（机械电子工程专业论文）基于知识的机械产品快速创新设计研究.pdf

摘要 为了实现对产品的快速创新设计。本文针对产品概念设计的特点， 建立了基于知识的产品设计系统和快速生成产品方案模块 首先，对产品设计过程、产品概念设计过程进行了分析，给出了 一般产品概念设计过程模型，并以此为基础，从功能分解重构的角度 对概念设计阶段的创新途径进行了分析 为了解决在概念设计过程中，功能一结构直接映射存在的不确定 性、病态性、多解性等问题，采用了基于功能表面的知识表示方法： 在广义定位原理的基础上，提出了基于广义定位模式的面向表面特征 的分类编码体系 根据以上的理论基础，建立了一个基于知识的机械产品设计系统 在系统的知识库构建上，采用面向对象的编码规则对知识进行表示和 存储，建立了功能模式库、壳体库和方案库在从功能一结构的映射 中采用了基于遗传算法的分层检索方式，实现实例的精确匹配。通过 概念结构的实体匹配功能，实现了由概念设计到详细设计的自然衔接 提出了基于神经网络与约束相结合的创新设计方案的自动评价方法 为了实现产品的快速创新设计，在壳体库的基础上，建立了快速 生成产品方案模块该模块融合了设计者经验，大大缩短了设计周期， 提高了设计效率 最后，阐述了系统的功能、模块设置、系统开发技术和运行环境 并以探照灯为例，详细介绍了基于知识的概念设计过程：以虎钳夹具 为例，演示了在运用快速生成产品方案模块进行设计时的知识获取，验 证了本文理论研究与技术实施的正确性和有效性 关键词：功能表面实例编码知识获取方案评价快速创新设计 山东大学硕士学位论文 a b s tr a c t a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i co fp r o d u c tc o n c e p t u a ld e s i g n ，a p r o d u c td e s i g ns y s t e ma n dt h ef a s tp r o d u c t i o np r o d u c tp l a nm o d u l eb a s e d o nt h ek n o w l e d g eb a s ea r ee s t a b l i s h e df o rt h ef a s ti n n o v a t i o nd e s i g no f p r o d u c t t h ec o n c e p t u a ld e s i g np r o c e s sm o d e lo fc o m m o np r o d u c ti sp u t f o r w a r db a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ep r o c e s s e so fp r o d u c td e s i g na n d p r o d u c tc o n c e p t u a ld e s i g n w i t h t h i sm o d e l ，t h ei n n o v a t i o nd e s i g n m e t h o d o l o g y i s a n a l y z e db y t h em e t h o do f d e c o m p o s i n g a n d r e c o n s t r u c t u r i n go ff u n c t i o n i n0r d e rt ore s o l v et h ep r o b l e m si nco n c e p t u a lde s i g np r o c e s s ，su c h a sn o n d e t e r m i n i s m ，t h em o r b i ds t a t ea n dm u l t ik e ye x i s t i n gi nt h e f u n c t i o ns t r u c t u r ed i r e c tm a p p i n g ，t h ek n o w l e d g ee x p r e s s i o nm e t h o d b a s e do nt h ef u n c t i o ns u r f a c ei sa p p l i e d t h es u r f a c e c h a r a c t e r - o r i e n t e d c l a s s i f i c a t i o nc o d es y s t e mb a s e do dt h eg e n e r a l i z e dl o c a l i z a t i o np a t t e r ni s p r o p o s e da c c o r d i n gt ot h eg e n e r a l i z e dl o c a l i z a t i o np r i n c i p l e b a s e do nt h et h e o r ym e n t i o n e da b o v e ，t h em e c h a n i c a lp r o d u c td e s i g n s y s t e mb a s e do nk n o w l e d g ei ss e tu p t h ef u n c t i o nm o d es t o r e h o u s e ，s h e l l s t o r e h o u s ea n ds c h e m es t o r e h o u s ea r ef o u n d e dt oe x p r e s sa n ds t o r et h e k n o w l e d g eb yt h eo b j e c t o r i e n t e dc o d er u l ed u r i n gt h ec o n s t r u c t i o no f s y s t e m i cr e p o s i t o r y t h e h i e r a r c h i c a ls e a r c hb a s e do n h e r e d i t a r y a l g o r i t h mi su s e dt op r o m i s et h ea c c u r a c yo ft h ei n s t a n c em a t c hd u r i n g t h em a p p i n gf r o mf u n c t i o nt os t r u c t u r e b yt h ef u n c t i o no fc o n v e r t i n g c o n c e p t u a lp r o j e c tt od e t a i lp r o j e c t ，t h es y s t e ma c c o m p l i s h e sn a t u r a ll i n k f r o mc o n c e p t u a ld e s i g nt od e t a i ld e s i g n t h ec o m p r e h e n s i v ea p p r a i s a l s y s t e mi ss e tu p ，w h i c hc o m b i n e sn e u r a ln e t w o r k w i t hr e s t r i c t i o n i no r d e rt or e a l i z et h ep r o d u c tf a s ti n n o v a t i o nd e s i g n ，t h em o d u l eo f p r o d u c ep r o d u c ts c h e m ef a s t i ss e tu pb a s e do ns h e l ls t o r e h o u s e t h e d e s i g n e r se x p e r i e n c e sa r es y n c r e t i z e db yt h i s m o d u l et os h o r t e nt h e d e s i g nc y c l eg r e a t l ya n di m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c y 1 1 f i n a l l y ，t h ef u n c t i o n s ，m o d u l es e t t i n g ，t e c h n o l o g i e sa n dr u n n i n g e n v i r o n m e n to fs y s t e ma r ee x p a t i a t e d w i t ha ne x a m p l eo fs e a r c h l i g h t ，t h e c o n c e p t u a ld e s i g np r o c e s sb a s e do nk n o w l e d g ei si l l u s t r a t e di nd e t a i l s w i t ha n o t h e r e x a m p l e o fv i c e j i g ，t h ek n o w l e d g ea c q u i s i t i o n i s d e m o n s t r a t e db yt h em o d u l eo ff a s tp r o j e c tp r o d u c i n g t h ec o r r e c t n e s s a n dr a t i o n a l i t yo ft h et h e o r yr e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no ft e c h n o l o g yi s v a l i d a t e d k e y w o r d ：f u n c t i o ns u r f a c ee x a m p l ec o d e k n o w l e d g eg a i n p l a n a p p r a i s a l f a s ti n n o v a t i o nd e s i g n i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：兰 亟望玺 日期： 盥堑垒 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签髫面期：趑垃f 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的背景和意义 9 0 年代以来，随着现代科技特别是以计算机技术为代表的信息技 术的迅猛发展，产品的社会需求发生了极为深刻的变化，以知识为基 础的新产品将是2 l 世纪全球化制造环境下企业技术竞争的核心。面对 激烈的市场竞争，世界各国普遍重视提高产品的设计水平，以增强产 品竞争力而提高产品竞争力的最有效途径就是产品的创新，其中产 品概念设计阶段的创新是产品创新的关键因此，重视创新设计、重 视产品概念设计阶段的创新是提高产品竞争力的根本途径。 产品全生命周期中处处贯穿着知识的应用，实际上产品开发的每 一步都渗透着设计者的知识和经验，渗透着设计的原理、规范、规则。 可以说任何一个产品都是专家经验不断积累总结的产物，不能积累、 获取、再利用这些知识将是一种极大的浪费基于知识的c a d 发展新 阶段，就是应用知识工程理论和方法，将这些设计经验进行综合、提 炼、改进和组织，以形成智能化的设计系统，并可以不断的扩展知识， 以适应产品快速创新设计的发展需要 基于知识工程( k b e k n o w l e d g eb a s e de n g i n e e r i n g ) 的c a d 技术 是c a d 领域的前沿技术，是c a d 技术发展的新阶段它是通过知识 驱动和繁衍对工程问题提供最佳解决方案的计算机集成处理技术，是 领域专家知识的继承、集成、创新和管理；是计算机辅助设计技术( c a d ) 与人工智能( a d 技术的集成。它将人工智能( 包括知识库、知识规则， 逻辑推理等) 与c a d 设计系统有机地结合起来，使其应用对象从几何 造型、分析、制造延伸到工程设计领域它最基本的含义就是寻找并 记录不同工程、设计和产品配置的知识，并且对它加以理解、抽象、 描述、使用和维护【2 j 山东大学硕士学位论文 1 2 本领域研究成果及理论 1 2 1 快速创新设计的研究 机械系统创新设计的相关研究： ( i ) 颜氏创新理论 台湾成功大学的颜鸿森教授在结合十余年间从事机构创新工作的 基础上，提出了颜氏创造性机构设计法。该方法通过找出已有设计， 一般化运动链、数综合、特定化运动链等主要步骤进行创新颜氏创 造法结构严谨，思路清晰，易于计算机实现，从现有设计实例入手， 能够在前人基础上创造性地生成满足需求的机构，同时避免了和已有 专利发生冲突，具有很大的实用性 ( 2 ) 基于t r i z 理论的产品创新设计思路 t r i z 的含义是：发明问题的解决理论。它是由解决技术问题和实 现创新开发的各种方法、算法组成的综合理论体系。 t r i z 解决技术矛盾的关键是4 0 个发明创造所遵循的原理。在解 决技术问题时，当改善系统的某个属性时，往往会使系统中其它属性 恶化，这时便产生了系统矛盾对立例如：质量和强度、汽车和燃料 费等。通过对世界各国1 5 0 万件以上发明专利的分析，可以抽象出产 生系统矛盾对立的典型技术特性3 9 项而典型的系统矛盾对立只有大 约1 2 5 0 个左右，这些典型的系统对立均可用4 0 个发明创造原理中的 方法加以解决t r i z 理论适用于零部件产品的创新设计 ( 3 ) 基于k b e 的系统创新 p e n o y e r 认为：未来的计算机辅助设计系统将能为设计者提供一系 列贯串产品生命周期循环( p l c ) 的辅助工具知识工程系统将用于支 持产品生命周期的各个阶段，未来的产品设计系统应具有充分开放型 结构，用于和一系列k b e 软件进行集成，这种开发性的体系结构将能 充分利用c a d 、c a m 、c a e 、p 蹦等各类软件发展的最新技术进行新 产品的开发，同时满足并行设计各阶段信息交换的需求。在此基础上， 他提出了构造完整的、继承型的产品生命周期系统的构想，并指出： 实现p l c 体系结构的最有可能的技术将是灵活的浏览器形式的用户界 2 第l 章绪论 面辅之以丰富的数据库管理系统 创新是现代设计的灵魂。以知识为基础的产品创新竞争是2 1 世纪 初全球制造业竞争的核心，是商业成功的关键因素产品设计创新本 质上是知识的创新。中国工程院院士谢友柏曾提出，产品及其制造工 程中的信息和知识要素的增值将成为主宰新产品竞争力的决定性因 素，基于知识和信息网络的产品创新不仅已成为知识经济的重要支柱， 而且还是最活跃的驱动因素 1 2 2 产品设计中知识供应方法综述 知识供应1 4 1 是指将知识从知识源输送到知识用户的整个过程，主 要包括知识获取、传递及推理运用等阶段。现代设计离不开知识和知 识获取的活动，因此需要研究产品创新设计知识及其获取的理论和技 术。 为了建立产品设计知识模型，首先要研究一下设计所需要的知识 的分类从不同的角度知识有不同的分类从知识的作用分类有描述 性知识、判断性知识和过程性知识；从作用的层次来说可分为元知识、 经验知识、原理知识和常识性知识；按知识的抽象程度分，可将产品 设计知识分为经验性知识、定性知识、定量知识；按知识的来源及内 容分有以下几类：已有知识、市场信息、数字仿真或虚拟现实、物理 模型试验，样机试验及对已有产品的用户反映 知识供应要服务于产品设计，本文从知识载体及供应方法上将产 品设计知识区分为三类：领域知识、样本知识与隐性知识三者有机 构成了产品设计知识模型，必须对其进行分析与综合两方面的研究 领域知识可以用可阅读的文字符号来明确地表达或描述出来的知 识，具有容易理解与粒度相对较小的特点它包括两种基本类型：数 学模型与符号模型。数学模型是严格形式化的模型，它常用于建立产 品优化设计模型；符号模型主要包含用形式语言或自然语言描述的规 则知识 样本知识可以比喻为“黑箱”，它表达了人们解决问题的经验及 种种相关情节，它内部的知识往往是蕴含的它主要包括两种基本类 型：产品实例与人工神经网络 3 山东大学硕士学位论文 在这三种知识中，只有隐性知识是人类智能所独有，它是指存储 于人的大脑的很难外化或尚未外化的知识，包括专家的直觉、灵感与 智慧等。 不同类型的知识密切相关。首先，某种类型知识可由其它类型的 知识来描述，比如，研究基于面向对象技术采用框架和规则混合表达 来描述实例；其次，不同类型的知识可以相互嵌套，专业文献中往往 同时包含有自然语言，图表，公式，多媒体文档还可链接神经网络与 产品设计实例等，或者它们组合成集成的知识表示最后，不同类型 的知识可以转化，比如人工神经网络是一种模仿人类神经的数学模型， 但根据该模型确定结构并通过使用样本来训练后，能用于特定的用途， 就转化成了样本知识。 在符号模型中，自然语言模型需要转换成形式化语言模型才能为 计算机所理解、处理，计算机的自然语言理解过程也就是自然语言的 形式化转换过程。数学模型往往用过程来实现与形式化语言模型相 应的知识表示方法有：框架、语义网络、一阶谓词逻辑、面向对象、 产生式规则等等，每一种方法都适合于表示某一特定领域的知识相 应的知识推理方法有基于规则的推理，基于框架的推理，基于语义网 络的推理等。 语义网络最初用于知识模型构造和自然语言理解，随着研究的 进展，人们逐渐认识到它是描述知识间结构关系的有力工具，并且比 较有效地防止组合搜索的爆炸问题，可用于产品建模，比如产品装配 结构建模以及产品功能要求的表示 框架表示法最突出的特点是善于表达结构性的知识，且具有良好 的继承性和自然性。面向对象的知识表示方法，是在框架知识表示的 基础上，应用面向对象概念定义的一种知识表示方法面向对象技术 的基本特点是对象的模块性、封装性和继承性，而机械产品常有模块 化、层次性、可分门别类，结构及参数与其功能存在对应关系而产生 的封装性特点，因此面向对象的知识表示十分符台产品设计时的人类 思维习惯。因此面向对象的知识表示方法己较多地用于产品设计专家 系统中。 基于实例推理的思想来源于人类根据相似经验解决当前问题的思 维方式。产品设计问题往往涉及大量的领域相关的知识和求解技巧， 4 第1 章绪论 这些知识和技巧随着设计者的经验、习惯及设计条件的不同而不同， 往往很难抽象出通用的表示因果关系的规则，且领域专家往往只能描 述设计的经验而不是抽象出设计的规则而基于实例的直接利用以往 的设计结果( 实例) 进行推理，从而大大减少知识获取的工作量，在一定 程度上可以解决知识获取“瓶颈”问题。 实例检索是基于实例推理的主要步骤之一，是影响整个系统效率 的重要因素，它是根据问题描述找出与当前设计最相似的先前实例 实例检索可以是模糊的，可以选择多种特征变量用于匹配，问题描述 中的变量值可与匹配实例中的不同，条件和约束可以不完全满足因 此在信息不充分不确定的条件下也可以进行推理，并得到较接近的解 人工神经网络是8 0 年代末迅速发展起来的一门新兴科学，是一种 具有实时学习与知识获取能力的人工智能计算法。首先，由于人工神 经网络中神经元个数众多以及整个网络存储信息容量的巨大，使得它 具有很强的不确定性信息处理能力即使输入信息不完全、不准确或 模糊不清，神经网络仍然能够联想出事物的完整图像只要输入的模 式接近于训练样本，系统就能给出正确的推理结论。其次，人工神经 网络具有自组织、自适应和并行处理等特点以及很强的输入输出非线 性映射能力和易于学习和训练的优点，减少了知识获取的难度 1 2 3 基于知识的产品设计技术 基于产品特征知识设计方法的主要特点是：用计算机能够识别的 语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验，建立相应的知 识库及推理机，再利用已存储的领域知识和建立的推理机制实现计算 机辅助产品的方案设计 1 2 3 1 专家系统及其知识获取 专家系统技术是人工智能中面向应用的重要分支之一首先它是 人工智能的范畴，与传统的计算机程序重点是研究算法、建立数学模 型不同，它的技术基础是人工智能的知识表示技术和问题求解技术。 知识和推理构成专家系统的两大要素专家系统与一般人工智能系统 又有所区别。最重要的特征是它的研究对象不是普通人的智能，而是 某个领域具有技术特长的专家在解决专门问题的本领。它把所选择的 山东大学硕士学位论文 专家称为领域专家，而建造专家系统的计算机技术人员或人工智能工 作者称之为知识工程师正因为它的研究对象是专家，因此f 4 j ， ( 1 )所建立的系统必须实用，像专家那样能够真正解决具体实际问题， 发挥真正的作用。在建造专家系统前，必须有明确的实际应用目标。 ( 2 )所建造的系统要具有专家解决该问题的本领要能模仿他，最好 在某些方面超过他当然按目前人工智能和专家系统的发展水平，在 高级心理灵感性的决策方面还很难达到专家水平 ( 3 )它不是通用的百科全书，而是面向某个特定问题，所选的知识范 围是限定的。系统运行机制也是按着专家在解决该问题的特定思考方 式。因此它不是“通用求解器” ( 4 )专家系统服务的对象( 即用户) 一般是该特定领域水平不高，能力 较差，希望从该系统得到帮助的人们因此，系统不能像通常数学模 型求解那样的“黑箱”型，要有透明度、信任感像数据库和管理信 息系统的核心是数据，专家景统的核心是知识。所以专家系统又常称 为知识基系统，或基于知识的系统( k n o w l e d g e b a s e ds y s t e m ) 。 在专家系统中把通常的数据、公式、方法、经验以及信息等均看 作为知识。围绕着知识，专家系统最基本的技术是研究知识的表示、 知识的运用、知识的获取等。具体来说，就是知识工程师通过知识获 取手段，将领域专家解决特定问题的知识采用某种知识表示技术编辑 成或自动生成某种特定表示形式，存放在知识库中，然后用户通过人 机交互接口输入信息、数据或命令，并借助数据库等，运用推理机构 控制知识库和整个系统工作，得到问题的求解结果 知识是专家系统的核心在专家系统中，知识库就像人的大脑， 存储着指定的全部知识知识库的建造通常是知识工程师与领域专家 密切配合的结果领域专家自身或知识工程师与领域专家共同整理总 结领域的知识和他们的实际知识、经验、模型及研究成果等，按所建 专家系统规定的知识表示形式，整理成一个个知识单元，放入知识库， 这种过程称之为知识获取知识获取与知识表示、知识运用是建造一 个专家系统的三个关键技术。知识表示是解决知识的存在形式问题， 知识运用是解决知识的操作运行问题，而知识获取则是解决知识的来 源问题。知识获取是研究如何从知识源去获得本专家系统解决某特定 问题需要的各种知识。知识源，即知识的来源，可以是专家或技术人 6 第1 章绪论 员，也可以是书本、资料，也可以是许多实际试验数据与事例等等 知识获取不像知识表示、知识运用有多种理论技术，往往不被人们重 视。实际上，它是建立专家系统十分重要而又相当困难的环节，它往 往关系到专家系统成败的关键 但是现有的专家系统的知识获取面临着困难，主要体现在以下几 个方面： 1 专家通常不会按照课本一类的条文来直接推理。通常，专家倾向于 利用一种模式化的方法，它依赖于对巨大知识分块或分组来快速认识。 在许多领域( 例如象棋) 中，这是专家系统的重要方面，它来自于专家 通过多年的经验积累所形成的大量已汇编过的知识。这些知识使专家 以本能的反应来快速对问题做出响应而不必过多考虑细节步骤。 2 专家的知识是下意识的储存的。不幸的是虽然这增加了专家的能 力，但同时它也使专家更难以解释处理问题的活动。( 同样道理，一个 已汇编知识的专家系统难于解释它的活动。) 3 专家发现他比初学者更难于解释自己的活动因为专门技术时常来 源于专家难以描述的潜在意识知识。 4 专家系统处于一个相对封闭的环境，没有不断更新的知识去充实它 们。 1 2 3 2 基于知识的原理方案设计技术 机械系统的方案设计主要是依据产品所具有的特征，以及设计领 域专家的知识和经验进行推理和决策，完成机构的型、数综合。欲实 现这一阶段的计算机辅助设计，必须研究知识的自动获取、表达、集 成、协调、管理和使用。为此，国内外设计学者针对机械系统方案设 计知识的自动化处理做了大量的研究工作，采用的方法【6 】可归纳为以 下几种： 1 编码法 邹慧君等根据“运动转换”功能( 简称功能元) 将机构进行分类，并 利用代码描述功能元和机构类别，由此建立起。机构系统方案设计专 家系统”知识库。在此基础上，将二元逻辑推理和模糊综合评判原理 相结合，建立了该“专家系统”的推理机制，并用于四工位专用机床 的方案设计中。 2 知识的混合型表达法 7 山东大学硕士学位论文 针对复杂机械系统的方案设计，采用混合型的知识表达方法描述 设计中的各类知识尤为合适，这一点已得到我国许多设计学者的共识 钟佩思等在研制复杂产品方案设计智能决策支持系统d m d s s 中， 将规则、框架、过程和神经网络等知识表示方法有机地结合在一起， 以适应设计中不同类型知识的描述胡维刚，李海燕等将多种单一的 知识表达方法( 规则、框架和过程) ，按面向对象的编程原则，用框架的 槽表示对象的属性，用规则表示对象的动态特征，用过程表示知识的 处理，组成一种混合型的知识表达型式 3 设计目录法 姚致杨等构造了“功能模块”、“功能元解”和“机构组”三级递 进式设计目录，并将这三级递进式设计目录作为机械传动原理方案智 能设计系统的知识库和开发辅助工具 ： 4 基于实例的方法 孙造占等在研制设计型专家系统的知识库中，采用基于谓词描述 设计要求，设计条件和选取的方案，用框架结构描述“工程实例”和 各种“概念实体”，通过基于实例的推理技术产生候选解来匹配产品的 设计要求 本文在概念设计阶段采用了功能分解重构理论，在基于功能表面 的知识表示基础上，提出了基于广义定位模式的面向表面特征的分类 编码体系( 属于事物特征分类体系) ；同时采用面向对象的编程规则，建 立功能模式库、壳体库等知识库；利用基于遗传算法的分层检索方式， 实现功能零件到实体零件的精确匹配建立基于知识的产品设计系统 和快速生成产品方案模块，用神经网络与约束相结合的方法实现创新 方案的评价。 1 3 课题的提出及其研究内容 随着工业化水平的不断提高，人们对产品的多样化和个性化提出 了越来越高的要求，产品的更新换代的周期也越来越短。因此企业中 产品设计部门的工作量也越来越多，在这样一种背景下，工程设计人 员对提高产品设计效率的愿望也变得越来越迫切 第1 章绪论 立题依据： 进入9 0 年代以来国际制造业出现了虚拟制造、敏捷制造和智能制 造等新思想，对计算机辅助设计提出了更高的要求和希望原先那种 仅仅减轻设计人员绘图工作劳动强度的c a d ( c o m p u t e r a i d e d d r a f t i n g ) 概念已经远远不能满足时代的需要人们迫切希望在从设计到制造的 各个阶段都能够引入计算机来提高工作效率 近年来随着计算机的普及和计算机硬件技术的发展，原先只能在 工作站上运行的三维造型软件现在也逐渐被基于微机平台的新一代的 特征化造型的三维软件所取代，由于这些新一代的三维软件在价位上 只是以往的工作站软件的几十分之一，但是在功能上却实现了工作站 软件7 0 到8 0 的部分，所以在市场上受到了极大的欢迎。但是许多 设计人员在具体应用中也感受到这些新一代三维软件的不足之处，例 如：软件的功用主要是侧重于设计结构的图形表达，而对于设计过程 的计算机辅助工作则很少涉及，仍然是传统意义上的c a d 概念然而， 从具体的生产实际中我们可以知道，在整个产品设计过程中，包括从 原理设计到结构设计，这一部分的工作量要占到全部设计过程的7 0 以上所以说，单纯从设计结果的图形表达方面来考虑计算机辅助设 计的含义是不够的，在设计过程中引入计算机来提高工作效率同样是 一件很有意义的工作 从知识应用的角度来看，现在国内开发的以专家系统为核心的机 械设计系统仍然未能很好的解决设计知识的获取，计算机表示与处理、 工艺决策算法、方案评价等方面的问题，缺乏自我学习、解释与联想 等功能，因此无论是实用化还是智能化水平均不能满足要求。大多数 现有系统的知识表示方法单一，推理方法简单，只使用通用推理方式， 而很少考虑决策中一些自然的层次结构和特点，推理策略欠灵活，不 能发挥联想记忆与直观判断能力，因此解决问题能力差，也无法在系 统运行中实现自我优化与创新。 1 4 本文的组织结构 本文首先介绍了课题研究的背景、技术发展现状，然后介绍了创 新设计中的概念设计过程模块，对设计知识的表示、实例编码、知识 9 山东大学硕士学何论文 库和产品创新方案评价，基于知识的产品设计系统做了详细介绍最 后，用两个设计实例证明了本文工作的正确、有效性。论文组织结构 见图1 1 。 i l ll 剐新设计系统的设ii 快速创新设计中的知 创新设计的知识基于知识的产 l计过程模块li i 表示及实例编码 库及知识管理 品设计系统 lili 上 b a 】l 队d 系统介绍及系统运行实例i 图l o ! 论文组织结构 1 0 第2 章创新设计系统的设计过稃模块 第2 章创新设计系统的设计过程模块 2 1 创新产品设计过程的定义 产品设计过程是将产品市场需求映射成产品功能要求，并将功能 要求转化成能实现该功能要求的产品几何结构的过程 在产品设计过程中，从用户需求到最后满足解的获得设计产品， 有许多处于中问阶段的设计成果一状态。中间设计状态的形成过程， 在功能上表现为一系列设计步骤，称之为活动环节。活动环节从前到 后其抽象度不断降低，后续环节是前一环节的精化、进化与展开，从 而在宏观上表现为一连串相连的问题求解活动一产品设计过程 2 1 1 产品设计系统的模型表示 产品设计系统可用如下模型来表示，如图2 1 所示 m = i ，p ，q ，o ，r 式中：m 一产品设计系统： i o 一输入输出集，可为物质，能量，信息； p 一过程集，它包含有子过程元素p = ( p l ，p 2 ，p 3 ，p 4 ，) ； q 一状态集，它包含有子状态元素q = q i ，q 2 ，q 3 ，q 4 ， ， q 。与pj 对应： r 一映射集。r l ：q i q i + l ，它包含有子映射元素r = r t ，r 2 ，r 3 ， r 4 ， ，( i = 1 ，2 ，f i ) r i 与q i 对应； 状态经过映射发生转换，表现为子过程，即： 只= q 山q f + 。( i = 1 , 2 ，n ) 子过程的有机结合形成设计过程： p = 只( i 2 l ，2 ，n ) 扣i 输入经过设计过程得到输出：i x p q 山东大学硕+ 学位论文 p t ： i：!i；：】!捆i- 圉2 - 1 产品设计系统模型。 2 1 2 产品设计系统集合定义 针对具体情况，各集合的内容如下： i = 市场需求，材料，资金，设备，人员，法律标准化，经济性， 时间要求，社会，环境 = ( i i ，1 2 ，1 3 ； o = 图纸，说明书，信息，软件产品 ； p = 需求分析过程，概念设计过程，总体装配设计过程，详细设计 过程 = p i ，p 2 , p 3 , p 4 ； q = 需求技术说明，概念产品方案，三维总体装配模型，二维工程 图 = q i ，q 2 ，q 3 ，q 4 2 1 3 产品设计过程阶段划分 产品设计过程可大体概括分为四个阶段：需求分析过程，概念设 计过程、总体装配设计过程和详细设计过程，并相应产生四个阶段性 结果：需求技术说明、概念产品方案、三维总体装配模型和二维工程 图。如图2 - 2 所示 上述四个过程p l ，p 2 ，p 3 ，p 4 既有顺序上的逻辑性，又有相互之 间的重叠性，从而宏观上表现为一种并行设计模式 1 2 第2 章创新设计系统的设计过程模块 需求分析过程p i 概念设计过程p 2 ：详细设计过程p ： - i - - - - - d _ - - - - - - - - - - - - - - - - - + i i 需求技术说明概念产品方案三维总体装配模型二维工程图 图2 2 产品设计过程模型 2 2 产品概念设计过程的建模 2 2 1 产品概念设计中的问题讨论 根据目前设计理论，计算机技术以及相关科学技术的发展的现状， 可以认为：基于计算机的产品概念设计系统仍然属于一种计算机辅助 概念设计系统也就是说，产品概念设计目前仍然将主要是处理产品 概念设计过程中，那些相对有规律的人脑处理的设计工作( 步骤和流 程) ，它的创造性主要体现在依据规则和知识库对问题求解的分析综合 等方面。例如，它可以把若干个子解答穷尽组合成各种可能的方案， 从而提供人脑意想不到的组合方案而设计过程中那些对产品最富于 创造性的，最有价值的设计思想仍需由人脑主要来产生并被有机的， 实事的融合到设计过程中去。在这个意义上来说，计算机辅助概念设 计主要应属于适应性设计和变形设计的范畴，同理，计算机可以仿照 人，不仅可以给出设计的具体解，应还可以模仿人对设计过程中出现 的不确定状态加以调整，使之趋于有解，这是个相当复杂的与过程自 适应、自组织相关的问题，需专门加以深入研究。图2 3 对产品的概念 设计过程进行了层次化分析 山东大学硕七学位论文 用户蔫粥 折 翻2 - 3 声【品概念设计过程层改分辑 2 2 2 产品概念设计过程建模及分解重构理论 在产品概念设计中，从分析用户需求到生成概念产品，是一个从 抽象到具体，逐步精化、进化与展开的推理与决策过程在宏观上它 表现为如图2 2 所示的四个集合之间的逐级映射，在微观上它可以把它 1 4 第2 章创新设计系统的设计过程模块 划分成更详细的设计推理决策步骤，如图2 - 5 左半部分所示。右半部分 表示推理决策步骤的阶段性的结果( 其中椭圆表示推理结果，方框表示 决策结果) 。本文提出了功能分解重构理论，图2 - 5 充分证明了此理论 的创新性。 功能分解重构理论 分解本质上，物质是可分的。对于机械产品设计问题、设计需求、 产品结构、设计过程和设计结果等都是可以分解的对象。产品设计过 程可以按照设计内容分解为不同阶段，分解方式很多，其中常见的一 个分解方式是： 先功能( 作用原理) ，后定性( 结构) ，再定量( 参数计算、优化) ；我 们提出的设计过程为功能设计一功能表面集一功能结构一功能零件一 实体零件。图2 4 是设计需求和产品结构的分解情况 重构重构就是综合，对于创新设计具有分析方法不可替代的作 用。在设计过程中，方案筛选、模型统一、组合相容性和整体性检查， 系统完备性检查等都需要重构技术 分解重构理论提出，在产品概念结构设计中，各独立单元的功能 与结构都可以在分解的基础上重新构成，根据对象的关系模型，各独 立单元的功能与结构可以分层逐步综合，使机械产品创新设计程式化， 乃至符号化、算法化 需求 结构 厂t 可厂丁可 功能结构子功能i 子功能n 子结构l 子结构n i - ：- ：e 二彳- 1 = - ：- = - ：l = ： 功能特征特征l 结构特征i 卉i ：- ：- ：- 二j 功能基元元素l 结构基元l ( 性钳行为)( 表面约莉 图2 4 设计需求与产品结构的分解 山东大学硕士学位论文 t 苎翌要 t 上弛墅矍型皇苎象 l 一创蟑鹏磐 i 。 t 一碧够掳 主苎堡墨蔓 t 生廖望蝗缝塑 t 塑鏖婴簦主曼 t 垡璧主曼曼! 梦案 l t 堡型曼堕要蛳聱2 品 王曼曼苎璧竺苎 i 苎曼! 件o o i t 塑盛堡垒主曼方案 需求技术协议 图2 5 概念设计过程模型 2 2 3 概念设计过程实现 产品设计自用户的需求分析始，而得到产品的需求说明书，经过 设计系统的格式化需求输入界面输入，形成对设计产品精确的、全面 的，形式化定义。 ( 1 ) 问题的辩解与抽象 6 第2 章创新设计系统的设计过稃模块 设计系统依据知识库对产品定义进行辨别与抽象，形成抽象的， 可操作的产品设计需求问题( 计算机可处理的形式化表达) 。在此系统 中，设计分为夹具设计、机器人设计和汽车模具设计三部分。分析完 设计类型以后，对工件进行定位分析，生成产品原型，作为进行下一 步设计的基础 ( 2 ) 功能分解 依据被分解并分类的需求和知识库中的“功能模式类型”，进行功 能分解。在功能模式库中，功能模式分为执行件模式( 执行导轨、旋转 导轨等) 、传动件模式( 杠杆传动、斜面传动、弹簧传动等) 、结构件模 式( 销、螺栓等) 、原动件模式( 电机) 等。 ( 3 ) 子功能和功能元分解 将上述的基本功能进一步分解成子功能、不能再分解的功能元， 直至找到与其相匹配的单元原理零部件解 ( 4 ) 功能重构 利用上述分解推理过程中所继承的功能实体之间的关系，依据知 识库中的“功能定义及重构原理”，将上述功能实体组合成初始设计问 题的若干个功能产品解( 由全部必须的功能、予功能、功能元及其相互 的关系所组成的结构模型) ( 5 ) 功能产品方案评价 依据设计需求对上述若干个功能产品解进行“功能满足度”的评 价，并选择出满足设计功能需要的最佳功能产品解 ( 6 ) 功能零件的匹配 按照最佳原理产品方案中每一个单元原理解所承载的功能和所起 的作用，从壳体库中找到能代替此功能的零件结构图，零件的功能信 息包括定位面和使定面的类型、数量等信息，即在功能表面的基础上 加上非功能表面，从而生成其零部件的基本外形结构。 ( 7 ) 产品装配结构布局 以最佳原理产品方案中单元原理解之间的连接关系及单元原理解 所承载的配合功能和所起的作用作为输入，将它们转化为一系列装配 特征和装配约束，来完成产品的装配结构布局 ( 8 ) 组成概念产品方案 从壳体库中匹配功能零件的壳体件可以有多种选择，所以通过匹 1 7 山东大学硕士学位论文 配后的零件可以装配成不同的产品，以此生成不同的概念产品方案 ( 9 ) 概念产品评价 以。概念产品的评价体系”为判据，对概念产品进行全面评价， 以获得最优概念产品方案。 2 3 产品概念设计阶段的创新途径 本章开始已经指出，在产品设计过程中，创新性表现最为集中、 最为突出的阶段是产品的概念设计阶段，下面就从概念设计过程模型 入手，分析一下概念设计过程中不同阶段的创新途径 1 设计任务到总功能的描述阶段的创新 概念设计的第一步是设计任务到总功能的映射，在这一过程中， 当抽象化的程度不同，会得到不同的总功能描述，从而使具体实现有 不同的外延，最终会产生不同的方案解，实现创新 2 建立功能结构树( 功能分解) 阶段的创新 概念设计初期，根据需求抽象出总功能，然后进行功能分解与综 合、拟定功能结构时，采用不同的功能分解形式和综合方式，就会形 成不同的功能结构，由此，实现产品方案的创新 3 功能结构实现阶段的创新 功能结构确定后，选用相同或不同类型原理解进行组合，也能够 获得不同的方案解，实现创新 综合上述的描述，得出产品概念设计创新途径如图2 - 6 所示： 图2 6 产品概念设计过程中的创新途径 第2 章创新设计系统的设计过程模块 2 4 本章小结 本章首先对产品设计过程，产品概念设计过程进行了分析，给出 了一般产品概念设计过程模型，并以此为基础，提出了分解重构理论， 然后对概念设计阶段的创新途径进行了分析总结。 山东大学硕士学位论文 第3 章快速创新设计中的知识表示及实例编码 知识是人类在改造现实世界的实践中认识和经验的总和，在计算 机科学智能程序设计中研究的知识仅仅是有关现实世界的一部分知 识。n c w e l l 把人工智能中的知识定义为由智能的代理者( 人或机器) 为做出合理判断而使用的信息，它不只是一个符号表示集加上静态的 组织构成，既需要处理过程又需要数据结构。 由于人类的思维本质和计算机的信息处理在物质基础上是不同 的，所以对于人类的经验和知识必须安装计算机能够识别和处理的方 式进行处理并输入计算机的存储介质中，这就是知识表达的基本含义 3 。1 创新设计中的知识表示 3 1 1 创新设计知识的层次化处理 用来表示知识的方法具有以下四个性质： ( 1 ) 充分表达：具有确切表达有关领域中各种知识的能力； ( 2 ) 有效推理：能够与高效率的推理功能结合起来，支持系统的控制策 略； ( 3 ) 便于管理：便于实现模块化，便于检测出矛盾的知识和冗余的知识， 便于知识更新，便于知识库的维护； ( 4 ) 易于理解：使知识的表示结构具有透明性 前两条要求对具体情况有复杂的表达形式，以便于描述丰富而复 杂的知识，后两条强调采用简单而规范的表达形式，以便于理解和管 理。 基于上述要求，在人工智能领域内已发展了多种知识表达方式， 这些方式各有利弊，对不同性质的问题应采用不同形式的表示方法。 由于机械设计的各个不同部分具有相对独立性，本系统在对知识 进行归结和提炼时首先是从系统的整体结构出发来划分模块，然后在 各模块内部按照层次结构进行知识