相关产品：机械式及液压式剪板机刀片

　　随着工业生产的发展，设备和产品的功能与结构日趋复杂，产品设计在整个生命周期内占有越来越重要的位置。作为只占5%产品成本的设计活动往往决定占到70%-80%的产品成本。Pahl和Beitz认为机械设计分为明确任务、概念设计、技术设计和施工设计等四个阶段。概念设计是产品设计过程中的关键环节，指根据产品生命周期各个阶段的要求，进行产品功能创造、功能分解以及功能和子功能的结构设计;进行满足功能和结构要求的工作原理求解和进行实现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统化设计。概念设计是一个发散思维和创新设计的过程，是一个求解实现功能的，满足各种技术和经济指标的可能存在的各种方案并最终确定综合最优方案的过程。

　　为了实现机械产品的描述，需要从功能、行为、结构三方面进行考虑。功能指一个f结构的目的，是行为的抽象表示，目的是对应出新的行为对象。行为是指实现功能所需要的方法，即通常所说的工艺动作、实现方法。结构指为实现某些(某一)行为而采用的一组构件、元件以及它们之间的组成关系。从功能→行为→结构的过程是设计逐步细化的过程，目的在于产生合理的设计结果。因此为了有效支持概念设计活动，需要解决以下两个难题:(1)从各个方面对产品进行完整的描述;(2)利用推理技术产生合理的设计结果，前者称为模型问题，后者称为推理问题。有关这两个问题，近年来涌现出一大批解决技术和解决工具，但这些解决技术/解决工具大部分只涉及到特定产品设计过程中的特定方面，本文对这些解决技术/解决工具进行了归纳和总结，以便更好地支持机械产品的概念设计。

　　1　模型问题

　　在机械产品概念设计过程中遇到的一个难题是机械产品描述的复杂性，即产品模型问题。其中涉及的模型表示方法包括语言、几何模型、图(树)、对象、知识以及图象等。

　　1.1　语言

　　计算机最初是为解决数值运算而设计的，而语言属于非数值符号，一般以长度不等的语流形式出现，有着自身的句法和语义体系，其数据表达、语义表达、运算规则与数值信息有着很大差别。然而由于语言具有离散性、序列性和邻接性的特征，对语言的处理具有很大的可行性。Rinderl利用图式语言描述设计行为，Neville和Joskowic提出一种语言用于固定轴装置的行为描述中，Tyug提出了基于语法的属性模型表示设计对象的实现知识。这些努力集中在针对某一应用开发不同的语言，如何使得语言能够重用和共享已经成为研究的热点。

　　1.2　几何模型

　　几何模型是产品结构在计算机中的实现，目前比较常用的有B-Rep、CSG(DSG)、变量几何和特征表示等方法。B-Rep(Boundary Representation)中形体由边界信息如面、边、点组成，但不利于几何推理。CSG(Contructive Solid Geometry)中利用柱体、管体、锥体等比较简单的形体通过一定的操作生成复杂的形体，语义关系明确，但具有表示的不唯一性。DSG(Destructive Solid Geometry)是CSG的变种，和CSG不同之处在于从坯料出发进行类似于机加活动的“削减”行为而成，同样具有表示的不唯一性。变量几何利用解析法对机械组件进行约束，摈弃了直接在空间中定义顶点，采用尺寸约束来对这些顶点进行描述。Li描述了采用变量几何进行建模的合理性，Light和Gossar对Lin的工作进行了扩展，允许通过变量几何进行几何模型的修改。特征表示抽取具有工程语义的特征对产品进行建模。EDISO就是一个利用特征建模的系统，目前相关研究集中在面向工艺设计的特征设计和特征识别等方面。

　　近来几何建模向集成方向发展，Keirouz等人提出将几何、特征和变量几何集合起来，就可处理概念设计中出现的几何问题和“What if”问题。

　　1.3　图(树)

　　图和树是概念设计阶段常用的两种表示手段，可以对有关产品的所有属性，包括功能、行为和结构进行描述。Malmqvis描述了如何利用图来描述机构、电子设备和液压设备的结构功能，图中节点代表不同的物理实体(如容器、转化器等)，而弧用来表示速度、力这样一些属性。Murthy和Addanki利用改进的图模型来修改象梁设计这样的结构设计原型。除了描述产品，图(树)还用于描述需求和约束。Kusiak和Szczerbicki利用树模型描述机械系统概念设计阶段的功能和需求，并利用关联矩阵来表示功能和需求之间的转换关系。由于图论研究的深入和相对成熟，将图(树)用于概念设计中具有一定的优越性。

　　1.4　对象

　　对象表示是近来比较流行的一种表示方法，由于具有抽象性、封装性、多态性和继承性等一些特点，对象表示在建模方面有很大的灵活性。除了表示物理实体，对象还可以应用到其他方面。Martin利用面向对象的树表示描述金属疲劳和失效的分析，同样的方法由Ohki用于表示约束和物理实体。Yoshioka等人用对象表示轮船设计中的实体和过程知识，以利于知识的重用。Kolb和Bailey利用O-O技术对航空发动机的概念设计进行建模，Kusiak在CONDES系统中采用了O-O技术和规则相结合的方法，利用对象进行设计的合成，而利用规则来指导这个过程。

　　1.5　知识模型

　　概念设计阶段处于设计的初期，不仅需要成本、性能、环境等信息，而且需要知道物理、数学、实验等不同方面的知识。最常用的知识模型包括框架、产生式规则、语义网络、谓词逻辑等。Rao采用基于规则的技术解决球轴承设计中的更换问题，Tong和Gomory则采用框架结构描述标准厨房设备的部件。目前这个领域有许多工具可以利用，Krause和Schlingheider对常用的工具如ICAD、MEDUSA-ENGIN、CONNEX等进行了归纳。

　　利用知识模型取得了很大的成功，但也存在一些不足，如知识模型正确性的检验、知识获取的问题以及知识库管理等问题。

　　1.6　图象

　　最接近人类思维和推理方式的表示方法之一就是利用图象，如徒手草图是设计活动中常用的加速设计活动和比较设计结果的方法，但直到McKim通过实验研究表明可视化思维适用于所有领域的设计活动，图象的利用才得到了一定的发展。1990年Radcliffe和Lee提出了克服认识到实体之间障碍的可视化思维模型，Sittas做了进一步的扩展并将之应用在3D草图的创建和修改中。