计算机辅助机械运动方案自动化设计原理及动态模拟分析

计算机辅助机械运动方案

设计原理及动态模拟研究

摘要

机械运动方案设计的优劣对机械产品的TQC〔时间质量、成本）

以及市场起着相当大的影响然而目前对方案设计的计算机支持的研

究工作还开展得不足建立一个功能齐备的计算机辅助方案设计系统

（CASDS）还存在许多困难但建立一个基本满足设计需求具有一定使

用价值的CASDS还是可能的本文在全面分析综合了机械运动方案

设计的发展历史与现状后提出了建立机械运动方案自动化设计支持平

台过程中的5个关键问题，并针对这些关键问题从设计理论实现方法

和应用等方面进行了系统，深入的研究全文共分9章取得如下成果

1机械运动方案领域汨识库的建立.,,.

界定了机械运动方案领域知识库研究对象的范围，明确了方案设计

的研究目标提出了“同构异功”和“异构同功”两个概念来辨识机构

与运动功能之间的多对多映射关系，为解决多对多映射问题理清了思

路；通过数据标准化技术和组合分类法对方案设计阶段的领域知识进行

合理分类，提出了采用传动比变化类型和范围、输入/输出相互位置关

系,输入/输出间定性距离三者来表达机构的输入/输出运动约束关系同

时建立了相应的计算机编码和存储原则»既利于知识库知识的扩充，

又便于计算机在求解的初期快速高效地构建满足基本运动功能属性的

初步解集合、该知识库模型着眼于解决机构与运动功能之间的多对多映

射和方案设计过程的推理效率问题，是真正适合于机械运动方案设计的

知识库模型、

在此基础上开发了机械运动方案自动化设计领域知识库系统

2.机械运动方案自动化推理系统

提出了具有全新意义的知识驱动的计算机辅助的机构运动方案自

动推理策略.在机械运动方案知识库支持下，采用启发式运动功能属性

匹配传递原理，沿着功能元机构明细ID功能元ID运劭行为ID（输入/

输出）运动类型代码/运动连续性代码/运动速率特性代码/运动方向

代码的顺序将复杂运动需求分解为简单的运动属性需求，按自顶向下

的设计流程在4个层次上进行匹配，符合设计者创新思维的规律3如果

较高一级的匹配不成功，则自动转向下一级K设计过程自动化程度高，

但设计流程的若干关键节点又留有人机接口，可通过人工干预真正体现

设计者的智慧和理念»为避免机构组合爆炸,采用有界深度优先搜索策

略，用深度约束来限制搜索树的展开层数3在机构型综合中提出了兼容

性原则，确保了机构组合的兼容性.该方法逻辑性和可操作性强，有利

于计算机辅助自动化求解过程的实现b搭建了机构系统自动化设计的框

架，阐述了单输入多输出机构系统的自动化设计原理，由最复杂的工艺

动作开始，求解满足设计要求的机构（组合）方案，在黑板中保存运动功

能属性匹配传递和继承的中间结果,并向其它工艺动作传递直至满足

要求为止，为方案设计走向实用迈出了坚实的一步口

3.机械运动方案布局的定量分析与计算模型

明确指出机构布局的定量分析与综合是方案设计的一个主要阶段，

用于解决系统与其输入输出端以及系统内部各机构之间的连接和布置

问题，扩充了方案设计的内涵并搭建了机械运动方案布局的定量分析

与计算模型।给出了详细的设计流程B在该模型中,提出了采用机构输

入输出运动表达机构的思想，因此要考虑输入输出运动的可逆性：采用

对偶矩阵理论建立了机构的拓扑模型,模型中包含了机构的运动类型和

运动位置、方向的信息.给出了机械运动方案布局的定量分析过程与计

算方法，并通过对偶坐标变换和对偶线性变换来确定系统内各机构的轴

线方位.

4,机械运动方案，，运动模型，，的可视化动态模拟提出了机械运

3方案运动模型的概念以解决实体装配模型的研究

与可视化动态模拟的研究相分离的问题.明确提出了方案运动模型的可

视化动态模拟是方案设计的一个必要阶段,给出了运动模型的建模方法

和可视化动态模拟的设计流程，阐述了运动模型建模的关键技术及其所

具备的运动学和简单的动力学分析功能，使得方案设计过程更加充实，

方案设计结果更加合理、科学“

5,多算子分层二阶综合评判模型

提出了方案应采用多级评价，分阶段进行，既能表达定性信息，又

能表达定量信息"提出了旨在反映机械运动方案总体性能的多指标评价

II

体系»采用层次分析法确定各项指标的权重，将评价指标集合分为四类.

然后建立了机械运动方案的多算子分层二阶综合评判模型，在第一阶段

先对每一类评价指标做模糊评判，然后采用五种模糊算子对评价结果进

行类之间的高层次的综合，在多个算子之间进行优劣比较最后对模糊

评价结果进行二阶综合评价，多个模糊评价模型的使用，使得评价结果

更加客观、科学3

利用本文的方法，在机械运动系统自动化方案设计平台的原型系统

支持下，完成了上海上工股份有限公司多功能高速无油润滑平缝机的参

数优化设计和动态模拟测试，

最后对计算机辅助机械运动系统自动化方案设计的进一步研究提

出了参考性建议"

关键词.方案设计，数据标准化，运动功能匹配传递，有界深度优先搜

索，对偶变换，可视化动态模拟

3

RESEARCHONTHEPRINCIPLEOFMECHANICAL

MOVEMENTSCHEMEOFCOMPUTERAIDEDDESIGN

ANDITSDYNAMICSIMULATION

ABSTRACT

Itiswellacceptedthatschemedesignplaysaveryimportantroleinthewholeproduct

developmentprocess.However,Itisthestageforwhichthereislittlecomputationalsupport

currently.Forthebroadnessandcomplexityofschemedesignitself,it'stoodifficulttodevelopa

completeComputer-aidedSchemeDesignSystem(CASDS)presently.However,developinga

basiconeisfeasible.Havingcomprehensiveanalyzedandsynthesizedthedevelopmenthistoiy

andpresentstatusofschemedesignofmechanismsystem,fivekeyproblems,whichareneeded

toresearchonintheprocessofestablishingthecomputer-aideddesignplatform,arepointedout.

Focusingonthetheories,implementationmethodsandtheirapplication,thesefivekeyproblems

areresearchedsystematicallyanddeeply.Thisthesisconsistsofninechaptersandhemain

contributionsaresummarizedasfollow:

1.TheEstablishmentofDomainKnowledgeBaseofMechanicalMovement

Scheme

Therangeofresearchobjectforthedomainknowledgebaseofmechanicalmovement

schemeisdefinedfirstly.Twoconceptsas44samestructuredifferentfunctiorf,and"different

structuresamefunctiorf,aresuggestedtoillustratemoretomorecorrespondencerelations

betweenmechanismsandtheirmovementfunctions.Datastandardizationtechnologyand

combinedclassificationmethodhavebeenappliedtocarryoutclassificationofdomain

knowledgeintheprocessofschemedesign,ppesandrangeoftransmissionratio,typesof

spatialrelationshipandqualitativedistancebetweentheinputandoutputaxesaresuggestedto

representtherelationsbetweeninputandoutputmovements.Atthesametimetheprincipleof

computercodingandstoringhavebeenbuilttogiveafastandbroadselectionofmechanisms

thatmeetstherequirementsofbasicmovementfunctionattributes.

Basedonwhatmentionedabove,thedomainknowledgebasesystemofmechanical

movementschemeisdevelopedfinally.

2.IntelligentReasoningSystemofMechanicalMovementScheme

Supportedbythedomainknowledgebase,Theheuristicmatchingpropagationprinciple

(HMPP)ofmovementfunctionsanditstruthtableservesasaguidetoperformmechanismtypes

4

synthesis.Bymeansofbounddepth-firstsearchstrategy,themovementrequirementsare

matchedagainstobjectsintheknowledgebasealongtheorientationoffunctionunit-mechanism

listIDTUnctionunitIDMovementbehaviorID(output/input)—•movementtypecoding/

continuitycoding/velocitycharactercoding/directionalitycodingatdiflerentfourlevelsof

abstraction.Theapplicationofboundeddepthinseaivhingprocesshasbeenusedtoavoid

mechanismschemescombinationexplosion.Thecompatibilityprincipleofmechanisms

connectionisputforwardtoensuretheircompatibility.Automaticdesigntheoryofmechanism

systemwithsingleinputandmultipleoutputsisrepresented.Beginningfromthemostcomplex

actionofmechanismsystem,mechanismtypessynthesisisperformed,andtheintermediate

resultsarestoredintheblackboard,thenreadyforpropagationtoanotheractions.

3.ModelofQuantitativeAnalysisandCalculationforMechanicalMovement

SchemeLayout

Theideathatinputmovementandoutputmovementareusedtorepresentmechanismis

suggested.Therecognitionproblemaboutsame-structure-different-functionanddifferent-

structure-same-functioninrepresentingmechanismknowledgehasbeensolvedbymeansof

mechanismtopologicalmodelusingdualmatrixtheory.Informationaboutmovementtypesand

orientation,positionofinputandoutputaxesofmechanismsisavailableinthemodel.In

addition,quantitativeanalysisprocessandcalculationmethodsofmechanismmovement

schemeareprovided.Finallytwodualtransformationsareproposedtodeterminethespatial

orientationofmechanisms5axesinthemechanicalmovementscheme.

4.VisualDynamicSimulationof"MovementModel”forMechanismSystem

Theconceptofmovementmodelisproposedtosolvetheproblemthatresearchon

solidassemblymodelisseparatedfromthatofmovementmodel.Modelingmethodanddesign

proceduresofvisualizationdynamicsimulationformechanismmovementschemesisintroduced.

Keytechniquesofmovementmodelmodelinganditsfunctionofkinematic

analysisandsimpledynamicanalysisarealsogivenwithsamples.

5.Multi-operatorMulti-layerTwo-levelFuzzyEvaluationModel

Thefour-layercomprehensiveevaluationindexessystemproposedherecanhelpdesigners

evaluateandjudgeinamorescientificway.AnalyticHierairhyProcess(AHP)isusedtoobtain

theweightofeachindex.Asaresult,multi-operatormulti-indexmulti-layertwo-levelfuzzy

evaluationmodelissetup.Inthefirststage,theAHPandfuzzymathematicsmethodareusedto

5

evaluateclassificationoffourcombinedindexes,thenfivedifferentfuzzyoperatorsai*eintegrated

toperformsystematicevaluationinhighlevels.Finallytwo-levelfuzzyevaluationisperformedon

theaboveresultofevaluation.

UnderthesupportoftheIntelligentMechanismSchemeDesignPlatformandthepresented

methodinthisdissertation,theoptimumdesignofpammetersandvisualdynamicsimulationof

multifunctionhighspeedoilfreeindustrialsewingmachineofShanghaiShangGongLtd.were

completed.

Atlast,somesuggestionsoffutureresearchworksinthisfieldarepointedout.

KEYWORDS:schemedesign,datastandardization,movementfunctionmatchingpropagation,

bounddepth-firstsearch,dualtransformation,visualizationdynamicsimulation

6

上海交通大学

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本人郑重声明，所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下秋立进行研究

工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外本论文不包含任何其

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第一章绪论

第一章绪论

1.1引言

机械设计可划分为产品规划、概念设计、详细设计和改进设计等4个阶段［"(见图1-1)

概括的说设计主要分两步前者是概念设计(ConceptualDesign)为的是构思出方案后者是

构型设计.(ConfigurationDesign)为的是设计出具体构型从各种占有的设计过程划分的述中可

以看出概念设计应包括产品规划功能设计和定性设计等内容“川

Figure1-1Themodelofproductdesign

概念设计不同于常规设计,常规设计的任务可按一定的概念层次组织,设计解的空间有限，

概念设计具有大的求解空间和试探性推理特征，且创造性的设计知识不易总结，而这些正是开发

自动化概念设计系统的最大难度所在因而它的内涵是十分广泛和深刻的体现了设计者对概念

设计本质的理解和设计者的理念"0

Pahl&Beitz于1984年唬其(EngineeringDesign>一书中提出了概念设计这一名词

■并认

为概念设计是在原理方面确定一个解1231

French认为.■概念设计首先是要弄清设计要求和条件然后生成框架式的广泛意义

上的

解在这里框架式的解喔指设计问题的一个轮廓，每个主要的功能都可以对应于其上，通

过原理部件之间的空间或结构上的关系使它们有机地结合起来我们从这个框架中得到产品大

致的成本重量或总体尺寸以及在目施的环境下的可行性等送个框架只需对一些特征或部件

有一个相对明确的描述但'并不要求详细.151,

1;11811111

在随后的十几年,‘Hundal⑹、UmedaLTomiyamakSharpe⑼、Sturges""：Qian,邹

1

上海交通大学博士学位论文

慧君［12\王玉新1131等国内外学者相继探讨了•概念设计・本身的深刻内涵,并由此提出概念

设计的各种方法和模型

概念设计发展到岑天如果给其下一个较完整的定乂我们认为♦概念设计是根据产品生

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■原理求解和进行实琬功能结构的工作原理载体方案的构思和索统化设计

,,41,机械设备是通过工艺动作实现其功能的概念设计的过程是一个发散思维和创新设计的过

程要■求能够得到实现功能的满足各种技术和经济指标的可能存在的各种方案并最终确定

综合最优方案''

与机械设计的其它阶段不同，概念设计具有其自身的特性.

*创新性创新是概念设计的灵魂只有创新才有可能得到结构新颖、性能优良、价格低

廉富有竞争力的机械产品这里的创新司以是多层次的如从结构修改结构替换等低层次创

新工作到工作原理更改功能修改或增加等高层次的创新活动都属于概念'设计的范畴在众多设

计路径所产生的设计结巢中将产生一组可行的“新.方案"

女多样性概念设计的多样性主要体现在其设计路径的多样化和设计结果的多样化不同

的功能定义功能分解和工作原理等会产生完全不同的设计思路和设计方法从而在功能载体

的设计上产生完全不同的解决方案初如■计时■功能如果用单摆和石英振射两种不同的工作

原理来实现则产生用机械原理和用电子原理两种设计'思路与方法从而产生了机械式手表和石

英手表这两种完全不同的设计结果,

A层次性概念设计的层次性体现在两方面一方面，概念设计分别作用于功能层和结构

层并完成由功能层向结构层的映射如功能定义功能分解作用于功能层上而结构修改结

构永异则作用于结构层由映射关系落两层连接起策另一方面在功能层和焦构层中也有自身

的层次关系例如功能分解就是将功能从一个层次向下一层次推进功能的层次性也就决定了结

构的层次性•不同层次的功能对应不同层次的结构例如结构弹簧秤的功能是秤重而弹簧

秤的子功能之一受力变形则由子结构弹簧完成""•

*病态性概念设计褶息的不完整、冬一成、不精确甚至是模糊的特性,使得难以对该阶

段进行准确定量的描述导致了从问题空间到解空间映射求解的过程变成了不良的病态结构问

题，

”•迭代性方案求解的各子过程大都是由多个子循环温合、分析和评价组成，各个子循

环多次迭代最终得到一个全局满意解

概念设％•既是产品设计的先导,又是产品构型设计的前提探念设计做得好产品设计才有

可能达到高水平概念设计作为工程设计中一个重要并极富创矗性的阶段冈正受到国内外研

究学者越来越多的堇视卬MW目前计算机辅助设计已经深入发展并得到广疾应用这就要

求我们大力开展机械产品计算机辅助概念设计理论和方法的研究开发具有实用价值的并算机

辅助概念设计系统为提高产品设计水平缩短产品开发周期增强产品竞争力做出贡献

机械产品的犬部分运动功能是靠机械运动来实现的机械运动系统概念设计的发展决定了

机械产品的整体设计水平.是实现产品创新的关键环节.机械运动方案的优劣对机械产品的TQC

（时间.质量成本）起着相当大的影响长期以来机械运动系统的概念设计一直仅由设计者的

大脑完成出现了许多不适应的地方■一方面随着科学技术的发展,机械运动系统的设计问题

已日益变得复杂化,涉及到的专业领域也逐渐增多.设计者不仅需要有基本的机械设计知识,而

且还可能需要电子、信息处理或控制等多方面的知识,只有这样才能设计出有竞争力的机械产品.

2

第一章绪论

但设计人员在设计产品时,由于知识面、设计经验和设计知识等方面的限制，产生这样的设计方

案十分棘手更难进行方案选优而且现代产品更新换代速度的加快也必然要求大幅度缩短概

念设计的时荷增加了设计者的饱难另一方面计算机有着强大的存括与检索能力特别是近年

来数据库技术'和人工智能技术的长足发展使机械运动系统自动化概念设计平台的开发不仅亟

需同时也成为可能•

,目前，国内外有不少学者对机械运动方案概念设计进行了有益的研究和探讨.导师邹慧君

教授是国内资深机构学专家,在机构学领域有很深造诣,编写了《机械运动方案设计手册》'I、

《机构系统设计，附等专著,并带领若干名博士研究生在相关领域已进行了十数年的研究,积

累了大量的宝贵经验但总的说来，将计算机引入概念设计的研究并不深入在机构系统的方案

设计中会遇到诸如知i■只的计算机存储与管理表达与推理方案创新方案希局的定量分析与计

算方案评价以及方案的可视化动态模拟等辱难题本论丈将以机械运动系统为研究对象着重

研究在计算机支持的环境中进行概念设计的知识存辅与管理表达与推理机构组合与机构系统

的方案设计机构布局的定量分析方案评价以及可视化动态模拟等.

本课题.机械运动方案设计原理及动态模拟研究,来源于国家自然科学基金资助项目"机

械运动系统概念设计自动化平台的研究.（批准号，59875058）、上海上工股份有限公司的“多功

能高速无油润滑工业平缝机性能研究及改进设计・项目.

1.2相关领域文献综述

从智能系统的角度来看创造性的概念设计可视为在大的设计空间内基于知识的搜索-

旦设计信息被表示且作为知识与规则分别写入知识库与规则库拥有大量知识的智能系统可在大

的设计解空间进行系统化地搜索求优使用智能化CAD系统进行产品的概念设计从开始研究

至今已有十几年的历史了一些研究成果已能够减轻设计人员的一部分工作固但总的看来还

远未达到可操作可实用的,目的因而概念设计的计算机平台仍没有在工程设计中得到广泛的

应用究其主要原因有以下两个方面一方面概念设计的复杂性创新性和大量的人机交互性（这

种交互大多发生在抽象的概念上）使计算机支持的系统概念设计相当复杂另一方面概念设计

具有极强的领域相关性影响了计算机支持的概念设计系统的通用性和可再用性,

目前，要建立一个功能完备的计算机辅助方案设计系统（CASDSComputerAidedScheme

DesignSystem）还存在捽多困难31但是要建立一个基本满足设计需求具有二定使用价值的

CASD系统还是可能的概念设计的猿终结果是设计方案概念设计借鉴客种设计理论采用各

种数学工具和计算机技■术其最终目的也是落实到一个满足设计要求的最优可行方案概念设计

的创新性智能性也要由方案的形成过程和方案的内容来体现所以我们以设计方案为线索

对近十几年来概念设计领域的发展和取得的成果进行综述和归纳总的看来关于机械运动系统

概念设计需要掌握的关键技术也是需要解决的主要问题归结起来有以下.5个方面

★知识的表示与分类结构概念设计阶段的知识包括设计过程知识和设计对象知识.知识

划分的合理与否,知识的计算机存储结构的智能性和完整性都直接影响后续的知识推理效率和设

计方案的创新性.

★知识的推理策略知识的推理分为定性推理和定量推理两种•二者结合是概念设计的未

来发展方向,知识推理的启发能力、自适应度和搜索路线、搜索深度的控制策略先进程度决定了

CASDS的价值.

3

上海交通大学博士学位论文

★机构组合与机构系统的计算机辅助概念设计单一机构无法满足设计要求时，需要考虑

机构组合的方法现代工业中的机械设备绝大多数属于机构系统具有多个输出相互协调完成

多个工艺动作讲究机构系统的计算机辅助概念设计原理更具有‘实际意义’

支方案的评价和决策计算机辅助创新往往会产生大量方案,而这些方案通常又是具体方

案的抽象表达所以进行人工评价时需先进行理解和转化工作量大且烦琐乏味故计算机辅助

评价必不可少'’•

★方案的动态模拟概念设计的最终结果是方案，方案究竟合理与否，工作情况如何，动

力性能的优劣可通过可视化动态模拟直接由计算机屏幕获得而不必一定经过烦琐的详细设计

样机试制和实峪验证省时省力''

接下来,就这«个方面我们详细展开论述，

1.2.1设计对象知识的表示与分类结构

ProcessofDesign

图1-2机械运动系统概念设计的功能-行为-结构过程模型

Figure1-2Conceptualdesignprocess,sfunction-behavior-structuremodelofmechanismSystem

设计对象的知识模型历来是概念设计研究的重点侬一361对于功能行为结构的概念设计过

程模型而言⑺设计对象即指的是功能行为和结构3个层次及其层次结构因为本文的研究对

象为机械运动系境功能也即运动功能其指一个结构的功用是行为的抽象表示目的是对

应出新的行为对象行为是指功能的具体化'即通常所说的艺动作叱对机械运动系统而

言行为即指运动行为2结构指为实现某些（某一）行为而采用的一组构件元件以及它们

之■间的组成关掾在机械运动系统概念设计中我们所说的结构是指在方案设计时需要了解和

表达的结构信息团.

4

第一章绪论

功能层因接近设计的最初阶段市场需求和产品规划，本现了设计者的意图困而其知识模

型较抽象结构层是方案表达的载体直接表现为选用的机构种类和相互关系其知识模型更

为具体行为层处于功能层和结构层的市间向上映射为功能结构和功能关系向下映射为产品

结构和结构关系起着承上启下的作用（见图1-2）.

1.设计对象知识的表示方法*

机械产品概念设计包含的内容很多.采用何种方法来表达机构.决定了概念设计的风格和设

计方案的使用范围和价值.概念设计发展到今天.出现了许多知识模型的表达方法，如语言.儿

何模型.图和数.对象、知识以及图像等639仙⑵/22].按照它们表达方法的侧重点不同.可以

分为两大类，面向机器的知识表达方法和面向人类的表达方法网前者主要着眼于如何便于计

算机进行设计方案的推理.后者力图为设计者提供一种直观的设计标境，帮助设计者进行思维创

新（见图1-3）''

,面向计算机

T语言几何

模型图和

树对象

知识模型

简图、示意图

面向人类

V

图1-3知识表达方法

Figure1-3Spectrumofknowledgemethod

接下来，分别介绍这些知识表示方法

（1）语言"

计算机最初是为解决数值运算而设计的,而语言属于非数值符号毋一般以长度不等的语流形

式出现,有着自身的句法和语义体系,其数据表达、语义表达、运算规则与数值信息有着很大差

别■然而由于语言具有离散性、序列性和邻接性等特征,对语言的处理具有很大的可行性.Rinderle

网利用图式语言描述设计行为"NeviUe和Joskowicz皿提出一种语言用于固定轴装置的行为描

述中（见图1-4）,这种语言用零件.运动类型、轴和初始状态.终止状态5部分描述一个构件的

运动行为,可较精确地描述输入输出为定轴的机构中构件的运动状态,Tyugu⑼提出了基于语法

的属性模型表示设计对象的实现知识.这些努力集中在针对某一应用开发不同的语言,如何使得

语言能够重用和共享己经成为研究的热点|421.

（2）几何模型

几何模型是产品结构在计算机中的实现,CAD技术提出的二维几何模型、三维几何模型（含

线框,曲面、实体）和特征模型等经多年研究已趋于成熟.且得到了广泛应用.但这些模型都无

法支持自上而下的产品设计过程.为此.人们提出了许多新的产品模型.大致分为3类，

5

上海交通大学博士学位论文

图1-4机构行为的表达语言

Fig.1-4Representationlanguageofmechanismbehaviors

1)基于装配的产品模型|43-471

通过记录零件之间的装配层次关系和装配结构关系等装配信息.表达产品功能信息和设计

者的设计意图，从而支持从概念设计到详细设计的产品设计整个过程

2)集成产品模型"

其建模基本思路是,在一个集成产品数据管理系统中，建立一个独立的数据模型来集成产

品的所有信息,使之适用于产品设计的不同阶段.基于STEP标准的产品模型属于此类,48-501.

目前这方面研究较多.

3)智能产品模型[52-54-6"

产品模型不仅要完整地描述产品的状态信息.而且要表达产品的形成过程信息.这样的产

品模型不仅可以记录设计制造的结果,而且可以帮助设计制造人员了解产生这些结果的原因,为

产品模型的重用和正确修改奠定坚实的基础.通过记录产品设计过程信息和产品本身状态信息而

形成的产品模型就是智能产品模型实现智能产品模型必须有人工智能技术的有力支持，如基于

规则的推理技术约束及真值维持素统的建立等智能产品模型为设计自动化提供了许多有用的

信息大大加强？产品模型对建模过程的支持特征模型装配模型和集成产品模型都是智能产

品模型的基础-'

(3)图和树

七十年代中期,图论引入运动结构抽象表示研究领域1621.借助于图论工具,机械运动方案

的抽象表示与设计处理过程研究开始得到进一步发展.从此用图论表示运动链的特征结构以及表

示特定的机器,开始在机械产品概念设计过程中得到广泛的应用侬-651.

图和树在概念设计阶段中经常用到.可描述产品的功能、行为和结构等属性，而且可以对设

计需求和约束建模(见图1-5[651)运用图论表达方案的主要优点是图论有成熟的理论和算法

且易于计算机实现这是因为图可以表示成为关联矩阵的数学模型(incidencematrix)但它缺殳

分类和继承的概念."

(4)对象,

对象具有抽象性、封装性、多态性、继承性等特点,在产品建模方面具有一定灵活性.Yoshioka

等人用对象表示轮船设计中的实例和过程知识以利于知识的重用1661Kolb和Bailey利用面向

对象技术对航空发动机的概念设计进行建模劭Kusiak1681Martin169f等也利用对象技术表达设

计方案沈阳工学院的舒启林利用面向对象的方法将各个机构进行封装形成机构类通过把机

械方案设计过程看作是一个状态空间的求解问题用遗传算法控制其搜索过程利用复制

6

第一章绪论

需求空间

R1：设计联轴器R2:刚性

联接R3:传递扭矩R4:

柔性联接

F1:传递能量F2:补偿两

轴间的偏移F3:刚性联接

两轴P4：用滑动件补偿偏

移

F5:不采用滑动件补偿偏移

图1-5联轴器的树图

Figure1-5Graphmodelofashaftcoupling

交换和变异等操作进行一次次迭代，最终自动生成一组最优的设计方案1701

(5)知识模型

常用知识模型有语义网线框架、谓词逻辑终生式规则等171741Rao建立了一个基于规则

的轴承设计专家系统并用规则表达轴承设计方案1751Tong和Gomory在其小机电设备概念设

计支持系统中为厨房委备建立了基于框架的标准零件模型1761Navinchandra”提出用实例

(case)支持概念设计实例由索引和内容两部分组成索引用来检索实例内容中包含具体方案

细节用知识模型表达(如框架规则谓词逻辑等)Hsu在其面向装配的概念设计系统中也用

了实例四日本东京大学Tomiyama(富山哲男)领导的研究小组提出一种新的知识模型

"Metamodd，并建立了设计支撑环境FBSModeler附..

知识模型较适合设计初期的知识推理目前已有许多成功实例ICADMedusaengin

Connex、CADET等1砌.但它也存在诸如模型正确性的检验.知识获取的问题以及知识库管理

等问题.

(6)简图、示意图

这种方法形象、直观■比较常见•便于设计者集中精力进行思考和创新•但其过于简化抽

象非逻辑性使得计算机很难实现J969年Amheim⑻1提出来可视化思维(VisualThinking)

的概念.认为草图便于比较设计结果，易于形成三维方案，可提高工作效率.Radcliffe和Lee

提出一个可视化思维模型|821.Won通过对比说明采用可视化思维提高计算机辅助概念设计的设

计效率1831.

Li提出了机构行为的定性描述方法””并用于计算机辅助的机构概念设计中.该方法的表

示是完全层次性的.

Chiou和Kota提出了行为的矩阵表示法1电2叫该模型有3个层次(Q第一层体现两方面的

信息即输入/输出运动关系及输入/输出的轴线之间的关系,用MTM1(MotionTransformation

Matrices)表示।⑵第二层主要体现输入/输出轴线方向之间具体的方向关系以及作用约束的情

况.用MTM，及OCV(OperationalconstraintVector)描述.(3)模型的第三层用4Ml的参数矩阵

描述输入/输出轴线相对于全局参考坐标系的几何关系以及用一个运动方程给出输入/输出参数之

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上海交通大学博士学位论文

间的数学关系

汪利提出包克斯范式（BNF）和产生式规则相结合的计算机辅助运动行为表示方法BNF表

达使运动行为的表示具有规范性适合于比较分类产生式规则使表达具有一定的灵;舌性适

应运动行为的多样化该表达方法不仅可以将近构库年的机构分门别类也可以对设计要求'予以

表达网■,

2.设计对象知识的分类结构

设计对象知识的表示方法确定以后.它的3个层次।运动功能、运动行为和机构在知识模

型中的分类结构和属性则成为设计者关注的主要方面.

Kannapan和Markek⑼首先在这方面进行了尝试，他们采用代数和逻辑谓词的方法表示运动

行为知识和机构知识

Freudenstein和首次提出了基于图论的机构结构知识模驾根据基于功能结构分离

的概念着眼于以构件和运动副回路或者单开链为单元的结构类型综合方法有助于建立具有

相同类如和数量的自由度和连杆'的机构总数"

Joskowicz网描述定轴机构行为时采用巴克斯范式（BNF）机构的运动行为由若干运动序

列组成一个运动序列又包括运动种类和运动关系运动种类可分为单一运动串联组合运动和

并联组占运动运动种类包含运动类型和运动参数等特性项由此形成一棵运动行为属性树处

于最顶部的根节点为行为要求中间子节点为子特征项叶节点为属性并且运动类型分为移

动转动螺旋运动（移动转动同时但不相连）移动兼转动（同时但不相连）'静止和维持原状

'在匕"的定性描述方法中,一个机构用输入、输出.输入/输出关系以及控制4部分描述：

其中输入部分又分为类型、速度;速度方向和输入构件数目4个属性,输出、输入/输出关系以

及控制等部分也由相应的属性组成.

Chiou和KotaU828I将运动功能划分为运动转换类型和空间方位要求，运动行为划分为方向、

连续性、速率特性和可逆性.这些特征向下又包括若干属性.如运动连续性包括连续和间歇两种

属性.

汪利卬幽采用BNF范式描述机构的运动行为，用产生式规则描述运动行为的相互关系和

设计约束.

邹慧君附根据“运动转换功能,将机构进行分类，并用代码描述功能元和机构类别，由

此建立了♦机构系统方案设计专家系统，知识库

唐林川提出了机构运动功能的规范化表达“方式.力图使运动功能的表达具有唯一性，将

机构解知识归纳成运动功能结构特征和功能质量3个部分

于秋则⑶采用功能属［生、运动属性、性能属性和适用性属性来表达机构元知识.

此外国内许多学者田一3句都在设计对象知识的分类结构方面进行了有益的尝试

I・

1.2.2知识的推理策略

确定了知识的表达方法和内容结构之卮接着就需要考虑采用何种合适的方法将用户需求

映射到相应的物理空间在实际的推理过程中存在知识驱动和数据驱动两种方式知识驱动应

用在存在大量领域知识的情况下典型技术如盘于搜索的方法基于约束满足的方法基于A1的

方法和基于设计目录的方法等而数据驱动指拨弃规则倚赖大量领域实际数据参与推理如基

于实例的方法基于原型的方怯等''

8

第一章绪论

1.知识驱动的推理策略

(1)基于搜索的方法|,9-!

这种方法认为设计是从功能空间向结构空间的一种映射.它将设计的各种可能的方案组

合成为设计空间.将设计看成是在设计空间中的解的搜索，设计的结果对应于设计空间的某个点

(一种设计方案).搜索是人工智能的基本问题,搜索的方法有盲目搜索和启发式搜索.设计是一

种创新活动,是一种在知识指导下的启发式搜索过程.

(2)基于约束满足的方法U&28.37.38g

设计可以看成是一个约束满足求解问题即所有的设计要求与限制都被看成对变量的约束

而设计则要使结果满足所有的约束条件.约束集限制下的子空间为设计的解空间，而求解的过程

则是基于约束来进行的.约束往往从抽象到具体，分层次地满足.

(3)基于AI(ArtificialIntelligence)的方法|76,84,861871

方案的形成可以看成一个知识推理的过程它的输入是已有的设计数据设计知识其中

设计知识由各种方法来表示,如形状文法.规则、框架、语义网络、对象描述等方法.借助于推

理.如正向推理、逆向推理、混合推理等，类似于专家，由计算机得出方案.

(4)基于设计目录的方法⑵3匹到

以系统理论为基础，着重研究设计的一般进程模式及设计工作的条理化进行总体设计步

骤程式原则技巧以及需求与技术系统设计之间转化方法的探索利用或元组合的原理提

出功能分擀组合'设计思想编制大量的含有功能要求原理解约束'评价和约束和备注等场目

的设计目录作为原理方案设计的辅助工具供设计者选用''

2.数据驱荀的推理策略"

(1)基于实例的方法

CBR(CaseBasedReason)是近年来AI的一个重要的发展方向.现已开始用于智能CAD系统

U7&S.它最初是从类比问题求解开始的早期的研究有Kolodner等