（机械制造及其自动化专业论文）基于web的产品概念创新设计系统研究与实现.pdf

摘要 随着全球制造业市场竞争的不断加剧，产品创新逐步成为企业竞争力的核 心因素，而产品的概念设计则体现了产品创新最为重要、最为关键的价值部分， 因此产品的概念发展与设计是产品创新中具有决定性作用的阶段。 知识是人类智能的基础。在基于w e b 的产品创新设计系统中，知识是创 新设计的驱动力。通过将知识和w e b 技术融合到产品创新设计中，进行产品 创新设计的研究和应用，可以极大地提高产品的设计质量和设计效率，从而增 强产品的市场竞争力。 本文以浙江省“十五”制造业信息化工程关键共性技术攻关项目一“基于 支持智能化缝纫机创新的开发平台”为背景，开展了基于w e b 的产品概念创 新设计系统研究与实现，主要介绍了产品概念创新设计的国内外研究状况，然 后对产品设计、创新设计、概念设计等理论与技术进行了综述，分析了知识驱 动产品创新设计的原理，构建了基于w e b 的产品概念创新设计模型。在分析 了产品全息实例的基础上，研究了知识库系统结构模型及构建方法，建立了基 于w e b 的知识库。同时介绍了概念设计过程中所用的推理技术，提出了以生 成运动循环图数据为目标的知识推理方法及其推理过程。在方案评价中，采用 层次分析法和模糊综合评价法相结合的方法对概念设计方案进行评价，并给出 了以运动循环图评价为中心的分级综合评价模型。最后本文在研究w e b 技术 和工业缝纫机相关理论技术的基础上，构建了基于w e b 的工业缝纫机概念创 新设计系统模型，同时以飞跃集团工业平缝机f y 5 5 5 0 为实例进行了系统的应 用实现，并在企业的实际应用中取得了良好的效果。 关键词：w e b ，知识，创新设计，概念设计 a b s t r a c t w i t ht h ec o m p e t i t i o no f m a n u f a c t u r i n ga l lo v e rt h ew o r l d ，p r o d u c tc r e a t i o nh a s b e c o m et h eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta s p e c t sw h i c ha f f e c t se n t e r p r i s e s 。s t r e n g t h t h ec o n c e p t u a ld e s i g ni nt h ep r o d u c tl i f e c y c l ei st h em o s ti m p o r t a n t ，m i s s i o n c r i t i c a l p h a s e s ot h ed e v e l o p m e n to fp r o d u c tc o n c e p t i o na n dp r o d u c td e s i g nh a sd e c i s i v e e f f e c to nt h ep r o d u c td e s i g n k n o w l e d g ei st h eb a s eo fh u m a ni n t e l l i g e n c e i nt h es y s t e mo fp r o d u c tc r e a t i o n b a s e do nw e b ，k n o w l e d g ei st h ep o w e ro fc r e a t i v ed e s i g n b yi n t e g r a t i n gk n o w l e d g e a n dw e bt e c h n o l o g yi n t op r o d u c tc r e a t i o nd e s i g n ，w ec a ni m p r o v eq u a l i t ya n d e f f i c i e n c yo fd e s i g ng r e a t l y t h i st h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fp r o d u c tc o n c e p t u a lc r e a t i v e d e s i g ni nd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hn o w a d a y s ，t h e ni ts u m m a r i z e sp r o d u c t d e s i g n ，c r e a t i v ed e s i g n ，c o n c e p t u a ld e s i g n ，a n a l y z e st h et h e o r y o fk n o w l e d g ed r i v e n p r o d u c tc r e a t i v ed e s i g n ，a n ds e t su pp r o d u c tc o n c e p t u a lc r e a t i v ed e s i g nm o d e lb a s e d o uw e b s e c o n d l y , t h r o u g hs t u d y i n gk n o w l e d g e - b a s es y s t e ms t r u c t u r em o d e la n di t s m e t h o d s ，k n o w l e d g e b a s eb a s e do nw e bi s b u i l d e d nd i s c u s s e s r e a s o n i n g t e c h n o l o g i e sb yu s e di nc o n c e p t u a ld e s i g np r o c e s s ，a n dp u tf o r w a r d si n t e g r a t e d k n o w l e d g er e a s o n i n g m e t h o df o rm o t i o nc y c l ec h a r td a t aa n dr e a s o n i n gp r o c e s s t h e a n a l y t i ch i e r a r c h yp m c e s s ( a h p ) a n df u z z ye v a l u a t i o ni su s e di nt h ep r o j e c to f c o n c e p t u a ld e s i g na n dt h ee v a l u a t i o nm o d e lc e n t e r i n gm o t i o nc y c l ec h a r tb a s e do n t h ea h pa n df u z z ye v a l u a t i o ni sd e r i v e d i nt h ee n d ，t h i st h e s i sb u i l d su pi n d u s t r i a l s e w i n gm a c h i n ec o n c e p t u a lc r e a t i v ed e s i g ns y s t e mm o d e lb a s e do nw e bo nt h eb a s i s o fs t u d y i n gw e bt e c h n o l o g ya n ds e w i n gm a c h i n et h e o r y r e g a r d i n gs e w i n g m a c h i n e sa st h ea p p l i e do b j e c ta n df y 5 5 5 0a sa na p p l i c a t i o ne x a m p l et h es y s t e mi s r e a l i z e d k e y w o r d s ：w e b ，k n o w l e d g e ，c r e a t i v ed e s i g n ，c o n c e p t u a ld e s i g n 1 1 l 海人学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：黼导师签名：j 努堕日期： 第一章绪论 产品设计是制造业的灵魂，产品概念创新设计是缩短产品生命周期、降低 产品成本的必要途径，也是企业赢得竞争的重要手段。本章阐述了课题的来源， 分析了课题的研究目的和意义，并对创新设计、概念设计等相关的理论和技术 在国内外的研究现状及发展趋势进行了综合评述。同时给出了本文的章节内容 安排和结构。 1 1 课题来源 本课题来源于浙江省制造业信息化工程关键共性技术攻关项目“基于支持 智能化缝纫机创新的开发平台”，项目编号：0 2 1 1 0 1 1 4 6 。该项目是基于w e b 的 异地协同开发平台，是一个集缝纫机概念设计、详细设计、控制与电机、p d m ， 能支持缝纫机创新设计的统一设计和管理平台。据国家一级科技查新咨询单位 一上海科技技术情报研究所对相关同类行业的水平查新检索报告显示，及 经文献分析对比，该成果达到了国际先进水平，并于2 0 0 5 年1 月顺利通过浙江 省制造业信息化专家组的验收暨鉴定。 1 2 课题研究的目的和意义 创新是人类社会发展的一个永恒主题，也是人类社会发展的动力。就产品 开发而言符合社会需求的创新设计是产品成功的关键。虽然在产品生命周期各 个过程中都有创新活动，但对产品而言，关键创新仍在产品概念设计阶段。概 念设计是从产品开发需求到求得功能原理解的映射过程。它是根据产品生命周 期各个阶段的要求，进行产品功能创造、功能分解以及功能和子功能的结构设 计：进行满足功能和结构要求的工作原理求解和进行实现功能结构的工作原理 载体方案的构思和系统化设计。 另外，随着制造技术的飞速发展：制造系统功能的不断提高；制造业经济 模式、市场模式、开发模式、生产模式和管理模式的转变，使得： 1 ) 制造业的信息化表现为数字( d i g i t a l ) 、可视( v i s u a l ) 、网络( w e b ) 、虚拟 r v i r t u a l ) 、协同( c o l l a b o r a t i v e ) 、集成( i n t e g r a t i v e ) 、智能( i n t e l l i g e n t ) 。 2 ) 制造业的全球化要求企业必须从产品的上市时间( t i m e ) 、质量( q u a l i t y ) 、 成本( c o s t ) 、服务( s e r v i c e ) 、柔性( f l e x i b i l i t y ) 等多个方面来提高自己的竞争力， 赢得全球市场。 3 ) 计算机的应用变化体现为企业从c a d ( c o m p e e ra i d e dd e s i g n ) 、 c a e ( c o m p m e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 、c a p p ( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ) 、 c a m ( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ) 和c a i d ( c o m p u t e ra i d e di n d u s t r i a ld e s i g n ) 等的单点技术应用，发展为以“知识网络”为手段的综合应用领域。 4 、“以用户为中心、快速响应市场、最大限度地满足用户需求”成为增强 企业竞争力的主要目标。竞争的焦点在于对市场的快速响应( r a p i dr e s p o n s e ) 乘l 产品设计的创新( c r e a t i o n ) ，它是市场经济的企业行为，是从市场到市场的系统 过程 1 _ 7 1 。 5 1 产品生命周期内的质量是由设计过程决定的，产品质量体现为设计质量， 优良设计是赢得竞争的关键的重要性。 6 1 知识成为企业赢得竞争的重要手段和获取利润的关键资源。越来越多的 企业员工所从事的生产活动的结果都蕴涵着内涵丰富的“知识”。它不仅是企业 的重要资产，而且还代表了生产能力和关键资源，成为2 1 世纪企业生存、发展、 竞争所必备的条件【8 。 由此可见，2 1 世纪的制造业将经历从信息集成走向知识集成的新阶段，遵 循“劳动密集、设备密集”到“信息密集、知识密集”的运转轨迹。 企业要在全球化知识经济的市场环境中赢得竞争优势，就必须注重产品生 命周期过程中各个环节知识的应用( 设计知识、经验、原理、规范和准则等) ， 力争在最短时间( t ) 内、消耗最少的资金( c ) 、生产出满足市场需求( q ) 的产品。 然而，市场需求的不断变化，使得新产品的研制变得越来越复杂，产品更新的 2 上海人学硕士学位论文 频繁给企业也带来一些问题，需要在再设计( r e d e s i g n ) 、企业过程调整( b u s i n e s s p r o c e s sr e e n g i n e e r i n 曲，包括设备改造及制造上不断投资。 业内专家认为，如果从整个产品的设计周期来看，产品设计应该分为概念 设计、详细设计、制造前设计和生产制造4 个阶段，如图l ，l 所示。概念设计 是产品设计中的关键阶段，其重要性体现在两个方面：首先概念设计阶段在很 大程度上决定着最终产品的性能、创造性、价格、市场响应速度和效率等。此 外，据有关资料显示，虽然概念设计阶段实际投入的费用只占产品开发总成本 的5 ，却决定了产品总成本的7 0 。 f 嫡骷 嘲 图1 1 产品设计周期和成本关系 以并行工程( c e ，c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 和虚拟制造( v m ，v i r t u a l m a n u f a c t u r i n g ) 为代表的新的设计、制造理念的诞生，使得传统的以几何建模为 主的产品开发系统不能满足市场变化的需求( 客户化需求) ；详细设计和装配设 计的c a d 技术已较为成熟，而极富创造性的产品概念设计( 功能设计、原理设 计、形状设计、布局设计和初步的参数及结构设计等) 技术尚处于研究阶段， 对早期方案设计阶段的计算机支持至今没有取得实质性进展，众多的商品化 c a d 系统不能及早提供满足下游开发活动约束及特定外部过程约束的智能决 策支持；同时，由于产品设计对产品生命周期内的各个过程( 设计、制造、销 售、使用和服务等) 具有决定性的影响，因而人们不得不寻求新的设计模式来 保证产品的研发质量，提高自身的竞争力。文献【9 - 2 0 从不同视角( 推理机制、 设计模式、方案设计、支撑技术等方面) 对产品设计支持系统进行研究，但用 于支持产品创新开发且实用的系统并不多见。 而随着i n t e m e t f i n t r a n e t 和w e b 技术的发展，w e b 应用系统在i n t e m e l 上的 上海人学硕士学位论文 使用也越来越广泛。如何方便、快捷地开发出具有高效性、灵活性和易扩展性 的w e b 应用系统越来越成为一个倍受人们关注的课题。同时，产品及其制造过 程中的的信息和知识要素的增值将成为主宰新产品竞争力的重要因素，所以基 于信息网络和知识的产品创新和先进制造技术不仅已经成为知识经济的重要支 柱，而且还是最活跃的驱动因素。 飞跃缝纫机集团是浙江省大型民营企业，地处浙江省台州市。近年来，企 业发展迅速，已经成为中国缝纫机行业最大企业之一。由于企业在短时间内的 迅速扩张，各种相应的管理及软硬件设施未能及时的到位，企业急需处理发展 期存在的诸多问题。其中，知识发现和累积是其中一个急待解决的问题。上面 提到的我国部分企业知识积累和管理中存在的问题，在飞跃缝纫机集团都或多 或少的存在着。基于此，飞跃缝纫机集团与上海大学计算机集成制造中心合作， 希望后者能设计一个基于w e b 的集缝纫机概念设计、详细设计、控制与电机和 产品数据管t 里( p d m ，p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ) ，并能支持缝纫机创新设计的协 同设计和管理平台，从而提高设计人员的开发效率和产品创新的可能性，并在 有效管理飞跃集团产品数据的同时，能够将其中的宝贵知识挖掘出来。本文正 是在这种背景下展开的，同时以缝纫机概念设计为应用对象，在设计人员和计 算机实现之间取得平衡为出发点，研究如何在基于w e b 的缝纫机概念设计中， 合理采用网络技术、计算机技术、信息处理技术和知识等资源，并综合考虑缝 纫机设计的特点，从分析缝纫机概念设计中四大主要机构之间的关系出发，获 得缝纫机机构运动配合和协调所需的运动循环图数据，对促进缝纫机概念设计 理论的研究和应用具有重要的实现价值。飞跃集团是中国机械制造行业的一个 典型代表，本文提出的解决方案对缝纫机制造行业的企业具有一定的借鉴意义。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 创新设计的研究及发展 当今工业发达的美国、德国等国家非常重视机械创新设计( m c d ， 4 r 海大学坝士学位论文 使用也越来越广泛。如何方便、快捷地开发出具有高效性、灵活性和易扩展性 的w e b 应用系统越来越成为一个倍受人们关注的课题。同时，产品及其制造过 程中的的信息和知识要素的增值将成为主宰新产品竞争力的熏要因素，所以基 于信息网络和知识的产品创新和先进制造技术不仅已经成为知识经济的重要支 柱，而且还是最活跃的驱动因素。 飞跃缝纫机集团是浙江省大型民营企业，地处浙江省台州市。近年米，企 业发展迅速，已经成为中国缝纫机行业最大企业之一。由于企业在短时间内的 迅速扩张，各种相应的管理及软硬件设施未能及时的到位，企! i k 急需处理发展 期存在的诸多问题。其中，知识发现和累积是其中一个急待解决的问题。上面 提到的我国部分企业氪_ 识积累和管理中存在的问题，在飞跃缝纫机集团都或多 或少的存在着。基于此，b 跃缝纫机集团与上海大学计算机集成制造巾心合作， 希望后者能设计一个基于w e b 的集缝纫机概念设计、详细设计、控制与电机和 产品数据管理( p d m ，p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ) ，并能支持缝纫机创新设计的协 同设计和管理平台，从而提高设计人员的开发效率和产品创新的可能性，并在 有效管理e 跃集团产品数据的同时，能够将其中的宝贵知识挖掘出来。本文正 是在这种背景下展开的，同时虬缝纫机概念设计为应用对象，在设计人员和计 算机实现之间取得平衡为出发点研究如何在基于w 曲的缝纫机概念设计中， 合理采用网络技术、计算机技术、信息处理按术和知识等资源，并综合考虑缝 纫机设计的特点，从分析缝纫机概念设计中四大主要机构之间的关系出发，获 得缝纫机机构运动配合和协调所需的运动循环图数据，对促进缝纫机概念设计 理论的研究和应用具有重要的实现价值。飞跃集团是中国机械制造行业的一个 典型代表，本文提出的解决方案对缝纫机制造行业的企业具有一定的借鉴意义。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 创新设计的研究及发展 当今工、发达的美国、德国等国家非常重视机械创新设计( m c d 当今工业发达的美国、德国等国家非常重视机械创新设计( m c d 4 上辫大学琐士学位论文 m e c h a n i c a lc r e a t i v ed e s i g n ) ，并形成独特的创新设计体系和风格。从文献f 2 1 ， 2 2 看，比较著名的机械创新设计，大多从具体的现有机械( 或机构) 着手进行 创新，然后进行理论与方法的总结。例如e r d m e n a 等研究的开窗调节机构的结 构类型与选优，油田抽油机的结构类型选优if r e d e n s t e i nf 等研究的变冲程内 燃机驱动机构结构类型选优、汽车刮雨器机构结构类型选优等。 美国j e h n s o nr c 教授较早从设计方法学的观点总结机械创新设计的过程和 方法，将结构型式综合上投入创造性力量以及在材料和尺寸的优选上花很大的 技术力量有机结合起来，并推荐了几种激发机械创新设计的辅助方法即连杆机 构分类法、逻辑模块法、蕴含综合法、线图法以及智暴法、自行质疑法、形态 构思矩阵法、比拟法等创造性思维方法。 国内很多学者对m c d 进行了论述介绍，如李学荣教授是国内较早系统地 提出机构创意设计这一概念及现象的，他在综合分析了各行各业及日常生活中 的各种自动化生产线设备及装置后，提出了“广义机构综合”的概念，认为包 括液、气、电、光、声及其组合的机构应当是机构学的研究对象，而且在研究 方法上强调“创意念设计：。肖云龙教授则从长期的机械设计教学和科研工作体 会出发，结合大量机电新产品的设计，对创新设计的基本特征、设计原理与创 新方法等作了方法学上的较系统而通俗的阐述。另外，珙允楣教授的“机构组 合变异法”，华大年教授的“同性异性机构演化法”等机械创新实用方法都是在 相应的m c d 实践基础上总结而成的，都有一定的应用范围及场合。 最近几年，国际上智能技术应用于机械方案创新设计亦趋流行，国内专家 也开始研制智能化的计算机辅助机构创新设计软件系统，主要针对杆机构的结 构类型综合，扩大其设计空间并进行优化方案选择，提供了十分有益的途径。 对于给定基本回路数的基本运动链的计算机自动生成工作，杨廷力教授、曹惟 庆教授取得了较好的研究成果。我国台湾学者颜洪森教授则通过多年对大量具 有工业背景的实际机械的创新设计，总结提出了机械( 或机构) 创新设计的一 种具有较强操作性的程式，即基于机构分析理论将一个已有机械中的机构( 多 数是刚性杆系机构) 抽象转化为运动链，然后基于某些原则及约束条件，演化 出众多的再生运动链，从中选择一个不同于原运动链的、具有较好性能的新运 ：海大学硕。学位论文 动链，从而诞生一种新机构。这一机械创新设计技术已被学者们接受和应用。 然而，设计是一个渐进和反复的过程，产品设计的创新性主要体现在概念 设计阶段。概念设计是产品设计的先导，又是产品设计的前提，没有概念设计， 就没有高水平的产品设计，它是智能c a d 中的关键技术。 1 3 2 概念设计的研究及发展 产品概念设计由p a l h 和b e i t z 于1 9 8 4 年在其e n g i n e e r i n gd e s i g n ) ) 中提出 后，世界各地的学者将它作为产品的前期阶段作了大量研究【2 6 1 。在该书中将概 念设计定义为“在确定任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作 用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出求解方案，这一部分工作叫做 概念设计”。同时，不同学者对产品概念设计过程的不同理解，从本质上而言是 由于对设计的内涵有不同的认识和对设计的理论有不同理解。从研究理念、内 容和方法来看，主要有如下特点： 1 ) 在设计理念上融入了设计师以智慧和经验为结晶的崭新的设计哲理和 创新灵感，使概念设计更具创新性。 2 ) 在设计内容上更加广泛，根据产品生命周期各个阶段的要求进行市场需 求分析、功能分析、确定功能工作原理、功能载体选择和方案组成等。所以确 定方案是概念设计的最终结果，概念设计全过程的优劣才是方案设计的关键。 3 ) 在设计方法上更加全面地融入各种现代设计方法，寻求全局最优方案， 同时使设计过程更具创造性。 因此，概念设计是方案全面创新的一个设计过程，这种创新过程将会产生 各种各样的设计结果、理念和创新内容。 概念设计阶段具有明显的创造性、多解性、层次性、近似性、经验性和综 合性特点，是一个复杂的决策过程。研究表明【2 3 l ：一个产品的概念设计已决定 了从设计到生产该产品所有费用的8 0 。概念设计是产品设计的先导或前提， 没有好的概念设计，就没有高水平的产品设计，但仅仅依靠人进行概念设计， 将会制约它的作用发挥。因此，概念设计成为产品开发创新的核心环节，研究 一种面向创新的计算机辅助智能化、集成化概念设计的基本理论和方法势在必 上海人学硕上学位论文 行。目前，借助计算机辅助进行概念设计的技术比较普遍，而基于w e b 的概念 设计则还没有得到普遍的发展。从国内外概念设计的研究和应用来看，概念设 计的研究内容主要体现在以下几个方面 2 7 - 5 0 】： 第一，工程设计领域的计算机辅助概念设计，主要以详细设计过程中的 c a d 技术为基础，将其中的建模技术、真实感显示技术等针对概念设计进行改 造，从而建立一套面向计算机辅助概念设计的理论和技术( 如原理方案设计技 术、概念设计建模技术、草图重建技术) ； 第二，工业设计领域的计算机辅助概念设计，主要指功能、结构、人机工 程及材料、工艺、制造等因素的产品外观造型设计( 设计思维过程的研究、设 计文法、曲面特征设计研究) ； 第三，基于人工智能技术的计算机辅助概念设计，主要表现两个方面【2 4 ： ( 1 ) 通过专家系统、智能控制与系统集成等技术，研究智能化和集成化的产品概 念设计过程；( 2 ) 借助人工智能技术模拟概念设计过程中的创新思维，进行产品 的创新设计。智能领域的计算机辅助概念设计是把智能i c a d 技术融入概念设 计中，应用于机械方案、建筑方案、布置方案等设计领域。在机械产品的概念 设计中，比较著名的两个计算机支撑系统分别由英国的j e es h a r p e 教授领导 的小组和日本的t o m i y a m a 教授领导的小组开发的； 第四，新技术应用领域的计算机辅助概念设计，主要将虚拟现实、人工神 经网络、遗传算法等新兴技术以及并行设计、协同设计等设计方法引入概念设 计领域，并结合传统的优化设计技术、模糊技术、智能技术进行计算机辅助概 念设计( c a c d ，c o m p u t e ra i d e dc o n c e p td e s i g n ) 的研究。在基于虚拟现实的概念 设计研究方面，开发出的概念设计系统有3 - d r a w 、j d c a d 、c o v i r d s 等系 统； 第五，商品化软件中的概念设计系统模块，如p r o e n g i n e e r 、u g s u n i g r a p h i c s 、c a t i a 等大型的c a d c a m c a e 软件系统，都提供了有关产品早 期设计的系统模块，称之为工业设计模块、概念设计模块或草图设计模块。如： ( 1 ) p r o e n g i n e e r 它包含一个工业设计模块p r o d e s i g n ，用于支持自上而 下的投影设计，以及在复杂产品的设计中所包含的许多复杂任务的自动设计。 上海大学硕士学位论文 此模块工具包括概念设计的二维非参数化的装配布局编辑器，用于概念分析的 二维参数模型的布局，以及用于组件的三维布局编辑器。 ( 2 ) u g s 公司的u n i g r a p h i c s 它从v 1 3 版本后推出了概念设计( w a v e ， w h a t i f a l t e r n a t i v ev a l u ee n g i n e e r i n g ) 技术。w a v e 为协同概念设计提供了强大 的技术支持。它使不同部门的工程师在概念设计阶段，从系统工程的角度同时 对多种可选的设计方案进行评估。通过将设计意图组织到一个相关控制结构中 去，可使概念设计师有效地控制各种设计的变更。此外，w a v e 也支持“概念 设计到详细设计工程”，即先做出方案设计，然后设计细节。 ( 3 ) 国内对概念设计的研究始于八十年代末，上海交通大学、华中理工大 学、浙江大学都分别在各自的领域作了一些扎实的工作。 上海交通大学自1 9 8 9 年开始进行机械运动方案设计专家系统的研究， 结合机械产品概念设计开展了较为系统的研究，以机械运动系统作为概念设计 的对象，用组合分类法对机构分类，建立相应的存储和编码规则，以二元逻辑 推理和模糊综合评价相结合的方法建立推理机制，得出可行的方案解，开发了 “机构系统方案设计专家系统”。 华中理工大学的研究工作主要集中在基于实例的方案设计中，应用基于 实例的推理和神经网络技术，提出了基于实例原型的概念，开发了设计支持工 具d e s t 2 0 ，并将实例原型应用于工程中的再设计问题及实例检索与重用上， 并已在华中理工大学与航天工业总公司二院2 3 所合作研制的相控阵雷达方案 设计支持系统中得到了应用。这种方法可以在再设计中找出相近实例，对新设 计给予辅助。 浙江大学的人工智能研究所提出了基于原型的知识表示和推理方法，并 将其应用于广告的方案设计和椅子的方案设计中，取得了一定的成果。他们以 认知科学为基础，认为“知识在人脑中的表示以概念为基础，概念是人的记忆 网络中相互联系的结点，人的设计活动起始于概念。概念是以原型( p r o t o t y p e ) 即它的最佳实例表征出来的”。冯培恩教授提出了基于设计目录的方案选择智能 方法，并将其应用于固液分离设备的设计中，得出适当的方案原理解拉”。 目前，对产品创新概念设计的研究仍在不断深化。另外，随着信息网络技 上海大学硼十学位论文 术的发展，w e b 应用系统在i n t e m e t 上的使用也越来越广泛。w e b 应用不再是 仅仅具有静态发布信息的简单功能，而且被要求具有实时动态处理交互信息的 能力，此要求还在不断的变化和提高。正因为如此，如何才能方便、快捷地开 发出具有高效性、灵活性和易扩展性的w e b 应用系统也就越来越成为一个倍受 人们关注的课题。随着互联网的普及，集成化( i n t e g r a t a t i o n ) 、智能化 f i n t e l l i g e n t i z a t i o n ) 、协同化( c o l l a b o r a t i o n ) 成为产品创新设计技术新的发展特点， 从而使w e b 技术得以更广泛的发展和应用，以实现支持协同设计、异地设计和 信息共享的网络o ”1 。从概念设计的思维过程出发，探讨符合人类创新设计思维 过程、支持计算机辅助概念设计与决策的全过程、研究产品的创新设计和多方 案设计技术是概念设计研究的难点和热点。而基于w e b 的产品创新设计技术也 是概念设计研究的难点和热点之一。 1 4 论文的主要研究内容 产品创新开发是企业赢得竞争的必要手段。与此相关联，对产品创新开发 模式的研究尤为重要。针对目前传统c a d 系统对产品创新设计支持的不足，以 智能化产品设计方法为目标，使得产品设计能够反映和维护性能需求并脱离细 节设计，对产品概念设计、详细设计提供有力的支持，进而实现产品的创新开 发。是本课题研究的重点问题之一。 随着人们对知识应用研究的不断深入，产生了将知识融合到w e b 和c a d 技术中，并以知识驱动几何的产品设计新思想，在此基础上，如何实现知识驱 动概念创新设计的深层产品开发理念，这是本课题研究的第二重点。 工业缝纫机产品有其自身的特点，如何根据其设计的特点来构建基于w e b 的工业缝纫机概念创新设计系统模型，以实现工业缝纫机四大机构的配合和协 调，使最终生成的工业缝纫机运动循环图满足实际设计需求，从而获得合理的 工业缝纫机概念设计方案，是本课题研究的第三重点。 根据以上分析，结合作者攻读硕士学位期间承担课题的工作及涉及的相关 理论与技术，本文的章节安排如下： 上海大学硕士学位论义 第一章：绪论。简要阐述了课题研究的来源、目的和意义，并对国内外相 关理论与技术的研究现状及发展趋势进行了综合评述。 第二章：产品设计及产品概念设计。阐述了产品创新的基础研究体系，研 究了知识驱动产品创新的原理，以及产品概念设计的相关理论和技术，提出了 基于w e b 的产品概念创新设计模式及其实现的关键技术。 第三章：知识库的构建与推理技术。分析了产品全息实例，研究了知识库 系统结构模型及其构建方法，建立了基于w e b 的知识库。并在研究概念设计过 程中所用的推理技术基础上，针对工业缝纫机设计，提出了以生成运动循环图 数据为目标的并行集成的知识推理方法及其推理过程。 第四章：概念设计方案的评价与优化。在研究层次分析法和模糊综合评价 法的基础上，针对工业缝纫机设计，提出了以运动循环图评价为中心的分级综 合评价模型。 第五章：系统实现。在研究w e b 技术和工业缝纫机机构相关理论技术的基 础上，构建了基于w e b 的工业缝纫机概念创新设计系统模型，并以f y 5 5 5 0 工 业平缝机为例进行了系统的应用实现。 第六章：结论与展望。总结了课题的研究成果，并对今后的工作提出了进 一步研究的方向。 论文的结构如下图所示。 1 0 第二章产品设计及产品概念设计 随着科学技术的迅猛发展，市场需求的快速变化和全球经济的日趋激烈， 新一一代产品设计系统必须体现数字化、柔性化、客户化、网络化与全球化等基 本特征。与此同时，产品创新设计要求在设计中运用新的理念，采用新的技术 手段、技术原理和非常规的方法进行设计，以满足市场现实需求及挖掘潜在需 求，构筑竞争优势。本章提出三种产品创新设计的技术方法，阐述了产品创新 的基础研究体系，研究了知识驱动产品创新的原理，以及产品概念设计的相关 理论和技术，提出了基于w e b 的产品概念创新设计模式及其实现的关键技术。 2 1 产品设计与产品创新设计 产品设计对于一个产品来说是万里长征的第一步，它不仅对产品的制造过 程有重要的影响，也对产品走向市场和产品的整个生命周期有重要的影响。把 好产品设计关，不仅可以降低制造成本，保证产品使用性能和使用寿命，增强 产品的市场竞争力，从而产生良好的经济效益，同时，优良的产品设计可降低 制造与使用能耗，减少制造与使用过程对环境的负面影响，便于资源回收和再 利用，有利于人类的可持续发展。因此，对于产品设计的理论与方法成为科学 研究的重要方面，国内外学者进行了大量的研究，下面分别进行阐述。 2 1 1 现代产品设计技术 产品设计是一个非常复杂的过程，是一个从无到有、从上到下、从模糊到 清晰、从抽象到具体的过程。它涉及到多个部门和众多学科的专业知识、实践 经验以及创造性和协作性等方面在产品的整个生命周期中，产品设计是决定其 大部分性能和成本的重要阶段。由于对设计的内涵有不同的认识和对设计的理 论有不同的理解，产品设计过程被描述为不同的形式，主要有以下三种【4 4 】：一 r 海大学硕士学位论文 是p a h l 和b e i t z 认为：机械设计分为明确任务、概念设计、技术设计和施工设 计等四个阶段。二是k o l l e r 认为：机械设计分为产品规划、功能设计、定性设 计和定量设计等四个阶段。三是邹慧君教授提出：机械设计分为产品规划、方 案设计、详细设计和改进设计等四个阶段。不管如何划分，都要解决做什么的 问题，怎么做的问题，具体怎么做的问题，将设计结果转化为各种文件输出的 问题。 产品的设计过程是一个创造性思维的过程。现代产品设计技术应用于从产 品设计构思、概念表达、结构设计、性能分析，到最终的技术要求和制造工艺 的编制等各个阶段，在设计的各个环节运用设计知识，经过计算、分析、综合 等创造性思维过程，将设计要求转化为对产品结构、组成、性能参数、制造工 艺等定义和表示。 根据设计活动的基本特点和实际应用情况，产品设计一般可以分为以下三 种：创造性设计( c r e a t i v ed e s i g n ) ；适应性设计( a d a p t i v ed e s i g n ) ；变型设计 ( v a r i a n td e s i g n ) 。创造性设计针对新的需求，从已知的、经过实践检验是可行 的理论和技术出发，设计出过去没有的新型产品。这是一种完全创新的设计适 应性设计是在保持产品原理、方案基本不变的前提下，在原有产品的基础上， 对产品的某些局部功能和结构做出变更，以适应某种要求。从整体上来说，适 应性设计其设计目标是确定的，并且存在着较为固定的问题分解模式。但对于 产品的某些子模块来说则往往在技术上具有较大变化，没有固定的设计模式可 循，换言之，存在着对某些子系统的创造性设计。而变型设计是在产品工作原 理、基本功能定义不变的情况下，通过现有产品局部结构型式和尺寸的变异以 满足不同工作，性能的需求。这是一种相对刻板、常规的设计活动。其基本特 点是具有固定、有效的问题分解结构，对于子问题的设计和设计错误的处理都 具有比较明确的常规步骤和方法，比较适合于运用现有的计算机技术去辅助实 现。在实际生产设计中，对于已有产品的变型设计占有相当大的比重，尤其是 当前产品“小批量、多品种”已成为制造行业内普遍采用的生产、经营策略， 变型设计很好地顺应了这种策略，故而对于企业的生产、经营具有十分重要的 作用和很好的应用价值。 上海人学硕士学位论文 根据设计方法的侧重点不同，产品设计可分为系统化设计法、公理化设计 法、基于知识的设计法、基于决策的设计法。其中系统化设计法是将产品设计 看作一个系统整体来研究。从系统观点出发分析各组成部分之问的有机联系及 系统与外界环境的关系，是一种较全面的综合的研究方法。基于知识的设计法， 是依据知识工程技术与理论，并以知识本身为处理对象，研究如何使用人工智 能( a i ) 的原理和方法来进行产品的设计，自动地诱导设计人员进行产品的设计 活动。知识的获取、积累、融合、交流、共享、应用和提高是产品设计中最基 本的，也是最重要的活动，是创新设计和产品开发的基础。 现代产品设计涉及到以下关键技术：c a d 技术；c a e 技术；以c a d 为基 础的c a d c a e c a p p c a m 集成设计技术；p d m 技术；虚拟设计技术；协同 设计技术；设计与创新。 创新是设计的灵魂，设计的创新是产品的生命。c a d c a e c a p p c a m 技 术的应用，使产品的设计手段和方法得到了很大的提高，特别是以三维c a d 为 代表的设计、分析和仿真等集成技术，“自顶向下”和“自底向上”的设计方法 的应用、产品的预装配、数字样机技术的应用等均为产品的设计创新打下了基 础。产品设计过程中，创新性表现最为集中和突出的是产品的概念设计阶段， 概念设计的质量与效率将直接影响到整个产品的开发周期、上市时间、生产成 本等重要因素。创新设计的核心是领域设计知识、设计经验在设计各阶段的应 用。在产品设计过程中要利用设计经验和知识产生设计初始解，利用设计原理 进行设计的逻辑推理过程。 2 1 2 产品创新设计的技术手段 产品创新设计要求在设计中运用新的理念，采用新的技术手段、技术原理 和非常规的方法进行设计，以满足市场现实需求及挖掘潜在需求，构筑竞争优 势。传统的新产品开发，从人工设计、绘图到样机试制需要一个相当长的时期。 若样机不能满足客户要求，还须重新修改设计和制造样机，从而延长了产品开 发周期，增加了成本，最终丧失了市场先机。随着c a d 、c a m 、c a e 、v r ( v i r t u a l r e a l i t v l 技术、通讯和并行技术的发展，使得一种新的产品开发模式虚拟产 上海大学碗上学位论文 啾( v p d ，v i r t u a lp r o d u c td e v e l o p m e n t ) 技术日趋成熟吲。因此，充分利用现 代的、高科技的创新设计手段和技术来改造传统的产品设计方法，是提高设计 效率和设计质量，提升产品竞争力的必然趋势53 1 。本文提出了三种产品创新设 计的技术手段。 ( 1 ) 数字化设计 数字化是当今创新设计的基础和核心内容，是创新设计成败优劣的关键。 数字化技术是网络化技术、并行技术、虚拟技术等先进技术手段的基础。数字 化建模是数字化的关键，它由几何建模( 线框建模、曲面建模、实体建模) 逐 步发展到特征建模( 造型) 。特征建模不仅可以提供完备的产品几何形状的数据， 而且还可以提供反映产品设计意图的工艺及性能等要求的数字化信息。它主要 包括：1 ) 产品的数字化建模。以计算机能理解的方式给出产品生命周期全过程， 包括设计、生产、销售等的数字化信息；2 ) 产品的数字化工具。即广义的计算 机辅助工具，将产品生命周期全过程的信息自动数字化；3 ) 产品数据管理。即 用计算机对产品设计开发与生产全过程中的大量数字化信息进行全面的管理与 控制( 数据的整理、分析及数据开采等) 。 ( 2 ) 并行化设计 并行化设计是充分利用计算机技术，通信技术和现代管理技术，“对产品设 计及其相关过程( 包括设计过程、制造过程和支持过程) 进行并行、一体化设 计的一种系统化的工作模式”。它统筹产品设计、制造、营销、维修及回收全过 程，打破传统的部门分割，封闭的组织模式，强调多功能团队的协同工作，重 视产品设计开发过程的交叉、重组和优化5 4 1 。它要求产品设计开发人员从设计 一开始即考虑产品生命全周期中的各种因素( 加工工艺、装配、检测、产品质 量、成本、销售、维护、进度计划和用户的要求等) ，通过组建由多学科人员组 成的产品设计开发队伍，改进产品开发流程，利用各种计算机辅助工具等手段， 使产品开发的早期阶段就能考虑下游的各种因素，以提高产品设计、制造的一 次成功率【5 5 】。达到缩短产品开发周期、提高产品质量、降低产品成本，从而增 强企业竞争能力的目标。 ( 3 ) 虚拟化设计 1 4 虚拟化、虚拟设计、虚拟产品开发和虚拟现实技术等是以计算机仿真和产 品生命周期建模为基础，集计算机图形学、人工智能、网络技术、数据库技术、 并行技术、多媒体技术和可视化技术为一体的综合系统集成技术。利用这样的 设计手段设计人员可以通过多种传感器与多维的信息环境进行自然地交互，从 定性和