi。在历史资源库中选取相似度ri值最大的实例，即为历史实例库中与当前目标产品最匹配的实例。
2.3选取最匹配的相似历史实例作为配置基型，其继承了该实例的属性变量和装配变量的实例值。
2.4在相似历史实例的基础上配置优化。在实际设计中，基于相似实例配置出来的初始结果往往并不能完全达到设计要求,设计人员需通过配置规则库，有选择地设置规则库R1，R2，R3来调整变量集VS1，VS2中的变量值。变量VS1，VS2的优化算法的采用if（Condition）then（Result）结构，具体流程如下：
i=1
whilei
{CurrentComponent=Si
j=1；k=1
whilej<4Do//四类规则
whilek
Begin
CurrentRule=Rijk
if（CurrentRule.Condition）then//VSi1，VSi2赋值
CurrentRule.Result
}
ReturnVS1，VS2
2.5校验结果并生成产品设计模型。优化的结果最终需要通过校核规则库R4的检查和校核。若有未通过校核的变量，则需按之前的步骤进一步配置优化。最后，将变量集VS1，VS2中的最终值形成产品的快速配置模型。
3总结
基于相似历史实例与知识规则集成的产品配置方法直接运用先前成功的知识和经验，可以有效地避开传统的复杂配置程序，降低并减少设计者的工作量以及产品开发的周期，从而提高产品配置的成功率。同时还能有效利用和管理企业已有的设计图纸、生产方案等现有资源，可根据产品订单的不同需求及制造约束条件有侧重地应用历史实例匹配与规则推理的各自优势，综合求解，反复校验，从而有效提高模块化设计中产品快速配置求解的效率和准确性。由于基于订单的产品设计与制造流程具有复杂且模糊的特点，这使得历史实例配置求解的匹配算法和知识库、规则库的建立都存在着一定的难度，因此，产品最终的配置方案对各组件对象的独立配置能力有很高的要求。另外，产品配置模型求解、知识库及规则库定义和管理的方法，对最终设计方案的评价及实际可靠性具有重要作用。本文在分析汽车类板构件产品特征的基础上，提出了该类产品的快速配置模型及其方法，具有较好的实际应用价值。
参考文献：
[1]孙毅单,继宏,孙中炜,毛亚郎.基于实例与规则集成的模架配置方法.中国机械工程,2009,20,(4).