起重機(jī)械計算機(jī)輔助概念設(shè)計的方法

1、1.前言概念設(shè)計(conceptual design）是指在滿足約束的條件下由功能確定出形式的設(shè)計過程，也是一系列的決策過程。有研究表明，概念設(shè)計是決定一個項目或產(chǎn)品設(shè)計方案，節(jié)約投資和富有創(chuàng)造性的一個重要設(shè)計環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的概念設(shè)計完全是由人來完成的，它受到設(shè)計者的知識水平、經(jīng)驗，甚至情緒等多方面因素的影響，因此，設(shè)計過程具有很大的盲目性，而設(shè)計結(jié)果具有很大的隨機(jī)性。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和設(shè)計方法的不斷完善，形成了計算機(jī)輔助概念設(shè)計這一新的研究領(lǐng)域，并在土木、電子電路等工程設(shè)計中得到了應(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，汽車的設(shè)計以及在機(jī)構(gòu)學(xué)中的應(yīng)用等。本文將基于

2、功能、約束、結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計方法應(yīng)用于起重機(jī)械的設(shè)計中，重點討論系統(tǒng)設(shè)計的方法，繪出總體框架，本研究對于利用計算重機(jī)械智能型設(shè)計方案，形成完整的起重機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)具有重要的意義。2.計算機(jī)輔助概念設(shè)計及其方法2.1概念設(shè)計的定義主要要注意2個概念：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、一個元件。實際上，在設(shè)計的各個階段，設(shè)計者都會遇到諸如采用何種結(jié)構(gòu)來滿足設(shè)計的功能要求之類的問題，解決這樣的問題并得到一些設(shè)計結(jié)果的過程就稱為念設(shè)計。因此，概括地說，概念設(shè)計具有以下4個特點：（1）概念設(shè)計以滿足設(shè)計的功能要求為目的，這也說明了概念設(shè)計的內(nèi)容，

3、即概念設(shè)計以功能要求為主要研究內(nèi)容。（2）概念設(shè)計得到的結(jié)果應(yīng)具有多樣性即概念設(shè)計應(yīng)能夠得到一些，也不是一個結(jié)構(gòu)組成方案。（3）概念設(shè)計應(yīng)是多層次的，只有這樣才能實現(xiàn)設(shè)計結(jié)果的多樣性及功能與結(jié)構(gòu)的一對應(yīng)關(guān)系。（4）概念設(shè)計應(yīng)有利于創(chuàng)新，這是概念設(shè)計的靈魂。2.2計算機(jī)輔助概念設(shè)計的方法應(yīng)用計算機(jī)來進(jìn)行概念設(shè)計是近些年工程設(shè)計中的一個研究熱點問題，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)計方法，這種方法可分為以下3個步驟：(1)將設(shè)計要求抽象為功能，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)計約束容許的條件下盡可能地滿足，與設(shè)計要求發(fā)生沖突時，可放寬要求，甚

4、至可完；放棄。(2)實現(xiàn)功能與結(jié)構(gòu)之間的映射。(3)由評價準(zhǔn)則或評價方法評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進(jìn)行，以使設(shè)計過程更加理性化，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)計約束，并隨著設(shè)計過程的不斷深人，又有新的設(shè)計約束加人其中。 通常，計算機(jī)輔助概念設(shè)計系統(tǒng)主要由功能模塊、結(jié)構(gòu)模塊和評價模塊組成。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)

5、絡(luò)。評價模塊用來對設(shè)得出的各種方案進(jìn)行評價。 3 起重機(jī)械的概念設(shè)計 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個操作動作：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動，而定位指重物在平行于地面的平面內(nèi)的運動。這3個操作動作可各自獨立完成，也可將起升和定位2個動作組合在一起完成。圖1給出了功能網(wǎng)絡(luò)中的功能層和行

6、為層，圖中操作動作之間的連線表示可以組合實現(xiàn)。 至此，還不能實現(xiàn)功能與結(jié)構(gòu)之間的映射，因為二者之間的關(guān)系還不是一對應(yīng)的，如完成取物這一動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)的一對應(yīng)。如果功能分解得過細(xì)，則求解所需的時間將增加很多，而分解過粗，則有可能丟掉一些好的設(shè)計方案。因此，有必要將功能繼續(xù)向下分解，直到功能與結(jié)構(gòu)有一對應(yīng)的關(guān)系為止。根據(jù)完成各種操作動作的物理原理和方式不同，可以將功能進(jìn)一步分解。現(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)計約束進(jìn)行抉擇從而形成各種不同的求解路徑

7、，得到不同的設(shè)計方案。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)計各個零件的結(jié)構(gòu)和尺寸。如此這般，便實現(xiàn)了從功能到結(jié)構(gòu)的映射，完成了概念設(shè)計階段。 3.2方案的評價 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)的計算機(jī)輔助概念設(shè)計方法所得到的眾多方案，還需要在考慮安全性、可靠性、通用性及性能價格比等諸多重要因素的基礎(chǔ)上進(jìn)行方案評價。評價方案的方法可采用模糊綜合評價法或灰色綜合評價法，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)械計算機(jī)輔助概念設(shè)計的方法，利用這種方法可以使起重機(jī)械方案設(shè)計過程更加理性化