基于约束功能的机械产品概念设计方法研究

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机械产品概念设计的灵感产生与设计人员的相关设计实践密切相关，而机械产品功能原理解的获得则是不断的知识训练和思维发散的过程。文献 瑚 过对机械产品的用户需求和预设功能的量化分析，建立产品知识库，基于功能相似性的产品族生成以及最相似产品的确定 ，进行企业新品开发、关键拈确定以及设计知识的重用。文献l引针对传统生成算法中知识描述不-致引起的设计知识重用困难和设计方案生成准确性低的问题，提出-种基于本体映射的产品概念设计方案生成的新思路。文献 提出基于约束网络的产品设计方法，将产品设计看作约束满足问题，将变量和约束抽象表达为设计约束信息提韧约束链生成过程，实现对设计约束系统和约束网络构造，通过约束网络运算使约束链中的结构部件和结构单元的组成原理重构和概念方案生成。

综合现有文献中机械产品概念设计功能原理方案的求解方法，主要有：机械产品设计库的扩充和重用知识拓展；产品功能分解与结构映射过程中有效约束要素提韧设计约束加载；具体映射结构件及其相互功能联结形式的确定等。通过建立基于约束功能的功能分解和结构映射方法，实现对机械产品各功能拈的约束功能分解和设计约束加载；再结合整栅陛能指标和主要结构参数等约束要素，映射出机械总成具体映射结构件和相互功能联结形式；最后以电动液压叉车的建模仿真和物性分析的应用案例，给出结构方案评判和优选的概念设计方法。

2约束功能2.1约束功能概念- 般机械产品开发流程是从市场需求分析出发，经确定预设总功能、求解作业原理、布置总体结构型式和零部件详细设计图，最终输出概念设计成型方案。产品从概念形成到系统设计所经历的概念测试和优选过程，如图 1所示。涉及到产品的经济分析、竞争性产品的标杆建立和测试模型及原型等概念测试的定性和定量分析。机械产品概念方案的产生类比产品开发中的概念测试，从不同的评价维度对诸多的功能结构映射解进行评判，从而来稿日期：2012-07-10基金项目：江苏省高校自然科学研究基金项目(11KJD460001)作者简介：高 瞩，(1965-)，男，博士，副教授，主要研究方向：产品造型设计及其信息化第 5期 高 瞩等：基于约束功能的机械产品概念设计方法研究 257优淹确定最适合设计需求和预设功能的最相似产品概念方案。

I Build and le8t Models and Prototypes I图 1机械产品开发流程中的概念测试和优选过程Fig.1 Concept Testing and Optimization Process in theMechanical Product Development Process产品机械功能的实现载体是产品结构，包括机械装配体 、零部件和几何特征信息，它可分解为多个装配子系统(功能拈)和特征实体。机械产品系统受到环境因素的各种制约和影响，系统为满足-定的功能和约束又会对环境提出-定要求和限制[51。

机械系统从功能分解到具体结构型式的映射(F-s)实质为机械产品有效约束加载和功能联结关系匹配的过程。概念设计阶段，产品各种约束要素体现在对不同功能结构解的分析、综合 、评价和决策的整个流程，这种约束性的导向作用可归结为由功能驱动机械产品概念设计的-种功能形式，即机械产品的约束功能。

产品功能设计约束大致分为功能性约束、非功能约束和环境约束i61。功能性约束是指机械产品的功能原理解为满足产品预设功能而加载的必要约束因素，如精度、运动、几何尺寸、公差、强度等约束要素。非功能约束是与产品功能相关的约束条件，各约束因素可以相互协调和折中，无需完全加载到功能结构体 ，如成本、可制造性、可装配性、安全性、稳定性、效率等。环境约束则与具体机械产品的工作环境相关 ，如工作空间、潮湿度、腐蚀性程度、灰尘程度等。

设计约束加载过程是从上述三种约束的各自特点和加载情况中提取出约束意义、约束方式和约束效应的共同因素，并加以精炼、相互耦合、集成和输出的过程。概念设计方法有必要建立整合产品各约束要素的协调系统，在机械产品概念初期就输入相对有效的设计约束 ，以此为产品的创意形成及其视觉化和工程化，确定较为明确的草案设计方向，并为设计后期具体的功能结构型式的确定和设计方案的评价、优选提供依据。

2.2约束功能特征产品所加载的约束功能，如设计目标约束、产品运作环境和功能载体约束会随其外部资源环境的变化而增强或弱化[71。

同类产品的基本功能和整机性能大同小异，只有从提升产品的辅助功能和附加价值的设计方向强化，才能避免产品的同质化。具体可从产品操作部位的细节设计、用户感知和处理信息的角度(人机交互界面)出发，依托使用环境和其他客观因素，最终赋予产品良好的感官品质和操作体验。这种将产品后期的视觉化表现和市澈争力等因素综合考虑的设计方法，将给产品带来独特的品质和可观的延伸价值。在实现产品辅助功能和延伸价值过程中，约束功能可归纳为：产品语义和用户认知因素；信息感知、处理和反婪节 ；作业空间布置和操作区域的人机交互界面；作业环境影响等。

机械产品约束功能特征为：(1)约束功能反映机械产品内部的相互限定关系，是功能载体结构的限制条件和功能联结关系。

(2)约束功能依托产品的操作和使用环境 ，充分利用产品语义和用户认知概念、感知处理信息方面特点 ，给予用户正确操作所需关键线索。

(3)约束功能体现在凸显操作部位，简化操作方式和反馈操作等人机交互中。

(4)约束功能受制于客观因素(如科技进步、实际使用环境、运行成本、文化框架、潜在用户、市场认可度)。

2.3约束功能模型基于产品约束功能的设计活动是通过提取产品的有效约束来建立约束功能模型，并进行多约束功能的优化求解，经筛选确定最优结构方案。

流程框图形式的约束功能模型，如图2所示。具有表达流的转化和模型边界等方面的优点；黑箱框架中通过不同约束因素的耦合效应和有效约束的提炼和序列化，突出了功能结构成型中约束功能的作用；经原理方案的优癣评价和决策环节，可输出最终功能结构。

. . 竺-lL、、竺兰空竺至术 日n阻 烯 l1愠 叫 妯 古 掘 ： l功能载体结构 J 2相容匹配关系 3人机交互反馈 《4社会环境框架 ·预设限制条件·机构系统组合相容·操控显示-致性·新科技、新理念联关系完整自然l通道组合：MS，V/M用户认知和体验、执行动作工艺选择性标准化 运行状况· ·-·-.·多约束功能优化求解I有效约束提 I l约束功能图2约束功能模型Fig.2 Constraint Function Model3结构映射关系分析3.1机械总成结构形式的确认机械产品零部件具体结构形式和相互间功能联结关系的匹配可通过不同设计约束的耦合效应，以及有效约束的提韧序列化来完成181。具体说来，可结合机械产品的整机性能指标和主要结构参数等约束要素，通过表征约束共陛规则和计算各功能拈的约束相关度来量化其约束功能的强弱和动态变化。

以电动液压叉车为例(图略)。基于约束功能描述了机械产品的功能分解。电动液压叉车适用于车间、仓库的狭长混凝土或沥青地面，用于搬运与托架配合的单件或成箱物品。通过对叉车原型的性能分析可知，叉车精确操纵和提升的机构以及液压系统已相当成熟，各总成结构形式的确认主要是选认适的机构型式，尤其是电动液压叉车的各功能结构块形态、自动称重系统设计，以及人机操作的主动安全胜方面。具体确认，如表 1所示。

32结构方案的定位电动液压叉车的约束功能分析和结构映射可得到产品各功能拈的结构形式，具体结构方案的定位分析如下：(1)产品用途：车间、货瞅仓库内作短距离往返搬运作业；(2)作业环境：狭窄通道、平整路面；(3)负载状况：中小吨位(<2000kg)；