1基于模板的设计过程
基于模板的设计方法是尽可能重用模板中的设计信息来简化产品开发过程，模板信息包括对象、对象之间的约束关系以及动态设计信息。1．1模板的静态结构在机械产品设计中，产品是由零件、部件和功能单元以特定的装配关系组合而成的。在产品设计过程中的信息可归纳为描述产品特征的静态信息和动态过程知识，静态信息包括:几何形状、约束、拓扑关系、装配约束、运动关系、精度及设计参数等;动态过程知识包括:设计规则、设计意图及推理策略等。这些信息可以用一定格式存储在计算机中，不同的设计者可以在不同的设计阶段分享这些信息。产品模板通过面向对象的信息模型来建立，模板Tp由对象集O组成，这些对象之间的约束关系Ｒ和设计知识K之间的关系可表示为:式中:ri，j为模板内部对象之间的约束;i、j均为内部对象序号;rk为模板与外部对象之间的关系;k为外部对象序号;n为模板内部对象数;m为与模板存在约束关系的外部对象数。模板中各对象之间的关系可用图来表示，对象O1由若干个子对象O11，O12，O13，…所组成，可表示为:O1={O11，O12，O13，…}。同理，其他对象也由相应的子对象组成多层次结构。在产品设计中，对象Oi可以是产品、部件、模块、零件，不同的对象可由一个属性参数集来表达，可表示为:Oi={O1i，O2i，…，Oli，…，Oui}l=1，2，…，u(3)式中:Oil为第i个对象的第l个属性值，这些属性值可用u维空间来表达，其取值范围可以是连续的，也可以是离散集。在u维空间中的一个点表示一个特定产品实例的属性值，空间中的不同点表示不同产品的属性。1．2约束关系除了对象和对象属性之外，对象之间的约束关系也是模板的主要组成部分。约束是一种特定的关系，可用数学表达式表示，如等式linemax=70mm或不等式We＜30kg，产品对象假设为空间的一个点，则可分为可行和不可行空间，可行空间是指满足约束的空间点集，反之亦然。1．3基于模板的产品设计过程基于模板的产品设计过程是通过已有的设计信息选择一种合理的设计方法得到最终结果，基于模板的设计过程如图1所示。为保持信息的一致性，设计过程中的所有操作和控制参数均以变量的形式来表示，约束规则表示为知识体，根据不同的设计对象，设计过程可从简单到复杂分为零件、部件、子系统、系统。为实现基于模板的产品设计，需要建立数字化产品信息模型和标准化数据库，设计过程信息可用面向对象建模方法通过基于模板的信息模型来表达，产品设计过程中的每一步信息流需要一个信息载体，大量的信息在信息模板中定义。因此，基于模板的产品实际上是一个数字化的虚拟产品。
2配置方法
产品的静态结构是各零件通过不同的装配形式装配而成的。对于客户需求来说，模板的基本功能是通过模板库进行功能匹配满足最多的需求，在得到初步匹配方案后，提供配置模板接口进行进一步的配置设计。当客户提供进一步的需求信息后，利用最终的客户需求模型通过逐级分解得到产品设计所需的原始数据。对于给定的某客户需求CＲ={cr1，cr2，…，crq}，q为需求数，假设相应的模糊量化指标为{c1，c2，…，cq}，客户需求权重集为{w1，w2，…，wq}，对于任一模板对象Oi(i=1，2，…，n)，通过模板匹配可得到一个实例样本Si，x(x=1，2，…，h)，h为实例样本数，若对应客户需求的各实际指标值为{pi，x1，pi，x2，…，pi，xq}，则可用式(4)所示的距离来表示匹配度假设最小距离为min(ρi，x)，则静态配置结构S={S1，x，S2，x，…，Sn，x}，其中i=1，2，…，n;x=1，2，…，h，Si，x为选取最小距离min(ρi，x)的实例样本。不同的客户会关心不同的产品功能和特性，有些主要关心产品质量，而有的会考虑价格因素，选择较便宜的产品，对价格因素给予较高的权重，而对其他因素关注相对较少。因此，为提高客户满意度，在配置模板对象时，关键是要首先满足影响客户需求最大权重的部件，然后根据模板对象的重要度排序逐级进行配置来实现客户满意度的最大化，客户需求与模板对象重要度的关系如图2所示。在图2中，客户需求的q个模糊定量指标的属性权重为wb(b=1，2，…，q)，对于n个模板对象Oi(i=1，2，…，n)，每个对象与一个具体属性变量之间的隶属度可表示为μib，对于某个对象Oi的属性变量的重要度λib(i=1，2，…，n;b=1，2，…，q)可通过式(5)计算:模板对象的重要度λib以降序的形式进行排序为λi1＞λi2＞…＞λiq，对应于最大重要度的模板对象最先进行配置，然后按重要度大小逐个进行，较低重要度的对象配置时必须满足较高重要度对象之间的约束关系，当两个元件之间的关系发生约束冲突时，较低重要度的元件需进行重新设计以满足约束条件。
3应用实例
小型温室机械作为典型的作业机具有小型农业机械的主要功能与结构，用户的个性化需求日益突出，利用小型作业机设计模板进行静态结构匹配和各模块之间的动态信息配置，可得到满足客户需求的具体产品结构。以某大棚蔬菜种植户为例，需要一台小型作业机替代人工完成翻土作业，根据大棚特点，需要作业机满足小型化、操纵轻便灵活、动力性能好、有较好的碎土效果、功能不需太多且价格适中，根据这些要求进行作业机配置。3．1结构配置结构配置实际上是根据客户需求指标及其权重逐步匹配模板对象的过程，在模板库中选择合适的设计模板以便通过计算模板对象相对于客户需求的重要度来完成配置过程。根据上述大棚蔬菜种植户提出的小型化和动力性能好等要求，在实际配置时，给予了机型和动力性能较高的权重0．75，而对功能扩展给予了较低的权重0．25，在尽可能满足价格、性能等要求的情况下，按图3所示配置界面进行配置。模板中各模块与各配置指标之间存在相关性，其相关性可通过模糊隶属度来描述，各模块与对应指标之间可通过表1的模糊关系来表达。通过分析几种主要的小型农业机械，模板对象对应的模块“动力模块、传动模块、操纵模块、变速模块、行走模块、作业模块”与图3中6个主要选项“可扩功能1、功率2、重量3、体型4、价格5、行走方式6”之间的隶属度可模糊表示，如表2所示。根据式(4)，每个对象乘以相应的权重并归一化后得到模板对象相对于客户需求的重要度为:O1:0．5995，O2:0．5435，O3:0．452，O4:0．557，O5:0．55775，O6:0．50875。根据重要度顺序，则对象配置顺序为:O1→O5→O4→O2→O6→O3。实际配置结果为:动力模块O1为单缸四冲程气冷汽油机，功率为3．6kW;行走模块O5为单轮;变速模块O4为蜗轮蜗杆传动，三级变速;传动模块O2为爪式啮合;作业模块O6为单向旋转旋耕犁，旋耕犁深80～120mm;操纵模块O3为V型操作手柄。作业机结构如图4所示。3．2客户满意度客户满意度是配置结果与客户需求之间每个参数之间的匹配度，它是评价配置结果的一个准则。对于某一个特定指标cb的满意度scb可通过式(6)计算［6］:式中:pdb为客户需求值;pcb为实际配置结果。假设客户需求参数个数为q，考虑客户需求权重w，则客户总体满意度cs可通过式(7)求算术平均值得到:cs=∑qb=1scbw()b/∑qb=1wb(7)针对以上配置结果，对每个配置对象的匹配结果如表3所示。根据图3、表3和式(7)，可得到客户满意度cs计算结果为91．9%，这意味着通过模板对象相对于客户需求的重要度顺序进行逐级配置可得到较高的客户满意度。
4结语
基于设计模板的配置方法可标准化设计过程，客户在模板框架内提供个性化需求，系统通过知识库、实例库和匹配规则可配置出满意的产品满足客户需求，该方法可有效地改善产品配置设计的有效性，解决客户的模糊需求和技术参数之间难以建立直接联系而导致的设计产品与客户需求之间存在的差异，而且有助于提高客户满意度。小型农业作业机作为一种典型的中等复杂产品，设计模板在该产品中的成功应用证明了这种方法的有效性和可行性，同样也可用于其他类似产品的设计。
作者：陆长明 郑姝 盛炎发 单位：浙江机电职业技术学院
