（机械电子工程专业论文）快速创新设计环境下的虚拟技术开发与应用.pdf

摘要 摘要 在8 6 3 课题( 功能表面分解重构原理及应用) 研究成果d a r f a d 基础上，本 课题迸一步研究探讨虚拟技术在概念设计中的应用技术。概念设计阶段的运动仿 真，为设计者和客户提供交流平台，使其获得对产品更直观的认识，并能更早的 发现设计中存在的不足，减少返修设计的时间，进而激发设计者的创新思维。 课题全面调研了国内外产品设计研究现状，分析了国内外对虚拟 现实的研究，并对各种仿真进行阐述和比较，深入探讨了计算机辅助 概念设计研究中存在的问题。 本文研究了d a r f a d 系统创新平台的功能以及模块结构，论述了分 解重构理论、广义定位原理和生长型设计机理，给出了功能表面、功 能模式等概念的定义，全面介绍了d a r f a d 系统下概念设计的生长型设 计。 从d a r f a d 系统平台出发，结合虚拟现实技术，选择出适合d a r f a d 的v r m l 仿真平台。分析v r m l 仿真平台结合j a v a 的两种方式，阐述 e a i 接口的通讯原理。介绍实现运动仿真的动画和编程控制两种控制 方法。对v r m l 虚拟场景下的笛卡儿坐标的表示以及长度、角度、时间 单位进行了阐述。建立了多轴转动的运动模型，以及了运动仿真中实 现三维转动的编程实现方法。 围绕d a r f a d 概念设计中的运动表达，制定概念零件的运动协议格 式，并设计运动仿真平台。结合设计要求开发出多用户交互仿真平台， 对多用户平台下的网络安全问题进行研究并提出解决方案。对仿真运 动中的碰撞问题进行研究，根据v r m l 环境特点，开发出v r m l 特有的 碰撞检测流程。对运动仿真中的技术细节进行研究，使运动仿真达到 最佳视觉效果。 最后，本文以数控机床工作台设计为例，。对系统的生长型设计过 程以及运动仿真进行了演示，验证了本文理论研究与技术实施的正确 山东大学硕士学位论文 性和有效性。本文工作对从事产品计算机辅助概念设计系统的研究与 开发工作具有重要的借鉴和指导意义。 关键词：分解重构概念设计生长型设计运动仿真虚拟现实 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es u b j e c to ft h isp a p e ri sb a s e do l lt h ed a r f a d a n dt h e d a r f a dist h ea c h i e v e m e n t si 1 1s c i e n t i f i co fd e s i g na u t o m a t i o n s y s t e m t h es u b j e c tist h ef u r t h e re x p l o r eo fv r ( v i r t u a lr e a l i t y ) w h i c hisu s e di f lt h ec o n e e p t u a ld e s i g n t h es i m u l a t i o no fm o v i n g i nt h es t a g eo fc o n c e p t u a ld e s i g n ，e s t a b li s haf l a to ft h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd e s i g n e ra n de l i e n t a c c o r d i n gt h e s i m u l a t i o nc a nm a k eav is u a l i z e d o g n i t i o nt ot h ep r o d u c t ，f i n d t h es h o r t a g eo ft h ed e s i g ni nt h ee a r l ys t a g ea n dr e d u c et h et i m e o ft h ed e s i g nm o d i f y f r o mt h es i m u l a t i o n ，a g i t a t et h e i n n o v a t i v et h o u g h t t h ep a p e rc o m p l e t e l yr e s e a r c h e sas t u d yt h ed e v e l o p i n g s t a t u so ft h ec o n c e p t u a ld e s i g no ft h em e c h a t r o n i op r o d u c t sa t h o m ea na b r o a d a n dd is c u s s e st h ep r o b l e m si nc o m p u t e ra i d e d c o n c e p t u a ld e s i g no ft h ep r o d u c t a 1 s oa n a l y s e st h ed e v e l o p i n g s t a t u so ft h er e s e a r c h e so nv rd o m e s t i ca n df o r e i g n m a k ea d e s c r i p t i o na n dc o m p a r ea m o n gt h ef l a t so ft h es i m u l a t i o n b a s e do ni n n o v a t i o nf l a t ，i n t r o d u c et h ef u n c t i o n sa n d m o d u l e so ft h es y s t e m d is c u s s0 fd e c o m p o s i t i o na n r e c o n s t i t u t i o n ( d & r ) ，p r i n c i p l eo fg e n e r a l iz a t i o no r i e n t a t i o n a n dm e c h a n is mo fg r o w t hd e s i g na r ed is o u s s e d t h ec o n c e p t i o no f f u n c t i o ns u r f a c ea n df u n c t i o nm o d ea r ed e f i n e d c o m b i n e sw i t hv r ，v r m liss e l e c t e da si ti ss u i tf o r i n n o v a t i o nf l a t t w om e t h o d st h a tt h ew a yo fj a v ac o m b i n e dw i t h v r m lf l a ti s d is c u s s e d t h ep r i i l c i p l eo ft h ec o m m u n i c a t i o no f e a ii sa l s od e s c r i b e d i n t r o d u c et h em e t h o do fc o n t r 0 1 1 i n gt h e m 山东大学硕士学位论文 m o v i n go ft h es i m u l a t i o n ，i n c l u d ec a r t o o na n dp r o g r a m a n da l s o i n t r o d u c et h ec o o r d i n a t ea n dt h eu n i to fl e n g t ha n g l ea n dt h e t i m e e s t a b l i s ht h em o d et h a tr o t a t e db ym u l t ia x i s a n df i n i s h t h ep r o g r a mi ns i m u l a t i o no ft h em u l t ia x i sr o t a t i o n s u r r o u n dt h em o v i n gd e s c r i p t i o no ft h ec o n c e p t i o nd e s i g ni n d a r f a d ，e s t a b l is h e st h em o v i n gp r i n c i p l eo f t h ec o n c e p t u a l ， p r o d u c t ，a n dd e s i g nt h es i m u l a t i o np l a t i na d d i t i o nd e v e l o p s t h em u l t ic l i e n ti n t e r a c t i o nf l a t d is c h s ；s e st h es a f e t yo ft h e m u l t ic l i e n tf l a t ，a n ds o l v ei t e x p l o r e st h ec o l l i s i o no ft h e s i m u l a t i o n b a s e do nv r m lp l a td e v e l o p st h es p e c i a lc o l l i s i o n p r o c e s s i no r d e rt og e tt h eb e s te f f e c to ft h es i m u l a t i o nt h e t e c h n i c a ld e t a i lo ft h es i m u l a t i o ni sd is c h s s e d a t1 a s t ，a ne x a m p l eo fn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n eisg i y e n t os h o wt h es i m u l a t i o n i tt e s t i f i e st h ev a l i d i t ya n d c o r r e c t n e s so ft h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yi nt h ep a p e r t h ew o r k i nt h i sp a p e rh a si m p o r t a n tr e f e r e n c e sa n dg u i d i n gm e a n i n g sf o r t h es t u d ya n dd e v e l o p m e n to fm e c h a t r o n i cp r o d u c tc a d ，e s p e c i a l l y c a c d k e yw o r d ：d & rc o n c e p t u a ld e s i g ng r o w t hd e s i g nm o v i n gs i m u l a t i o n v i n u a l r e a l i t y ， 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。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：趣! 塾垒 日期：每甾。互! f 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) 做储躲逊导师签顽复 日 期：迎亟：羔丝 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，重视刨 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。 当今时代，产品成熟过程越来越快，为了保持企业在市场上的竞争优势，必 须加快薪产品的开发设计过程，缩短新产品的开发设计的周期时间。但实际资料 表明，许多企业的设计开发周期往往很长，一般要占到总生产周期的6 0 ，因而 成为企业生产经营的“瓶颈”。如何大力缩短设计开发周期时间已成为当今制造企 业的一项重要课题。在设计过程中，如何更早的发现设计中存在问题，为缩短产 品的设计周期一种必要手段。在机械产品的设计中，作为设计中最早期的设计阶 段，如果能够在该阶段发现设计中存在的不足，将大大缩减产品设计中的返工修 改的时间，从而大大的减少了产品的设计周期，为企业占领市场赢得时间。 概念设计从设计需求开始，经过一系列步骤的设计，产生了若干综合性能较 优的可行设计方案，设计进行到这一步设计方案能否实现，所需的功能系统的运 动性能如何各，机构工艺动作的时序配合和协调关系如何，设计者仍无法知道。 传统的解决方法是根据概念设计得到的设计方案，再进行详细设计、试制、装配， 最后进行测试。设计过程费时费力，如果样机测试出现重大问题，还需返工，其 弊病不言而喻。 随着计算机技术的发展，可视化动态模拟( v i s u a ld y n a m i cs i m u l a t i o n ) ，虚拟 样机( v i s u a lp r o t o t y p e ) 和虚拟现实w m u a lr e a l i t y ) 等技术在机械方案设计中发挥 越来越重要的作用。 c a d 技术的发展对方案的性能可视化动态模拟和测试提供了开发平台和计 山东大学硕士学位论文 算机辅助支持。p r o e n g i n e e r 、c a t i a 、u g 、i - d e a s 、m d t 、s o l i d w o r k s 等等一 大批成熟的商用软件早已进入工程设计领域发挥作用。目前c a d 技术不仅能进 行图形处理，而且可以完成几何建模、有限元、数值优化、强度校核、评价决策、 动态模拟等功能。单纯就c a d 概念提出的初衷s k c t l l p a d 而言，目前的系统 已经相当成熟i l l 。但是，这些软件只支持设计的后期阶段，即构型设计阶段，对 于设计活动中最富有创造性，同时也是对设计质量最具有影响力的实际出示阶段 概念设计阶段基本上不支持。 本文研究是在8 6 3 课题( 功能表面分解重构原理及应用) 研究成果d a r f a d 基础上，进一步探讨虚拟技术在概念设计运动仿真中的应用技术研究课题。通过 概念设计阶段的运动仿真，为设计者和客户提供交流平台；可以给设计者和客户 对产品有更直观认识，在设计中更早的发现设计不足，减少返修设计的时间；通 过更为直观的仿真，让设计者对设计出的概念产品有一个直观的认识，进一步激 发设计者的创新思维。， 1 2产品概念设计 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 个阶段旧。 概括的说，涉及主要分两步：前者是概念设计( c o n c e p t u a ld e s i g n ) ，为的是构 思出方案；后者是构型设计( c o n f i g u r a t i o nd e s i g n ) ，为的是设计出具体构型。 从各种已有的设计构成划分论述中可以看出：概念设计应包括产品规划、功能设 计和定性设计等内容“卅。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的理解和 设计者的理念。 概念设计处于产品设计的早期来提供产品方案。研究表明，一旦概念设计被 确定，产品设计地6 0 7 0 也就确定了，而概念设计阶段所花费的成本和时间 在总的开发成本和设计周期中占地比例通常都在2 0 以下悯。概念设计不仅决定 着产品的质量、成本、性能、可靠性、安全性和环保性，而且产生的设计缺陷无 2 第1 章绪论 法由后续设计过程弥补m ，但是，概念设计对设计人员的约束最少，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。因此，概念设计被认为是设 计过程中最重要、最关键、最具创造性的阶段。 1 2 1 概念设计的提出和定义 产品设计是一个反复迭代、复杂的决策过程，开始经常是设计要求的识别， 然后是一系列的找寻问题的优化解的过程，最后给出产品的详细描述 ”。对于机 械产品设计过程，典型的说法有三种：一是德国学者p a h l 和b e i t z 的明确任务、 概念设计、技术设计和施工设计四个阶段【3 】的观点；二是f r e n c h 认为包括问题分 析、概念设计、方案具体化和详细设计等过程【4 】；三是邹慧君教授提出的产品规 划、方案设计、详 细设计和改进设计四个阶段嘲。无论那种论述，归纳起来说，产品设计包括 两个设计阶段：概念设计阶段和详细设计阶段。 ， ” 自从1 9 8 4 年p a l h 和b e i t z 在其 e n g i n e e r i n gd e s i g n ) ) 一书中提出概念设计这 e j - i i 髓 图1 - 1 概念设计的一般流程图 一名词至今，人们对概念设计进行了已经近二十年的研究，并纷纷给出概念设计 3 山东大学硕士学位论文 的定义。一般认为，概念设计是指以设计要求为输入、以最佳方案为输出的系统 所包含的工作流程。通常，概念设计输入功能要求输出结构方案，因此，它是一 个由功能向结构的转换过程。 从设计过程看，概念设计具有创新性、多样性和递归性的特点；从设计对象 看，概念设计又具有层次性和残缺性的特点。其中，创新性是概念设计的本质和 灵魂。图卜1 描述了一般概念设计的工作流程，它包含综合与评价两个基本过程 唧。 ， 综合是指由设计要求推理而生成的多个方案，是个发散过程；评价则从方案 集中择出最优，是个收敛过程。 i， 。 1 2 2 概念设计的研究方法和研究现状 研究概念设计的应用领域包括工程设计、建筑设计、机构设计、人工智能、 软件工程、电子工程等，概念设计的研究方向又分为设计理论与设计方法、模型 表示( 产品模型，过程模型知识建模) 、推理技术、设计环境( 协同设计w e b a g e n t ) 、 等。 当今机械产品概念设计的研究现状，用各种模型表示方法，从面向计算机应 用的到面向人类需要的，依次分为语言、几何模型、图( 树) 、对象、知识模型和 图象。而对推理技术而言，以是否需要大量数据抑或面向过程为依据，分为神经 网络推理、基于实例的推理、基于知识的推理、优化方法、价值工程、定性推理 p 】 国外：美国著名的设计理论和方法学学者d i x o n 和f i n g e e r 教授在总结了2 0 0 一多篇文献的基础上，提出的设计过程的四种模型，即描述模型、处方模型、认知 模型和可计算模型 1 0 l 。 一一 一 一 在设计方法学方面【1 1 1 ，以p a h l 和b e i t z 坦】等人为代表的德国学者和工程技术 人员比较着重研究设计的进程、步骤和规律，进行系统化的逻辑分析，并将成熟 的设计模式、解法等规范和资料供设计人员参考；以s e r i e g t l 3 1 和j o h n s o n t l 4 1 为代 表的英美学派重视创造性开发和计算机辅助设计在产品开发中的应用。日本则充 分利用国内电子技术和计算机的优势，在创造工程学、自动设计、价值工程方面 第1 章绪论 做了不少工作 1 5 - 1 6 】。概念设计的产品信息模型，以面向对象的方法建立的有 e d m 1 ”，s h a r e d 18 1 、i c o n t l9 1 、d r o o l 2 们等。h a k i m l 2 1 1 研究了如何以面向对象 方法建立产品原型。e d m 系统支持一般物理对象的层次结构，特征实体嵌入其中。 s h a r d 模型是美国麻省理工学院m i t 的d i c e l 2 2 1 2 3 】【2 4 1 项目的成果，在给出产品 模型的同时，对设计过程模型也进行了定义，它提供了一般的信息结构，允许多 个抽象层次，功能和几何设计对象的关系和视角的表达，对象间的推理机制用以 检查约束的完整性，并协调设计过程。i c o n 系统由一组结构的实体一关系模型 组成，反映了在构建设计域时的不同视角。d r o o l 定位于机电系统，提供的对 象模型模式以组件层次和材料，能量和信息流的连结方式支持不同抽象层次上的 设计概念的描述。 ， 在知识表达和建模方面，g e r o 2 s j 2 6 1 提出了i c a d 的划分方法；q i a n 2 7 通过对 功能一行为一结构的表达，由交互方式在领域内产生创新方案；u m e d a 2 即将设计 知识表达为功能一行为一状态的组合关系，以产生新方案。 国内：上海交通大学机械工程系机械学与设计自动化研究所对机构系统的概念 设计进行了较为系统的研究【2 9 】，通过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糊综合评价相结合的方法建立推理机制，得出 可行的方案解，开发了“机构系统方案设计专家系统” 3 0 1 。在智能化方面，通过 将设计阶段分为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 案创新设计阶段，开发了机械方案创新设计智能支持系统( m c i d i s s ) p ”。 华中理工大学将基于实例的研究应用于工程中的再设计问题及实例检索与重 用，以实现在再设计中找出相近实例 3 2 1 。 浙江大学c a d c g 国家重点实验室提出基于原型的知识表示和推理方法【3 3 】。 清华大学精仪系c i m s 中心参考s t e p 标准，提出了面向并行工程的集成产 品信息模型【州。 1 3计算机辅助概念设计 c a d 技术在提高设计效率和产品质量等方面贡献巨大，但此时的计算机辅助 设计( c a d ) 主要解决了在计算和绘图等设计后续阶段对设计者的支持。而对于极 5 山东大学硕士学位论文 富创造性的早期方案设计阶段的计算机支持至今没有取得实质性的进展。而目前 的智能c a d 系统，所采用的方法的理论基础一般是基于传统的人工智能的知识表示 与推理方法，即逻辑思维为基础，其中多以知识工程和专家系统的方法实现。创 造性如何在方案设计过程中体现一直是困扰设计理论研究工作者的棘手问题。 近年来，随着计算机图形学、多媒体技术、虚拟现实技术的发展以及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。计算机辅助 概念设计( c a c d ) 己成为c a d c a m 和c i m s 领域的一个研究热点。c a c d 是c a d 领 域的一个重要分支，它涉及设计方法学、人机工程学、人工智能技术、c a d 技术 以及认知与思维学等多种学科的知识。目前，c a c d 是一种辅助性的设计工具，随 着功能的逐步强大，它必将越来越受到概念设计师的欢迎，从而最终取代传统的 c a d 系统。 。 1 3 i 计算机辅助概念设计现状 目前的设计理论研究和设计工具的开发在详细设计、几何设计、制造自动化 方面已经做了大量研究工作，开发了很多成熟的工具软件并应用在辅助设计绘图、 设计计算、制造加工、工艺规划等方面，取得了极大的经济效益，例如： c a d c a m c a p p 等方面的工具软件。但是这些软件技术大都是在拟定了设计大体 方案之后才可以进行的几何设计和工艺设计，需要设计者有相当的设计经验、了 解客户期望以及制造工艺和过程，能够成功地进行初期设计( 概念设计) 。而经验 不足的设计者在概念设计阶段就必须得到各领域有经验设计者的协助，并且很可 能因为某个错误而重复设计，造成很大的成本浪费。所以目前很多学者在概念设 计智能化研究以及概念设计与其它设计工具的集成等方面进行理论和方法的研究 p 5 1 一一一一 在开发辅助工具方面，人们借助人工智能技术和数据库技术来推动概念设计 的智能化。a d z h i e v 提出面向代理的方法，有利予并行设计环境下使各种设计变量 保持高度一致性闭。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，并存储起来。“利用定性启发式搜索方法，辅助机构的概念设计【翊。在 基于计算机的设计环境方面，t w c n t 建立了一个机电一体化产品的设计支撑环境， 6 第1 章绪论 支持多模型状态。t o n f i y a m a 雨j 用大型数据库建立了一个概念设计开发环境。s h a r p e 主持开发的环境着重于集成，同时利用了超媒体和超文本技术。在国内，有人提 出了基于设计目录的原理方案求解3 8 1 和基于知识的原理方案设计专家系统 3 9 】等方 法与技术的计算机辅助原理方案设计。许多学者从工程设计方法学中概念设计的 定位出发，提出层次概念模型、基于广义特征的概念模型【3 4 】、i 程设计概念模型【删、 基于功率键图的概念设计【4 垮。许多学者将他们在产品结构设计、装配设计等方 面的研究成果加以拓展，应用在概念设计过程，提出以支持变量特征和概念设计 为标志的各类产品模型，如基于特征关联语义的模型、基于变动特征的模型【4 2 1 、 信息基因模型1 4 3 1 、生成型特征设计模型等建模方法。 机械产品的概念设计的发展方向是计算机辅助实现、智能化设计，但由于产 品概念设计阶段计算机实现的研究起步较晚：目前还没有成熟的、能够达到上述 且标的概念设计工具软件。 1 3 2 计算机辅助概念设计的关键问题 从哲学的高度来讲，解决问题必须抓住问题众多矛盾中的主要矛盾。总结其 多年研究的经验，分析其当前存在的问题，展望其未来的发展方向，我们提出了 计算机辅助概念设计中的关键技术问题删： 基础理论研究。主要是立足于现代产品的发展方向，从设计对象自身出发， 用类似的方法和精确的方法对概念设计过程及设计方法进行研究，使得c a c d 系统更符合设计方法。 设计创新技术研究。主要是研究概念设计过程以及过程中需遵循的原则和规 范，探讨各类设计创新技法，研究概念设计中的创新技术。 建模技术研究。主要是从概念设计的方法性和过程性出发，研究面向概念设 计的产品模型和过程模型的建立方法，研究面向产品级和全生命周期的概念 设计建模技术。 。 人机交互技术研究。主要是在传统的人机交互手段的基础上，研究在虚拟现 实和多媒体等新兴技术支持下的人机交互技术。 、 并行和协同设计技术研究。主要是研究概念设计过程中考虑制造、成本等其 7 山东大学硕士学位论文 他因素的并行设计技术，研究概念设计中不同或相同领域的设计师之间的协 同设计技术。 智能技术研究。主要是研究概念设计过程中的智能支持技术，研究概念设计 评价过程中的智能支持技术。 设计创新技术和建模技术是上述技术的关键和难点，是今后c a c d 研究的重点， 而人机交互并行协同、智能设计则是c a c d 中必需的和有效的支持技术。 1 3 3 计算机辅助概念设计发展方向 从国内外的机械产品计算机辅助概念设计的研究现状来看，目前多数集中在 概念设计建模方面的研究上，也即主要集中在概念功能和概念形状设计建模上。 从发展趋势而言，概念设计今后的研究重点或方向，主要集中在两个方面：一方 面是支持概念设计的计算机技术的研究，如计算机辅助概念设计信息建模技术及 其相关推理技术的研究；另一方面是概念设计与其它设计阶段集成的研究，如概 念设计与结构设计、详细设计、工艺设计等实现无缝集成，计算机辅助概念设计 与其它计算机辅助工具的集成，从而建立支持从概念设计到工艺设计全设计过程 的计算机辅助设计环境【4 5 1 。 在支持概念设计的计算机技术研究方面，主要包括两点；一点是计算机辅助 概念设计的相关理论的研究，如概念设计建模理论，其重点是针对概念设计阶段 的特性，研究概念设计模型的定义和描述方法、模型的操作和演化，使之在有利 于计算机表达和操作的同时，能较好地符合设计者的设计思维习惯；另一点是创 新设计技术的研究悯概念设计最能体现产品创新特性，因此，在计算机辅助概 念设计中研究设计创新应遵循的原则和规范、设计创新的方法等将具有重要的意 j ( 。一。一一+ + 一一一一。一一一一 随着计算机技术的飞速发展，从产品整个设计过程的发展趋势来看，产品设 计模式在信息化的基础上，正朝着数字化、集成化、网络化和智能化的方向发展。 计算机辅助概念设计作为产品设计的一个重要组成部分，必然与上述发展趋势相 一致，因此，建立统一的设计模型将是计算机辅助概念设计的重点研究内容之一。 目前，在集成方面的研究上，主要借助于数据库中间环节或通过映射方式等得以 第1 章绪论 实现，今后，实现计算机辅助概念设计与其它设计阶段无缝集成，在产品设计过 程中对减少设计误差、提高设计效率等必将具有重要作用。此外，在概念设计中 考虑制造、成本等其它因素的并行设计，以及不同设计者之间或不同地域之间的 协同设计，将是计算机辅助概念设计符合发展趋势的另一项研究内容。 1 4仿真技术概述及发展 1 4 1 仿真的定义及发展 仿真( s i m u l a t i o n ) 又称为模拟，原指对客观事物的模仿。随着技术的发展和 需要，人们原始的模仿行为才演化为系统的技术手段和方法。1 9 6 1 年， g w m o r g e n t h a t e r 首次对“仿真”进行了技术性定义，即“仿真意指在实际系统尚 不存在的情况下对系统或活动本质的实现”。1 9 8 4 年，o r e n e 给出了仿真的基本概 念框架“建模一实验一分析”的基础上，提出了“仿真是一种基于模型的活动” 的定义，被认为是现代仿真技术的一个重要概念。实际上，随着科学技术的进步， “仿真”的技术含义不断地得以发展和完善，从丸a l a n 和b p r i n t s k e r 撰写的“仿真 定义汇编”一文和牛津英文字典中仿真定义的变化( 初期为：“t o i m i t a t ec o n d i t i o n s o f s i t u a t i o nw i t ham o d e lf o rc o n v e n i e n c eo rt r a i n i n g 。”到q h et e c h n i q u eo f i m i t a t i n g ： 图l - 2 计算机仿真三要素及三个基本活动 t h eb e h a v i o ro f s o m es i t u a t i o no rs y s t e m ( e c o n o m i c ，m e c h a n i c a l ，e t e ) b ym e a n so f a n a n a l o g o u sm o d e l ，s i t u a t i o n , o ra p p a r a t u s ，e i t h e rt og a i ni n f o r m a t i o nm o r ec o n v e n i e n t l y o r t o t r a i n p e r s o n n e l 。”) 中可以清楚地观察到这种演变过程。今天，仿真的一个 比较流行于工程技术界的定义是：仿真是以控制论、计算技术和相似原理为基础， 以计算机和各种物理效应设备( 它模拟再现真实世界环境) 为工具，借助系统模 型对真实的或设想的系统进行试验研究的- f q 综合性技术m 。 9 山东大学硕士学位论文 现代仿真技术均是在计算机支持下进行的，因此，系统仿真也称为计算机仿 真。系统仿真有三个基本的活动，即系统建模、仿真建模和仿真实验，实现这三 个活动联系的是系统仿真的三要素，即系统、模型、计算机( 包括硬件和软件) ， 它们的关系可用图1 2 描述。现代仿真技术将仿真活动扩展到上述三个方面，并将 其统- - n 同一环境中：在系统建模中使基本定律及系统辨识等方法计算机程序化， 用仿真方法确定实际系统的模型，采用基于模型库的结构化建模和面向对象建模 ( o b j e c t - o r i e n t e dm o d e l ) 方法，并且在类库的基础上实现模型拼合与重用：在仿 真建模中涌现了许多新算法和新软件，它们采用模型与实验分离技术；在仿真实 验中将实验框架与仿真运行控制区分开来。 1 4 2 以人为本的仿真理念 “以人为本”的哲学定义为：是与“以物为本”相对立的，用一句最简洁的 话来解释就是“一切依靠人，一切为了人”。把“人”作为考虑问题的出发点和落 脚点。“以人为本”这个词起源于西方近代的“人本主义”，“人本主义”来自文艺 复兴产生的思潮，以歌颂人、推崇人为中心。“以人为本”就是要满足人民的心理 和生理需求，为人所用、调动人的积极性。 本系统的研发融入了“以人为本”的设计思想，这里的“人”是指仿真平台 的操作者、使用者，可为产品设计者也可以是远程客户。比如：仿真系统平台的 设计与开发要考虑到运动仿真中人的因素。所以这里的“以人为本”，就是要求人 作为仿真系统的一个重要环节，把人的主观能动性最大限度的发挥出来系统设计 的出发点和最终落实点产品设计师和客户对产品运动功能的要求上。系统还应尊 重设计者和客户的自主性，能够激发设计者的设计灵感，注重开发设计者的个性 潜能。允许设计者和客户对运动仿真进行主观评价和信息反馈。 一 1 5 主要研究内容 1 5 1 课题研究的目标 在快速创新设计平台基础上，结合虚拟现实仿真技术，开发出对概念零件运 1 0 第1 章绪论 动仿真平台。利用该平台，可以对自动化创新设计中的产品在概念设计过程中进 行运动的仿真。在设计的最初阶段发现设计中存在的问题和不足，从而达到缩短 产品开发周期的目的。 1 5 2 课题的研究内容 综合利用计算机图形学、网页技术、仿真技术、三维造型技术及多媒体技术， 开发一个全新、跨平台、基于w e b 的运动仿真控制系统。具体内容如下： 开发前需要阅读大量国内外文献资料，要对相关技术进行深入了解，为开发 此平台作好准备。 对各种虚拟仿真软件和仿真平台的建立进行分析比较，选择合适的虚拟仿真 ， 平台，并对仿真过程中产生的闯题进行了研究。 实现运动仿真系统与d a r f a d 系统之间的通信( 制定相关通信协议、解决实 现技术) 。 系统稳定性能的提高与测试，并寻找解决方案。 深入地探讨如何利用j a v a 的强大网络编程能力及其和v r m l 的接口技术，来 实现对y r m l 行为进行控制的机制，对v r m l 中关键的节点进行深入研究， 对e a i ( 外部创作接口) 也作了比较详细的分析。 在文章最后，为了课题的更进一步的深入研究，作者对现阶段的研究工作进 行总结，并对今后的工作进行了展望。 图1 - 3 创新设计平台的总体规划7 山东大学硕士学位论文 1 5 3 创新设计平台的总体规划 、 本文在现有的概念设计基础上，对概念设计过程中，结合运动仿真模块，进 行产品的创新概念设计其设计总体框图如图1 - 3 所示。 1 6 本文的组织结构 论文的组织结构如图l - 4 所示：首先探讨创新设计平台的设计理论基础，然 第一章绪论 1 第二章快速设计创新平台一。， l t 第三章虚拟仿真平台 i 第四章快速设计平台下的运动仿真平台 1 t 、第五章系统设计实例 i + i结论与展望 l i i l i l l l l l 一1 。 - 图1 4 本文的组织安排结构 ， 。 后介绍v r m l 虚拟现实技术的实现原理，以及在创新设计平台下的运动仿真平 台的构建作了介绍，最后通过数控机床的工作台设计来验证在创新设计平台下的 运动仿真平台的合理性。 系统关键技术 第2 章快速设计创新平台 第2 章快速设计创新平台 目前的概念设计模型中，功能多与机构对应，因而脱离不了经验设计模式， 造成一方面无法应付非标准零件的自动设计，另一方面丧失了创新设计的更多机 会；因此，需要挖掘潜在信息和深层指示，即表面功能级知识。本章从创新设计 角度，运用分解重构理论深入研究了快速创新设计平台d a r f a d 。 2 1d a r f a d 系统简介 2 1 1d a r f a d 概述 机械产品设计自动化工具d a r f a d 软件是山东大学c a d 实验室完成的国家 “8 6 3 ”项目的研究成果。d a r f a d 软件属高科技、高附加值的计算机软件新产 品。在广义映射理论指导下，从支持产品结构设计全过程和并行工程的角度考察， d a r f a d 系统提供了产品设计从无到有、零件从少到多、表面从初级到高级、结 构从简单到复杂的进化模式及相应的设计工具。d a r f a d 主要支持产品的概念设 计、详细结构设计过程。 d a r f a d 软件原型系统已应用于多项课题中，主要是为设计师进行方案选 择、功能设计、详细结构设计、技术支持等决策行为提供智能支持和帮助。 d a r f a d 软件开发中，集面向对象技术、a g e n t 思想、人机交互技术、生物细胞 生长机制等于一身；设计过程与c a d 技术的紧密结合；增加了辅助概念设计与 结构设计的能力，并与详细设计自然衔接。改变了现有设计理论与c a d 技术严 重脱节的致命弱氮一。一，一一一一一 采用系统分析和抽象概括方法，借助o o p 和a g e n t 思想，提出了基于功能表 面的“按实物分割、按逻辑分层、动态组合、自我完善、系统综合”的产品模 型； 从创新和常规设计并存的角度，建立了机构一零件一功能表面三层产品网络 模型，成为实现多层次并行功能一结构映射模式的概念基础； 山东大学硕士学位论文 提出了产品生物信息模型作为各逻辑层次单元设计的模式；建立了功能表面 集从定向到定位到定量的基础分层结构； 建立了以产品结构为中心的支持并行设计的产品结构创成过程，实现了产品 结构从无到有，零件从少到多的生成设计过程，真正体现了t o p d o w n 设 计过程； 为逐步建立计算机的直观形象思维能力，提出了可视化功能表面a g e n t 概念， 以指导基于功能表面分解重构的可视化交互式软件模块的开发。 2 1 2 d a r f a d 功能与模块设置 d a r f a d 系统以数据库、c a d 技术为支持，从产品设计需求出发，交互式或 点选式创成产品初始原型，经过生长型结构设计获得产品概念结构方案，在概念 结构方案创成的同时，同步的进行公差计算、零部件受力分析，通过对概念结构 进行结构修正、进化、实体零件匹配实现了由概念设计到详细设计的过渡。在方 案创成后进行产品运动模拟以校核产品结构方案的正确性。该系统包括以下几个 模块：三维产品概念结构创成模块、产品概念结构公差设计与力学分析模块、产 品概念结构进化匹配模块、产品动态模拟模块、产品开发过程管理模块以及协同 决策模块。 1 三维产品概念结构刨成模块 能够充分发挥设计人员形象思维的潜力，快速生成产品的概念方案，记录设 计意图；用户可基于。分解重构”原理，从功能出发，分解重构出设计部件中的 执行件、传动件及定位结构，并实现设计过程中的概念方案创成；在此基础上， 根据设计要求进行参数修改及设计参数分析，进行概念模型的优化，其中在概念 零件的细化过程中，可根据需要选择不同的材料，并可在设计过程中适时调整设 计参数，最终实现结构设计。 2 公差设计与受力分析模块 在三维产品概念结构创成同时，启动该模块在产品概念设计阶段进行公差分 配和力学性能分析，为产品概念设计提供结构评价、方案选优的标准。 3 产品概念结构进化匹配模块 1 4 第2 章快速设计创新平台 该模块能在三维产品概念结构创成后，根据产品设计的需求，进行产品的概 念结构进化匹配，将概念设计方案向详细设计方案转化。 4 产品动态模拟模块 该模块是基于v r m l 构建的，能够实时的在三维虚拟现实环境中对概念设计 方案进行动态模拟和检验，为概念设计产品的运动行为提供了可视化的描述。 5 产品开发过程管理模块 该模块通过提供产品开发过程的监控、人员管理、角色管理、集成工作平台 等有力工具来辅助支持产品概念的协同开发。该模块内嵌在整个设计过程中，通 过用户、文档、工作流程管理保证了开发过程的正确有序。 6 协同决策模块 该模块采用网络连接技术，克服时间和空间的限制，将设计人员的智慧与来 ， 自不同领域专家的意见相结合，优选出最佳设计概念，此模块特别适合于定性设 计问题的决策。 2 2d a r f a d 系统的理论基础 2 2 1 分解重构理论 。 机械产品创新设计所必须完成的核心内容，就是要探索机械产品创新发明的 机理、模式和方法，具体描述机械产品创新设计的过程，并使之程式化，乃至符 号化、算法化。然而，目前已有的创新方法如：智暴法、提问追溯法、联想类推 法、知识链接法等都不容易实现创新设计过程的程式化与算法化，因此当前产品 结构创新设计存在的关键问题仍是缺乏实现创新的设计理论及相应的设计方法。 从创新设计一这一人类智能的最高境界出发，澄清发明与发现的关系，抽象概括 为分析与综合，可形式化的基本模式是就是分解与重构胁4 9 1 。文献【4 8 删同时指 出科学发现是对现实世界的