（机械制造及其自动化专业论文）面向概念设计的产品装配信息建模理论、方法及应用研究.pdf

重庆大学博士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o n c e p td e s i g np o s s e s s e sm o s tc r e a t i v e n e s sa n dv i g o ri nt h ep r o d u c td e s i g n p r o c e s s t h e c a d s y s t e m d o e sn o t s u p p o r t t h e c o n c e p t u a ld e s i g n a tp r e s e n t t h e r e f o r e h o wt or e a l i z ec o m p u t e ra i d e dc o n c e p t u a ld e s i g nb e c o m e st h eh o ts p o to fs t u d yh o m e a n da b r o a d t h ec o n c e p t u a ld e s i g ni n c l u d e st w os t a g e s ，o n ei st oa t t a i nc r e a t i v i t y m e a n i n g sa b o u td e f i n i t i o n o ft h ef u n c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i cf r o mt h ec u s t o m e r s r e q u i r e m e n t , t h eo t h e ri st h ed e s i g nt h a tr e a l i z e st h ef u n c t i o na n ds c h e m e o f a p r o d u c t r e a | i z 出o no f s c h e m e m o d e l i n ga n dd e s i g nf o ra s s e m b l ym m a i n l ys t u d i e do nt h e b a s i so f t h ef u n c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co f p r o d u c ti nt h et h e s i s t h em o d e l i n gt h e o r y , m e t h o da n d a p p l i c a t i o no f p r o d u c ta s s e m b l yi n f o r m a t i o na n dt h ee v a l u a t i o ns y s t e mo f s c h e m em u s tb es e t t l e d i ti st h eb r i d g eb e t w e e nd e c i s i o n - m a k i n ga n dd e t a i l e dd e s i g n ， a n da l s ot h ek e yt e c h n o l o g yt or e a l i z ec o m p u t e ra i d e dc o n c e p t u a ld e s i g n t h em o d e l i n gt h e o r ya n dm o d e l i n gf o rp r o d u c ta s s e m b l yi n f o r m a t i o nc o n c e p t - o d e n t e dd e s i g na r es t u d i e db a s e do nm o d e l i n go fc o n c e p t u a ld e s i g np r o c e s s ，i th a s b e e na p p u e dt ot h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f f u r n i t u r es e r i e sp r o d u c t c o m p u t e r a i d e dd e s i g ns y s t e m ”c a d l sa p p l i c a t i o np r o j e c to f t h eh e i l o n g j i a n g p r o v i n c e t h ec o n t e n t sa n da c h i e v e m e n t s a r et h ef o l l o w i n g ： 1 u s i n gt h et h e o r ya n dm e t h o do f m a p p i n ga n da g g r e g a t e ，b yd i v i d i n g p r o d u c t d e s i g n ”i n t o ：i n p u t s ，p r o c e s s e s , s t a t e s ，t r a n s f o r m sb e t w e e ns t a t ，o u t p u t s ，t h em o d e l o f c o n c e p td e s i g np r o c e s s a r ee s t a b l i s h e d 2 t h ei n t e n s i o no fp r o d u c tc o n c e p td e s i g nh a sb e e ns t u d i e d w i t ht h ed e t a i l e d a n a l y s i s a n dt h e k n o w l e d g ee x p r e s s i o n s ，t h e r e d u c t i o nm o d e lo fc o n c e p td e s i g n p r o c e s s h a sb e e n e s t a b l i s h e d a i m i n g a tf i n d i n gt h es o l u t i o no f p r i n c i p l ei na c c o r d a n c e w i t ht h e c o n c e p td e s i g np r o c e s s ，t h e n e t 、, v o r km o d e la n ds y n t h e t i ce v a l u a t i o n a l g o r i t h mo f p r i n c i p l c - s o l v e di sg i v e nb a s e d o nt h er e g u l a rr e a s o n i n g 3 t h em o d e l i n g p r i n c i p l ea n dm e t h o d o f a s s e m b l yi n f o r m a t i o nc o n c e p t - o r i e n t e d d e s i g na r es t u d i e d t h em e t h o da n da l g o r i t h m o fd e s i g nf o ra s s e m b l yb a s e do n a s s e m b l yt e m p l a t e a r eg i v e n b yd i v i d i n gi n f o r m a t i o no ff u n c t i o n ，s t n j c t m ea n d a s s e m b l yi n t og a n ei n f o r m a t i o na n dn o n - g o n ei n f o r m a t i o n ，t h em o d e lo fa s s e m b l y i n f o r m a t i o ni se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h em e t h o do fr e f i n e ds t e pb ys t e pa n ds t e p s t a n d a r d 4 t h et h e o r ya n dm e t h o do f s y n t h e t i ce v a l u a t i o no fp r o d u c td e s i g ns c h e m ea r e e x p l o r e d t a k i n gt h ef u r n i t u r ep r o d u c ta sa ne x a m p l e ，t h ee v a l u a t i o ng u i d e l i n es y s t e m i i 重塞茎堂堕主堂焦堡壅 垒壁! ! 坠旦 o ff u r n i t u r ep r o d u c td e s i g ns c h e m ei sp o i n t e do u t ，a n dt h em a t h e m a t i c sm o d e lo f m u l t i o b j e c t i v e sf u z z ys y n t h e t i cj u d g e m e n t i se s t a b l i s h e d t h e f u z z ys y n t h e t i c j u d g e m e n t o f g r e e ne f f i c a c y i sc a r r i e do n 5 c o m b i n e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to ff u r n i t u r ec a ds y s t e m ，t h e f l e x i b l e f u r n i t u r ec a ds y s t e mh a sb e e ns t u d i e da n dd e v e l o p e d ，a n dt h ek e yt e c h n o l o g ya n d m e t h o do fp a r t s a s s e m b l y b a s e do nr e s t r i c t i o n ，v i r t u a l3 dr a p i dm o d e l i n g , t h e i n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o n o fc a d i c a p pa n db o a r do p t i m i z a f i o n s y s t e m ，f l e x i b l e s t r u e l m td = i g n , p r o d u c tb o ma r es t u d i e d t h et h o u g h t sa n dm e t h o d so fd e s i g nf o r a s s e m b l yb a s e do i lt e m p l a t ea n dp a r t s - a s s e m b l yb a s e do ns t o p p e r - l i n k i n g , a n dt h e t o o l so fp u t t i n g - t o g e t h e r - m o d e l i n g ，s e a l i n g - s i d e - m o d e l i n g , s c u l p t u r i n g - m o d e l i n ge r e a r ee s t a b l i s h e d 6 t h e“f c a d s h a sb e e ne v a l u a t e di nh e i l o n g i i a n gp r o v i n c e ( i n t e m a l l e a d i n g ) k e y w o r d s ：c o n c e p t u a ld e s i g na s s e m b l y i n f o r m a t i o nm o d e l i n g s y n t h e t i c e v a l l m f i o n f u r n i t u r ec a d d e v e l o p m e n t h 1 重庆人学博十学位论文绪论 1绪论 1 1 引言 产品设计是一种创造性活动其本质就是创造和革新岬“，它是一个有目的 的人类主动行为，设计的目标就是生成有使用价值的产品。市场需求商品的类 型涨溢于人们的需求之外同时，随着生活水平的提高，市场需求的分化进一步 加剧也显得更加苛刻，市场在需求上的“多元取向”决定了设计的“多元化”。 这种多元化的设计也就决定了设计中所选取的对象应跳出现代设计的“设计群 体”的窠臼，转化到抽象的虚拟化对象上来。在这种设计对象下，设计面临的是 能“设想”各种可能情况，然后提供多种可供选择的方案。也就是说，设计者面 对的是能提供用户满意的概念产品。 概念产品是企业根据市场及用户的需要，对产品的市场可竞争性、可生产性、 经济性及主要尺寸、形状、功能所进行的描述，通常伴随一系列说明书、竞争性 分析、项目的经济理由等。产品概念设计就是由分析用户需求到生成概念产品的 过程。它是根据对产品生命周期各个阶段的要求，进行功能创造、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舶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优化设计。即求解能实现其功能的，满足 各种技术和经济指标的各种方案，并最终确定综台最优方案的过程【帅q 。 由此可见，概念设计决定了产品的基本特征和主要框架，在概念设计结束后， 设计的主要方面已被决定，而后续的过程只是保证概念设计结果更具体地实现用 户的需求，在概念设计的过程中，要求设计人员掌握现代设计方法、先进制造技 术、专业理论、商用运作等方面的知识1 0 0 1 。因此产品的概念设计是产品设计 过程中最重要、最复杂同时又照活跃、最富创造性的设计阶段。 传统的c a d 系统虽然能产生复杂、精确和完整的三维造型，但由于其本身 并不是为概念设计而开发的，同时缺乏设计方法学的支持，并存在许多约束限制， 不允许快速输入和再现不完备的概念造型，从而导致其基本上是一个在设计方案 基本定型后的概念化( 草图化) 绘图工具而非辅助设计工具，没有体现概念设 计的创造性过程。 针对上述情况，计算机辅助概念设计( c o m p u t e ra i d e dc o n c e p t u a ld e s i g n ， c a c d ) 的研究以及c a c d 系统的开发应运而生。c a c d 系统的根本目的就在于 能有效支持产品的创新设计。在设计早期应用c a c d 系统至少有以下好处：能满 足概念设计师的各类特殊需求，能有效提高概念设计的质量能更筒捷地生成设 计对象，能提供一个进行信息交流和对象评价的更好的平台，可以避免因失败而 造成的浪费。 重庆人学博十学位论文绪论 1绪论 1 1 引言 产品设计是一种创造性活动其本质就是创造和革新岬“，它是一个有目的 的人类主动行为，设计的目标就是生成有使用价值的产品。市场需求商品的类 型涨溢于人们的需求之外同时，随着生活水平的提高，市场需求的分化进一步 加剧也显得更加苛刻，市场在需求上的“多元取向”决定了设计的“多元化”。 这种多元化的设计也就决定了设计中所选取的对象应跳出现代设计的“设计群 体”的窠臼，转化到抽象的虚拟化对象上来。在这种设计对象下，设计面临的是 能“设想”各种可能情况，然后提供多种可供选择的方案。也就是说，设计者面 对的是能提供用户满意的概念产品。 概念产品是企业根据市场及用户的需要，对产品的市场可竞争性、可生产性、 经济性及主要尺寸、形状、功能所进行的描述，通常伴随一系列说明书、竞争性 分析、项目的经济理由等。产品概念设计就是由分析用户需求到生成概念产品的 过程。它是根据对产品生命周期各个阶段的要求，进行功能创造、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舶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优化设计。即求解能实现其功能的，满足 各种技术和经济指标的各种方案，并最终确定综台最优方案的过程【帅q 。 由此可见，概念设计决定了产品的基本特征和主要框架，在概念设计结束后， 设计的主要方面已被决定，而后续的过程只是保证概念设计结果更具体地实现用 户的需求，在概念设计的过程中，要求设计人员掌握现代设计方法、先进制造技 术、专业理论、商用运作等方面的知识1 0 0 1 。因此产品的概念设计是产品设计 过程中最重要、最复杂同时又照活跃、最富创造性的设计阶段。 传统的c a d 系统虽然能产生复杂、精确和完整的三维造型，但由于其本身 并不是为概念设计而开发的，同时缺乏设计方法学的支持，并存在许多约束限制， 不允许快速输入和再现不完备的概念造型，从而导致其基本上是一个在设计方案 基本定型后的概念化( 草图化) 绘图工具而非辅助设计工具，没有体现概念设 计的创造性过程。 针对上述情况，计算机辅助概念设计( c o m p u t e ra i d e dc o n c e p t u a ld e s i g n ， c a c d ) 的研究以及c a c d 系统的开发应运而生。c a c d 系统的根本目的就在于 能有效支持产品的创新设计。在设计早期应用c a c d 系统至少有以下好处：能满 足概念设计师的各类特殊需求，能有效提高概念设计的质量能更筒捷地生成设 计对象，能提供一个进行信息交流和对象评价的更好的平台，可以避免因失败而 造成的浪费。 重庆大学博士学位论文绪论 近年来，髓着计算机图形学、多媒体技术、虚拟现实技米的发展以及 c a d c a m 应用的深入，现代产品概念设计理论与技术的研究有了长足的进步。 c a c d 已成为c a d c a m 和c i m s 领域的一个研究热点。 通常情况下，设计人员在进行创造性思维的过程中，总是在已有经验和知识 的基础上，根据用户对产品的需求按照一定的设计流程，结合自己的想象力与 灵感，设计出概念产品方案。因此，人类大脑这种复杂思维过程规律化、系统化、 模块化，并实现其过程的产品装配信息建模成为实现c a c d 的关键问题之一， 从而受到广泛关注。 1 2 本课题的国内外研究现状分析 1 2 1 产品概念设计研究现状分析 因为概念设计在设计过程中的重要地位它已为越来越多的研究者和开发人 员所重视。目前在国外概念设计的研究主要集中在：概念设计方法学、知识表 达和建模、设计方案评价、开发辅助工具以及基于计算机的设计环境等方面。 概念设计方法学研究：s t u 【：g 州通过定义功能之间的关系使功能图的语义 更加完善；h a n b u r g a 0 5 提出了人员交互工作的问题和在不确定状态下的决策技 术；b r a c e w e t l 0 0 6 提出分层的信息结构，实现计算机辅助的功能载体映射。 概念设计知识表达和建模研究：q i a n ”通过对功能一行为结构的表 达，由交互方式在领域内产生新方案；u m e d a i ”1 将设计知识表达为功能行 为状态的组台关系，以产生新方案；c u l l e y 建立了一个产品装配信息模型， 以快速找出所需部件。 设计方案评价：z d o n gq i a n 等i 唧1 从支持并行设计c a d 系统角度出发，认 为设计评价是一个最优化的过程，从设计性能、制造成本、维护成本和用户满意 四个方面构造了设计最优化的目标函数：陈禹六 0 1 0 l 基于实施c i m 的评价，从上 市时间、产品质量、生产成本和服务水平四个方面进行综合评价的层次分析。 g g r e e n o ”】从概念设计的特征出发建立了基于概率理论的概念设计综合评价模 型。 开发辅助工具研究：人们借助人工智能( a i ：a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 技术和 数据库技术来推动概念设计的智能化, d z h i e v t 0 1 2 1 提出面向代理的方法，有利于 并行设计环境下各种设计变量保持高度一致性：t a b e l - b e n d i a b 应用基于实例推理 和机器学习的技术学习设计实例并存起来l o t 3 ：l i o l , 4 1 利用定性启发式扫索方法， 辅助机构的概念设计，p a u la r o d g e r s t o i s 等人研究了概念设计的表达问题，定义 了围绕使用者的产品特性与其物理特性之间的关系和概念设计的评价问题。 基于计算机的设计环境研究：t w e n t e l 0 1 6 1 建立了一个机电一体化产品的设计支 撑环境，支持多模型状态；t o m i y a m a 刖铡用大型数据库建立了一个概念设计开 重庆大学博士学位论文绪论 近年来，髓着计算机图形学、多媒体技术、虚拟现实技米的发展以及 c a d c a m 应用的深入，现代产品概念设计理论与技术的研究有了长足的进步。 c a c d 已成为c a d c a m 和c i m s 领域的一个研究热点。 通常情况下，设计人员在进行创造性思维的过程中，总是在已有经验和知识 的基础上，根据用户对产品的需求按照一定的设计流程，结合自己的想象力与 灵感，设计出概念产品方案。因此，人类大脑这种复杂思维过程规律化、系统化、 模块化，并实现其过程的产品装配信息建模成为实现c a c d 的关键问题之一， 从而受到广泛关注。 1 2 本课题的国内外研究现状分析 1 2 1 产品概念设计研究现状分析 因为概念设计在设计过程中的重要地位它已为越来越多的研究者和开发人 员所重视。目前在国外概念设计的研究主要集中在：概念设计方法学、知识表 达和建模、设计方案评价、开发辅助工具以及基于计算机的设计环境等方面。 概念设计方法学研究：s t u 【：g 州通过定义功能之间的关系使功能图的语义 更加完善；h a n b u r g a 0 5 提出了人员交互工作的问题和在不确定状态下的决策技 术；b r a c e w e t l 0 0 6 提出分层的信息结构，实现计算机辅助的功能载体映射。 概念设计知识表达和建模研究：q i a n ”通过对功能一行为结构的表 达，由交互方式在领域内产生新方案；u m e d a i ”1 将设计知识表达为功能行 为状态的组台关系，以产生新方案；c u l l e y 建立了一个产品装配信息模型， 以快速找出所需部件。 设计方案评价：z d o n gq i a n 等i 唧1 从支持并行设计c a d 系统角度出发，认 为设计评价是一个最优化的过程，从设计性能、制造成本、维护成本和用户满意 四个方面构造了设计最优化的目标函数：陈禹六 0 1 0 l 基于实施c i m 的评价，从上 市时间、产品质量、生产成本和服务水平四个方面进行综合评价的层次分析。 g g r e e n o ”】从概念设计的特征出发建立了基于概率理论的概念设计综合评价模 型。 开发辅助工具研究：人们借助人工智能( a i ：a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 技术和 数据库技术来推动概念设计的智能化, d z h i e v t 0 1 2 1 提出面向代理的方法，有利于 并行设计环境下各种设计变量保持高度一致性：t a b e l - b e n d i a b 应用基于实例推理 和机器学习的技术学习设计实例并存起来l o t 3 ：l i o l , 4 1 利用定性启发式扫索方法， 辅助机构的概念设计，p a u la r o d g e r s t o i s 等人研究了概念设计的表达问题，定义 了围绕使用者的产品特性与其物理特性之间的关系和概念设计的评价问题。 基于计算机的设计环境研究：t w e n t e l 0 1 6 1 建立了一个机电一体化产品的设计支 撑环境，支持多模型状态；t o m i y a m a 刖铡用大型数据库建立了一个概念设计开 重庆大学博士学位论文绪论 近年来，髓着计算机图形学、多媒体技术、虚拟现实技米的发展以及 c a d c a m 应用的深入，现代产品概念设计理论与技术的研究有了长足的进步。 c a c d 已成为c a d c a m 和c i m s 领域的一个研究热点。 通常情况下，设计人员在进行创造性思维的过程中，总是在已有经验和知识 的基础上，根据用户对产品的需求按照一定的设计流程，结合自己的想象力与 灵感，设计出概念产品方案。因此，人类大脑这种复杂思维过程规律化、系统化、 模块化，并实现其过程的产品装配信息建模成为实现c a c d 的关键问题之一， 从而受到广泛关注。 1 2 本课题的国内外研究现状分析 1 2 1 产品概念设计研究现状分析 因为概念设计在设计过程中的重要地位它已为越来越多的研究者和开发人 员所重视。目前在国外概念设计的研究主要集中在：概念设计方法学、知识表 达和建模、设计方案评价、开发辅助工具以及基于计算机的设计环境等方面。 概念设计方法学研究：s t u 【：g 州通过定义功能之间的关系使功能图的语义 更加完善；h a n b u r g a 0 5 提出了人员交互工作的问题和在不确定状态下的决策技 术；b r a c e w e t l 0 0 6 提出分层的信息结构，实现计算机辅助的功能载体映射。 概念设计知识表达和建模研究：q i a n ”通过对功能一行为结构的表 达，由交互方式在领域内产生新方案；u m e d a i ”1 将设计知识表达为功能行 为状态的组台关系，以产生新方案；c u l l e y 建立了一个产品装配信息模型， 以快速找出所需部件。 设计方案评价：z d o n gq i a n 等i 唧1 从支持并行设计c a d 系统角度出发，认 为设计评价是一个最优化的过程，从设计性能、制造成本、维护成本和用户满意 四个方面构造了设计最优化的目标函数：陈禹六 0 1 0 l 基于实施c i m 的评价，从上 市时间、产品质量、生产成本和服务水平四个方面进行综合评价的层次分析。 g g r e e n o ”】从概念设计的特征出发建立了基于概率理论的概念设计综合评价模 型。 开发辅助工具研究：人们借助人工智能( a i ：a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 技术和 数据库技术来推动概念设计的智能化, d z h i e v t 0 1 2 1 提出面向代理的方法，有利于 并行设计环境下各种设计变量保持高度一致性：t a b e l - b e n d i a b 应用基于实例推理 和机器学习的技术学习设计实例并存起来l o t 3 ：l i o l , 4 1 利用定性启发式扫索方法， 辅助机构的概念设计，p a u la r o d g e r s t o i s 等人研究了概念设计的表达问题，定义 了围绕使用者的产品特性与其物理特性之间的关系和概念设计的评价问题。 基于计算机的设计环境研究：t w e n t e l 0 1 6 1 建立了一个机电一体化产品的设计支 撑环境，支持多模型状态；t o m i y a m a 刖铡用大型数据库建立了一个概念设计开 重庆大学博士学位论文绪论 发环境：s h a r p e 主要支持开发的环境着重于集成，同时利用超媒体和超文本技术 1 0 1 7 j ；w a n gq u n o t s l 提出了自动化的通用解决问题的特征和方法，开发了用于开 发概念设计专家系统的一个集成分布式智能设计环境。 计算机辅助概念设计的研究工作，在国内起步较晚，但发展较快，研究主要 集中在方案设计、概念设计建模、智能化概念设计过程等技术和方法。 计算机辅助原理方案设计研究华中理工大学周济教授 o , g j 提出基于实例方 案设计及工程中的再设计问题及实例检索与重用应用：潘云鹤教授 0 2 0 提出了原 型的知识表示和推理方法，并将其应用于广告的方案设计；冯培恩教授 0 2 l j 提出 了基于设计目录的方案选择智能方法：邹慧君教授j o 卅等人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 元逻辑推理和模期综合评价相结合的方法建立推理机制，得出可行的方案解。 概念设计建模技术刘新福 0 2 3 1 等人提出基于并行工程和功率键合图的概念 设计模型，给出了功率键合图产生多方案的方法与应用实例，并归纳出功率键合 图产生多方案的步骤；孔凡国 0 2 + 1 将方案创新设计过程划分为两个阶段：基于实 例功能推理的原始机械方案生成阶段和基于结构推理的方案创新阶段，在此基础 上并提出了功能行为结构的概念设计模型和基于样本知识表达和推理 相结合的方法，使领域知识和基础知识相互融合以便产生多层次的创新解。 智能化设计过程以同济大学王小同岬“等人将人工神经网络与传统人工智 能相结合，提出了智能设计系统d s 模型及其实现的关键技术，并开发了机翼结 构方案智能设计系统；蔡逆水_ 卅i 口”j 等人提出的类比推理机能重复使用现成的设 计经验，同时利用一种内容丰富的知识表示，运用类比推理来设计新的机械产品。 由此可见。随着c a c d 研究和应用的不断深入，我们发现： ( 1 ) 他们的研究为c a c d 实现提供了理论和方法并建立领域c a c d 系统。 但面向概念设计的装配信息建摸研究较为薄弱。随着并行设计、协同设计、智能 化设计，敏捷设计、全生命周期设计等现代设计模式的发展，以及设计模式朝数 字化、集成化、网络化和智能化必然发展趋势，这就要求与之相应的概念设计过 程建模和信息建模。通过面向概念设计过程的信息建模及设计方法研究，使c a c d 系统更符合设计方法。 ( 2 ) 设计方案评价、排序及再设计问题的研究较为薄弱。目前综合评价太多 局限于概念设计前期所产生的设计方案评价( 如可行性评价、产品概念模型评价 等) ，而针对概念设计后期，特别是通过c a d 手段实现的产品设计方案( 如虚拟 产品装配模型等) 评价较少同时由于产品设计方案涉及多准则、多指标、多目 标的判定和综合，其综合评价方法有待于进一步研究。 计算机辅助概念设计( c a c d ) 是c a d 领域的一个重要分支 o o ”。因为一个 好的设计方案既要有合理的功能结构、美观的造型、简便的操作同时还要富有 重庆大学博士学位论文1 绪论 创新性。因此c a c d 涉及设计方法学、人机工程学、人工智能技术、c a d 技术 蛆及认知与思维科学。同时，c a c d 系统是一种辅助性的设计工具。随着功能的 逐步强大c a c d 系统必然越来越受到概念设计师的欢迎，从而在概念设计过程 中最终替代传统c a d 系统。 1 2 2 产品装配信息建模研究现状分析 计算机辅助概念设计是c a d 的高级目标不仅要求系统支持几何造型，更 重要的是支持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 原理载体方案构思和系统化设计其中产品建模是实现概念设计的关键技术之 一，目前的产品模型有三类l 口2 q ： ( 1 ) 面向几何的产品信息模型( o e o m e t r y o r i e n t e dp r o d u c tm o d e l ) ，主要 由线框、面、实体和混合模型表示，它着重于产品的几何构成不能表达非几何 信息难以处理特征嵌套和特征交叉情况而工程设计过程中存在大量的非几何 信息，工程产品的概念设计在产品几何结构设计阶段之前进行因此基于几何模 型c a d 系统不能支持设计的全过程。 ( 2 ) 面向特征的产品信息模型( f e a t u r e - o r i e n t e dp m d u c tm o d e l i n g ) ，是为 了实现工程应用的要求而产生的，将面向产品的信息模型扩展，克服了几何建模 的一些弊端解决其不能表达非几何信息问题，并提供了制造信息建模的方法， 如工艺、工装、材料以及装配要求等信息的表达方法。然而，特征建模也是基于 产品零件级的，产品关联性差，模型虽然提供了粗糙度、尺寸公差等信息，但缺 乏与几何体、形状特征之间的必要联系，且存在信息不完全，特征定义一致性差， 导致特征识别等问题。同时也不能表达产品的功能要求，无法支持产品设计的全 过程。 ( 3 ) 集成产品信息模型i p i m ( i n t e g r a t e dp r o d u c t i n f o r m a t i o nm o d c i ) ，它推 广了特征含义，通过广义特征概念，包含了产品生命周期内备种特征信息，解决 了c a d ，c a p p ，c a m 集成化中数据共享和一致性、产品信息不完全等问题。存在 的主要问题是仍然以特征为中心，看问题不自然缺乏面向对象的优秀思想。建 立的模型缺乏层次性，特征类之间的关系不明确，而且广义特征仅体现在零件层， 而产品创新主要在产品设计过程中的概念设计阶段实现。 由此可见，这三类模型都不能有效支持概念设计，特别是难以表达启发性知 识和支持创新思维建模。而创新是概念设计的灵魂，因此，根据概念设计的本质 要求，需要一种新的能有效地支持产品信息描述和概念设计过程的产品模型，且 其内容是装配信息。 产品装配信息建模是建立在表达产品功能要求的基础上产品的装配设计提 供从表达产品的功能信息到详细几何结构的多级建模方法。基于装配信息的产品 设计以初步的抽象概念设计开始，逐步细化概念模型，将概念模型映射成装配信 d 重庆大学博士学位论文1 绪论 创新性。因此c a c d 涉及设计方法学、人机工程学、人工智能技术、c a d 技术 蛆及认知与思维科学。同时，c a c d 系统是一种辅助性的设计工具。随着功能的 逐步强大c a c d 系统必然越来越受到概念设计师的欢迎，从而在概念设计过程 中最终替代传统c a d 系统。 1 2 2 产品装配信息建模研究现状分析 计算机辅助概念设计是c a d 的高级目标不仅要求系统支持几何造型，更 重要的是支持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 原理载体方案构思和系统化设计其中产品建模是实现概念设计的关键技术之 一，目前的产品模型有三类l 口2 q ： ( 1 ) 面向几何的产品信息模型( o e o m e t r y o r i e n t e dp r o d u c tm o d e l ) ，主要 由线框、面、实体和混合模型表示，它着重于产品的几何构成不能表达非几何 信息难以处理特征嵌套和特征交叉情况而工程设计过程中存在大量的非几何 信息，工程产品的概念设计在产品几何结构设计阶段之前进行因此基于几何模 型c a d 系统不能支持设计的全过程。 ( 2 ) 面向特征的产品信息模型( f e a t u r e - o r i e n t e dp m d u c tm o d e l i n g ) ，是为 了实现工程应用的要求而产生的，将面向产品的信息模型扩展，克服了几何建模 的一些弊端解决其不能表达非几何信息问题，并提供了制造信息建模的方法， 如工艺、工装、材料以及装配要求等信息的表达方法。然而，特征建模也是基于 产品零件级的，产品关联性差，模型虽然提供了粗糙度、尺寸公差等信息，但缺 乏与几何体、形状特征之间的必要联系，且存在信息不完全，特征定义一致性差， 导致特征识别等问题。同时也不能表达产品的功能要求，无法支持产品设计的全 过程。 ( 3 ) 集成产品信息模型i p i m ( i n t e g r a t e dp r o d u c t i n f o r m a t i o nm o d c i ) ，它推 广了特征含义，通过广义特征概念，包含了产品生命周期内备种特征信息，解决 了c a d ，c a p p ，c a m 集成化中数据共享和一致性、产品信息不完全等问题。存在 的主要问题是仍然以特征为中心，看问题不自然缺乏面向对象的优秀思想。建 立的模型缺乏层次性，特征类之间的关系不明确，而且广义特征仅体现在零件层， 而产品创新主要在产品设计过程中的概念设计阶段实现。 由此可见，这三类模型都不能有效支持概念设计，特别是难以表达启发性知 识和支持创新思维建模。而创新是概念设计的灵魂，因此，根据概念设计的本质 要求，需要一种新的能有效地支持产品信息描述和概念设计过程的产品模型，且 其内容是装配信息。 产品装配信息建模是建立在表达产品功能要求的基础上产品的装配设计提 供从表达产品的功能信息到详细几何结构的多级建模方法。基于装配信息的产品 设计以初步的抽象概念设计开始，逐步细化概念模型，将概念模型映射成装配信 d 重庆大学博士学位论文绪论 息模型最后根据装配信息模型细化设计出零件的详细几何结构。 9 0 年代以来，国际、国内学术界许多学者对产品装配信息建模进行了研究， 如m a n t y l a , l i e b e r m a n ，w e s l e y , k l e e s h a h ，a n a n t h a ，p o p p l e s t o n e 、k i k k a w a , w o l t e r , s o d h i 、t u r n e r e 高飞陆国栋，李海龙等。在众多的研究中，比较有代表性的 是m a n t y l a ，l i e b e r m a n ，k l e e 和陆国栋等的富有启发性的工作。 m m a n t y l a 在am o d e l i n gs y s t e m f o r t o p - d o w nd e s i g no fa s s e m b l e d p r o d u c t s 一文中提出了用p a r t - o f g r a p h s 的概念来进行产品装配信息概念建模， 其基本思想是，将产品不断划分成一系列的更基本部分p a r t - o f g r a p h s 由节点和 圆弧组成，节点表示设计特征圆弧描述了节点之问的相互关系。 l i e b e r m a n c r ”l 和w e s l e y o ”1 等人开发的几何建模系统a u t o p a s s 采用了关系 型，用图的方法表示零部件的装配关系，用节点表示零件或装配体，结点之间的 连线表示零部件问的装配关系如“装配”、“约束”、“附属”等。 z d r a h a lz 和v a l a s e k 岬”建立了产品设计的层次化设计任务模型，并且讨论了 基于层次任务摸型的装配设计和参数化。 r 0 3 9 0 3 2 1 等采用功能关系图来表示零部件之间的连接和装配关系，基于语义相 关模型，以分层结构组织面向装配的语义信息建立产品的装配信息模型。法国 学者a o u r j a u l t i ”提出，以国结构g ( p ，l ) 表达装配体，g ( p l ) 为一连通 图。p 表示零件集合，l 表示零件间的联系集合，联系的含义是通常指的零件之 间的物理接触。 h o m e md e m e l l o ，s a n b e r s o n “1 提出与或图来描述装配体，图中每个叶节点表 示装配体最底层部件：零件，根节点表示目标产品它是通过拆分作为原始输入 的装配体几何模型得到的，有点类似于c s g 结构。k l r e e m 5 j 和g o s s a r d l 0 3 6 1 在与 或图的基础上，提出了一种基于虚链( v i r t u a l - l i n k ) 的层次装配信息模型，将装 配体层分解成由部件组成的树状结构部件既可以是零件，也可以是子装配体。 树的顶端是产品的装配体，末端是不可拆分的零件，其余的是子装配体。在该模 型中，两个零件或装配图通过虚链相联接装配位置由装配关系确定，把装配位 置求解化为几何约束问题并且他们用层次型数据结构的描述方法表示了装配关 系，虚键包含配合条件信息。国内的高飞9 ”1 在此基础上提出了广义虚键的概念， 进一步发展了k l e e 的方法。 s h a h 。”i o 珈基于特征建立了产品的装配信息模型基于特征分级表示装配 体可从零件配合特征中提取装配信息只用于静态装配信息模型，不支持连接 两个零件之间的多装配关系。 a n a n t h a 0 4 0 l 等人基于约束建立产品装配信息模型，按自由度分为3 种约束： 欠约束、过约束和全约束。国内的陆国栋州”和李海龙1 0 4 2 1 提出了基于约束的产品 装配信息模型，着重描述了装配体内各子部件之间的相对位置关系，采用二叉树 结构描述零件的装配等级关系其基础仍然首先确定零件，然后描述装配体。 重庆大学博士学位论文绪论 s o d h i ”基于装配关系建立了装配信息模型，装配关系分为3 类：接触、连 接和装配尺寸及公差。 由此可见，m m a n t y l a 、l i e b e r m a n 、w e s l e y 、k l e e 、高飞和陆国栋突破了以 往基于零件图信息的、自下而上的装配信息建模方法的局限在概念设计阶段， 在概念层次上进行产品信息装配建模，挑而为支持自顶向下的产品概念设计作了 有益的尝试。然而，随着研究的不断深入，我们发现，上述研究存在着以下问题： ( 1 ) 他们本质上仅支持自底向上的设计过程。并且无法细致地反映产品零 件之间多一多的对应关系无法实现零件之间的全相关性设计。 ( 2 ) m m a n t y l a 的p a r