導(dǎo)語(yǔ)：機(jī)械方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)管理論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

0引言

機(jī)械方案設(shè)計(jì)是一個(gè)創(chuàng)造性很強(qiáng)的活動(dòng)，其思維過(guò)程是形象思維和抽象思維綜合作用的結(jié)果。目前計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）主要解決了在計(jì)算和繪圖等設(shè)計(jì)后續(xù)階段對(duì)設(shè)計(jì)者的支持。而對(duì)于極富創(chuàng)造性的早期方案設(shè)計(jì)階段的計(jì)算機(jī)支持至今沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。即使是智能CAD系統(tǒng)，所采用的方法的理論基礎(chǔ)仍是基于傳統(tǒng)的人工智能的知識(shí)表示與推理方法，即邏輯思維為基礎(chǔ)，其中多以知識(shí)工程和專(zhuān)家系統(tǒng)的方法實(shí)現(xiàn)。這種CAD與AI的簡(jiǎn)單組合，沒(méi)有也不可能從真正意義上實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)自動(dòng)化。創(chuàng)造性如何在方案設(shè)計(jì)過(guò)程中體現(xiàn)一直是困擾設(shè)計(jì)理論研究工作者的棘手問(wèn)題，也一直沒(méi)有很好地解決，本文將就這一問(wèn)題作一探討。

1機(jī)械方案設(shè)計(jì)的一般過(guò)程

一般認(rèn)為，方案設(shè)計(jì)階段主要有兩個(gè)任務(wù)：首先是建立技術(shù)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)。然后通過(guò)選擇相應(yīng)于功能結(jié)構(gòu)中的每個(gè)功能的功能載體，并組合這些被選擇的功能載體形成整個(gè)技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

通用設(shè)計(jì)理論認(rèn)為，方案設(shè)計(jì)過(guò)程可表述為兩個(gè)映射過(guò)程（圖1）：即用戶(hù)需求域到功能域的映射以及功能域到結(jié)構(gòu)域的映射。由需求域到功能域的映射過(guò)程最能體現(xiàn)設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造能力，這一過(guò)程涉及到對(duì)設(shè)計(jì)思維規(guī)律以及創(chuàng)造性機(jī)理認(rèn)識(shí)水平，涉及到自然語(yǔ)言到專(zhuān)業(yè)技術(shù)語(yǔ)言的轉(zhuǎn)化。盡管有些學(xué)者提出通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行層次分解來(lái)建立功能結(jié)構(gòu)圖的討論，但一般還要通過(guò)人工干預(yù)進(jìn)行。從功能到結(jié)構(gòu)的映射，實(shí)際上是功能結(jié)構(gòu)圖中的每一個(gè)分功能與能實(shí)現(xiàn)該分功能的結(jié)構(gòu)進(jìn)行匹配，一般情況下，總體功能往往包含著許多分功能。而每一功能可以由不同的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此存在組合、協(xié)調(diào)和評(píng)價(jià)篩選的問(wèn)題。具體的機(jī)械方案設(shè)計(jì)過(guò)程如圖2所示。

圖2所示的機(jī)械方案設(shè)計(jì)過(guò)程還可通過(guò)數(shù)學(xué)形式進(jìn)行描述。設(shè)總體功能為U，它可分解為一些子功能，分解過(guò)程可形式化為：

U＝（U1，U2，…Um）（1）

即總體功能是有m個(gè)子功能UI（I＝1，2，…m）組成的。

任何一個(gè)子功能UI（I＝1，2，…，m）對(duì)應(yīng)著能夠完成該分功能的子結(jié)構(gòu)的集合TI，即

TI＝（tI1，tI2，…，tin）（I＝1，2，…，m）（2）

式中tij（j＝1，2，…，n）對(duì)應(yīng)于能完成子功能UI的所有子結(jié)構(gòu)，n為完成該子功能的子結(jié)構(gòu)總數(shù)。如果用UI定義行，tij為元素構(gòu)成矩陣，即得到功能與結(jié)構(gòu)相聯(lián)系的“功能—結(jié)構(gòu)技術(shù)矩陣”：

（3）

當(dāng)然能夠?qū)崿F(xiàn)各子功能的子結(jié)構(gòu)數(shù)并不相等，可以將能夠?qū)崿F(xiàn)某一子功能的最多子結(jié)構(gòu)數(shù)定為n，少于這個(gè)數(shù)的子功能元素項(xiàng)用零表示。圖2所描述的機(jī)械方設(shè)計(jì)的一般過(guò)程，看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)有許多問(wèn)題需要解決。如總功能如何分解為子功能、功能如何表達(dá)（因?yàn)閺牟煌慕嵌忍岢龅墓δ鼙磉_(dá)詞匯是不相同的）以及如何有效根據(jù)功能索引子結(jié)構(gòu)等問(wèn)題有待進(jìn)一步探討和研究。

2基于機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)類(lèi)型變異綜合方法

自60年代圖論理論首次被應(yīng)用于機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以來(lái)，它在機(jī)構(gòu)分析與綜合方面的應(yīng)用得到深入的研究。在圖論中，封閉的圖代表機(jī)構(gòu)，頂點(diǎn)代表連桿，邊代表運(yùn)動(dòng)副。圖可以用矩陣（如鄰接矩陣和關(guān)聯(lián)矩陣）表示、分析和計(jì)算。1979年，F(xiàn)reudenstein和Maki提出“功能與結(jié)構(gòu)分離”的方法用于機(jī)構(gòu)綜合，隨后許多學(xué)者對(duì)這一方法進(jìn)行研究和深化。該方法包括如下幾個(gè)環(huán)節(jié)：

2．1根據(jù)用戶(hù)的需求，提出機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)任務(wù)與技術(shù)要求：

（1）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求

如運(yùn)動(dòng)性質(zhì)（平面運(yùn)動(dòng)或空間運(yùn)動(dòng)）、基本回路數(shù)（或獨(dú)立環(huán)數(shù)目）、運(yùn)動(dòng)副類(lèi)型及數(shù)目、構(gòu)件類(lèi)型及數(shù)目、主動(dòng)副類(lèi)型及其位置以及機(jī)架的構(gòu)件類(lèi)型及其位置；

（2）功能性要求

如輸出構(gòu)件數(shù)目及其位置、每一輸出構(gòu)件的任務(wù)（如軌跡生成、函數(shù)生成、導(dǎo)引以及其它要求、滿(mǎn)足對(duì)預(yù)定的速度及加速度要求、滿(mǎn)足對(duì)機(jī)構(gòu)整體的動(dòng)力學(xué)性能要求；

（3）約束條件

如運(yùn)動(dòng)精度、結(jié)構(gòu)緊湊性、剛度、機(jī)械效益、軸銷(xiāo)作用反力以及制造、裝配、成本等方面的約束。

2．2結(jié)構(gòu)類(lèi)型綜合

通過(guò)結(jié)構(gòu)類(lèi)型綜合列出滿(mǎn)足設(shè)計(jì)任務(wù)要求的全部結(jié)構(gòu)類(lèi)型并以適當(dāng)形式表示。

2．3優(yōu)選結(jié)構(gòu)類(lèi)型

根據(jù)功能要求和約束條件，篩選出好的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。

該方法目前研究局限在平面連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型綜合，且一般集中在運(yùn)動(dòng)鏈同構(gòu)識(shí)別、自由度識(shí)別方法以及平面運(yùn)動(dòng)鏈自動(dòng)生成等理論方法研究階段。盡管有一些應(yīng)用的研究報(bào)道，但都是針對(duì)簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)（如變沖程發(fā)動(dòng)機(jī)活塞機(jī)構(gòu)、車(chē)門(mén)開(kāi)啟機(jī)構(gòu)等）通過(guò)人工方式實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)還有一些關(guān)鍵技術(shù)沒(méi)有很有效的方法，如運(yùn)動(dòng)鏈同構(gòu)識(shí)別問(wèn)題，主動(dòng)副位置確定、機(jī)架位置的確定、桿組的自動(dòng)劃分以及對(duì)運(yùn)動(dòng)鏈進(jìn)行評(píng)價(jià)篩選等問(wèn)題。

3集成功能推理及結(jié)構(gòu)推理的方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程模型

如果用人工智能語(yǔ)言描述，在上述第1小節(jié)中討論的機(jī)械方案設(shè)計(jì)的一般過(guò)程是基于功能推理方式，而第2小節(jié)中所討論的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)類(lèi)型變異綜合方法是基于結(jié)構(gòu)推理方式。這兩種方式有其內(nèi)在的聯(lián)系，如何將這兩種方式有機(jī)地聯(lián)系在一起對(duì)于機(jī)械方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)是一件很有意義的工作。功能推理主要解決功能到結(jié)構(gòu)之間的映射，通過(guò)結(jié)構(gòu)部件組合途徑形成機(jī)械方案。而結(jié)構(gòu)推理是從結(jié)構(gòu)部件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上通過(guò)機(jī)構(gòu)演繹（機(jī)架變換，主動(dòng)件位置變換以及運(yùn)動(dòng)副類(lèi)型變換）途徑對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行變異創(chuàng)新，盡管目前結(jié)構(gòu)推理局限在平面連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)類(lèi)型綜合，但通過(guò)本文的研究，該方法可以擴(kuò)展到一般剛體機(jī)械方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)。有鑒于此，作者提出如圖3所示的集成功能推理和結(jié)構(gòu)推理的機(jī)械方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程模型。

該設(shè)計(jì)過(guò)程模型由以下主要步驟組成：

Step1：功能結(jié)構(gòu)圖的建立。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，建立功能結(jié)構(gòu)圖。

Step2：根據(jù)建立的功能結(jié)構(gòu)圖，尋找滿(mǎn)足各子功能要求的功能載體并組合成為原始機(jī)械方案。

Step3：將原始機(jī)械方案進(jìn)行抽象化為表達(dá)機(jī)械方案連接信息的運(yùn)動(dòng)鏈表示。并記錄原始方案一些約束信息，如自由度數(shù)、桿數(shù)、原動(dòng)件必須是幾副桿、輸出構(gòu)件是否必須與機(jī)架相連等等。

Step4：運(yùn)動(dòng)鏈發(fā)散。列舉所有與抽象化表示的運(yùn)動(dòng)鏈具有相同自由度、桿副類(lèi)型以及桿數(shù)的非同構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈，并進(jìn)行篩選。

Step5：機(jī)械方案元型集的生成。對(duì)篩選的運(yùn)動(dòng)鏈進(jìn)行機(jī)架識(shí)別、原動(dòng)件識(shí)別、桿組識(shí)別，形成用連桿和轉(zhuǎn)動(dòng)副表達(dá)的機(jī)械方案元型。

Step6：候選方案集的生成。將以上生成的機(jī)械方案元型通過(guò)類(lèi)型替代，形成候選方案集。

Step7：方案的評(píng)價(jià)決策。得到最優(yōu)方案。

Step8：方案的尺度綜合。

4機(jī)械方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)智能支持系統(tǒng)

根據(jù)以上的過(guò)程模型，我們開(kāi)發(fā)了機(jī)械方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)智能支持系統(tǒng)MCIDISS。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。該系統(tǒng)由五大模塊組成：

（1）基于實(shí)例功能推理的原始機(jī)械方案生成模塊：該模塊采用兩級(jí)實(shí)例推理的模型，完成從設(shè)計(jì)任務(wù)到功能結(jié)構(gòu)圖的建立以及裝置提取與組合協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)生成原始機(jī)械方案的

任務(wù)。

（2）基于結(jié)構(gòu)推理的方案設(shè)計(jì)創(chuàng)新模塊：該模塊在上面模塊產(chǎn)生的原始機(jī)械方案的基礎(chǔ)上，通過(guò)抽象化表示，將原始機(jī)械方案表達(dá)為一般化運(yùn)動(dòng)鏈，從機(jī)械方案拓?fù)渎?lián)接上進(jìn)行變異創(chuàng)新。

（3）評(píng)價(jià)決策模塊：該模塊主要任務(wù)是對(duì)各階段的設(shè)計(jì)解進(jìn)行評(píng)價(jià)決策。系統(tǒng)主要采用模糊綜合評(píng)價(jià)決策方法。

（4）機(jī)構(gòu)尺度綜合模塊：該模塊主要任務(wù)是對(duì)組成機(jī)械方案的機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行綜合，以便從尺度上論證方案的可行性。

（5）運(yùn)動(dòng)分析及仿真模塊：該模塊是在完成機(jī)構(gòu)尺度綜合后，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和仿真，以便使設(shè)計(jì)者對(duì)所設(shè)計(jì)的方案有一個(gè)清晰直觀的認(rèn)識(shí)。

5結(jié)束語(yǔ)

本文先簡(jiǎn)要分析了機(jī)械方案設(shè)計(jì)一般過(guò)程和機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)類(lèi)型綜合的一般過(guò)程，在此基礎(chǔ)上，研究并提出了集成功能推理和結(jié)構(gòu)推理的機(jī)械方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程模型?；谒岢龅倪^(guò)程模型，作者開(kāi)發(fā)了機(jī)械方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)智能支持原型系統(tǒng)MCIDISS。MCIDISS開(kāi)發(fā)和運(yùn)行表明，其具有合理的知識(shí)庫(kù)結(jié)構(gòu)，運(yùn)行情況穩(wěn)定，用戶(hù)界面友好，推理控制策略靈活，因此具有很好的實(shí)用性和較高的開(kāi)發(fā)效率。