对某种支持变型设计的机械产品结构分析

安淑女AN Shu-nv

（江苏建筑职业技术学院，徐州 221116）

0 引言

随着社会经济的发展，制造业的生产经营模式越来越趋向于样品的多样化和小批量，以更好的适应企业在新时期面对国内外竞争环境的各项要求。这时，变型设计理念的出现就显得不足为奇，而且很好的适应了企业当前的生产经营策略。变型设计理念的核心就是要对原有的产品结构设计或系列产品进行改进和创新，实现新产品的快速设计和迅速推向市场。目前的变型设计主要是通过产品的有效配置和产品结构模型来实现的，而对变型设计中的创新设计、过程设计和变型修改等几个关键环节不够重视，不利于变型设计理论的长远发展。本文结合机械产品的特点，将对产品结构与变型设计等相关问题进行分析和探讨，以求进一步验证变型设计的有效性和实用性。

1 变型设计概述

1.1 变型设计的基本概念

简单的说，变型设计就是一种设计方法，是一个设计过程，它的基本思想是通过改进已有的系列产品或设计实例来适应新的设计需求，实现产品的快速设计和新产品的快速试制定型。就整体而言，变型设计就是运用一定的规则将整个产品的设计归结为对其中各个部件、零件等功能模块的设计。因此在进行变型设计时建立一个合理的产品结构模型是实现产品快速变型的关键。

1.2 方法体系

机械产品结构设计是一个系统、复杂、循序渐进的过程，无论是用户新的需求，还是机械产品在功能上的细小变化，都有可能引起很大改变，即在产品结构上的细小变动都有可能导致产品结构设计上的重大变动，这在机械产品的变型设计中表现的尤为明显。有时企业为了更好的满足各种用户的不同需求，不得不对原有的产品结构进行重新设计，以期获得更多的收益，奠定自身的竞争优势。笔者认为，对机械产品结构进行变型设计的关键就是要准确找到变型设计的根源，建立科学合理的方法体系，进而保证变型设计和快速设计目标的实现。本文所要介绍的方法体系，是以变型规则为基础，通过事物特性表技术的合理运用来构建合理的机械产品结构模型，该模型能够对支持变型设计的机械产品及其构配件之间的关系和条件进行准确的描述。事物特性表技术实现了机械产品结构数据通过二维表结构进行标准化、科学化、规范化的组织，这对机械产品结构的变型设计无疑是非常有帮助的。

2 事物特性表的应用

事物特性表是一种ASCII文件，它的格式是保持不变的，不仅能够对事物的基本属性进行登记，还能对构配件的一些特性进行针对性的描述。在国家的相关标准中，它被当作一种信息标准进行应用，不仅能对事物的特性进行描述，并严格按照相关规范和要求进行记录、存储和显现。表格形式如表1所示。

正是因为事物特性表能够详细、有效的对事物的性能、特征、工艺特殊性等进行描述，尤其是产品在开展与尺寸变型相关的结构设计时，事物特性表更有利于产品结构从类到实例的转变，这对变型设计和相关检索显然是非常有帮助的。例如，我们可以对某种机械产品的内外径、长度等特性进行描述，我们就可以得到一类产品，而我们对以上特性参数化之后就得到了某种产品的实例，最后将所有特性参数进行组合后，我们就得到了该产品的事物特性表。事物特性表的应用不仅如此，我们还可以结合机械产品变型设计的具体实际进行灵活扩展，尽量将事物特性表的作用最大化。

表1 事物特性表的空白规范结构

3 机械产品结构模型分析

从某种意义上说，我们可以把产品结构模型看成是能够适应应有的的约束配置的构件的实例化集合。在具体应用过程中，企业应当立足于市场及用户的各种需求，从企业原有的系列产品结构中进行改进和创新，进而派生出更多的有效的产品结构。在对产品结构模型进行分析和构建时，我们首先应当对产品的结构、特点、功能有个全面的把握和了解，并按照相关设计原则和理念把产品模块化，然后通过面向对象的设计方法将所要进行设计的产品进行分解，进而获得相应的产品类或零部件类，最终得到科学、有效的产品模块结构。产品结构模型的原理如图1所示，其主要包含产品变型与约束规则、参数传递结构和构建集合等内容。而为了更好的对产品结构及其结构进行分析，我们首先要对产品以及组成产品的零配件关系进行描述，即构建产品装配拓扑树。

图1 产品结构模型原理图

3.1 产品装配拓扑树的构建

对于产品装配拓扑树的描述来说，我们可以把它看作是一种类结构，具体如图2所示。

在装配拓扑树中，基本模块是产品结构设计中必不可少的，必选模块则是在严格遵循相关规则的基础上，从企业主要的系列产品结构模块中指定一定数量的模块加入到产品中；可选模块则是在严格遵循相关规则的基础上，从企业主要的系列产品结构模块中选择一定数量的模块加入到产品中。O2表示在组成部件BNode2时必须且只能在Anode6和Anode7中选择一个零件构件，并且以该构件与CNode2的关系装配到BNode2中。R1表示在组成产品族CNode1时，可以根据一定的规则在Anode4和Anode5中选择一个零件。将构件（Node）的概念引入到装配拓扑树中，主要是为了更好的表达产品对象以及零部件等子对象，而构件不能完全等同于具体的零部件，我们可以把它看成是零部件的抽象，是拥有一定共同特性的的集合，我们可以将其表述为一个四元组：

Node＝[ID, Sel (Inc, Num), Type, Des (Attr_name, Data_Type, In_cons)]

式中ID表示产品对象或其零部件子对象的唯一标识号；Sel表示该构件的选择特性，Inc的取值为0，1。Inc=0表示该构件是可选构件，Inc=1表示该构件是必选构件。Num表示零部件在产品中的配置数目； Des表示构件的属性描述信息，Type表示该构件的类型。At-tr_name表示该构件的一个属性名称；Data_Type表示属性的取值类型，如浮点型（float）、整型（int）、字符型（char）、布尔型（bool）等；In_cons表示属性的取值限定约束。

3.2 PSMTree类的构造

在完成装配拓扑树的构建后，能够从结构上很好地支持产品对象的变异性。然后采用面向对象的方法对由PSMTree描述的产品原型进行建模，在建模时采用事物特性表技术来构造描述PSMTree的类属性，从而通过类的继承得到描述产品的类。在对类进行构造时，我们可以依靠O_Asm、O_Par和O_Sel这3个类来分别描述PSMtree中的产品及其零部件构件。提取3个类的标识码ID、名称NAME、变型规则等共同属性构造基类O_Base，O_Base与O_Asm、O_Par和O_Sel构成分类结构，具体如图3所示。

图2 装配拓扑树

图3 类构造结构图

3.3 机械产品的变型设计规则

从产品结构模型的构建过程来看，变型设计离不开以知识表达为基础的变型规则，规则表达的规范与好坏在很大程度上决定了产品的变型设计的质量，对此我们可以从两个方面进行研究。

首先，对于变型规则，我们是针对产品模块内来说的，变性规则大体可以分为三种形式，即条件表达式、逻辑关系式和数学关系式。其中，逻辑关系式主要是为了判断产品中具体零件的必要性和可行性，进而决定零部件的增加或取消，条件表达式主要是用在产品构配件的更换或构配件数目的更改，通常表现出一定的因果联系，规则的具体形式可以表述为：

＜规则＞：：＝＜规则ID＞＜规则名称＞＜事件＞＜条件＞＜动作＞

＜事件＞：：＝＜事件ID＞＜事件描述＞＜事件规则＞

＜条件＞：：＝＜表达式＞＜事实＞

＜动作＞：：＝{(＜陈述＞|＜操作＞)}：

其次，产品族模块间相互约束规则通常只会出现在部件或产品中，其对应的事物特性表中的信息主要是依靠指针通过配置文件的形式保存。机械产品的设计人员可以充分利用模块间相互约束的规则，对产品组合的各种模块进行灵活的选择，进而实现对主要系列产品结构进行变型的目的。其中，主要的约束关系主要包含：相互依存、相互排斥、相互继承、实现、组成、选择等，产品设计人员可以更加产品变型设计的实际，立足于满足用户的基本需求以及产品功能的丰富进行灵活选择。

4 结论

综上所述，通过对支持变型设计的机械产品结构的相关分析，我们不仅对变型设计有了一个新的理解，更加认识到了变型设计技术以及方法体系选择与构建的重要性。对此，相关技术人员应当不断加强自身的综合素质，不断更新自身的理论知识结构，提高自身对原有系列产品及其产品结构进行改进和创新的能力，持续改进自身的变型设计能力，进而更好的满足用户的需求，丰富产品的职能，为变型设计的快速、广泛应用提供更多的便利条件和支持，促进企业产品线的丰富和经济效益的提高。

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