面向產品創新設計的CAD方法綜述
來源：計算機輔助設計與圖形學學報
發布時間：2014-05-26
對現有的與產品創新設計有關的CAD方法從4個方面進行了分析和歸納，分析了各種方法的優缺點，以期為深入研究實用的、符合工程設計要求的產品創新設計CAD方法提供有益的參考。
1、引 言
隨著科技的發展,產品更新換代也越來越快，工廠中以往那種單一產品大批量生產的狀況已經無法適應。目前生產中流行的是小批量、多種類的設計要求，這就要求工程設計人員建立一套有效的產品開發方法。為此，許多專家學者以計算機圖形學為理論基礎，以產品幾何（特征）模型為核心，提出了面向零件、面向裝配以及面向制造的計算機輔助設計方法等等模型。雖然，現有的許多CAD軟件在產品的分析、計算、繪圖以及制造方面發揮了很大的作用，但是產品開發更多更重要的是非數據計算的、通過思考、推理和判斷來解決的創新活動?；趲缀危ㄌ卣鳎┠Ｐ偷腃AD技術能夠縮短設計時間、改良已有設計、提供方便有效的制造接口，但是只有創新活動才能真正從根本原理上進行產品革新，才能為社會提供種類更多、功能更豐富、價格更經濟、性能更有效的新產品，才能在產品的性能、質量、價格等方面產生質的飛躍。可以說現代設計的核心就是創新設計, 它需要根據以往的設計經驗、根據新興技術所提供的新原理、新方法進行產品的分析、設計。因此，許多專家學者試圖將人工智能技術融入CAD技術之中，并為之做了許多有益的嘗試，提出了許多種面向產品創新設計的CAD方法，對加速新產品的開發起了積極的作用。
面向產品創新設計的CAD方法主要以現有的CAD技術以及人工智能技術為基礎，以產品創新為目的，它以產品的設計要求為初始輸入，產品設計方案為最終輸出，包含了概念設計方案的生成、功能單元的結構設計、產品裝配設計、詳細設計、改良設計以及產品數據模型的生成等方面?！?nbsp;
產品開發過程包括市場調研、需求分析、功能方案設計、結構設計、裝配設計、詳細設計、改良設計以及生產、銷售等等環節。根據這一過程和面向產品創新設計的側重面，我們把現有對面向產品創新設計的CAD方法的研究歸納為基于分解的功能方案設計方法、面向功能單元的結構設計方法、基于裝配的產品改良方法、面向全過程的設計方法及模型等4類。前3類是創新設計過程的3個主要階段，第4類主要從設計方法學角度論述計算機輔助創新設計方法的設計過程模型。下面對這4種類型的研究分別加以敘述。
2、基于分解的功能方案設計方法
產品的功能方案設計可以說是整個設計過程中最初的也是最重要的一步，它需要找出可以實現該產品功能的各種可能方案并進行優選，關鍵性的一步就是如何進行產品設計要求的功能分解，因為產品的設計要求是最精煉的產品功能描述，而形成產品的卻是許許多多完成一定功能的零部件的組合。如何將抽象的產品設計要求轉換為具體的、現實的功能要求充分體現了人的創造活動。對這方面的研究，焦點主要集中在功能分解的依據上，有2種方法比較典型：一種以Robert H Sturges為代表，以價值工程理論（VE）為背景，采用功能分解，稱為功能邏輯分解方法：另一種以Yasushi Umeda為代表，以人的認知模型為背景，采用行為分解，稱為FBS方法。雖然兩者都處于發展之中，但是我們認為后者的分解依據更貼近工程設計的思維模式。
2.1 功能邏輯分解方法
功能邏輯分解方法從價值工程理論演化而來，經歷了基本功能邏輯分解到擴展的功能邏輯分解2個階段。它的核心是認為設計是一個以功能為基本單位的邏輯問題，認為功能是代表做什么的符號，具有邏輯操作性。它把最終目標，也就是整個產品的綜合功能認為是初始功能，它可以被邏輯分解為N個第2層功能，繼而分解為第3層功能，直至完成某單一功能的理論上不必再分解的基本功能。整個分解過程被看作是不斷問HOW的一個邏輯求解過程，即怎樣來實現要被分解的功能，最終形成網狀結構的功能擴展結果。該邏輯操作依托于功能定義庫，功能定義庫進行功能的描述以及定義該功能的后續功能，只有基本功能沒有后續功能，并且定義功能塊之間的關系。在這種功能擴展中功能塊之間存在著：（1）與/或關系； （2）因果關系； （3）提供/接受信息關系等幾種關系。這種方法的關鍵在于如何建立一個豐富的功能定義庫以及定義一個全面的功能塊關系描述集。對這方面的研究基本上都集中在這兩點上。
2.2 FBS（Function-behavior-state）方法
這種方法基于以下3個定義之上：
定義11. 功能是人們從實際認識中抽象出來的行為的描述，功能與行為之間是多對多關系。
定義22. 一個實體的狀態是一系列屬性以及與相關實體之間的關系?！?nbsp;
定義33. 行為是一系列隨時間變化的狀態?！?nbsp;
該方法的特點是以人的認知模型為基礎，將功能的分解轉換為行為描述的分解，因而更符合人的思維活動。正如定義3中所述，行為可以分解為一系列狀態，而任意2個狀態之間的變化則就是一個子行為的作用結果，同時2個狀態之間的變化往往能夠對應于某一基本物理模型。比如力的小大2種狀態的變化對應于力放大模型。這種功能—行為—狀態—基本物理模型的演化與人的設計原理創新思維過程非常相似，因此，行為的分解比功能分解更趨合理性。行為的分解主要基于2種分解之上：一種是基于經驗的分解，即某一行為可以分解為A、B2個子行為，A與B之間沒有必然的聯系，只是代表該行為的2個步驟；另一種是基于因果關系的分解，即某一行為可以分解為A、B兩個子行為，A與B之間存在因果關系，即有A必有B。因此，只需建立A與B之間的因果關系，一旦在分解中出現了A行為，則系統自動會加上B行為，這種因果關系可由物理現象得出。對這種方法的研究主要集中在如何描述功能、行為、狀態、物理模型之間的關系，使之更符合人的認知過程?！?nbsp;
3、面向功能單元的結構設計方法
側重于這方面的研究包括MerviRanta、Zhao Wang等，主要強調如何將功能性的描述轉化為能實現這些功能的具有形狀、尺寸以及相互關系的零部件的描述，其核心是一個映射過程。一個典型的方法是基于功能—結構—裝配3個層次的轉換方法。它認為功能層表達功能分解的結果，主要體現的是產品功能描述，不涉及具體的零件形狀、尺寸等要素?；竟δ軉卧蓭讉€共同完成該功能的功能實體和這些功能實體之間的關系（對應于某個物理模型）組成。而裝配層應該能體現該功能設計方案的實現效果，它應該由具有形狀、尺寸的零件（可以是幾何模型，更多的是用特征模型表達）以及這些零件之間的關系組成。因此，在這種方法中轉換就是建立一個中間層，被稱為結構。結構分2層，上層以功能實體為輸入，按照該功能實體所起的作用轉換為一系列特征單元，作為輸出在裝配層進行結構設計生成零件；下層則以功能之間的關系為輸入，將它們轉換為一系列裝配特征，用來在裝配設計模塊生成裝配約束。這種轉換方法與工程設計比較符合，其功能—結構—裝配3個層次充分體現了設計師的設計過程?！?nbsp;
4、基于裝配的產品改良設計方法
裝配設計將原先分散的功能零部件組合成產品，雖然該產品理論上能夠實現預計的功能要求，但是由于受到外部環境的限制（比如空間位置限制等等），因此還需要在裝配模型級進行產品的改良設計。基于裝配的產品改良設計方法包括了產品的裝配設計以及改良設計，它們統一于裝配模型之中，它要求裝配模型能夠描述產品的內部組成以及各子部件之間的相對位置關系，要求能夠分離出某一子零部件進行改良設計，也可以調整部分子零部件的位置。當裝配體內部某一子零部件的形狀、尺寸、位置發生變化時，應該能將這種變化擴展到所有零部件，即實現產品的變動設計，同時也要求實現子零部件的可重用性。裝配模型采用的約束方法有：坐標系約束方法、位置約束方法、運動學方法、fits-against方法。這些方法各有千秋，在一定范圍內都能實現產品的變動設計要求，但是又都存在各自的局限性。如何消除局限性，使之具有普遍意義，同時符合工程設計的習慣將是這方面的研究重點?！?nbsp;
4.1 坐標系約束方法
該方法由Ram Anantha等提出，它的特點是采用特征模型描述被裝配零部件，認為每個裝配零部件都應該有代表其裝配特點的局部坐標系，對整個零部件的幾何拓撲描述均建立在此坐標系上。同時認為要被裝配在一起的幾個零部件共同存在于一個公共坐標系之中。然后采用coincident(m1,m2)、in-line(m1,m2)、in-plane(m1,m2)、parallel-z(m1,m2) 、offset-z(m1,m2)等等以公共坐標系為依據描述這些局部坐標系之間的幾何位置關系。最后通過分步削減這些局部坐標系的自由度至零，將它們逐個定位到公共坐標系上，形成新的裝配部件，同時這個公共坐標系成為新部件的裝配局部坐標系。這種方法的不足之處主要有2個：（1）采用坐標系之間的關系來描述裝配關系不直觀；（2）由于零部件的拓撲關系千變萬化，如何有效建立局部坐標系是一個問題。
4.2 位置約束方法
該方法的特點是將一個裝配體描述為一棵二叉樹，其中樹的根節點表示最終裝配體，非葉節點表示子裝配體，最低層的葉節點則表示為零件。規定非葉節點上的左子女作為基體，位置不發生變化，同時描述右子女與左子女的位置約束關系，將右子女裝配到左子女上去，共同形成一個新的裝配部件。這些位置約束主要有：（1）面耦合及等距耦合；（2）對齊及等距對齊；（3）插入；（4）同軸；（5）定向等幾種約束。其裝配實施方法為將這些位置約束轉化為相互之間的點線關系，繼而生成一組非線性方程組，采用Newton-Raphson算法進行求解。這種方法的優點是裝配操作比較直觀，但是當裝配關系趨于復雜時，非線性方程組的求解將會異常。
4.3 運動學方法
該方法的特點是認為任何裝配在一起的2個零部件之間一定存在著一個或多個運動副關系，以及一個初始位置約束，一旦去掉了初始約束它們就能以一定的方式產生相對運動。Joshua認為工程設計存在的低級運動副有以下幾種：planar pair（平面副）存在2個移動一個轉動自由度、prismatic pair（棱柱副）存在一個移動自由度、spherical pair（球副）存在3個轉動自由度、cylindrical pair（圓柱副）存在一個移動一個轉動自由度、revolute pair（外旋副），只有一個轉動自由度等等。待裝配的2個零部件之間允許存在一個或多個運動副的組合（稱為高副）。在這種方法中，采用描述待裝配零部件之間存在的運動副關系減少它們之間的自由度，并且采用裝配尺寸進行初始位置約束，從而使自由度降為零。但是有一個弱點，就是待裝配零部件之間必須能被描述為一個或多個簡單運動，從而能夠分解成一個或多個運動副關系。
4.4 fits-against方法
該方法認為任何裝配在一起的2個或多個零部件之間只存在2種基本的裝配關系：fits（表示2個零部件有向軸共線）、against（表示2個零部件有向平面共面），任何復雜的裝配關系均可從這2種裝配關系派生而出，因此只需建立這2種基本操作的求解方法。它與位置約束方法有些類似，都是描述待裝配零部件的拓撲之間的關系。但是有一個優點，它在裝配操作時不直接采用fits、against操作，而是采用派生出的高級裝配關系，這些高級裝配關系可以與工程設計習慣保持一致。在進行裝配操作時，先將高級裝配關系轉換為基本裝配關系，進而轉換為一組非線形方程組進行求解。但是同樣存在與位置約束方法相同的缺陷?！?nbsp;
5、面向全過程的設計方法及模型
對面向全過程的設計方法及模型的研究，根據其發展過程可以分為3種觀點：（1）面向對象設計模型，它代表著設計方法學的組裝創新設計階段；（2）GDT（General Design Theory）模型，它能夠體現創新設計方法學的創新思維過程（分解、映射、綜合），代表著開環創新設計階段；（3）逐步求精模型，它充分體現了人的創新思維模式：繼承中創新、反復迭代，代表著工程設計方法學的閉環控制創新設計階段?！?nbsp;
5.1 面向對象設計模型［13，14］
它認為設計建立在已有的專家經驗之上，是對原有設計方案的演變或者簡單地對部分功能以及結構進行調整。因此，在設計之初對設計要求的功能分解方案以及各功能的實現方案都有一定了解。整個設計過程變成從功能分解的高層往低層不斷地進行基于專家經驗知識庫的虛功能的特化（當知識庫中存在能夠滿足該虛功能的對象時，即產生該對象的實例）或者分解（當知識庫中不存在能夠滿足該虛功能的對象時，即按照知識庫中的分解方案將這項虛功能分解為幾個子虛功能）過程，直到所有功能都由特化對象實例來完成。整個設計過程生成一棵多叉樹，每個分叉點就是一次分解過程，而每個葉節點是一個特化對象。這種設計方法一般針對某一類設計對象的再生設計，需要建立待設計對象的特化對象知識庫以及功能分解知識庫?！?nbsp;
5.2 GDT（General Design Theory）模型［15—17］
它認為設計的核心是一個分解（decompose）過程、一個映射（MAP）過程和一個綜合（synthesis）過程，它以功能目錄為依據，功能目錄列出了所有的基本功能單元，以及一對多對應的各種實現方案，無論設計方案千變萬化，它的基本組成都出自該功能目錄庫。功能分解過程就是將設計要求進行逐層分解，直至功能目錄中存在的基本功能單元為止。映射過程就是根據所要設計的基本功能的特點從功能目錄中挑選能夠完成該設計要求的子功能零部件組。它需要建立一個功能目錄庫，輸入為抽象的功能要求描述以及一些約束條件，輸出為符合設計要求的零部件。綜合過程則是根據分解過程提供的各基本功能單元之間的關系將各個子功能零部件組合成一個整體。這種設計方法是一種典型的開環創新設計方法，體現了人的創新設計思維的3個階段，它適用于各種設計類型，設計出的產品很大程度上取決于功能分解方法以及功能目錄庫。但是它是一個開環系統，無法對設計解進行控制，而在實際生活中一次創新設計的結果是很難實用的。
5.3 逐步求精模型
它認為設計過程是一個逐步求精過程。這種方法以GDT模型為理論背景，同時綜合了從認知設計過程實驗得出的結果。它與GDT模型不同，不認為設計是簡單的功能映射，而是從需求描述（requirement）入手，需求被描述為功能（functions）、行為(behaviors)和屬性(attributes)，在設計過程中這3種描述被逐漸細化、修正、測試，直到能夠形成產品為止。整個設計過程是一個不斷遞歸循環的子單元設計過程。每個子單元設計過程又可分為5個子過程：Awareness of the problem：將當前問題域進行分解，分離出已經解決的部分，將未解決的子問題送入下一層；Suggestion：對子問題進行求解，從滿足子問題要求的設計知識中挑選侯選解；Development：對侯選解進行修改；Evaluation：對侯選解進行測試、評價；Conclusion：決定是接受還是放棄該解，若放棄則返回Suggestion層重新選解，若接受則返回Awareness of the problem層進行下一個問題的求解。這種設計方法的最大優點是存在解的評價層，允許對解進行反饋控制，進行產品優化，因此它是一個閉環設計方法，比較符合工程設計人員的思維模式。我們覺得對設計模型的進一步研究可以集中在這種方法上，關鍵是如何使認知模型的理論適應實際的工程設計?！?nbsp;
6、結 論
目前，對面向產品創新設計的CAD方法的研究已經取得了一定進展。在功能方案設計方面，基于行為的分解方法巧妙地將功能-行為-狀態-基本物理模型結合在一起，使功能分解具有認知理論的依據，在文獻［3］中給出了機械手的功能分解實例。在功能單元的結構設計方面采用功能—結構—裝配3個層次的轉換方法完成從功能視圖向裝配體視圖的遷移，比較符合工程設計習慣，在文獻［5］中給出了電磁離合器的轉換例子。在產品的改良設計方面提出在裝配層上進行產品改良，有助于從整體功能、結構上把握產品的設計。在設計過程及模型方面提出的逐步求精設計方法能夠較好地模擬創新設計思維的繼承中創新、反復循環優化的設計過程?？偟恼f來，采用上述方法應該能夠完成簡單的部件級創新設計，但是也存在著一些不足：（1）研究局限于某一方面，沒有將整個產品創新設計過程的方方面面集成在一起；（2）所作的研究有許多建立在人的思維模式之上，脫離了工程設計的習慣。進一步地研究可以在下面3個層次上展開：
（1） 設計方法論層：應該著重研究如何建立從產品需求分析入手，繼而進行功能分解，功能-裝配映射轉換，最后生成基于約束的變動裝配體結構，并且允許在功能-裝配之間不斷循環選優的一體化閉環設計模型；
（2） 計算模型層：有2個方面值得研究：Ⅰ.如何建立以功能視圖-裝配體視圖為核心的產品數據模型，允許從功能視圖、裝配體視圖進行產品的局部功能創新以及局部改良設計；Ⅱ.研究如何統一產品數據模型與力學、運動學模型；
（3） 人工智能技術層：主要研究如何提供有效的認知行為模型，更好地解釋人類的創新設計思維過程，為建立創新設計知識推理模型以及產品知識表達模型提供理論依據。 |
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