起重機(jī)械計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)的方法

 

    概念設(shè)計(jì)(conceptualdesign）是指在滿足約束的條件下由功能確定出形式的設(shè)計(jì)過程，也是一系列的決策過程。有研究表明，概念設(shè)計(jì)是決定一個(gè)項(xiàng)目或產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，節(jié)約投資和富有創(chuàng)造性的一個(gè)重要設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

 

    傳統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)完全是由人來完成的，它受到設(shè)計(jì)者的知識(shí)水平、經(jīng)驗(yàn)，甚至情緒等多方面因素的影響，因此，設(shè)計(jì)過程具有很大的盲目性，而設(shè)計(jì)結(jié)果具有很大的隨機(jī)性。

 

    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和設(shè)計(jì)方法的不斷完善，形成了計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)這一新的研究領(lǐng)域，并在土木、電子電路等工程設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用，在機(jī)械工程領(lǐng)域中也有一些可喜的應(yīng)用成果，如智能加工中心的設(shè)計(jì)，汽車的設(shè)計(jì)以及在機(jī)構(gòu)學(xué)中的應(yīng)用等。

 

    本文將基于功能、約束、結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于起重機(jī)械的設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)討論系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，繪出總體框架，本研究對(duì)于利用計(jì)算重機(jī)械智能型設(shè)計(jì)方案，形成完整的起重機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有重要的意義。

 

    2.計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)及其方法

 

    2.1概念設(shè)計(jì)的定義

 

    主要要注意2個(gè)概念：功能和結(jié)構(gòu)。功能是指所要滿足的最主要的特性；結(jié)構(gòu)是一種構(gòu)型或一種屬性，或產(chǎn)品目錄中的一種產(chǎn)品、一個(gè)元件。實(shí)際上，在設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，設(shè)計(jì)者都會(huì)遇到諸如采用何種結(jié)構(gòu)來滿足設(shè)計(jì)的功能要求之類的問題，解決這樣的問題并得到一些設(shè)計(jì)結(jié)果的過程就稱為念設(shè)計(jì)。因此，概括地說，概念設(shè)計(jì)具有以下4個(gè)特點(diǎn)：

 

    （1）概念設(shè)計(jì)以滿足設(shè)計(jì)的功能要求為目的，這也說明了概念設(shè)計(jì)的內(nèi)容，即概念設(shè)計(jì)以功能要求為主要研究內(nèi)容。

 

    （2）概念設(shè)計(jì)得到的結(jié)果應(yīng)具有多樣性即概念設(shè)計(jì)應(yīng)能夠得到一些，也不是一個(gè)結(jié)構(gòu)組成方案。

 

    （3）概念設(shè)計(jì)應(yīng)是多層次的，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)果的多樣性及功能與結(jié)構(gòu)的—一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

 

    （4）概念設(shè)計(jì)應(yīng)有利于創(chuàng)新，這是概念設(shè)計(jì)的靈魂。

 

    2.2計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)的方法

 

    應(yīng)用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行概念設(shè)計(jì)是近些年工程設(shè)計(jì)中的一個(gè)研究熱點(diǎn)問題，已有各種方法，比較常用的是基于功能、結(jié)構(gòu)和約束的概念設(shè)計(jì)方法，這

 

    種方法可分為以下3個(gè)步驟：

 

    (1)將設(shè)計(jì)要求抽象為功能，并分解為主要功和次要功能。主要功能必須無條件地滿足，而次功能是在設(shè)計(jì)約束容許的條件下盡可能地滿足，與設(shè)計(jì)要求發(fā)生沖突時(shí)，可放寬要求，甚至可完；放棄。

 

    (2)實(shí)現(xiàn)功能與結(jié)構(gòu)之間的映射。

 

    (3)由評(píng)價(jià)準(zhǔn)則或評(píng)價(jià)方法評(píng)出最佳方案或較佳方案。

 

    在上述步驟中，功能的分解和推理一般以符號(hào)進(jìn)行，以使設(shè)計(jì)過程更加理性化，便于產(chǎn)生新的設(shè)一方案。而且在每一步驟中都應(yīng)考慮設(shè)計(jì)約束，并隨著設(shè)計(jì)過程的不斷深人，又有新的設(shè)計(jì)約束加人其中。

 

    通常，計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要由功能模塊、結(jié)構(gòu)模塊和評(píng)價(jià)模塊組成。功能模塊僅僅考慮主要功能，而不考慮約束、物理描述及制造過程。構(gòu)模塊既要描述實(shí)現(xiàn)主要功能的物理結(jié)構(gòu)，還要包括功能模塊所略去的所有信息。當(dāng)功能模塊和結(jié)構(gòu)模塊確定之后，便要建立能夠表達(dá)設(shè)計(jì)要求路徑抽象層次結(jié)構(gòu)，根據(jù)輸入/輸出條件選擇適當(dāng)?shù)墓δ苣K，進(jìn)而形成功能網(wǎng)絡(luò)。評(píng)價(jià)模塊用來對(duì)設(shè)得出的各種方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。

 

    3起重機(jī)械的概念設(shè)計(jì)

 

    3.1二起直機(jī)械的功能網(wǎng)絡(luò)

 

    起重機(jī)械是一種重要的搬運(yùn)機(jī)械，無論在車站、碼頭還是在工廠車間，到處都可以看到各式各的起重機(jī)械。起重機(jī)械的主要功能應(yīng)是起吊重物，并將其置于所期望的空間位置。這一功能又可分解為3個(gè)操作動(dòng)作：取物、起升、定位。取物是指將起重機(jī)械與被起吊的重物聯(lián)系在一起；起升和定位是將被起吊的重物移動(dòng)到所期望的空間位置，即改變重物的空間位置，其中起升指重物在垂直地面方向上的運(yùn)動(dòng)，而定位指重物在平行于地面的平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。這3個(gè)操作動(dòng)作可各自獨(dú)立完成，也可將起升和定位2個(gè)動(dòng)作組合在一起完成。圖1給出了功能網(wǎng)絡(luò)中的功能層和行為層，圖中操作動(dòng)作之間的連線表示可以組合實(shí)現(xiàn)。

 

    至此，還不能實(shí)現(xiàn)功能與結(jié)構(gòu)之間的映射，因?yàn)槎咧g的關(guān)系還不是—一對(duì)應(yīng)的，如完成取物這一動(dòng)作就有許多裝置可以采用。有研究表明，功能分解的最佳狀態(tài)是功能與結(jié)構(gòu)的—一對(duì)應(yīng)。如果功能分解得過細(xì)，則求解所需的時(shí)間將增加很多，而分解過粗，則有可能丟掉一些好的設(shè)計(jì)方案。因此，有必要將功能繼續(xù)向下分解，直到功能與結(jié)構(gòu)有—一對(duì)應(yīng)的關(guān)系為止。

 

    根據(jù)完成各種操作動(dòng)作的物理原理和方式不同，可以將功能進(jìn)一步分解?，F(xiàn)僅以取物為例加以說明。取物行為層以下的部分功能網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。起升和定位或二者組合動(dòng)作也有類似的功能網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

 

    系統(tǒng)根據(jù)輸人的設(shè)計(jì)約束進(jìn)行抉擇．從而形成各種不同的求解路徑，得到不同的設(shè)計(jì)方案。如重物為散粒狀物料則應(yīng)選用抓取作業(yè)方式，即使用抓斗；而當(dāng)重物的尺寸范圍變化較大，且需遠(yuǎn)距離操縱時(shí)應(yīng)選用夾緊取物方式，夾緊取物又有支架一鉗式、杠桿一鉗式、杠桿一繩索式、偏心輪式等各種形式。若選定了某一種部件形式，進(jìn)一步就是設(shè)計(jì)各個(gè)零件的結(jié)構(gòu)和尺寸。如此這般，便實(shí)現(xiàn)了從功能到結(jié)構(gòu)的映射，完成了概念設(shè)計(jì)階段。

 

    3.2方案的評(píng)價(jià)

 

    起重機(jī)械是一種復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，基于功能。約束、結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)方法所得到的眾多方案，還需要在考慮安全性、可靠性、通用性及性能價(jià)格比等諸多重要因素的基礎(chǔ)上進(jìn)行方案評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)方案的方法可采用模糊綜合評(píng)價(jià)法或灰色綜合評(píng)價(jià)法，這些方法在機(jī)械工程中已有不少應(yīng)用，本文不再贅述。

 

    4.結(jié)論

 

    本文提出了起重機(jī)械計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)的方法，利用這種方法可以使起重機(jī)械方案設(shè)計(jì)過程更加理性化，減少設(shè)計(jì)者對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的影響。通過計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)得到的許多設(shè)計(jì)方案，在方案評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，將得出最佳方案或較佳方案，甚至可能具有一定的創(chuàng)新性。基于起重機(jī)械計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)方法而形成的起重機(jī)械智能。家系統(tǒng)值得進(jìn)一步深人研究。

 

    (end)