0 引言
產品的變型設計是在保持產品基本原理和總體結構基本不變的條件下，為滿足特定的功能要求或用戶個性化需求，對產品的某些局部結構形式、結構要素或尺寸進行調整、變更。設計過程中，需求是變型設計的動力，用戶的需求驅動了產品系列化的發展。如何利用現有的商業CAD來快速反應市場需求，是當今市場、企業和設計人員面臨的一個關鍵問題。與自頂向下的設計模式相適應，在以TBS模型為核心的產品建模的基礎下，可以快速實現產品的變型設計。而隨著人們日益增加的精神需求，產品外形的多變化也越來越和人的審美和個性結合在一起。如何整合現在各種變型設計方法的優勢，以需求為驅動，充分考慮工業美學的原則把提高變型設計的適應性和響應性，是變型設計的關鍵所在。
1 面向需求的產品裝配模型變型設計
1.1 需求模型到裝配模型
從產品模型上講，裝配模型是一個支持產品從概念設計到零件設計，并能完整、正確地傳遞不同裝配體設計參數、裝配層次和裝配信息的產品模型。它是產品設計過程中數據管理的核心，是產品開發和支持設計靈活變動的強有力工具。裝配模型的建立為面向裝配的產品設計提供了信息來源，并對并行工程和面向裝配設計提供了信息支持。產品在市場上要擁有競爭優勢，必需要改善或創造產品，并且在產品的差異性上有所突破，滿足人們個性化的需求。對設計者而言，對現有產品的上進行功能的改進，性能的提高或者尺寸的改進等，使其更加適合于用戶的需要。用戶的需要在經過具體的分析調查后，建立出相應的產品需求模型，從產品需求模型入手，逐步分析將其映射到裝配模型中去。
1.2 功能結構映射
功能通俗地說是指產品的效能、用途和作用。而改進的產品所需要的增加或改進的需求特征是與產品所完成的某個子功能是相對應的。需求特征的描述是通過產品功能的描述表達出來的。并通過這種表達完成到產品結構變化的映射。在功能向結構的映射過程中，是通過結構映射模型來完成的。ian和Gero提出了功能行為結構FBS設計過程模型。在FBS模型中，“結構”用于定義該設計由哪些元件組成，這些元件的屬性如何，以及元件之間的關系;“行為”表示設計者用來推斷出結構的辦法，它由行為類型、行為變量和定性的因果關系構成;“功能”則是一個設計目的的表達。行為在功能結構之間起溝通的橋梁。功能結構映射模型如圖1所示。
圖1 功能結構映射模型
1.3 工業美學原理指導產品外觀
產品美學問題是“以用戶的需求為中心”的另一個重要方面。在體驗經濟時代，重要的是用戶的情感體驗，“美”是人類永恒的情感主題，“美”使產品具有更高的品質，能體現產品對用戶更細微的關懷，還能反映出產品生產企業的文化品味。提高產品的美學品質，是工業設計學科出發的原點，也是一個永恒的立足點。越是經濟發達的社會，產品的物效功能只是產品必備的基本條件，產品的文化層面才是更為重要的內容，用戶體驗的是產品中的文化因素、美學因素。工業產品的造型是通過變化多個造型要素相互之間的關系而形成的。在具體的零件的形態變型設計過程中，要遵循工業美學的原則來進行。使所完成的最終產品不僅具有實際的使用功能還具有符合人們美學感受的精神功能。不僅滿足人們的使用要求，還滿足人們的精神和心理的需求。
在需求決定功能變化，TBS實現結構變化，美學原則指導形態變化思想的指導下，建立了面向功能需求的裝配模型變型設計框架。
2 面向功能需求的裝配模型變型設計框架
2.1 裝配模型變型設計框架的確立
在變型設計中，所要設計的大部分產品是技術比較成熟型產品。就整體而言，變型設計就是一個相應于產品的基本組成結構而對設計任務逐步分解、求精的過程，即運用一定的規則將對整個產品的設計歸結為對其中各個部件、零件等功能模塊的設計。目前的變型設計理論，有基于裝配模型的變型理論、模塊化變型設計、基于特征的變型設計理論、基于參數設計和變量設計方法的變型設計理論，以及基于實例推理的變型設計理論。在這些理論中基于特征的和參數化設計的變型可以通過三維設計平臺，比如Pro/E等軟件，借助軟件本身的操作平臺來實現。需要解決的關鍵問題是參數改變以后，約束問題的解決。由于參數化的只是零件的部分特征，容易出現裝配模型隨著修改的增加而產生裝配模型崩潰的問題。而模塊化變型設計是建立在模塊的定義和組織管理基礎之上的，其對特定產品的模塊的劃分不是隨意的，而且模塊與模塊之間的裝配關系是預先確定的，也不能隨意改變，因而這也就限制了其使用范圍。它不可能建立一種通用統一的設計環境或適應于較大范圍的產品設計。基于實例推理的變型設計理論，能合理利用已有資源，實現產品的快速變型設計。但也存在著實例修改怎樣實現的問題。基于裝配建模的變型設計重點是裝配模型的建立過程，旨在建立完整的描述產品裝配信息的數據模型，以期不僅可以表達零件的幾何模型，而且可以通過表達零件之間的裝配關系反映整個產品的功能要求和設計者的設計意圖。因而符合自頂向下的設計思想并且支持概念設計。隨著CAD技術和三維造型軟件的發展，以裝配模型為基礎的變型設計是研究的重點。總之，以上述及的變型設計理論和方法，均不同程度地解決了變型設計中一些重要問題，達到了一定的目的和要求。它們也存在不足：①不支持產品設計的全過程，無法表達設計者的設計意圖，特別是在概念設計階段；②沒有提供對已有產品資源的有效的組織管理形式和手段，缺少多層次的變型方法。這就導致設計人員在進行變型設計時，不是求解的方法和求解的結果嚴格受限，就是非變型的產品的大量涌現，達不到變型設計目的；③缺少一個有效的支持變型設計的人機協作的環境。在產品變型設計中，特別是在外形的變化過程中，缺乏工業美學原則的約束。
在整個設計過程中，關鍵是概念設計中的功能的變化如何被現有的CAD系統支持的問題。針對以上的不足，我們提出了面向需求的變型設計框架，如圖2所示。此框架將裝配模型、特征參數化技術、模塊化的思想以及CBR技術結合起來，以建模技術中TBS模型為核心，提出了一種面向需求基于裝配模型的變型設計智能框架，充分發揮了裝配模型、CBR技術和TBS模型建模的各自的優點，較為全面、系統地表述了變型設計的流程和產品變型設計中的各級模型。
圖2 面向需求的裝配模型變型設計框架
2.2 面向功能需求的裝配模型變型設計框架的特點
(1)概念模型在需求模型的基礎上完成的，在概念模型的建立過程中已經考慮到需求變化的特征，因而概念建模是在一定空間的有約束的空間求解的過程。
(2)裝配模型是實例推理的基礎，裝配建模是在CBR運行過程中實現的，這樣使裝配建模的結果大量地重用了企業的已有資源。縮短了產品開發周期。
(3)采用需求模型、概念模型和裝配模型表示產品的變型，具有多視圖的特點。
(4)較為系統地給出了變型設計的模型，符合設計過程中自頂向下的設計思路，支持概念設計和并行設計。
(5)由于TBS模型的引入，使其成為產品資源的有效的組織管理形式和手段，實現了多層次的變型方法。
(6)把工業美學的原則作為一個重要的原則在整個框架中提出來，把產品的工業設計的內容與產品設計本身來融合在一起，使之在整個變型過程中就包含這一方面，而不是在整個產品的后期才作為單獨的階段來完成。
3 結束語
本章中在提出了以TBS建模為基礎，遵循美學原則來實現面向用戶需求的產品變型設計新思想。并在此思想的指導下，建立了面向需求的產品變型設計框架。此框架系統地建立了變型設計模型。并以TBS為中心的特征參數化建模為基礎，以過程中的自頂向下思想和局部的模塊化思想相結合，以裝配模型為核心，以參數化特征技術為平臺，實現了多層次的變型設計。從而為產品的快捷變型設計、系列化設計和優化設計提供了可行的方法。
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本文標題：面向需求的產品裝配模型變型設計框架研究
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