以可变功能为目标的机械系统再设计若干关键问题研究

One important method for upgrading and innovating existing mechanical products and devices is by redesigning them towards functional adaptability, so as to obtain greater application flexibility. Specific research is still lacking for this kind of redesign problems in design research. By employing Function-Behavior-Structure (FBS) design methods, and by utilizing the means of changing relevant system components for adaptable functions, this project proposes to conduct research on the establishment of a concept system framework for the said redesign research and also to investigate some of essential problems, including (1) to study the dependency between adaptable functions and structural components and behaviors, as well as the similarities among behaviors and/or behavioral processes, and to establish a dependency model; (2) to study the design change propagation process incurred by the adaptable functions, and to establish a design change propagation model; (3) to study the evaluation method of functional adaptability or potential adaptability of mechanical systems; (4) to study the redesign process and to develop a redesign model and a redesign process model for this process. The project will also develop the corresponding computer software to implement the methodologies from the research, and by taking the electro- and/or pneumatic tools as the design cases, to design some new and functionally adaptable tools to verify and refine the research results.

对现有机械系统开展再设计，使其具有可变功能特性，获得更大的应用灵活性，是实现机械产品及装备的升级换代和创新的一个重要方法。目前设计研究领域对这一再设计方法还缺乏专门的研究。本项目以功能-行为-结构（FBS）方法为基础，以变更机械系统相关构件为可变功能的实现手段，研究这一再设计方法的概念体系及若干关键问题，包括（1）研究可变功能对系统结构和行为的关联性及行为相似性，建立可变功能-结构行为关联模型；（2）研究可变功能所引起的设计变更传播过程，建立设计变更传播模型；（3）研究机械系统可变功能特性或潜质的评估方法；（4）研究机械系统实现可变功能特性的再设计过程，建立再设计模型和再设计过程模型。项目将开发相应的计算机软件，并以电动、气动工具为研究案例，开发新型可变功能电、气动工具，验证和完善项目研究结果。

可变功能机械系统是指一类可以通过变更系统构件或构件连接方式从而获得不同功能的特定机械系统。本项目以实现机械系统可变功能为目标，重点开展了以下研究工作：（1）开展了可变功能机械的功能与结构的关联性及功能耦合性的研究。（2）开展了机械系统面向可变功能的行为相似性的研究。（3）开展了可变功能机械的设计变更及变更传播过程的研究。（4）开展了可变功能机械从一个功能改变到另一个功能的功能转换过程的研究。（5）开展了机械系统面向可变功能的再设计方法的研究，包括基于设计变更的再设计方法和基于共享构件识别和接口求解的再设计方法，开发了软件原型。.主要结果和学术贡献包括：（1）构建了可变功能机械功能-结构关联模型和功能耦合模型，提出了构件的影响度、贡献度和重要度等概念并加以量化，为面向可变功能的再设计提供了相关设计准则，也为后续的行为相似性研究奠定了基础。（2）针对可变功能设计中如何确定产品功能的问题，提出了两个方法：其一是以行为链相似性模糊综合评价模型量化不同产品行为过程的相似性，相似程度越高则可变功能再设计的潜质（可变功能度）也越高；其二是通过面向应用的功能主题链来关联各相关功能。（3）建立了设计变更传播树模型，可用以生成变更传播路径，为基于变更的再设计提供了一个获得设计方案的方法，同时也为设计评估提供了一个评判准则。（4）提出了一个“包围盒-投影”相结合的干涉检验方法，用以实现可变功能产品功能转换所需的拆装序列规划。（5）提出了两个再设计方法，其一是变更设计法：通过对固定功能产品进行变更获得新功能，然后以新功能和旧功能组合获得可变功能；其二是基于共享构件识别和接口求解的再设计方法：首先针对选定的机械系统识别其中的共享模块，然后开展共享模块与各功能模块的接口设计，满足其间的连接要求。项目共发表论文29篇，其中SCI收录2篇，EI收录2篇；获得授权发明专利2项，实用新型专利7项，软件著作权登记1项。