□ 趙 琳 □ 賀華波 □ 鄧益民

寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院 浙江寧波 315211

機(jī)械系統(tǒng)接口功能元模型及其概念設(shè)計(jì)應(yīng)用*

□ 趙 琳 □ 賀華波 □ 鄧益民

寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院 浙江寧波 315211

為了研究接口在機(jī)械系統(tǒng)中的組成及其表達(dá)形式，提出了接口功能元的概念，列舉了接口功能元的九種類(lèi)別，包括連接、分離、放大、縮小、軸線轉(zhuǎn)換、運(yùn)動(dòng)方式轉(zhuǎn)換等，分析了功能轉(zhuǎn)換的幾種情況，建立機(jī)械系統(tǒng)接口模型。提出一種將接口功能元模型與“功能-行為-結(jié)構(gòu)（FBS）”設(shè)計(jì)過(guò)程模型相結(jié)合的方法，構(gòu)建設(shè)計(jì)過(guò)程框架，用以指導(dǎo)概念設(shè)計(jì)。最后以一種自動(dòng)清潔設(shè)備的接口功能元模型的概念設(shè)計(jì)應(yīng)用，驗(yàn)證了方法的實(shí)用性。

機(jī)械 概念設(shè)計(jì) 接口 功能

機(jī)械系統(tǒng)從廣義上可以定義為由各個(gè)機(jī)械基本要素組成，可以根據(jù)需要完成一定功能，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能變化、代替人類(lèi)勞動(dòng)的系統(tǒng)［1］。機(jī)械系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的內(nèi)涵隨著人們對(duì)概念設(shè)計(jì)的研究而更加廣泛和深刻，概念設(shè)計(jì)的前期工作體現(xiàn)了設(shè)計(jì)人員對(duì)任務(wù)的理解和設(shè)計(jì)靈感的表達(dá)，后期工作主要是對(duì)功能結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)方案的構(gòu)思設(shè)計(jì)。概念設(shè)計(jì)是方案創(chuàng)新的一個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，也是機(jī)械設(shè)計(jì)中最具有創(chuàng)造性的環(huán)節(jié)。

接口的概念首先于計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)中提出，主要應(yīng)用在電子、軟件等領(lǐng)域，在機(jī)械方面對(duì)于接口的研究目前多集中在模塊化設(shè)計(jì)中，主要為產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化和系列化設(shè)計(jì)提供支持。比如：蔡遠(yuǎn)文［2］總結(jié)了模塊接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，提出了利用QFD和TRIZI理論對(duì)接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)，用以指導(dǎo)航天器的模塊接口設(shè)計(jì)；蔡銀才等［3］也對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)接口的通用性進(jìn)行了研究，提出了分體式螺栓的方案，解決機(jī)架接口通用化設(shè)計(jì)問(wèn)題，并應(yīng)用于飛機(jī)的發(fā)射裝置中；朱元?jiǎng)椎龋?］面向模塊接口的系列化進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)裝載機(jī)模塊接口的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和應(yīng)用；鐘詩(shī)勝［5］在產(chǎn)品模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模中，結(jié)合面向?qū)ο蠹夹g(shù)，提出了基模塊接口關(guān)系擴(kuò)展布爾矩陣逆向求解策略，在翼導(dǎo)彈模塊系統(tǒng)中進(jìn)行了應(yīng)用。可以看出機(jī)械系統(tǒng)接口的研究多集中在模塊設(shè)計(jì)中作為其中一個(gè)環(huán)節(jié)提出，有關(guān)機(jī)械系統(tǒng)接口概念設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用的研究還不夠全面。針對(duì)概念設(shè)計(jì)接口的研究現(xiàn)狀，本文通過(guò)對(duì)接口功能元的定義，闡述了接口在概念設(shè)計(jì)中的內(nèi)容，并通過(guò)構(gòu)建概念設(shè)計(jì)框架進(jìn)一步對(duì)接口功能元模型的具體應(yīng)用進(jìn)行了研究。

1 接口

接口可分為廣義接口和傳統(tǒng)接口。傳統(tǒng)接口主要包括具有信息傳輸作用的數(shù)據(jù)接口和具有固定作用的裝置，如螺栓、螺母、定位銷(xiāo)等；廣義接口是指在系統(tǒng)內(nèi)部起到連接作用的硬件和軟件的總稱。傳統(tǒng)的接口分類(lèi)主要包括硬件接口和軟件接口兩大類(lèi)，軟件提供系統(tǒng)信息交互、轉(zhuǎn)換、調(diào)整的方法和過(guò)程，重點(diǎn)在于設(shè)計(jì)中的接口標(biāo)準(zhǔn)［6］等。硬件接口主要指除軟件接口外需要通過(guò)一定手段實(shí)施的含有一定物理結(jié)構(gòu)的能量傳遞裝置。硬件接口根據(jù)傳遞的能量有無(wú)介質(zhì)分為無(wú)介質(zhì)類(lèi)和有介質(zhì)類(lèi)，當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)通過(guò)物理連接來(lái)實(shí)現(xiàn)能量傳遞時(shí)，稱為無(wú)介質(zhì)的硬件接口，如圖1所示，機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和氣壓系統(tǒng)等需要一定介質(zhì)來(lái)傳遞功能行為的屬于有介質(zhì)的情況。

不同系統(tǒng)對(duì)接口的需求各有不同，例如機(jī)電一體化系統(tǒng)將機(jī)械、電子和信息系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)的組合，融合功能各異的技術(shù)為一體，這就需要軟件接口和硬件接口相配合，并且通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，一個(gè)好的機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)離不開(kāi)合理的、可靠的接口設(shè)計(jì)。接口作為非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，在機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究中非常緊迫和必要［7］，接口設(shè)計(jì)在概念設(shè)計(jì)中的理論研究，也需要加強(qiáng)與實(shí)際相結(jié)合的實(shí)踐。

2 機(jī)械系統(tǒng)接口模型

2.1 接口功能元

▲圖1 傳統(tǒng)接口的分類(lèi)

機(jī)械系統(tǒng)接口可劃分為不同層次，如圖2所示，機(jī)械系統(tǒng)接口不僅僅指構(gòu)件的連接，也包括由某些機(jī)構(gòu)或者系統(tǒng)組成的具有一定轉(zhuǎn)化功能的結(jié)構(gòu)。例如系統(tǒng)間的連接部分，即機(jī)構(gòu)與機(jī)構(gòu)間的連接結(jié)構(gòu)，由若干運(yùn)動(dòng)副按照一定的連接順序組成，完成機(jī)構(gòu)功能的轉(zhuǎn)換，如減速器輸入與輸出間的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)也可看作為接口。某個(gè)機(jī)構(gòu)或幾個(gè)機(jī)構(gòu)組成部分如果起到了功能連接的作用，就可以稱為接口。為便于對(duì)接口的組成及表達(dá)方法的研究，將機(jī)械系統(tǒng)中具有實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換目的的結(jié)構(gòu)單元定義為接口功能元，接口功能元作為一個(gè)整體，具有一定的屬性和功能。

用圖形的方式闡述接口功能元的概念。首先，用菱形圖元代表接口功能元，如圖3所示，菱形的兩個(gè)長(zhǎng)軸頂點(diǎn)可作為輸入端和輸出端的連接點(diǎn)，連接點(diǎn)可為固定連接方式也可以是可變的連接，用頂點(diǎn)上符號(hào)×的有無(wú)來(lái)表示固定或者可變。如果采用固定連接，則功能的轉(zhuǎn)換關(guān)系不可更改，輸入和輸出連接為更高級(jí)別的系統(tǒng)；若采用可變的連接，接口功能元可以更換，從而實(shí)現(xiàn)不同的接口功能，產(chǎn)生不同的設(shè)計(jì)效果。短軸的兩個(gè)頂點(diǎn)用來(lái)表示功能元內(nèi)部信息和外界環(huán)境的作用。接口功能元的種類(lèi)以菱形圖框內(nèi)的功能轉(zhuǎn)換符號(hào)Ω表示，將Ω的種類(lèi)分為9種并分別用9種圖形表示，接口功能元的功能及代號(hào)見(jiàn)表1。

接口功能元的功能轉(zhuǎn)換情況分析如下。

（1）脫離功能i_01。接口的脫離功能是接口基本的功能之一，表現(xiàn)為若輸入端與輸出端處于互不接觸的位置，即接口空置時(shí)表現(xiàn)為脫離功能。

（2）連接功能i_02。與脫離功能相對(duì)應(yīng)，連接功能也是接口的基本功能，即輸入端與輸出端處于穩(wěn)定的接觸位置，使輸入、輸出端相互連接的功能。

（3）分解功能i_03。接口的分解功能表現(xiàn)在由單一輸入轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€(gè)輸出，即通過(guò)接口的轉(zhuǎn)換功能將輸入端的功能傳遞給多個(gè)輸出端。

（4）合成功能i_04。同樣與分解功能相對(duì)應(yīng)，合成功能指多輸入轉(zhuǎn)變?yōu)閱我惠敵觯ㄟ^(guò)接口轉(zhuǎn)換將多個(gè)功能合成為一個(gè)輸出功能。

▲圖2 接口層次模型

▲圖3 接口功能元圖形屬性

（5）縮小功能i_05。接口縮小功能指對(duì)輸入端的位移、速度等運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行縮小轉(zhuǎn)換為相同性質(zhì)的輸出的功能。

（6）放大功能i_06。與縮小功能相對(duì)應(yīng)，對(duì)輸入端位移、速度等運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行放大的功能。

（7）轉(zhuǎn)換軸線功能i_07。將輸入端運(yùn)動(dòng)軸線進(jìn)行改變的轉(zhuǎn)換功能。

（8）改變運(yùn)動(dòng)方向i_08。將輸入端與輸出端的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行轉(zhuǎn)換的功能。

（9）轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)形式i_09。將輸入、輸出端的運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如旋轉(zhuǎn)與直線運(yùn)動(dòng)間的轉(zhuǎn)換、連續(xù)運(yùn)動(dòng)與間歇運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換等。

2.2 接口功能元模型內(nèi)部信息

接口功能元的信息不僅包括接口的轉(zhuǎn)換作用類(lèi)型，也包含接口的行為方式，所處的連接層信息以及接口運(yùn)動(dòng)副帶來(lái)的自由度的變化等。需要注意的是，接口不一定導(dǎo)致自由度增加，也可能造成自由度減少為零，形成固定部件的情況。表2列舉了接口信息的種類(lèi)及具體內(nèi)容。

表1 接口功能元的功能及代號(hào)

表2 接口功能元信息表

3 機(jī)械系統(tǒng)接口概念設(shè)計(jì)模型

3．1 設(shè)計(jì)過(guò)程模型

基于對(duì)接口的研究，本文提出一種將接口功能元模型與功能-行為-結(jié)構(gòu)（Function Behavior Structure，F(xiàn)BS）模型［8］相結(jié)合的概念設(shè)計(jì)框架，如圖4所示。根據(jù)接口在設(shè)計(jì)中的特殊作用，對(duì)接口的功能和結(jié)構(gòu)信息分析之后進(jìn)行建模。一般對(duì)某個(gè)系統(tǒng)或者產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，總是遵循一定的順序，F(xiàn)BS模型就是一種自頂向下的設(shè)計(jì)過(guò)程模型。

功能表達(dá)了設(shè)計(jì)的目的，比如要實(shí)現(xiàn)夾持棒料并旋轉(zhuǎn)方向放置到指定地點(diǎn)這一功能，就分為夾持、旋轉(zhuǎn)、位移等子功能，為實(shí)現(xiàn)這一功能，系統(tǒng)需要有功能脫離、接合、錯(cuò)位接合、功能放大縮小等轉(zhuǎn)換作用的接口。行為用來(lái)表示設(shè)計(jì)者推斷出結(jié)構(gòu)的方法，接口行為主要有：分解、合成前級(jí)行為，轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)形式，實(shí)現(xiàn)前后級(jí)行為之間量的變化，如轉(zhuǎn)速、力等。結(jié)構(gòu)蘊(yùn)含了該設(shè)計(jì)由哪些元件組成、這些元件的屬性如何以及元件之間的關(guān)系。功能到行為的映射是功能在行為層的求解，行為層到結(jié)構(gòu)層的映射，確定了進(jìn)一步細(xì)化實(shí)施具體行為所需要的機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式。

3．2 實(shí)施步驟

第一步：劃定輸入端和輸出端，確定接口位置。這一步取決于接口的連接層次，若輸入端為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，輸出端為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，則接口劃定為機(jī)構(gòu)-機(jī)構(gòu)連接層，以此類(lèi)推。

第二步：確定輸入端和輸出端的物質(zhì)、能量和信息屬性，進(jìn)行分析得出功能的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

用圖論方法將轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行直觀表達(dá)，如圖5所示建立概念設(shè)計(jì)功能轉(zhuǎn)換圖，用圖圓表示某個(gè)包含一定物質(zhì)、能量和信息的端口，圓之間帶有箭頭的直線表示機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中物質(zhì)流、能量流和信息流的流向，接口功能元處于連線的中間對(duì)端口進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

第三步：通過(guò)輸入端和輸出端的轉(zhuǎn)換關(guān)系，確定接口的具體功能，分析構(gòu)建接口功能元模型，得出模型的結(jié)構(gòu)信息和功能信息，對(duì)接口知識(shí)進(jìn)行管理。

采用功能轉(zhuǎn)換圖進(jìn)行分析，有兩點(diǎn)說(shuō)明：①以菱形圖框和功能轉(zhuǎn)換符號(hào)表示接口功能，上節(jié)2.1已對(duì)接口功能元種類(lèi)作了詳細(xì)描述，以表示接口的具體轉(zhuǎn)換作用；②用Unit（Oi）對(duì)接口進(jìn)行編碼，建立接口信息表，對(duì)設(shè)計(jì)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。

第四步：將接口功能元進(jìn)行功能分解，再經(jīng)過(guò)功能向行為的映射、行為到結(jié)構(gòu)的映射，對(duì)概念設(shè)計(jì)模型進(jìn)行求解。

▲圖4 機(jī)械系統(tǒng)接口概念設(shè)計(jì)模型

▲圖5 概念設(shè)計(jì)功能轉(zhuǎn)換圖

▲圖6 清潔設(shè)備的概念設(shè)計(jì)功能結(jié)構(gòu)圖

4 應(yīng)用實(shí)例

以一種自動(dòng)清潔設(shè)備為例，說(shuō)明基于接口功能元分析的概念設(shè)計(jì)應(yīng)用。此種清潔設(shè)備主要用于對(duì)管道類(lèi)等需要深入內(nèi)部進(jìn)行清洗工作的場(chǎng)合，本例研究的工作對(duì)象為直徑10 cm、長(zhǎng)520 cm的細(xì)長(zhǎng)型管道，需要靠安裝在設(shè)備表面的清潔刷毛清洗管道內(nèi)壁。

表3 圖6中符號(hào)說(shuō)明

對(duì)管道的清潔一般通過(guò)刷子或者清潔劑與內(nèi)壁的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成，當(dāng)施加一定力時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)起到了刮擦污垢并使污垢脫離的功能，主要是將刷毛旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行組合。動(dòng)力輸入由伺服電機(jī)提供，設(shè)定輸入端為動(dòng)力機(jī)構(gòu)，輸出端為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，建立接口概念設(shè)計(jì)功能轉(zhuǎn)換圖，如圖6所示，端口用E表示，代表一定的物質(zhì)、能量、信息，對(duì)各接口的轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行分析。

圖6中各符號(hào)在表3中作了說(shuō)明，E1端口提供旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所需動(dòng)力，E2端口提供往復(fù)運(yùn)動(dòng)所需動(dòng)力，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)Unit（O1）接口減速后經(jīng)E3端口輸出，Unit（O4）接口將動(dòng)力端口E2提供的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力經(jīng)軸線轉(zhuǎn)換為垂直軸的旋轉(zhuǎn)，再通過(guò)Unit（O5）接口轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)接口的控制由電機(jī)的正反轉(zhuǎn)間接完成。E5和E6端口的輸出經(jīng)接口Unit（O7）合成，將旋轉(zhuǎn)和伸縮功能組合為一體，最后經(jīng)過(guò)刷毛的作用完成清潔功能。

圖7為根據(jù)對(duì)功能的分解和運(yùn)動(dòng)流程的分析，得出的解決方案，機(jī)械系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成：旋轉(zhuǎn)部分和往復(fù)移動(dòng)部分。由兩個(gè)電機(jī)提供電力并進(jìn)行控制，伸縮電機(jī)傳遞給伸縮機(jī)構(gòu)動(dòng)力，控制其伸長(zhǎng)和縮短，旋轉(zhuǎn)電機(jī)給齒輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力，控制旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，大齒輪與小齒輪相嚙合，帶動(dòng)大齒輪上固定焊接的伸縮部分旋轉(zhuǎn)，完成旋轉(zhuǎn)功能。固定在大齒輪上的伸縮電機(jī)帶動(dòng)錐齒輪組和絲杠軸嚙合傳動(dòng)，兩邊對(duì)稱的絲杠反向旋轉(zhuǎn)，螺母與絲杠配合在軸上左右移動(dòng)，位于螺母上的鉸鏈與連桿相連，隨著兩邊的鉸鏈距離增加，剪刀叉機(jī)構(gòu)收縮，反之，電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，兩邊鉸鏈的距離減少機(jī)構(gòu)伸長(zhǎng)，完成伸縮動(dòng)作。兩個(gè)部分配合可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和伸縮，達(dá)到對(duì)不同方位進(jìn)行深度清潔的作用。

▲圖7 方案原理圖

5 結(jié)束語(yǔ)

從概念設(shè)計(jì)角度建立了機(jī)械系統(tǒng)接口的功能元模型，給出了具體表達(dá)方法，提供了一種解決機(jī)械系統(tǒng)中接口概念設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題的方法。結(jié)合不同設(shè)計(jì)階段，研究了接口信息，包括接口所在的設(shè)計(jì)層、連接端口的自由度及連接副種類(lèi)等。為尋求機(jī)械系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)映射求解的方案，將FBS設(shè)計(jì)模型與接口功能元模型相結(jié)合，構(gòu)建了概念設(shè)計(jì)框架，利用接口功能結(jié)構(gòu)圖來(lái)輔助設(shè)計(jì)，明確了設(shè)計(jì)流的流向和接口在設(shè)計(jì)中的功能轉(zhuǎn)換關(guān)系，通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)例，說(shuō)明了該方法的可行性。

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（編輯 小 前）

TH122

A

1000-4998（2015）02-0073-04

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：51375246）

2014年8月