面向产品创新设计的CAD方法综述
来源：计算机辅助设计与图形学学报 发布时间：2014-05-26
对现有的与产品创新设计有关的CAD方法从4个方面进行了分析和归纳，分析了各种方法的优缺点，以期为深入研究实用的、符合工程设计要求的产品创新设计CAD方法提供有益的参考。
1、引 言
随着科技的发展,产品更新换代也越来越快，工厂中以往那种单一产品大批量生产的状况已经无法适应。目前生产中流行的是小批量、多种类的设计要求，这就要求工程设计人员建立一套有效的产品开发方法。为此，许多专家学者以计算机图形学为理论基础，以产品几何（特征）模型为核心，提出了面向零件、面向装配以及面向制造的计算机辅助设计方法等等模型。虽然，现有的许多CAD软件在产品的分析、计算、绘图以及制造方面发挥了很大的作用，但是产品开发更多更重要的是非数据计算的、通过思考、推理和判断来解决的创新活动。基于几何（特征）模型的CAD技术能够缩短设计时间、改良已有设计、提供方便有效的制造接口，但是只有创新活动才能真正从根本原理上进行产品革新，才能为社会提供种类更多、功能更丰富、价格更经济、性能更有效的新产品，才能在产品的性能、质量、价格等方面产生质的飞跃。可以说现代设计的核心就是创新设计, 它需要根据以往的设计经验、根据新兴技术所提供的新原理、新方法进行产品的分析、设计。因此，许多专家学者试图将人工智能技术融入CAD技术之中，并为之做了许多有益的尝试，提出了许多种面向产品创新设计的CAD方法，对加速新产品的开发起了积极的作用。
面向产品创新设计的CAD方法主要以现有的CAD技术以及人工智能技术为基础，以产品创新为目的，它以产品的设计要求为初始输入，产品设计方案为最终输出，包含了概念设计方案的生成、功能单元的结构设计、产品装配设计、详细设计、改良设计以及产品数据模型的生成等方面。
产品开发过程包括市场调研、需求分析、功能方案设计、结构设计、装配设计、详细设计、改良设计以及生产、销售等等环节。根据这一过程和面向产品创新设计的侧重面，我们把现有对面向产品创新设计的CAD方法的研究归纳为基于分解的功能方案设计方法、面向功能单元的结构设计方法、基于装配的产品改良方法、面向全过程的设计方法及模型等4类。前3类是创新设计过程的3个主要阶段，第4类主要从设计方法学角度论述计算机辅助创新设计方法的设计过程模型。下面对这4种类型的研究分别加以叙述。
2、基于分解的功能方案设计方法
产品的功能方案设计可以说是整个设计过程中最初的也是最重要的一步，它需要找出可以实现该产品功能的各种可能方案并进行优选，关键性的一步就是如何进行产品设计要求的功能分解，因为产品的设计要求是最精炼的产品功能描述，而形成产品的却是许许多多完成一定功能的零部件的组合。如何将抽象的产品设计要求转换为具体的、现实的功能要求充分体现了人的创造活动。对这方面的研究，焦点主要集中在功能分解的依据上，有2种方法比较典型：一种以Robert H Sturges为代表，以价值工程理论（VE）为背景，采用功能分解，称为功能逻辑分解方法：另一种以Yasushi Umeda为代表，以人的认知模型为背景，采用行为分解，称为FBS方法。虽然两者都处于发展之中，但是我们认为后者的分解依据更贴近工程设计的思维模式。
2.1 功能逻辑分解方法
功能逻辑分解方法从价值工程理论演化而来，经历了基本功能逻辑分解到扩展的功能逻辑分解2个阶段。它的核心是认为设计是一个以功能为基本单位的逻辑问题，认为功能是代表做什么的符号，具有逻辑操作性。它把最终目标，也就是整个产品的综合功能认为是初始功能，它可以被逻辑分解为N个第2层功能，继而分解为第3层功能，直至完成某单一功能的理论上不必再分解的基本功能。整个分解过程被看作是不断问HOW的一个逻辑求解过程，即怎样来实现要被分解的功能，最终形成网状结构的功能扩展结果。该逻辑操作依托于功能定义库，功能定义库进行功能的描述以及定义该功能的后续功能，只有基本功能没有后续功能，并且定义功能块之间的关系。在这种功能扩展中功能块之间存在着：（1）与/或关系； （2）因果关系； （3）提供/接受信息关系等几种关系。这种方法的关键在于如何建立一个丰富的功能定义库以及定义一个全面的功能块关系描述集。对这方面的研究基本上都集中在这两点上。
2.2 FBS（Function-behavior-state）方法
这种方法基于以下3个定义之上：
定义11. 功能是人们从实际认识中抽象出来的行为的描述，功能与行为之间是多对多关系。
定义22. 一个实体的状态是一系列属性以及与相关实体之间的关系。
定义33. 行为是一系列随时间变化的状态。
该方法的特点是以人的认知模型为基础，将功能的分解转换为行为描述的分解，因而更符合人的思维活动。正如定义3中所述，行为可以分解为一系列状态，而任意2个状态之间的变化则就是一个子行为的作用结果，同时2个状态之间的变化往往能够对应于某一基本物理模型。比如力的小大2种状态的变化对应于力放大模型。这种功能—行为—状态—基本物理模型的演化与人的设计原理创新思维过程非常相似，因此，行为的分解比功能分解更趋合理性。行为的分解主要基于2种分解之上：一种是基于经验的分解，即某一行为可以分解为A、B2个子行为，A与B之间没有必然的联系，只是代表该行为的2个步骤；另一种是基于因果关系的分解，即某一行为可以分解为A、B两个子行为，A与B之间存在因果关系，即有A必有B。因此，只需建立A与B之间的因果关系，一旦在分解中出现了A行为，则系统自动会加上B行为，这种因果关系可由物理现象得出。对这种方法的研究主要集中在如何描述功能、行为、状态、物理模型之间的关系，使之更符合人的认知过程。
3、面向功能单元的结构设计方法
侧重于这方面的研究包括MerviRanta、Zhao Wang等，主要强调如何将功能性的描述转化为能实现这些功能的具有形状、尺寸以及相互关系的零部件的描述，其核心是一个映射过程。一个典型的方法是基于功能—结构—装配3个层次的转换方法。它认为功能层表达功能分解的结果，主要体现的是产品功能描述，不涉及具体的零件形状、尺寸等要素。基本功能单元由几个共同完成该功能的功能实体和这些功能实体之间的关系（对应于某个物理模型）组成。而装配层应该能体现该功能设计方案的实现效果，它应该由具有形状、尺寸的零件（可以是几何模型，更多的是用特征模型表达）以及这些零件之间的关系组成。因此，在这种方法中转换就是建立一个中间层，被称为结构。结构分2层，上层以功能实体为输入，按照该功能实体所起的作用转换为一系列特征单元，作为输出在装配层进行结构设计生成零件；下层则以功能之间的关系为输入，将它们转换为一系列装配特征，用来在装配设计模块生成装配约束。这种转换方法与工程设计比较符合，其功能—结构—装配3个层次充分体现了设计师的设计过程。
4、基于装配的产品改良设计方法
装配设计将原先分散的功能零部件组合成产品，虽然该产品理论上能够实现预计的功能要求，但是由于受到外部环境的限制（比如空间位置限制等等），因此还需要在装配模型级进行产品的改良设计。基于装配的产品改良设计方法包括了产品的装配设计以及改良设计，它们统一于装配模型之中，它要求装配模型能够描述产品的内部组成以及各子部件之间的相对位置关系，要求能够分离出某一子零部件进行改良设计，也可以调整部分子零部件的位置。当装配体内部某一子零部件的形状、尺寸、位置发生变化时，应该能将这种变化扩展到所有零部件，即实现产品的变动设计，同时也要求实现子零部件的可重用性。装配模型采用的约束方法有：坐标系约束方法、位置约束方法、运动学方法、fits-against方法。这些方法各有千秋，在一定范围内都能实现产品的变动设计要求，但是又都存在各自的局限性。如何消除局限性，使之具有普遍意义，同时符合工程设计的习惯将是这方面的研究重点。
4.1 坐标系约束方法
该方法由Ram Anantha等提出，它的特点是采用特征模型描述被装配零部件，认为每个装配零部件都应该有代表其装配特点的局部坐标系，对整个零部件的几何拓扑描述均建立在此坐标系上。同时认为要被装配在一起的几个零部件共同存在于一个公共坐标系之中。然后采用coincident(m1,m2)、in-line(m1,m2)、in-plane(m1,m2)、parallel-z(m1,m2) 、offset-z(m1,m2)等等以公共坐标系为依据描述这些局部坐标系之间的几何位置关系。最后通过分步削减这些局部坐标系的自由度至零，将它们逐个定位到公共坐标系上，形成新的装配部件，同时这个公共坐标系成为新部件的装配局部坐标系。这种方法的不足之处主要有2个：（1）采用坐标系之间的关系来描述装配关系不直观；（2）由于零部件的拓扑关系千变万化，如何有效建立局部坐标系是一个问题。
4.2 位置约束方法
该方法的特点是将一个装配体描述为一棵二叉树，其中树的根节点表示最终装配体，非叶节点表示子装配体，最低层的叶节点则表示为零件。规定非叶节点上的左子女作为基体，位置不发生变化，同时描述右子女与左子女的位置约束关系，将右子女装配到左子女上去，共同形成一个新的装配部件。这些位置约束主要有：（1）面耦合及等距耦合；（2）对齐及等距对齐；（3）插入；（4）同轴；（5）定向等几种约束。其装配实施方法为将这些位置约束转化为相互之间的点线关系，继而生成一组非线性方程组，采用Newton-Raphson算法进行求解。这种方法的优点是装配操作比较直观，但是当装配关系趋于复杂时，非线性方程组的求解将会异常。
4.3 运动学方法
该方法的特点是认为任何装配在一起的2个零部件之间一定存在着一个或多个运动副关系，以及一个初始位置约束，一旦去掉了初始约束它们就能以一定的方式产生相对运动。Joshua认为工程设计存在的低级运动副有以下几种：planar pair（平面副）存在2个移动一个转动自由度、prismatic pair（棱柱副）存在一个移动自由度、spherical pair（球副）存在3个转动自由度、cylindrical pair（圆柱副）存在一个移动一个转动自由度、revolute pair（外旋副），只有一个转动自由度等等。待装配的2个零部件之间允许存在一个或多个运动副的组合（称为高副）。在这种方法中，采用描述待装配零部件之间存在的运动副关系减少它们之间的自由度，并且采用装配尺寸进行初始位置约束，从而使自由度降为零。但是有一个弱点，就是待装配零部件之间必须能被描述为一个或多个简单运动，从而能够分解成一个或多个运动副关系。
4.4 fits-against方法
该方法认为任何装配在一起的2个或多个零部件之间只存在2种基本的装配关系：fits（表示2个零部件有向轴共线）、against（表示2个零部件有向平面共面），任何复杂的装配关系均可从这2种装配关系派生而出，因此只需建立这2种基本操作的求解方法。它与位置约束方法有些类似，都是描述待装配零部件的拓扑之间的关系。但是有一个优点，它在装配操作时不直接采用fits、against操作，而是采用派生出的高级装配关系，这些高级装配关系可以与工程设计习惯保持一致。在进行装配操作时，先将高级装配关系转换为基本装配关系，进而转换为一组非线形方程组进行求解。但是同样存在与位置约束方法相同的缺陷。
5、面向全过程的设计方法及模型
对面向全过程的设计方法及模型的研究，根据其发展过程可以分为3种观点：（1）面向对象设计模型，它代表着设计方法学的组装创新设计阶段；（2）GDT（General Design Theory）模型，它能够体现创新设计方法学的创新思维过程（分解、映射、综合），代表着开环创新设计阶段；（3）逐步求精模型，它充分体现了人的创新思维模式：继承中创新、反复迭代，代表着工程设计方法学的闭环控制创新设计阶段。
5.1 面向对象设计模型［13，14］
它认为设计建立在已有的专家经验之上，是对原有设计方案的演变或者简单地对部分功能以及结构进行调整。因此，在设计之初对设计要求的功能分解方案以及各功能的实现方案都有一定了解。整个设计过程变成从功能分解的高层往低层不断地进行基于专家经验知识库的虚功能的特化（当知识库中存在能够满足该虚功能的对象时，即产生该对象的实例）或者分解（当知识库中不存在能够满足该虚功能的对象时，即按照知识库中的分解方案将这项虚功能分解为几个子虚功能）过程，直到所有功能都由特化对象实例来完成。整个设计过程生成一棵多叉树，每个分叉点就是一次分解过程，而每个叶节点是一个特化对象。这种设计方法一般针对某一类设计对象的再生设计，需要建立待设计对象的特化对象知识库以及功能分解知识库。
5.2 GDT（General Design Theory）模型［15—17］
它认为设计的核心是一个分解（decompose）过程、一个映射（MAP）过程和一个综合（synthesis）过程，它以功能目录为依据，功能目录列出了所有的基本功能单元，以及一对多对应的各种实现方案，无论设计方案千变万化，它的基本组成都出自该功能目录库。功能分解过程就是将设计要求进行逐层分解，直至功能目录中存在的基本功能单元为止。映射过程就是根据所要设计的基本功能的特点从功能目录中挑选能够完成该设计要求的子功能零部件组。它需要建立一个功能目录库，输入为抽象的功能要求描述以及一些约束条件，输出为符合设计要求的零部件。综合过程则是根据分解过程提供的各基本功能单元之间的关系将各个子功能零部件组合成一个整体。这种设计方法是一种典型的开环创新设计方法，体现了人的创新设计思维的3个阶段，它适用于各种设计类型，设计出的产品很大程度上取决于功能分解方法以及功能目录库。但是它是一个开环系统，无法对设计解进行控制，而在实际生活中一次创新设计的结果是很难实用的。
5.3 逐步求精模型
它认为设计过程是一个逐步求精过程。这种方法以GDT模型为理论背景，同时综合了从认知设计过程实验得出的结果。它与GDT模型不同，不认为设计是简单的功能映射，而是从需求描述（requirement）入手，需求被描述为功能（functions）、行为(behaviors)和属性(attributes)，在设计过程中这3种描述被逐渐细化、修正、测试，直到能够形成产品为止。整个设计过程是一个不断递归循环的子单元设计过程。每个子单元设计过程又可分为5个子过程：Awareness of the problem：将当前问题域进行分解，分离出已经解决的部分，将未解决的子问题送入下一层；Suggestion：对子问题进行求解，从满足子问题要求的设计知识中挑选侯选解；Development：对侯选解进行修改；Evaluation：对侯选解进行测试、评价；Conclusion：决定是接受还是放弃该解，若放弃则返回Suggestion层重新选解，若接受则返回Awareness of the problem层进行下一个问题的求解。这种设计方法的最大优点是存在解的评价层，允许对解进行反馈控制，进行产品优化，因此它是一个闭环设计方法，比较符合工程设计人员的思维模式。我们觉得对设计模型的进一步研究可以集中在这种方法上，关键是如何使认知模型的理论适应实际的工程设计。
6、结 论
目前，对面向产品创新设计的CAD方法的研究已经取得了一定进展。在功能方案设计方面，基于行为的分解方法巧妙地将功能-行为-状态-基本物理模型结合在一起，使功能分解具有认知理论的依据，在文献［3］中给出了机械手的功能分解实例。在功能单元的结构设计方面采用功能—结构—装配3个层次的转换方法完成从功能视图向装配体视图的迁移，比较符合工程设计习惯，在文献［5］中给出了电磁离合器的转换例子。在产品的改良设计方面提出在装配层上进行产品改良，有助于从整体功能、结构上把握产品的设计。在设计过程及模型方面提出的逐步求精设计方法能够较好地模拟创新设计思维的继承中创新、反复循环优化的设计过程。总的说来，采用上述方法应该能够完成简单的部件级创新设计，但是也存在着一些不足：（1）研究局限于某一方面，没有将整个产品创新设计过程的方方面面集成在一起；（2）所作的研究有许多建立在人的思维模式之上，脱离了工程设计的习惯。进一步地研究可以在下面3个层次上展开：
（1） 设计方法论层：应该着重研究如何建立从产品需求分析入手，继而进行功能分解，功能-装配映射转换，最后生成基于约束的变动装配体结构，并且允许在功能-装配之间不断循环选优的一体化闭环设计模型；
（2） 计算模型层：有2个方面值得研究：Ⅰ.如何建立以功能视图-装配体视图为核心的产品数据模型，允许从功能视图、装配体视图进行产品的局部功能创新以及局部改良设计；Ⅱ.研究如何统一产品数据模型与力学、运动学模型；
（3） 人工智能技术层：主要研究如何提供有效的认知行为模型，更好地解释人类的创新设计思维过程，为建立创新设计知识推理模型以及产品知识表达模型提供理论依据。 |
|
