基于公理设计的工业机械手概念设计方案评价方法研究

毕业设计基于公理设计的工业机械手概念设计方案评价方法研究102011344董青怀机械工程系学生姓名： 学号： 机械设计制造及其自动化系 部： 专 业： 胡晋智指导教师： 二零一四年六月诚信声明 本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 基于公理设计的工业机械手概念设计方案评价方法研究 系部： 机械工程系 专业： 机械设计制造及其自动化 学号： 102011344 学生： 董青怀 指导教师（含职称）： 胡晋智 (副教授) 专业负责人： 田静 1设计的主要任务及目标(1)在公理设计的理论框架下，建立工业机械手概念设计方案评价模型，要求能通过算法实现对已知方案的评价优选；(2)通过编程语言对上述模型进行软件实现，并通过案例验证原型系统的可行性，要求软件能流畅运行，并能对案例进行评价。2设计的基本要求和内容熟悉方案评价、工业机械手设计的方法及发展趋势，总结其中存在的问题；熟悉公理设计的基本原理，明确所设计题目和内容，并撰写开题报告一篇。运用公理设计理论建立针对工业机械手概念设计方案的评价模型。完成中期答辩报告一份。利用编程语言（推荐使用VB）对上述过程中建立的模型进行软件实现，编制基于公理设计的工业机械手概念设计方案评价原型系统。对编制的原型系统进行案例验证，以验证该模型和方法的可行性。撰写毕业论文一篇。3主要参考文献1 Suh NP著, 公理设计M. 谢友柏, 袁小阳, 等译, 北京: 机械工业出版社, 2004:1-60.2 Buur J. A Theoretical Approach to Mechantronics DesignD. Technical University of Denmark, 1990.3 Shimomura Y, et al. Representation of design object based on the functional evolution process modelJ. J of Mechanical Design, 1998,120(2):221-229.4 孙玉刚. 灰色关联分析及其应用的研究D. 南京：南京航空航天大学，2007.4进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1开题阶段（开题报告一篇）2013.12.042014.03.012评价模型建立阶段（中期答辩报告一份）2014.03.022014.04.013程序设计阶段2014.04.012014.04.304毕业论文撰写及答辩准备阶段2014.05.012014.06.20基于公理设计的工业机械手概念设计方案评价方法研究摘要：长期以来，由于传统的工业机械手设计缺乏统一的过程建模、决策、控制方法和技术，导致积累的大量设计资源和经验不能有效利用。为此，本文基于公理设计的理论框架，在工业机械手概念设计的基础上，研究了工业机械手概念设计方案的评价方法，并对该方法进行了软件实现。毕业设计的主要内容如下：（1）知识基础部分。介绍了针对工业机械手的概念设计、方案推理及评价方法的主要类型及特点，然后对建模的理论基础公理设计理论作了介绍，阐述了公理设计的理念、数学模型，以及在概念设计中的应用；（2）建模部分。通过分析常见工业机械手的设计方案组成及与其相关的评价要素，在公理设计理论框架下，将工业机械手各设计方案的评价指标作为公理设计中的功能域，并通过功能分解将其分解到物理域及过程域，建立了工业机械手概念设计方案评价体系，最后通过灰色关联分析法设置评价指标，实现对设计方案的综合评价；（3）系统设计部分。基于上一部分所建立的工业机械手概念设计方案评价体系，设计得到一个工业机械手方案评价系统，该系统运用一定的算法，根据设计要求搜索各评价指标，最终求解出符合要求的最优设计方案；（4）原型系统开发及案例验证。系统实现了工业机械手概念设计方案评价的各个主要模块的功能，并以典型工业机械手的设计方案为输入对该系统进行了案例验证。关键词：公理设计,工业机械手概念设计,层次分析,灰色关联理论,设计方案评价Research on scheme evaluation method of industrial manipulator concept development based on axiomatic designAbstract：For a long time, due to the design of industrial machinery hand traditional lack of process modeling, decision, control method and technology of unified, resulting in effective utilization of a lot of design resources and experience can not. Therefore, in this paper, the theoretical framework based on axiomatic design, based on the industrial manipulator concept design, studies the evaluation method of hand conceptual design of industrial machinery, and the method of software realization. The graduation design of the main content is as follows:(1) knowledge base. This paper introduces the main types according to the inference and evaluation of conceptual design, industrial machinery hand method and its characteristics, and then the theoretical basis for modeling-the axiomatic design theory is introduced, the axiomatic design concept, mathematical model, and their application in conceptual design;(2) The modeling part. Through the analysis of design scheme of common industrial manipulator the composition and evaluation of related factors, the axiomatic design theory,the evaluation index of industrial machinery hand of each design as functional domain in axiomatic design, and through the functional decomposition decompose them into the physical domain and process domain, establishes the evaluation system in military conceptual design scheme of industrial machinery, and finally through the grey relational analysis evaluation index, comprehensive evaluation of design scheme;(3) The system design section. The evaluation system of industrial manipulator based on the conceptual design scheme based on the design of a part, an evaluation of industrial manipulator system, using a certain algorithm of this system, according to the design requirements of search of each evaluation index, the final solution to meet the requirements of the optimal design scheme;(4) The prototype system development and case study. System to achieve the main modules of the conceptual design scheme evaluation of hand function of industrial (5) machinery,and the design scheme of typical industrial manipulator as the input of the case to validate this system.Keywords: Axiomatic design, The concept of industrial manipulator design, Analytic hierarchy process, Grey correlation theory, Design scheme evaluation 目 录1 绪 论11.1 课题背景及研究意义11.2 概念设计方法研究概述21.3 公理设计理论概述31.4 方案推理方法51.5方案评价方法52 公理化工业机械手概念设计方案评价技术72.1公理化设计方案评价流程分析72.1.1方案评价指标的设计原则72.1.2设计方案评价的知识体系82.1.3方案评价技术的实现流程82.2 设计方案评价指标的公理化设计102.2.1评价指标的公理化映射过程102.2.2 公理设计框架下的设计方案评价指标143 设计方案评价模型的建立173.1设计方案评价指标的量化173.1.1 数据的无量纲化处理193.1.2 评价指标数值化193.2 设计方案评价指标权值的确定203.2.1判断矩阵的构造203.2.2对判断矩阵的一致性检验224 机械手设计方案评价的软件原型系统开发及案例验证244.1 系统开发环境244.2系统总体设计244.2.1系统需求分析244.2.2 系统框架结构254.3 系统各功能模块的实现及案例验证254.3.1 系统管理25I4.3.2 工业机械手概念设计模块264.3.3 设计方案评价模块264.4 本章小结28总结与展望29参考文献31致 谢32附 录33II太原工业学院毕业设计太原工业学院毕业设计1 绪 论1.1 课题背景及研究意义随着市场经济的全球化，生产企业面临着日益激烈的国际竞争，要想在竞争中立于不败之地，必须不断地提高自己的综合竞争力。企业的竞争从根本上讲就是其提供的产品之间的竞争，谁拥有最好质量、最低成本、最快上市时间的产品，谁就占据了竞争的优势地位。不同国家、不同企业、不同类型的产品，其设计、开发过程不尽相同，但大致上可分为产品规划、原理方案设计、结构方案设计、总体设计、施工设计和试制、生产、销售等阶段。大量研究表明，产品的设计开发在产品生产成本中只占了6%左右，但是它却在很大程度上决定着产品的最终水平，产品总成本的70%以上都受产品设计的影响。这是因为产品设计的优劣从根本上决定了产品的内在质量的好坏，并且影响产品的相关后续行为，如制造、使用等等，它是形成产品的核心阶段，是保证产品质量的根本源头。同时，随着工业生产的发展，产品或设备的功能与结构日趋复杂，产品设计在产品整个生命周期内占有越来越重要的位置。因此，产品设计对提高产品竞争力起着至关重要的作用，是决定产品命运的重要因素。好的产品设计不仅能够提高产品的质量和性能、延长产品的使用寿命、减少产品的生产周期、降低产品的成本，并有助于提供优质的产品全过程服务，而且也可以减少生产制造过程中的能耗和对环境的负面影响，有利于实现社会的可持续发展。越来越多的企业在竞争过程中意识到，要提高产品质量、降低产品成本、提高产品竞争力，就一定要从产品的设计阶段着手。产品设计是一个求解实现产品功能、满足各种技术和经济指标、并从可能存在的各种方案中确定综合最优方案的过程。它作为一种创造性活动,其本质是创造和革新，最终目标是得到满足用户需求的产品。由于设计通常是与智力活动和创造联系在一起，加上它的复杂性和不可捉摸性，人们往往认为它依靠人的直觉、天赋和经验。但是设计必须发展它的科学基础，这就是设计理论。有效的设计理论与方法不仅可以产生好的设计，缩短产品的设计开发周期，而且可以推动产品的创新，这就使得企业或研究人员在产品设计开发中不断追求和实践新的有效的设计理论与方法。1.2 概念设计方法研究概述在产品设计的初期，主要任务是进行产品的概念设计，即确定产品设计方案。在这个阶段，一方面，由于对设计人员的约束相对较少，设计人员具有较大的创新空间，最能体现设计者的经验、智慧和创造性；另一方面，这一阶段所作的决策对产品的质量、成本、性能、可靠性、安全性和环保性等方面有着重要的影响，而且所产生的设计缺陷无法由后续设计过程弥补。因而，概念设计被认为是产品设计过程中最关键、最复杂、且最具综合性、创造性和决定性的设计阶段。概念设计效率的提高和设计方案的新颖性、可行性，不仅可以大大地缩短产品生产周期，而且可以大大增强产品的市场竞争力。因此，产品概念设计在产品设计开发过程中具有重要的地位，正受到国内外研究学者越来越多的重视，深入开展对先进的概念设计理论、方法和技术的研究，具有重要的意义。自Pahl和Beitz于1984年在EngineeringDesi助一书中提出概念设计这一名词以来，人们已经对概念设计进行了二十多年的研究。Phal和Beitz将概念设计定义为：在确定任务之后,经过抽象化，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,这一部分设计工作叫概念设计。北京航空航天大学邓家提等在分析概念产品的基础上将概念设计定义为：概念设计是由分析用户需求到生成概念产品的一系列有序的、可组织的、有目标的设计活动，它表现为一个由粗到精、由模糊到清楚、由抽象到具体、不断进化的过程。产品概念设计包括概念设计方案生成和概念设计方案评价两个主要阶段，其中的关键技术包含有产品信息建模、推理技术、方案评估等方面。信息建模技术主要是建立设计过程中从功能需求到功能结构映射过程中各个关键节点之间的信息表示、关系及约束，并将设计过程信息以一定的形式存储在计算机中，便于计算机实现推理，搭建人机沟通的桥梁。设计者通过对系统总功能进行分解，降低总功能的复杂度，得到逻辑关系清晰、复杂度较低的子功能，在此基础上将子功能进行组合，构成从系统总功能到子功能的功能结构。目前，在概念设计过程模型方面，麻省理工学院的Suh教授提出了一种基于公理设计理论的概念设计模型。该模型将涉及世界分为四个域：用户域、功能域、物理域和过程域。并将设计关系用独立公理和信息公理来表达。Buur等人提出了功能方（Function-Means- tree）模型。在此模型中，功能由方法实现，方法描述了功能可以实现的具体途径。1.3 公理设计理论概述由于设计理论与方法在产品设计开发中的重要作用，因此，加强对产品设计理论与方法的研究有着十分重要的意义。目前，许多学者都致力于该领域的研究。到目前为止，己经形成了众多的设计理论与方法，如系统化设计理论、通用设计理论、泛设计理论、公理设计理论、创新问题解决理论、并行设计、协同设计、智能设计、面向对象的设计、优化设计、可靠性设计、稳健设计、可持续设计等等。下面就公理设计理论与方法进行简述。公理设计理论。公理设计(AsiomaticDesign，AD)理论是由美国麻省理工学院SuhNP教授首次提出的，它是关于产品设计的基本理论，其目的是为设计建立一个科学模式，为设计人员提供一个基于逻辑和理性思维过程及工具的理论基础来进行设计或改进设计活动。AD理论提出了两条设计公理：独立公理和信息公理。应用该理论进行设计是一个自顶向下的过程，它为产品从概念设计到制造的整个过程提供了实用性指导框架。两条设计公理为设计过程的合理性与优劣性、设计方案的好坏提供了有效的评价标准，能够指导设计者尽可能早地淘汰不好的设计而集中精力于较好的设计上，从而提高了设计的效率。此外，它还提供了设计分解过程的形式，使系统设计的流程更加清晰，克服了在设计初期对设计目标把握模糊不清的不足。产品设计理论与方法是在深入研究产品设计实践和设计实验的基础上，通过对产品设计过程的本质进行总结，用科学的、系统的方法表达和分析产品的设计过程。在对设计理论及方法的研究过程中，由于研究背景和知识结构的不同，各种设计理论与方法研究的侧重点各不相同，使得不同的设计者对设计理论与方法有不同的理解和认识，从而得出了对设计理论与方法不同的表达和描述，但其本质都是为了使设计思想和过程更具有合理性和科学性，目的都是为了提高产品设计的效率，提高设计水平和质量，设计出功能更全面、性能更优良、成本更低廉、更能满足用户需求、更能满足日趋激烈的市场竞争需要等的产品。但是，迄今设计还是没有成为一种完整的理论体系，还处于不断的摸索阶段，诸多的设计方法和工具由于缺乏科学基础一直不能使设计成为一门科学。近些年来，有关AD理论及应用的研究得到各国学者越来越广泛的关注。AD的一系列基本理论和方法为设计提供了理论框架及评判标准，能够指导设计者在设计过程中做出正确的决策，减少了设计过程的复杂性，并且使得设计活动系统化、逻辑化和理性化。AD理论是使设计学能成为大多数人所掌握的一门设计科学的理论和方法，它并非某种具体的算法和工具，利用AD理论进行设计，可以增强设计的创造性、设计方案的稳定性和产品的可制造性、可维护性AD旨在使设计者更具创新性、减少搜索过程的随意性，最小化设计的重复迭代过程。以AD为主的理论使设计学走上了科学化的道路，克服了传统设计方法以经验、对比为设计基础的缺点。复杂产品的设计过程也可视为一个思维迭代过程，也就是说是经过多次反复，逐步细化和深化而完成的。AD提供的具体实施阶段符合概念设计的过程，因此利用AD理论能使得概念设计过程细化，具有可实施性，AD理论可作为进行机械产品概念设计的有效工具。公理设计将设计问题概括到四个域：用户域(Consumer Domain)、功能域(Function Domain)、结构域(Physical Domain)和过程域(Process Domain)，这四个设计域之间存在相互映射关系如下图1.1所示：PVDPFRCA 用户域 功能域 物理域 过程域图1.1 公理设计中的四个域及映射关系左边的域表示想要实现的目标,右边的域表示实现左边域要求的方法。(1) 用户域：表示用户对产品属性的要求和期望，用CN表示；(2) 功能域：表示设计方案所要实现的一系列功能需求的集合，用FR表示；(3) 物理域：表示设计方案中满足功能域FR要求的设计参数集合，用DP表示；(4) 过程域：表示确定相应工艺变量的集合,用PV表示。其中功能域与物理域间映射、层级关系如图1.2所示。DP0FR0DP2DP3DP1FR3FR2FR1FR21DP22DP21FR22FR211FR212DP212DP211图1.2 功能域与物理域间映射与层级图1.4 方案推理方法系统的方案推理技术主要是研究功能与结构之间映射的具体方法，从而生成并输出完整的设计方案。目前，方案推理技术主要是基于产品信息模型进行研究的，其研究热点是概念设计的方案自动生成问题。典型的方案推理方法包括：基于神经网络的方案推理技术、基于遗传算法的方案生成技术、基于域结构模板的方案生成算法等。方案推理主要利用总功能和分功能之间、各分功能之间的定性或定量的映射关系，模仿人类的常识进行推理。忽视所描述问题的次要因素及不确定性因素，借助各种规则和映射关系描述问题，得到系统问题的解决方案。1.5方案评价方法在概念设计推理得到多组设计方案之后，需要根据一定的准则和方法选取其中最优的一组方案来进行详细设计。产品的方案评价技术就是对设计过程中产生的多组方案按照一定的准则和方法进行评价和排序，并最终确定方案选择依据的过程。国内外学者充分认识到方案评价问题的重要作用，并对其进行了大量研究，提出了各种设计方案评价的方法。层次分析法（AHP）是由美国学者T.L.Saaty于1973年提出的目前最为广泛应用的设计方案优选方法，它是将评价者的定性分析定量化的有效工具。于上世纪80年代，由他的学生将此分析方法引入我国。该方法将定性分析与定量分析相结合，将评价者的思维过程数学化。模糊数学这种处理不确定性信息的理论是1965年由美国自动控制专家Zadeh L.A.提出的。在设计方案评价方面，主要的方法为模糊综合评判法。Thurston等采用模糊评价方法，用模糊语义值表示权值和设计准则，从而得出方案的模糊优序关系。汪利等人利用三级模糊综合评价方法对机械运动方案进行了优选。灰色关联分析法(Grey Relational Analysis, GRA)是灰色系统理论在方案评价领域的应用。它根据因素之间发展趋势的相似或相异程度，即灰色关联度，作为衡量因素间关联程度的依据。2 公理化工业机械手概念设计方案评价技术在设计过程中一般可以得到多个符合条件的设计方案，在这种情况下，设计人员有必要使用方案评价方法对多个设计方案进行筛选，得到最优方案。本设计基于公理设计理论，提出了一种公理化的方案评价指标设计方法。利用灰色层次分析法，建立了工业机械手概念设计方案评价模型，在此基础上，根据用户需求通过对方案元的选择（用VB编写可视化界面实现）调用内部编写的程序进行方案的生成，以此对设计方案进行评价，筛选出其中最优方案（这里也是通过程序实现）。工业机械手概念设计方案评价技术的思路是：首先，根据调研所得的数据，结合技术专家、制造商、运营商、用户等方面的需求，获得工业机械手概念设计方案的用户需求；其次，运用公理设计理论对用户需求进行公理化表示，获得参数化的具有可操作性的设计方案评价标准；最后，利用灰色层次分析法为每个评价标准规定权重及数量值，建立公理化的工业机械手概念设计方案评价模型。2.1公理化设计方案评价流程分析为了在众多的备选方案中正确选出最优方案，需要在足够的评价信息的基础上利用适当的评价方法进行评价。目前，方案评价与系统评价趋向于同一概念，不以行为决定为目的的方案评价是没有意义的。通常情况下，方案评价的目的是让设计者和评价者都能更好的认识设计方案，从而得出可以最大程度满足用户需求的设计方案，并对后续的决策工作提供依据。2.1.1方案评价指标的设计原则在制定评价指标时，要尽量站在客观的立场进行分析，综合考虑设计方案的使用者、开发者抑或第三方等的需求，这对于评价出的设计方案实现最优化有直接的影响和关系。对设计方案的评价应当贯穿于产品全生命周期中的各个时段，在产品开发设计方案的早期阶段，应该进行初期评价，以求达到对概念设计方案进行优化选择的目的；产品开发过程中需要进行期中评价，在此过程中，随着产品的实际开发，往往会暴露出设计方案的一些问题，良好的评价可以及早发现问题并采取必要的对策，将可能出现的问题及早解决，有利于减小损失；产品试制成功之后需要进行终期评价，主要通过产品试车来判断产品各项性能指标是否能符合评价标准的要求，以确保产品合格；最后，在产品使用过程中还应当定期跟踪评价，了解产品的实际使用效果，反馈用户信息，以利于提高产品质量，改进产品性能。评价指标的确定涉及多方面的内容，总体上是根据产品的实际应用情况和评价目标综合考虑的，主要要求有以下3个方面：（1） 评价指标要符合评价目的的要求；（2） 各个评价指标之间尽量做到相互独立，并在整体上构成完整的评价体系，综合评价设计方案的各个方面性能；（3）尽量减小评价指标的总数，降低评价过程的负荷。通常情况下，某设计方案是多目标的，其在不同方面均要达到一定的目的，这种情况下，方案评价指标也是多维的，而一般情况下不同评价指标的度量方法也是各不相同的。多目标设计方案评价问题一直是方案评价问题的重点和难点。在多目标情况下，需要确定方案不同目标所对应的评价指标，而后通过权重设置确定每个评价指标的相对重要程度。2.1.2设计方案评价的知识体系层次分析法是由美国学者A.L.萨迪于1973年提出的一种设计方案的评价方法，于上世纪80年代，由他的学生将此分析方法引入我国。该方法将定性分析与定量分析相结合，将评价者的思维过程数学化。层次分析法评价设计方案的基本思路是设计人员将复杂的设计方案进行分解，划分为不同层次，在每一层次上对各要素之间进行比较、评价，得到各个方案的重要度数值，从而为选择最优方案提供依据。灰色系统理论是研究灰色系统的建模、分析、评价和控制等活动的系统理论。1982年我国学者、华中理工大学自动控制与计算机系的邓聚龙教授发表了“灰色系统的控制问题”及“灰色控制系统”两篇论文，标志着灰色系统理论的建立。灰色系统理论着重研究“外延明确，内涵不确定”的不确定性问题。2.1.3方案评价技术的实现流程层次分析法的优势在于确定设计因素指标权重，而灰色关联度分析则擅长于建立评价矩阵模型。而对于评价指标本身的确立，长期以来主要是基于设计经验进行的制定和筛选，缺乏统一的理论方法对评价指标进行设计。对于不同的设计人员，得出的结果可能会有所不同，对方案评价的准确性造成了一定的影响。公理设计理论是一种用户需求驱动的设计理论，它在用户需求和最终设计参数之间建立起有效的推理关系，可以在工业产品、软件、制造系统以及理论设计等多种领域进行应用，有着极其广泛的实际价值。图2.1 公理化框架下的灰色层次分析方案评价流程本文将公理化方法引入工业机械手概念设计方案评价中，实现了一套客观全面的设计方案评价技术。基于公理设计理论，提出了一种公理化的方案评价指标设计方法。在此基础上，利用层次分析法确定各因素指标的权值，并利用灰色系统理论建立设计方案评价矩阵。最后，利用该方案评价方法对前面设计过程中得到的工业机械手概念设计方案进行评价，确定最优方案。本文建立的公理化框架下的灰色层次分析方案评价技术的实现流程如图2.1所示。其中，顶部虚线框表示评价指标的公理化设计过程，底部虚线框则表示在评价指标确定之后的灰色层次分析过程。2.2 设计方案评价指标的公理化设计2.2.1评价指标的公理化映射过程本节采用公理设计的基本思路，对防腐蚀设计方案评价指标进行公理化描述，通过从用户域到过程域的参数映射过程，得到公理化条件下的方案评价指标。首先根据用户的设计需求，对方案评价的判断标准进行公理化描述，形成用户域CA。将用户域CA映射到功能域，从而确定功能需求FRs和相应的约束Cs，得到功能需求后，就在功能实现的基础上明确了用户域，主要是确定了怎样的功能可以满足用户需求，此处指方案评价中具体的一级评价指标。然后需对功能域中的一级评价指标进行多层分解，直至获得具有可操作性的参数层。确定功能域之后，需对其不同层次上的功能需求进行从功能域FRs到物理域DPs的映射，找到与功能需求相对应的具体实现方法，并通过参数化的形式表示。在得到物理域的设计参数之后，需要进行物理域到过程域的映射，实现从物理设计参数DPs到具体实施过程PVs的映射，得到实现参数所需的具体方法，完成设计的实施过程。满足功能需求的设计方案FRs一般都会成组出现，在此情况下需要根据公理设计理论中的信息公理进行筛选，选择信息量最小的方案。需要注意的是，此过程是一个多次迭代的过程，对不同层次的功能需求进行物理域的映射，并不断改进物理域中的参数，以更好的实现功能需求。图2.2 公理设计理论中的域及其之间的映射关系（1）用户域的确定：利用公理设计理论，对设计方案评价指标进行综合分析和公理化描述，对确保方案评价标准的客观和全面起到有效的促进作用。本文根据相关的统计数据和有关文献，确定机械手概念设计方案评价从技术性能、经济性能和环境性能3各方面考虑，运用公理设计理论进行不断的分层细化，将评价标准不断细分，直至得到最终的可以量化评价的技术指标。以下为实现工业机械手设计方案评价的指标确定的详细层次分解过程。 第一层FRs到DPs的映射：将第一层防腐蚀设计方案评价标准制定为：技术性能、经济性能和环境性能。然后将其映射到物理域得到相应的参数。第一层评价指标FRs到DPs的映射如表2.1所示，其相应的设计矩阵为式(2-1)。表2.1 第一层FRs到DPs的映射FRs分解及其DPs映射FR1技术性能DP1技术性能评价指标FR2经济性能DP2经济性能评价指标FR3环境性能DP3环境性能评价指标 (2-1)由设计矩阵(2-1)为对角矩阵可以看出，此处设计的一级评价指标是解耦的，满足独立公理。 第二层FRs到DPs的映射：FR1分解及其到DPs的映射：对于评价指标FR1“技术性能”这个功能需求，为了得到量化的可操作性指标，需要继续对其进行分解。此处将FR1分解为原理性能FR11和工艺性能FR12两个性能指标，其中，原理性能指其在设计原理方面的技术性能，而工艺性能是指在技术实现阶段的评价指标。然后将FR11和FR12分别映射到物理域，用具体参数来表征设计方案的原理性能和工艺性能。第二层评价指标FR1到DPs的映射如表2.2所示，其相应的设计矩阵为式(2-2)。表2.2 第二层FR1到DPs的映射FR1分解及其DPs映射FR11原理性能DP11原理性能评价指标FR12工艺性能DP12工艺性能评价指标 (2-2) 由设计矩阵(2-2)为对角矩阵可以看出，此处设计的二级评价指标是解耦的，满足独立公理。FR2分解及其到DPs的映射。对于评价指标FR2“经济性能”这个功能需求，为了得到量化的可操作性指标，需要继续对物理域中的性能参数进行分解。此处将经济性能FR2映射到物理域上分为执行机构工艺占工程总投资比重DP21和辅助维护占总成本比例DP22等两个性能指标参数，其中，分别从工程总体投资比例及后续维护等成本方面考虑了设计方案的经济性能。通过以上两个指标参数，达到了对设计方案经济性能的全面评价。第二层评价指标FR2到DPs的映射如表2.3所示，其相应的设计矩阵为式(2-3)。表2.3 第二层FR2到DPs的映射FR2分解及其DPs映射FR21资金分配合理性DP21执行机构占工程总投资比重FR22维护成本DP22辅助维护占总成本比例 (2-3) 由设计矩阵(2-3)为对角矩阵可以看出，此处设计的二级评价指标是解耦的，满足独立公理。FR3分解及其到DPs的映射对于评价指标FR3“环境性能”这个功能需求，为了得到量化的可操作性指标，需要继续对物理域中的性能参数进行分解。此处将环境性能FR3映射到物理域上分为对环境的影响性DP31、环境适应能力DP32这两个性能指标参数，其中，分别从工程对环境的影响以及适应环境的能力两方面考虑了设计方案的环境性能。通过以上两个指标参数，达到了对设计方案环境性能的全面评价。第二层评价指标FR3到DPs的映射如表2.4所示，其相应的设计矩阵为式(2-4)。表2.4 第二层FR3到DPs的映射FR3分解及其DPs映射FR31环境影响性能DP31对环境的影响性FR32环境适应性能DP32适应环境的能力 (2-4) 由设计矩阵(2-4)为对角矩阵可以看出，此处设计的二级评价指标是解耦的，满足独立公理。 第三层FRs到DPs的映射。FR11分解及其到DPs的映射：将第二层的评价指标FR11“原理性能”进一步分解，得到量化的可操作性指标。第三层评价指标FR11到DPs的映射如表2.5所示，其相应的设计矩阵为式(2-5)。表2.5 第三层FR11到DPs的映射FR11分解及其DPs映射FR111手部结构可靠性DP111手部结构合理性FR112手部结构实施难度DP112手部结构复杂性FR113腕部结构可靠性DP113腕部结构合理性FR114腕部结构实施难度DP114腕部结构复杂性FR115臂部结构可靠性DP115臂部结构合理性FR116臂部结构实施难度DP116臂部结构复杂性 (2-5) 由设计矩阵(2-5)为对角矩阵可以看出，此处设计的三级评价指标是解耦的，满足独立公理。FR12分解及其到DPs的映射：对于第二层的评价指标FR12“工艺性能”这个功能需求，为了进一步得到量化的可操作性指标，需要对其继续进行分解。此处将FR12分解为手部维护难易度FR121，腕部维护难易度FR122和臂部维护难易度FR123三个性能指标。其中，分别对手部，腕部和臂部维护工作的难易度两个方面对设计方案的工艺性能指标进行评价，然后将其分别映射到物理域。第三层评价指标FR12到DPs的映射如表2.6所示，其相应的设计矩阵为式(2-6)。表 2.6 第三层FR12到DPs的映射FR12分解及其DPs映射FR121手部维护难易度DP121手部维护工艺性FR122腕部维护难易度DP122腕部维护工艺性FR123臂部维护难易度DP123臂部维护工艺性 (2-6) 由设计矩阵(2-6)为对角矩阵可以看出，此处设计的三级评价指标是解耦的，满足独立公理。2.2.2 公理设计框架下的设计方案评价指标 概念设计中，公理设计中常用的两种表达方式为设计矩阵以及分层组织结构图。方案评价公理设计矩阵 DP1 DP2 DP3 DP11 DP12DP21DP22DP31DP32123456123执行机构比重辅助维护比例对环境的影响性适应环境的能力手部结构合理性手部结构复杂性腕部结构合理性腕部结构复杂性臂部结构合理性臂部结构复杂性手部维护工艺性腕