基于仿生学的复杂机电产品装配方案与运动控制设计技术及其应用.doc

浙江大学机械工程学系硕士学位论文基于仿生学的复杂机电产品装配方案与运动控制设计技术及其应用姓名：麦泽宇申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：谭建荣;冯毅雄20100201的染色体建模、复杂机电产品运动方案的基因变异和复杂机电产品控制方案的仿生耦合等复杂机电产品方案设计技术分别应用于复杂宝石加工专用装备机械手建模、进料机构变异和控制系统设计中，证明了论文提出的基于仿生学的复杂机电产品装配方案与运动控制设计技术的实用价值和研究意义。第章，总结了本课题的研究成果，展望了今后的研究方向。关键词：方案设计，变异设计，耦合设计，仿生设计，染色体模型，遗传学特征模型，遗传学原理模型，基因变异，复杂宝石加工专用装备。，缸。，（，），：，浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。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经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿态堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的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谓意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解澎姿态堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权滥婆盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日致谢众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处。转眼之间，硕士求学生涯即将结束，人生也要转向另一个未知的世界，体验另一种生活。在告别年校园生活之际，本人要衷心感谢给过我帮助和鼓励的所有人，是他们，让我取得了如今的成绩。首先，我要感谢我的导师谭建荣院士，感谢他给我提供了良好的科研环境和求学氛围，并在学业上和精神上给予我大量的指导。同时，我要感谢我的副导师冯毅雄副教授，感谢他对我学业和生活无微不至的关怀和指导。在他的悉心指导和不断鼓励下，我学到了很多科研的方法。再者，我要感谢在企业科研项目上给予我指导的伊国栋副教授、高鸿不锈钢公司的钟德全老师、在美国留学的郝赫师兄和在日本工作的俞世杰师兄，他们的热心指导，让我学到了许多实际的技能。而且，我要感谢张树有教授和刘振宇副教授对我实验室日常工作的指导。还有，我要感谢我的女友许婷、挚友毛锋、实验室的林小夏、魏酷、魏巍、丁力平和赵振等师兄、陈婧和任彬等师姐，级的刘建峰、刘伟、黄召亮、王彦超、仇桂勇、罗容、韩海荣、林晓华、程好秋、彭铁柱、项林辉、倪小兵、郭峰、姜小明、周秋阳和徐国炎等同学。我们二起学习和生活了两年半，时间虽短，却留下无限的回忆。最后，我要感谢我的家人，感谢他们给我生活无微不至的照顾和关怀，他们的养育之恩，我将永远铭记在心，并当涌泉相报。宁静致远，上下求索。麦泽宇谨致二年二月于求是园澎江大学硕士学位论文第童绪论第章绪论课题研究背景及意义当前，随着世界经济的发展，各经济体之间相互渗透、相互竞争、相互依赖的现象越来越明显，各区域经济之间的贸易壁垒将不断降低直至完全消除，因此，每个企业都将面对世界所有同行甚至非同行企业的激烈挑战，企业的发展必须具备全球化的战略眼光。而企业的核心竞争力最终体现在产品上，一个企业能否发展和生存很大程度上依赖于其提供的产品是否具有足够的竞争力，同时，随着产品市场的发展，产品用户对产品有了更多的选择空间，对产品的要求也不断提高。产品设计决定了产品的质量和市场竞争力，而产品方案设计是产品整个生命周期最关键的设计阶段，也是产品设计的初始阶段，是寻找出可行解以满足产品功能需求以及其他设计需求的一个必经过程。据相关统计，产品方案设计的设计费用虽然只占产品整个设计和开发费用的，却决定了产品总成本的，因此，一旦产品方案确定了，产品的成本和价格也就基本确定了，可见产品方案设计的重要性。显然，产品方案设计的设计费用与其重要性的比例是不合理的，一方面是因为企业对产品方案设计的重视程度不够，另一方面是对产品方案设计的研究不足，这主要受产品方案设计的抽象性的影响，产品方案设计是产品设计中最富创造性和最复杂的阶段，其本质上是一个产品的创新过程，体现了设计的艺术性、创造性和经验性，其设计信息大都是抽象的、模糊的和非几何的，使设计信息的表达和传递都较为困难。科学技术的发展和人类需求的永无止尽必然导致产品向功能复杂化和高效化发展，复杂机电产品的出现和普及已成为经济社会发展的必然趋势，复杂机电产品集成了机械、电子、液压、气动和光电等领域的先进技术，其工作过程更是一个复杂的物理和化学过程，因此，对复杂机电产品方案设计的研究将更具意义和挑战性。复杂机电产品的设计离不开计算机的辅助设计，从计算机参与的深入程度来看，现有的计算机辅助设计主要集中在后期的产品详细设计阶段，而在方案设计阶段的参与程度远远不足，传统的计算机辅助设计是以几何建模为核心的，擅长处理具体的几何信息，这就使抽象的方案设计成为计算机辅助设计有待突破的瓶颈。涉汪大掌硕一掌位论又第】量绪论复杂机电产品方案设计的研究现状产品设计是一个从无到有、从抽象到具体的自顶而下不断反复的复杂过程。认为机械产品设计包括明确设计任务、概念设计、技术设计和施工设计等【，上海交通大学邹慧君提出机械产品设计可划分为产品规划、方案设计、详细设计和改进设计等阶段】，有学者指出了概念设计和方案设计的相互区别和联系，认为方案设计是概念设计的后期阶段，概念设计的前期主要进行创新思维，决定创新性，后期重点进行收敛思维，也就是方案设计，由此可见，方案设计是产品设计中从抽象到具体的关键纽带。随着机电一体化的发展，现代复杂机电产品需要设计与机械部件配套的控制系统，机械部分和控制部分的设计都日趋复杂化，在产品设计的初期，就必须同时考虑机械部分和控制部分以及两部分设计的相互影响，因此，论文将控制方案设计作为复杂机电产品方案设计的组成部分进行研究，将复杂机电产品方案设计分为功能方案设计、装配方案设计、运动方案设计和控制方案设计等。功能设计主要进行功能需求分析、功能分解和功构映射等，装配方案设计是在功能设计的基础上进行初步的结构设计、可装配性分析，生成装配草图等，运动方案设计是在功能设计的基础上进行机构设计，确定功能的运动实现方案，控制方案设计是在控制需求分析的基础上对控制系统软硬件及其所采用控制方式的设计。装配方案设计的研究现状装配方案设计主要包括装配模型的表达、装配模型的变异、功能结构的映射、装配约束的表达和装配定位的求解等【】。装配模型表达了零件之间的装配关系，主要包括关系模型，层次模型和面向对象模型三种。关系模型和层次模型适用于表达产品的最终结构模型，而在方案设计阶段只有功能需求和技术要求的前提下难以表达产品的装配信息。装配模型是一种面向对象的装配模型，模型不仅能表达具体的零件结构参数属性，还能表达抽象的功能、行为等属性，因此模型既能表达详细模型又能表达概念模型。等【】较早的将面向对象技术应用到产品建模中，利用技术将装配设计、工艺设计和检测设计集成起来。浙江大学谭建荣等【，】则对产品装配语义的表达、装配语义与装配约束的转化及维护等技术进行研究，并将装配符号应用到产品约束规则集描述中，实现产品装配设计信息的传递，利用装配关系图对产品装配语义和装配约束进行动态维护。通过装配语义关联图建立支持概念装配模型的多层次语义关浙江大学硕士掌位论及第萤绪论联和装配驱动，实现机械产品自顶向下和自底向上的双向设计。装配模型的变异是在装配模型表达的基础上对装配模型进行的变形设计。国内不少学者对这方面进行了研究。浙江大学潘双夏等】提出了一种将扩展与或树和装配有向图相结合的可配置产品结构模型，通过可扩展属性集描述了产品结构中各节点属性及其相互关系，实现产品的参数变型与传递。武汉大学吴庆鸣等【】提出了适合复杂产品变异设计的参数传递规则，确定了模型中参数之间的相互关系。浙江大学祁国宁等【研究了基于事物特性表进行产品变型设计的原理。功构映射在功能需求设计的基础上，确定实现功能的结构特征、形状和尺寸特征等，但不具体对零件进行细节设计。实现功能结构映射的方法有很多，主要可以归纳为数据驱动的推理和知识驱动的推理两大类。数据驱动的推理有基于实例的推理【和神经网络的推理】等。知识驱动的推理有专家系统和定性推理【等。每种推理方法都有各自的缺点，基于实例的推理需要收集大量的实例，神经网络的推理需要大量样本对神经网络进行训练，专家系统对知识的获取和一致性表达较为困难，定性推理的属性模糊化问题难以解决。浙江大学谭建荣等【给出了面向配置设计的产品功构模型知识表达，提出了基于半环赋权自动机的单约束线结构产品功构模型功能结构域映射实现方法。装配约束包括零件之间、零件与子装配体之间以及子装配体之间的约束，装配约束表达的研究目的是寻找一套符合产品装配的约束描述集。如等【提出了，和等装配约束类型。清华大学雍俊海等【提出了一种拆分闭环约束为等价开环约束的方法并给出等价性定义，该方法能较好的简化软件中的装配约束和表达实际的装配过程。河北工业大学檀润华等【】牙用约束设计理论和发明问题解决理论相结合的方法进行发现、确定并解决产品冲突。目前常用的软件中的装配约束包括共线、同心、平行、对称、同面、等距、贴合、垂直、相切等。零件装配位置求解可分为基于几何匹配的约束方程求解和基于特征匹配的解析法求解两类。基于几何匹配的约束方程求解是将零件之间的装配关系组成一组约束方程组，约束方程组的解确定了对应零件的位置。【】将变换矩阵的个变量构成描述零件位置的方程组未知数，约束方程由贴合约束和对称约束生成。通常，由零件之间的配合关系形成了约束方程数比变量数多。浙江大学张树有等【】利用空间几何角度分析，根据装配关系建立装配约束关系树，实现了虚拟现实环境下气渐：二大掌硕掌位论叉第章绪论产品装配的定位导航。华中科技大学的陈立平等【研究了姿态约束和位置约束可解耦情况下位置约束的解析求解，将基本位置约束映射为移动空间并以参数方程表达，通过移动空间的增量解析求交并联立基本约束进行整体数值法求解。运动方案设计的研究现状运动方案设计的研究主要包括运动行为的表达、功能行为结构关系、运动方案变异、运动方案评价与推理等】。运动行为的表达是运动方案设计中最重要的部分，行为层是功能层和结构层的承上启下部分，行为的表达和设计既要能够便于从功能层推出，又要能够被映射到结构层，行为知识的粒度大小直接影响整个运动方案的优劣，行为知识粒度过大，虽容易产生许多意想不到的创新解，但同时也会产生很多毫无价值的解；反之，行为知识粒度过小，则无法产生有创造性的新解。因此行为知识粒度的大小要适当。“【】提出了机构行为的一种定性描述方法，其表达方法是完全层次性的，且层次的内容和级别都是固定的。上海交通大学邹慧君等在用属性及属性值方式表示机构运行行为基础上，提出机构系统方案设计的匹配推理过程，并用形式和生成规则相结合方法生成机构的运动行为知识。功能的实现是进行运动方案设计的目的，结构是实现功能的物质载体，也是运动方案设计结果的体现，从功能到结构的映射过程是称为功能推理或功能求解。功能行为结构模型在功能层和结构层之间引入了行为层，行为是实现功能所需要的方法，用行为层来描述完成功能所执行的动作，表明结构如何实现功能，符合设计者的思维习惯，功能层、行为层和结构层之间的映射关系是功能推理的基础。等【将功能、行为和结构之间的关系称为通道，并认为功能和行为可以是一对多的关系，反之亦然，同时可以从多个结构中推导出同一个行为。上海交通大学邹慧君等】在机械运动方案设计中引入运动行为层，给出了功能运动行为结构的模型，运动行为知识的多层表示使方案设计在多层次上产生新解，使功能一运动行为结构的推理过程实用化。运动方案变异是在运动行为表达的基础上对运动方案模型进行的变异设计。通常，运动方案变异指的是机构变异，即在原机构的基础上，通过改变结构演变发展出新的机构，从而满足一定的工艺动作要求或使机构具有某些新的性能与特点【引。传统的机构变异设计一般采用“归纳演绎”法，其原理是先将特殊机构个体进行一般化处理，抽象为一般化运动链，然后从这些一般化的基本运动链出发，根据设计的涉汪太学硕士学位论第章绪论需要进行变异，可衍生出许多特殊的、具体的运动链，以不同的构件为机架，就可以得到许多新颖的机构型式。台湾成功大学颜鸿森对这方面进行了深入的研究并提出了颜氏创造性机构设计，该设计方法首先利用一般化程序将原机构转化为只含连杆和转动副的一般化运动链，然后根据连杆和转动副的数量运用数目综合程序衍生出所有非同构的一般化运动链，接着利用特定化程序为每个运动链的构件和运动副指定类型，以获得特定化运动链，最后找出满足设计约束条件的可用特定运动链并通过具体化程序转化为对应的机构，去掉已有机构后便获得新的变异机构。浙江大学谭建荣等【提出了一种基于功能语义的机构变异方法，建立了功能运动约束与机构组合约束间进化关系，实现了运动意图从语义层向几何约束层的传递。将功能语义与运动功能综合求解的变换式进化过程相结合，实现了对设计者功能意图的映射转化。运动方案形成的最后阶段必须对方案进行评价，确定可行的运动方案作为后续设计的基础。目前对运动方案评价的方法可分为多属性决策和多目标决策两类。多属性决策的关键是确定评价指标体系、分配权重和计算总价值，常见的方法包括效用分析法和模糊分析法。多目标决策方法将方案选择转换为多目标优化问题，进而获得最优设计方案。由于运动方案的具体结构尺寸尚未确定，某些指标无法定量分析，因此通常采用模糊评价的方法，从运动性能、动力性能、经济性、安全性及结构紧凑性等几个方面进行综合评价，】。运动方案的推理就是利用各种知识库中的知识，按照一定的推理规则，从一个或一些判断得出另一个判断并获得最终需要的判断的思维过程。主要的推理方法有基于类比的推理、基于实例的推理和基于原型的推理等多种形式。【】利用启发式搜索策略实现了计算机辅助机构设计。上海交通大学邹慧君等【】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，开发了“机械系统运动方案设计专家系统”。控制方案设计的研究现状本文提出的控制方案是指复杂机电产品控制系统软硬件的选择和控制方式的设计等。复杂机电产品必须有精密的控制系统的支持才能满足工作要求，而控制系统软硬件的选择是控制系统设计的基础，一般的控制系统硬件包括、输入输出接口、驱动模块、负载输出以及各种电源线和数据线等，软件包括与各种硬件配套的编程环境、语言、界面等。在工业控制领域，常用的包括嵌入式微处理器（气浙江大学硕士学位论又第】童绪论等）、可编程逻辑控制器（等）和单片机等。各种都有优缺点，可根据需要进行选择。控制方式主要是指为了消除控制误差而采用的同步控制策略等，传统的同步控制主要采用机械总轴的办法，整台机器由单一电机带动，利用机械传动的方式使各同步运动输出由某一根机械总轴带动。现代同步控制主要采用电的方式控制各驱动轴的电动机，包括并行控制、主从控制、交叉耦合控制、虚拟总轴控制和偏差耦合控制等【引。并行控制方式是一种基于同一给定电压的并联运行控制方式【。采用并联运行方式的同步控制优点在于启动和停止阶段系统的同步性能很好，但属于开环控制，同步性能差。主从控制将主电机的输出转速作为从电机的转速参考值【。任何加在主电机上的速度或负载都会在从电机中得到反映和跟随，但对从电机的扰动却不会反馈回主电机，因此无法应对负载发生变化的情况。交叉耦合控制最初由提出，其特点是将两台电机的速度或者位置信号进行比较，获得一个差值作为附加反馈信号和跟踪信号，能够获得良好的同步控制精度，但这种方式不适用于多个电机的情况。虚拟电子总轴控制最早由和于年提出，其控制方式模拟机械总轴的物理特性，因而具有与机械总轴相似的同步特性，虚拟总轴系统的系统输入信号经过总轴作用后得到单元驱动器的参考信号，因此单元驱动器同步的是参考输入信号，该信号易于跟踪，从而提高同步性能。但虚拟总轴在启动、停机和负载发生扰动时各轴会出现不同步现象，主参考轴与各轴会保持一个恒定的偏差】。偏差耦合控制方式是将某一台电机的速度反馈同其他电机的速度反馈分别做差，并将得到的偏差相加作为该电机的速度补偿信号，能实现很好的同步性能【。基于仿生学的复杂机电产品装配方案与运动控制设计技术的提出仿生学一词最早由于年提出，他认为仿生学是研究模仿生物系统方式，或是以具有生物系统特征的方式，或是以类似于生物系统方式的系统科学。路甬祥认为，仿生学是研究生物系统的结构、性状、原理、行为以及相互作用从而为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学】。自古以来，五彩缤纷的世界给人类带来了无限的遐想，回顾科学技术发展的历史，影响人类发展进程的重大发明无不源于仿生思维。随着经济的高速发展和能源的过度消耗，重建人与自然的和谐时代，重视学习生物体复杂、精细、出色的功能，创造在结构、功能、控制、能耗等方面更具竞争力的仿生机械产品，越来越受到人浙江大学硕士学位论文篱童绪论们的重视【。目前，仿生学在复杂机电产品设计中的应用主要体现在功能结构仿生、运动机构仿生、机械材料仿生和机械控制仿生等方面。产品方案设计由于受到自身抽象性的影响，导致其难以通过计算机辅助设计的手段进行有效表达和传递，而自然界不仅充满无穷的智慧，而且生动形象，为人们所熟悉，因此，不少学者尝试将仿生学应用于产品方案设计中。华南理工大学王爱虎等【】在装配产品模型基础上识别出具有尺寸关联关系的零件组并对其进行优化设计。等【提出了一种集模块化、装配设计和变形设计原理于一体的计算机方案设计框架。浙江大学冯培思和潘双夏等【刁将生物基因工程和产品原理方案设计进行系统类比，提出了基于产品基因遗传和重组的概念设计框架和基于产品生态学的方案设计框架。华中科技大学肖人彬等【提出了基于功能构造的复杂产品进化设计基因模型。在对产品进行功能分析和表达的基础上建立功能构造矩阵并对矩阵中的元素进行赋值和基因编码，然后利用获取最优功能组合，最后根据设计环境进行结构进化设计，得到多种设计方案。两者主要在产品或机构的原理和功能上利用了基因遗传和变异的思想，没有涉及到具体的结构设计。等，从机构综合角度对机构的同源性进行研究，探讨各种平面机构的同源性与同源机构以及空间机构的同源联接。北京科技大学翁海珊等【】将生物遗传机理应用于机构创新设计中，采用染色体编码方法，用生命进化机制模拟机构演变，产生符合设计要求的机构型式。由此可见，仿生学在产品方案设计中的应用已取得不少突破和成果，但其研究主要针对一般的传统产品，而其实用性仍然不够明显，有待进一步推广，同时这些研究主要集中在产品装配方案设计和产品运动方案设计等方面，在产品控制方案设计中的研究和应用极少，而这部分的研究正是复杂机电产品方案设计区别于一般产品方案设计的重要组成部分。针对这种现状，本文提出了基于仿生学的复杂机电产品装配方案与运动控制设计技术，具体研究了复杂机电产品装配方案的染色体建模、复杂机电产品运动方案的基因变异和复杂机电产品控制方案的仿生耦合三个部分。论文的主要内容和结构框架论文的主要内容本文首先阐述了课题的研究背景和意义，概述了复杂机电产品方案设计的研究现状以及仿生学在产品方案设计中的应用状况，分析了仿生学在复杂机电产品方案浙江六学石；士学位论灭第置绪论设计中应用的不足，提出了基于仿生学的复杂机电产品装配方案与运动控制设计技术，具体包括复杂机电产品装配方案的染色体建模、复杂机电产品运动方案的基因变异和复杂机电产品控制方案的仿生耦合三部分，并将这三种技术应用到复杂宝石加工专用装备的设计开发中，取得了良好效果，验证了这些技术的有效性。最后，本文对课题的研究成果做了总结与展望，并指出了基于仿生学的复杂机电产品装配方案与运动控制设计技术研究中仍然存在的问题和以后的研究方向。本文各章节内容组织如下：第章，指出了复杂机电产品方案设计的重要性和有待突破的瓶颈，说明课题的研究背景和意义，阐述了复杂机电产品方案设计的国内外研究现状，分析了将仿生学应用于复杂机电产品方案设计的研究现状和不足之处，并在此基础上提出了基于仿生学的复杂机电产品装配方案与运动控制设计技术，最后给出了论文的主要研究内容及结构框架。第章，为了从宏观上把握产品装配系统中各个零件的功能及其之间的约束关系，进而根据需求对产品装配系统进行设计或变异，通过分析生物组织系统与产品装配系统的相似性，借鉴生物学知识，将产品装配系统表达为产品功能基因、产品约束基因、产品功能蛋白质、产品约束蛋白质和产品细胞等。建立由产品功能基因团和约束基因组成的产品染色体模型并提出基于产品染色体模型的设计方法。第章，分析了生物基因遗传和变异的机理与机构变异的相似性，提出了基于遗传学特征模型和原理模型的两种基因变异方法。总结出构件、运动副基因表达式和机构基因表达式，建立机构遗传学特征模型。纳出基于遗传学特征的机构基因变异条法则，根据变异法则规定了种对机构遗传学特征模型的变异运算。分析了在运动输入不变的前提下控制机构运动输出的影响因子并将其分别表达为运动副染色体序号、运动副特性基因和距离关系矢量基因，建立由机构染色体关系图和机构染色体矩阵组成的机构遗传学原理模型，借鉴遗传学减数分裂和染色体变异等原理提出了三种对机构遗传学原理模型的运动副染色体基因重组运算显性、易位和转移。第章，模仿自然界群居生物在协作劳动过程中如何系统性地控制个体进行协同劳动，将在设计复杂机电产品控制方案时需要考虑的各种耦合进行系统性的分类，提出了作用耦合、内部耦合和同步耦合等三类控制系统的仿生耦合，分析了各类仿生耦合的控制方法及其对应的误差类型，将同步耦合的误差按控制对象为执行元件的运动轨迹和各个轴的运动参数两种情况进行分类并建立相应的误差模型。第章，介绍了复杂宝石加工专用装备的研发背景，将复杂机电产品装配方案的染色体建模、复杂机电产品运动方案的基因变异和复杂机电产品控制方案的仿生耦合等产品方案设计技术分别应用于复杂宝石加工专用装备机械手建模、进料机构变异和控制系统设计中，从而证明了论文提出的基于仿生学的复杂机电产品装配方案与运动控制设计技术的实用价值和研究意义。第章，总结本课题的主要研究内容和成果，展望了今后的研究方向。论文的结构框架本文的结构框架如图所示。本章小结本章论述了课题的研究背景和意义，说明了复杂机电产品方案设计的重要性，阐述了国内外在复杂机电产品方案设计方面的研究现状，分析了在复杂机电产品方案设计中引入仿生学的意义，列举了仿生学在复杂机电产品方案设计的应用中己取得的研究成果，针对仿生学在复杂机电产品方案设计应用中的不足提出了基于仿生学的复杂机电产品装配方案与运动控制设计技术并说明了具体的研究内容和论文的组织框架。涉汪大学硕士学位论文第童复杂机电产品装配方案的染色佐建模第章复杂机电产品装配方案的染色体建模摘要】针对现有产品装配方案设计模型忽视零件之间约束关系整体考虑的缺点，为了从宏观上把握产品装配系统中各个零件的功能及其之间的约束关系，进而可以根据需求对产品装配系统进行设计和变异，通过分析生物组织系统与产品装配系统的相似性，借鉴生物学知识，将产品装配系统表达为产品功能基因、产品约束基因、产品功能蛋白质、产品约束蛋白质和产品细胞等。建立由产品功能基因团和约束基因组成的产品染色体模型并提出基于此模型的设计方法。引言机械产品是由各个零件通过一定的约束关系装配而成的功能系统。自顶而下的产品装配设计将高层次的产品抽象设计信息逐层传递到底层的零件详细设计信息上，通过设计意图进行驱动设计。该设计理念适用于产品零件自身功能多样性和彼此约束关系复杂性不断提高的要求。复杂机电产品中零件之间的连接关系往往比较复杂，在具体零件设计时一般需要不断修改直至满足自身功能需求并保证不与其他零件产生冲突，这就延长了复杂机电产品的设计周期。现有的产品装配方案设计模型大都忽略了零件之间的约束关系的整体考虑。针对这个问题，本章基于自顶而下的设计思想，通过研究产品零件的设计信息，借鉴生物学知识将这些信息进行抽象表达，使设计者能够在宏观上把握产品零件的整体设计，掌握零件的自身功能及与其他零件的所有约束关系，从而能够通过高层次的抽象设计语义驱动产品的整体设计。复杂机电产品装配系统的仿生表达根据生物学知识，除病毒外的所有生物都由细胞构成，细胞是生命活动的基本单位；而蛋白质是构成组织和细胞的重要成分，是生命的物质基础；基因是生物的遗传因子，控制蛋白质的合成【。它们的关系如图所示。产品是由各个零件通过一定的约束关系装配而成的功能系统。产品中零件结构的设计除了要考虑其在产品中的功能外，还要考虑其与产品中其他零件之间的约束关系。自顶向下的产品设计要求设计者不需花太多精力在产品零件的详细设计上，而要能灵活的掌控产品的顶层抽象信息，宏观把握产品的设计方向和思路。从这个目的出发，借鉴生物学的知识，将产品装配系统中各个零件及其之间的约束关系进行表达。零件的功能是实现产品整体功能的基础，将零件的功能信息命名为产品功浙江大学硕士学位论文第童复杂椤电声品装配方案的染色侬建模能基因（岛），零件之间的约束关系在产品装配系统中控制着能量的传递方式和方向，包含丰富的设计信息，将其命名为产品约束基因（以），产品功能基因和约束基因合称产品基因（）；零件是产品功能的基本单位，将其命名为产品细胞（）；零件实现功能的基本结构称为产品功能蛋白质（），具有直接约束关系（指两个零件不需要通过其他零件而直接形成的约束关系）的两个零件之间被约束部分分别称为构成这两个零件的产品约束蛋白质（以），产品功能蛋白质和产品约束蛋白质合称产品蛋白质（）。产品功能基因控制产品功能蛋白质的合成，产品约束基因控制产品约束蛋白质的合成，若干产品功能蛋白质和产品约束蛋白质在空间上的有序组合形成产品细胞，产品细胞在空间的有序组合构成产品装配系统。产品装配系统及其与生物组织系统之间的相似性如图所示。生物组织系统控制合成图产品装配系统与生物组织系统的相似性产品基因的定义产品功能基因和约束基因分别是零件功能和零件之间装配关系的抽象描述体，是驱动零件设计和装配的内在设计意图单元。产品基因由功能基因（唧）和约束基因（气）组成，可表示为：。产品功能基因可表示为：信追剩鋈冀伟坨壕工雠扒影彳烈引工划浙汪大学硕士学位论支第章复杂机电产品装配方寨的染色蚀建模其中，砂为功能类型，如齿轮、轴、轴承、联轴器和机架等，可用于命名功能基因；眈为功能描述体，用于描述零件在产品中的基本功能，如传动、支撑、连接、输入和输出等。如齿轮功能基因可表示为齿轮，传动）。（砂，彳）（砂，【彳砌】）其中，砂为约束类型，如铰制孔用螺栓连接、普通型半圆键连接和内啮合变位斜齿圆柱齿轮传动等，可用于命名约束基因，约束类型主要可归纳为连接、传动和配合束类型与属性量集是多对一的映射关系。如普通螺纹螺钉连接基因、外啮合标准直齿圆柱齿轮传动基因和轴肩与轴上零（普通螺纹螺钉连接，；。）为螺纹公称直径，尸为螺距，、外啮合标准直齿圆柱齿轮传动，三耋肌为模数，刁和乃分别为主动轮和从动轮的齿数）和（轴肩与轴上零件配合：）（为轴颈直径，为轴肩工作面与轴颈之间中由基因类型和基因属性量集组成的部分称为约束种基因（咏），表示为魄（黟，彳所），则（咚，阮）。在约束基因的定义过程中，设计者首先设计出约束种基因，然后对约束种基因中的属性量集进行赋值形成属性值集，从而定义了约涉汪大学硕一学位论艾第章复杂机电声品装配专案的染色侬建模因并将其表达为约束基因的过程称为约束基因的定义。由此可见，约束种基因的设计是约束基因定义的关键，可根据约束类型从粗到精、从大类到子类进行设计。产品蛋白质的合成产品基因通过控制产品蛋白质的合成对隐含在产品装配系统中的抽象设计信息进行表达。产品蛋白质包括功能蛋白质（）和约束蛋白质（取），分别由产品功能基因和约束基因控制合成。产品蛋白质可表示为：以产品功能蛋白质可表示为：（，）其中，印为控制合成所的功能基因，可用的功能类型命名，为由组成的产品细胞。产品约束蛋白质可表示为：以（，。，）（，。，玩】）其中，为控制合成以的约束基因；为由。组成的产品细胞；为与白通过嗷直接联系的产品细胞；可用来命名以，如图中，组成细胞的约束蛋白质可命名为细胞细胞蛋白质；为蛋白质约束属性，和砌分别为的属性量集和属性值集，其定义和产品约束基因的约束属性相同。如上面提到的普通螺纹螺钉连接基因，由基因约束属性知，：，则如图所示，可推出螺纹孔深度为：日（）尸（）尸（）钻孔深度为：厶乞（）（）（）螺栓轴线到被连接件边缘的距离为：（）（）则图中，组成细胞的细胞细胞蛋白质可表示为：涉汪大学硕士学位论文第章复杂机电声品装配方案的染色佐建模卜绷凇，降骥图产品约束基因控制严品约束蛋白质的合成产品约束蛋白质通常成对存在，由同一个产品约束基因控制合成，分别位于两个具有直接约束关系的产品细胞中。在图中，细胞中的细胞细胞蛋白质和细胞中的细胞细胞蛋白质是同一个基因合成的一对蛋白质。由产品基因合成产品蛋白质的过程称为产品基因的表达。产品细胞的组成产品细胞是产品装配系统实现功能的基本单位，由若干产品功能蛋白质（至少一个）和产品约束蛋白质（至少一个）有序组合而成，是不成对的产品约束蛋白质之间联系的桥梁。产品细胞可表示为：（研。一龟魂，）。一幌，以，亿其中，为组成的功能蛋白质，描述了产品细胞存在的基本结构，可用，的形式来命名，如齿轮、轴、齿轮一轴等；。为约束蛋白质矩阵，包含了组成产品细胞的所有约束蛋白质及其组合顺序。澎江六学硕士学位论第苹复杂封！电声品装配方鬃的染色佐建模由产品约束基因直接联系的产品细胞可通过成对的产品约束蛋白质迸行能量传递。如图所示，细胞由约束蛋白质、约束蛋白质、约束蛋白质和齿轮蛋白质有序组合而成，这些蛋白质决定了细胞的形状和尺寸。当细胞工作时，能量由细胞通过约束蛋白质传递到细胞，再由细胞通