（机械制造及其自动化专业论文）基于灰色知识的可复用工艺设计理论及关键技术.pdf

摘要 厂生识管理和重复利用是知识创新的基础，对于企、l k 在知识经济时代保持竞争优势 具有十分重要的意义。难以对工程设计中的不确定知识进行重复利用，一直是制约 企业建立基于知识处理的产品丌发模式的瓶颈少本文以各种不确定知识的表达、处 理及重复利用为主要研究内容，针对具体的应用领域工艺设计，提出基于灰色 知识进行可复用工艺设计的思想，并结合作者参加的多个相关工程项目，比较系统 地从理论、方法、策略、实现及应用等方而展7 1 ：了研究与探索。 首先，论文列各利，不确定性问题进行了归纳，并在总结十h 关研究理论的基础上提 了“灰心知u ”的概念。刈f i 州的狄心知u 进行了分类和比较，f ：介绍了, i d l t 基 r 扶色知u 的决策方法。 弋可复用设计”和“可复用工艺设汁”是对各种基于知识复用的设计方法的总结 与发展，它强调从知谚 的角度对设计结果进行锊，i ! ，以支持未水的设计。闹述了可 复川工艺设计的原理及基本过程。，7 然后，论文划可复用工艺设计的关键技术进行了研究，包括灰色知口 表达、获取、 管理、检索等。建立了基于“信息表、决策表和控制表”的三表知识表达与处理体 系，并提出了“狄色信息表”和“灰色决策表”的概念。f 在知识获取方面，本文提 山的样本分划的办法能够有效地捉1 1 ) c 潜z i i l n j 、才；确定的设计知谚 。刘l i j 复川9 = l i u 库 管理c p 的索引编制、知识库共享与安全管理和| i f ；0 等关键问题进行了研究。提出了知 识“可复用性”的概念及其度量方法，给出了复用代价评估的计算方法。提出了一 种综合利用灰色关联分析与模糊数学进行复用知识聚类的方法，并以加工工艺中的 工时知以为例进行了研究。提出了一1 , 1 4 - 1 二4 l t , f 以l l l 集的复用实例检索方法，该方法 的思想足对零件进行柑似性度量，构成棚似信息农，通过对该表的查询实现实例检 索。7 - 。7 ， ， 另外，本文对基于灰色知识的工艺评价与决策也进行了研究在可制造性评价方 面，提i ：l j 了基于“设计制造”特征映则的肌权灰色关联法。、这种评价方法将基 于设汁特征的可制造性评价转换为基于制造特征的评价，从而使评价过程更加具有 客观性。在加工设备选择决策方面，重点介绍了基于灰色局势的加工设备选择的决 策方法，并将其与模糊方法进行了比较。, f 1 1 比模糊方法而言，狄色关联评价不需要 多样本统计规律及专家评分，因而更加简便、实用。而灰色局势法能够从决策的事 件、对象与效果米统一进行考虑，因而能够款得更加准确的评价结果州 作为摩用实例，丌发了基于知识管理及重复利用的智能集成化让簋圭! 箍助工艺谨 计系统爿c a p p 系统，刘其中的主要功能模块进行了介绍。 f 最历刈全文进行了总 - i ，指“；了进一1 步的仍f 究办m 。 、 7 关键词：灰色知识可复用设计n r 巨几j 工艺没汁知识处理工艺评价与决策 一。：二 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t k n o w l e d g em a n a g e m e n t a n dr e u s i n g ，t h eb a s eo fi n n o v a t i o n ，s e r v e sa so n eo f t h ek e y i s s u e sf o re n t e r p r i s e st ok e e pl e a d i n gp o s i t i o ni n t h ea g eo fk n o w l e d g ee c o n o m i c s h o w e v e r , t h ed i f f i c u l t yo fr e u s i n gu n c e r t a i nk n o w l e d g ei ne n g i n e e r i n gd e s i g nh a sb e e n r e c o g n i z e d a sa no b s t a c l e t oe s t a b l i s ht h e k n o w l e d g ep r o c e s s i n g b a s e dp r o d u c t d e v e l o p m e n tm o d e t h i sd i s s e r t a t i o n f o c u s e so nt h er e p r e s e n t a t i o n m a n a g e m e n ta n d r e u s i n go f u n c e r t a i nk n o w l e d g ei np r o c e s sp l a n n i n g an e ws t r a t e g yo fg r e yk n o w l e d g e b a s e dr e u s a b l ep r o c e s sp l a n n i n g ( r p p 、i sp r o p o s e d t h er e s e a r c ho nm e t h o d o l o g i e sa n d t e c h n o l o g i e s ，a sw e l la st h ed e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n so f t h i ss u b j e c t a r ei n t r o d u c e di n d e t a i l f i r s t l y ，v a r i o u su n c e r t a i n t yp r o b l e m s a r es u m m a r i z e da n dt h e c o n c e p t o fg r e y k n o w l e d g ei sp u tf o r w a r d b a s e do nt h ec l a s s i f i c a t i o na n dc o m p a r i s o nb e t w e e n d i f f e r e n t g r e yk n o w l e d g e ，s o m ed e c i s i o n - m a k i n g m e t h o d sa r ed i s c u s s e d n e x t ，r e u s a b l ed e s i g n ( r d ) a n dr e u s a b l e p r o c e s s p l a n n i n g a r c p r o p o s e d t o s u m m a r i z ea n df u r t h e rv a r i o u sd e s i g nm e t h o d o l o g i e sw i t hk n o w l e d g e r da n dr p p e m p h a s i z eo nu s i n g t h e e x i s t i n gd e s i g nk n o w l e d g ed u r i n gp r o d u c td e v e l o p m e n ta n d m a n a g i n g t h er e s u l ta sn e w k n o w l e d g e i no r d e rt os u p p o r tt h ef u t u r ed e s i g n t h ep r i n c i p l e a n df u n d a m e n t a lp r o c e s so fr p pa r ea n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，s o m ek e yt e c h n o l o g i e s o fr da n di u p ，i n c l u d i n g r e p r e s e n t a t i o n ， a c q u i s i t i o n m a n a g e m e n ta n d r e t r i e v a lo fg r e yk n o w l e d g ea r es t u d i e d t h ef r a m e w o r ko f k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n a n d p r o c e s s i n g o nt h eb a s i so f t r e e t a b l e s ”，n a m e l y , i n f o r m a t i o n 亿山l e d e c i s i o n - m a k i n gt l b l ea n dc o n t r o lt a b l ei se s t a b l i s h e d c o n c e p t so f g r a yi n f o r m a t i o n t a b l ea n d g r a y c o n t r o lt a b l ea r ea l s op r o p o s e d a c q u i r i n g d e s i g nr u l e s f r o m s a m p l ep a r t i t i o n ，r e c o m m e n d e d a sak n o w l e d g e a c q u i s i t i o n m e t h o d b y t h i s d i s s e r t a t i o n ，c a ne f f e c t i v e l yo b t a i nt h ep o t e n t i a lo ru n c e r t a i nk n o w l e d g e i na d d i t i o n ，s o m e m a n a g e m e n t i s s u e so fr e u s a b l eg r e yk n o w l e d g eb a s e ，s u c ha si n d e x i n g ，r e t r i e v a l ，s h a r i n g a n ds e c u r i t y , a r ed i s c u s s e d t h ec o n c e p to fk n o w l e d g er e u s a b i l i t ya n di t sm e a s u r e m e n t m e t h o da r ei n t r o d u c e d n ea l g o r i t h mu s e di ne v a l u a t i n gt h ec o s to f r e u s i n gi sp r o v i d e d b a s e do nb o t hg r e yr e l a t i o n a la n a l y s i sa n df u z z ym a t h e m a t i c s ，am e t h o df o rc l u s t e r i n g r e u s a b l ek n o w l e d g ei sd e v e l o p e da n dm a n h o u rk n o w l e d g eo fm a n u f a c t u r i n gp r o c e s si s s t u d i e da sa l le x a m p l e ar e t r i e v a lm e t h o di sd e v e l o p e db yu s i n gs i m i l a r i t yr e l a t i o nr o u g h , - - s e t s r e u s a b l ec a s e sc a nb er e t r i e v e df r o mas i m i l a ri n f o r m a t i o nt a b l e c r e a t e d b y m e a s u r i n g t h es i m i l a r i t yb e t w e e nd i f f e r e n tp a r t s ， a d d i t i o n a l l y , p r o c e s se v a l u a t i o na n dd e c i s i o n - m a k i n g o ng r e y k n o w l e d g e a r es t u d i e d b a s e do nt h em a p p i n gf r o md e s i g nf e a t u r et om a n u f a c t u r ef e a t u r e ，t h ew e i g h t e dg r e y r e l a t i o n a l a n a l y s i s i s p r o p o s e d t o o b j e c t i v e l y e v a l u a t et h e m a a u f a c t u r a b i l i t y g r e y “ 华中科技大学博士学位论文 s i t u a t i o ns t r a t e g yi sa p p l i e di nd e c i s i o n m a k i n go fe q u i p m e n ts e l e c t i o n c o m p a r e dw i t h f u z z ym e t h o d ，t h eg r e yr e l a t i o n a la n a l y s i s i ss i m p l e ra n dm o r e p r a c t i c a lb e c a u s e i td o e s n o tn e e da n yr u l es t a t e df r o mm a s ss a m p l e sa n ds c o r i n gf r o m e x p e r t s d u et o t h e c o n s i d e r a t i o no f e v e n t s ，o b j e c t sa n de f f e c ti na ni n t e g r a t e dm a n n e r , t h ed e c i s i o n m a k i n g u n d e r g r e ys i t u a t i o ns t r a t e g yl e a d st oa m o r ea c c u r a t er e s u l t a ni n t e l l i g e n ta n di n t e g r a t e d c o m p u t e r - a i d e dp r o c e s sp l a n n i n gs y s t e m - - i c a p pi s d e v e l o p e dt ov e r i f yt h em e t h o d o l o g i e sa n dt e c h n o l o g i e sp r e s e n t e db yt h i sd i s s e r t a t i o n f i n a l l y , ac o n c l u s i o n i sd r a w na n dt h et r e n d o n g r e yk n o w l e d g ea n dr e u s a b l e p r o c e s sp l a n n i n gi sa n t i c i p a t e d k e yw o r d s ：g r e yk n o w l e d g e ，r e u s a b l ed e s i g n ，r e u s a b l ep r o c e s s p l a n n i n g , k n o w l e d g ep r o c e s s i n g ，p r o c e s se v a l u a t i o na n d d e c i s i o n m a k i n g i i i 华中科技大学博士学位论文 w ea r e d r o w n i n g i ni n f o r m a t i o n b u ts t a r v e do f k n o w l e d g e j o h n n a i s b i t t ，m a _ q a t r e n d s 华中科技大学博士学位论文 1 绪论 2 l 世纪是知识经济的时代，制造业的环境与制造模式都发生了深刻的变化。随 着科学技术的快速发展和人们生活水平的不断提高，市场竞争更加激烈，消费者需 求日趋主体化、个体化和多样化，制造厂商面对一个变化迅速且无法预测的买方市 场，传统的大批大量的生产模式不再适应新的市场形势的需要。在这种情况下，产 品中蕴含的知识量，以及对市场需求的快速反应能力就开始成为企业能否在激烈的 市场竞争中占得一席之地的重要标志。因此，大力开展知识管理和现代设计理论相 结合的研究，探索在设计与制造的各个环节中知识重复利用的理论、技术与方法有 着极其重要的现实意义。 本章首先分析了知识经济对制造业的影响，总结了制造业的发展趋势，指出对 企业知识财富的管理及利用具有至关重要的意义。 介绍了一种面向知识重复利用的先进制造模式直接工程，分析了直接工程 产生的背景与哲理，指出实现直接工程的关键，一是探索出基于知识重复利用的设 计方法，二是研究适用于工程设计知识处理的知识管理技术，尤其是能够处理不确 定性设计知识的技术。 在基于知识复用的设计方法方面，本章总结了基于产品特征的设计、基于成组 技术的设计、模块化设计、智能化设计及专家系统等设计方法的基本原理，并对这 些方法进行了比较，指出各自的优势及存在的不足。 总结了知识处理技术及其应用的研究现状，介绍了不确定性问题研究理论及其 在工程中的应用情况，分析了影响知识复用技术实用化的关键所在。 最后，介绍了本文研究工作的背景、意义及主要研究内容。 1 1 知识经济时代的先进制造模式与直接工程 1 1 1 知识经济时代制造业面临的挑战和转变 刚刚过去的2 0 世纪，是人类有史以来科技发展最辉煌的工业经济时代。而2 1 世纪，则是以信息技术产业为重要标志的知识经济时代。按照经济合作与发展组织 ( o e c d ) 的报告以知识为基础的经济的基本思想，知识经济从广义上可定义为建 立在知识和信息的生产、传播与应用基础上的一种经济活动。当代知识经济本质上 属于以知识、技术和智力的投入为主并对经济增长起主导作用的一种经济形态，它 是包括知识产业、知识密集型服务业、高技术工业和高技术农业所组成的一种经济 体系m 1 。 华中科技大学博士学位论文 知识经济剥制造企业的企业战略、经营方式、管理、组织、技术、人员、文化、 基础设施等各个方面提出新的要求。在知识经济时代，以信息产业为核心的知识密 集型的高新技术产业将成为新的经济增长点。以大量消耗原材料和能源为特征的传 统的制造业已经开始逐步向高科技、高知识含量的现代制造业转变。对传统制造业 的改造方面，知识经济将加速向传统的制造业进行知识扩散。使其知识化。另外制 造业与服务业的界限日益模糊，几乎所有的制造业都将承担服务。各种服务将成为 企业的商品，不断开发的服务产品将成为企业竞争力的体现。知识经济借助于“四 通八达”的网络和“无所不在”的虚拟技术对人类社会产生巨大和深远的影响。所 以，也有人将知识经济称为网络经济。知识经济j 下是通过网络使“虚拟”成为现实。 未来，在制造业中网上购货、虚拟办公、虚拟设计、虚拟制造、虚拟公司等技术和 业务将迅速发展”，4 j 。 为了适应制造业在知识经济时代面临的新环境，不断提高制造企业在t 、q 、c 、 s 等方面的竞争力，各国政府、产业界和科技界不断提出各种制造新模式，这些制 造新模式在目标、产生的背景、主要战略、理论基础、组织结构、技术支持等方两 各有特点。总的来看，知识经济时代的制造模式具有如下的发展趋势【5 l ： 1 客户决定战略 制造企业的战略方向由主要客户决定。企业应该积极调整企业机制转化等方面， 大力支持产品创新和开发，实现市场生存、创新生存。面临个性化需求，企业的产 品配置能力以及产品改型设计的能力就显得尤其重要。这就要求企业在产品开发的 各个阶段，考虑其设计知识、工艺知识和制造知识等能够在将来的改型产品中得到 重复利用。 2 组织与协作 知识经济下的制造系统必须建立强有力的生产组织机构和合理的运行机制，在 通信网络技术的支持下，适当下放权力，甚至某些决策过程也可以下放，公司通过 上层协调，将各项任务分散给伙伴企业协同去做。公司要根据伙伴的具体生产能力 和制造过程，解决好生产过程的划分、成本计算和利益分享等问题。快速响应市场 的成为一种新的竞争策略，产生了一利，产品丌发商与零部件丌发、销售、零售和制 造业方面的专家之问的合作伙伴关系，由此而形成的极为灵活的经营方式和敏捷性 使开发新产品与这种新产品到达消费者手中所花费的时间和成本大大减少了。知识 经济环境下，对于制造业的内部组织和外部协作，知识共享与安全管理都是一个重 要的工作。 3 革新驱动 由于市场的国际化、世界各地的用户将会有许多特殊的需求，另外，因为技术 的高速发展，产品的生命周期越来越短，这些都要求企业不断创新自己的产品和制 造过程。现代技术提供的虚拟设计、建模和装配技术，可以在提高产品性能及可靠 性的同时，减少开发风险、上市时间和费用，也不必进行原型试造。产品创新是创 造知识的过程，也是增加企业知识财富的重要手段。需要指出的是，产品创新不能 华中科技大学博士学位论文 工艺与制造经验的基础上完成的，体现了对已有知识的重复利用。 4 人才 、 人才是企业知识的载体，也是创造知识的力量源泉。企业应该重视知识、人才、 教育和科学研究，通过不断吸收和并购来网罗人才和获得新一代产品，企业的人才 资源就是企业的未来。 从上面的发展趋势可以看出，产品中蕴含的知识量成为企业竞争的基础和决定 胜负的关键。对所拥有的知识进行有效的保护，就成为知识经济下的一项新的重要 的组成部分。知识是一种无形资产，在知识经济时代其重要意义甚至远远超出农业 经济下的土地、劳力。以及工业经济下的矿山、资源、厂房和设备等财富。因此， 在知识经济时代，对所拥有的知识的科学管理、对知识的重复利用以最大发挥其效 益，以及知识创新将成为企业知识财富管理的重要方面，它将影响到智慧资本的持 久性及企业的持续发展问题。其中，知识管理和利用又是知识创新的基础，具有至 关重要的意义。 1 1 2 一种面向知识复用的制造模式直接工程 1 9 9 3 年，美国国家科学和技术委员会i s t ：n a t i o n a li n s t i t u t eo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ) 率先倡导了“快速反应制造”的制造模式【6 1 。它当时联合了一批实力很 强的企业及高等学校，包括福特汽车公司( f o r d ) ，通用汽车公司( g m ) ，t e x a s i n s t r u m e n t s 、i c a d 、德克萨斯大学一a u s t i n 分校( t h eu n i v e r s i t yo ft e x a s a u s t i n ) 、密 西根大学一d e a r b o m 分校( t h eu n i v e r s i t yo f m i c h i g a n d e a r b o r n ) 等。其目的是针对市场 和顾客的需求，以最快的速度拿出新产品的方案设计及详细设计，在直接获取所有 的制造资源信息的基础上，迅速产生出相应的加工工艺并付诸实施，力求以最短的 时间将产品投入市场。由快速反应制造，福特公司又派生出了直接工程( d i r e c t e n g i n e e r i n g ) 的概念，即一旦新的产品设计要求被提出，其相关的设计信息、相似 产品的设计和加工信息、现有制造能力及资源信息，均能被设计人员直接从公共数 据库中获取，因而以最快的速度产生出最实用的加工方案。 直接工程涉及到许多学科及高新技术。这些学科及技术的发展，为d e 的成功实 施创造了良好的支撑环境。它们包括以下各个方面： 1 工程数据库7 】 数据库技术是计算机环境下实施并行工程的关键。同样，对直接工程而言，它 也是非常重要的。目前，适用于d e 的优化数据库还在开发中。在设计及工艺过程 中较为熟悉且应用较广泛的是关系数据库理论。然而，在表达复杂数据目标及工程 设计中的逻辑关系方面，关系数据库不是很理想。在表达顺序信息方面它也不是很 方便。现在人们正在致力于面向目标的数据库研究，该数据库中的数据采集和继承 机理为表达复杂工程数据提供了良好的环境。它也适用于表达复杂的约束条件，克 2 成组技术( g t ) p 1 成组技术就是根据零件结构形状或制造工艺的相似性对其进行分类编码。其编 码由字母和数字混合组成，不同的码位组合表示不同结构的零件a 该代码表达了零 件有关的设计和制造特征。根据编码可方便地从工程数据库中对零件的有关信息进 行检索。在直接工程环境下，零件的模型是由g t 方法存储在数据库中。产品开发 中形成的新零件族及与已有零件族相似的零件可以根据g t 规则，随时方便地插入 数据库中。也可实现计算机环境下零件分类和编码。这样就避免了手工分类编码的 遗传性错误。 3 约束管理技术”w 使用该技术就是把一种零件设计表示成一系列变量及这些变量之间的函数关 系。大多数约束系统是利用网络结构表示设计方法中关系之间的迭代。一旦明确了 设计过程中的因果关系，约束系统即可对任何未知值进行计算并输出。工程设计人 员依据这种方法可以给出要求输入的参数值。这些值通过网络关系进行传递，以便 确定设计推断。通过给出一系列输入参数，设计人员就能够在给定范围内进行具体 设计。直接工程的方法就是通过这种方法采集到设计信息与制造信息之间的关系。 目前的约束传递主要是根据代数约束网络方法。更方便实用的方法是由设计计算来 表达生产约束，它是国内外研究人员所致力的课题之一。因为制造信息则更多的是 功能及符号信息约束。为了把约束管理技术更好地应用于d e 中，约束管理技术也 应该包括这些功能及符号约束信息。 4 工程知识 i t l 数据库技术涉及的是档案信息，知识表达涉及的则是计算及符号处理的模型信 息。目前，知识表达的方式有两种，即顺序法和框架法。但是这两种方法都很难对 所有的知识表达确定一个相应的变化表。正在研究的d e 集成结构和通讯方式，可 以对不同的变化进行协调。 5 成形特征 1 2 , 1 3 零件各特征之间的特征界面和几何关系对整个制造过程的信息获得是很重要 的。直接工程环境下，成形特征使得零件的几何知识与生产制造知识和设计知识产 生联系。例如汽车发动机中连杆后部的槽就是由特定尺寸定义的形状特征。若该槽 的参数产生变化，它将对整个零件的几何形状也产生影响。当某个参数发生变化时， 约束管理系统就对整个几何形状进行修改。成形特征是一种使集合形状参数化的方 法。在d e 环境下，它通常作为零件几何参数和约束管理之间的界面。任何时候只 要有某个参数发生变化，系统就对所有几何参数进行适时修改。 6 几何建模技术1 1 4 j d e 的目标就是最终省去传统的工程语言图纸及其电子对等量，而代之以零 件的三维几何描述，即有计算机处理信息流的过程代替，这样设计与制造过程中就 华中科技大学博士学位论文 直接工程环境下还有很大的局限性。比较可行的方法是单一拓扑学模型，它可以把 表面和实体拼合成一种简单的表示方式。 在美国，由1 0 个大公司，花费五百万美元，计划用五年时间完成“快速反应制 造”r r m 的d e 实验。其中每个公司选种零件采用d e 方法进行设计。包括福特 汽车公司的曲轴、通用汽车公司的转向轴、德克萨斯仪器公司的复杂箱体等坤j 。这 个实验使参与的企业具备了更强的市场竞争能力，并取得可观的经济效益。在我国， d e 的相关技术和方法也得到了发展并引起了人们的重视i l5 ”j 。但是，对于直接工程 机理和应用方法的研究还远远不够深入，尤其是直接工程环境下整体的产品设计系 统还有待于进一步的探讨与研究。 1 1 3 实施直接工程的关键 直接工程的哲理是产品开发周期是一个单一的、完整的过程。许多工业设计实 际上是改型设计在已有设计的基础上进行改进。直接工程试图通过提供已有设 计的完整档案来改进各种设计过程。它还使用附带上包含完整制造信息的三维几何 模型作为通信手段。在这样的环境下，设计过程的同时就可以获得制造信息。使用 直接工程的最大优势在于缩短丌发周期。由于新的设计是在已有设计的基础上完成 的，直接工程还会减少工程更改的数量，从而缩短开发周期，提高效率，并提供高 质量的产品【6 】。 直接工程环境下的设计与开发过程中，设计者进入系统后。可以从设计与制造 数据库中检索出一个或者多个已有零件的信息。由于每一个检索出来的模型都代表 了已经设计出来的已知设计与制造参数的零件，因此它可以作为零件设计的模型。 在这个模型的基础上，工程师可以输入新零件的设计参数。系统通过零件的约束条 件处理这些参数，并产生新零件性能与制造信息。设计者可以通过比较与分析新设 计的性能是否达到设计目标，从而决定是否接受新设计。可以通过快速成型技术产 生一个零件的原型，如果原型产品的测试结果是可以接受的，那么这个零件就可以 生产了。直接工程还压缩了制造阶段所需要的准备时间，因为在设计阶段就已经准 备好了所需要的信息。由于采用了已有的成熟工艺，就能实现高质量产品的生产【1 5 l 。 从直接工程的哲理和主要过程可以看出，直接工程是在产品开发的数据、信息 与知识的统一管理的基础上，通过对开发过程各个环节的知识的重复利用，来实现 缩短开发周期和提高产品质量，从而快速反应市场需求。因此，实施直接工程能否 取得成功的关键在于： 1 探索出基于知识重复利用的设计方法； 2 研究适用于工程设计的知识处理方法与技术。 上面两个方面的研究内容，前者侧重于设计机理的研究，后者则侧重于知识处 理的研究，其目标都是在于提高工程设计过程中知识重复利用的效率，降低知识重 华中科技大学博士学位论文 复利用的成本( 管理成本、检索成本、修改成本和创造成本等) ，即提高知识的可复 用性。 1 2 基于知识复用的现代设计方法综述 在众多的现代设计方法中，有许多方法是建立在对已有的设计知识或者设计成 果的重复利用的基础上。本节是对这些设计方法的概述和总结。 1 2 1 基于产品特征知识的设计方法 基于产品特征知识设计方法是指；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设计i l6 1 。基于特征知识的设计方法主要 包括下面几种： 1 基于实例推理的设计方法f ”0 4 】 文献【l ”在研制设计型专家系统的知识库中，采用基本谓词描述设计要求、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。 2 知识的混合型表达方法与基于知识的开发工具【2 5 - 2 9 】 在基于产品特征知识的设计中，很难找到一种适合描述全部工程设计知识的方 法。因此，采用混合型的知识表达方式描述各类知识变得尤为重要。文献【2 5 】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。文献【2 6 】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模式，并成功的研制出“面向对象的数控龙门铣床变速箱设计 智能系统g b c d i s ”。而文献1 27 j 在联轴器的c a d 系统中，利用基于知识的开发工具 n e x p e r t - o b j e c t ，借助于面向对象的方法，创建了面向对象的设计方法库，为设 计者进行联轴器的方案设计和结构设计提供了广泛且可靠的设计方法谱。 3 编码法与设计目录法 3 0 - 4 2 j 文献1 3 0 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，将二元逻辑推理与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。文献1 3 1 】贝0 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设计的辅助设计工具。 华中科技大学博士学位论文 1 2 2 基于成组技术的设计方法 成组技术( g t ：g r o u pt e c h n o l o g y ) 是在工艺过程典型化试验研究的基础上发展 起来的，由前苏联的米特范洛夫提出。从5 0 年代末，西欧和东欧逐步系统引进成组 技术。到了6 0 年代和7 0 年代，成组技术在上述各国褥n t 广泛的应用，理论和实 践均已比较完善和成熟。应用范围也从机械加工扩展到冲压、铸、锻和装配等工艺 设计与生产过程中。我国6 0 年代初引入了成组技术，在纺织机械、飞机、机床及工 程机械等行业得到推广和应用1 4 ”。 成组技术的基本思想是将零件按其结构相似性分类，使原来只能用生产效率极 低的单件生产方式加工的零件，通过分组并组，并根据各类零件的共性改进加工设 备和工装，使之能够采用类似大批量生产方式加工同类零件，大大提高了生产率和 经济效益。随着生产技术的发展，成组技术的概念也有了更丰富的内涵和更多的表 现形式，它的应用范围也从最初的零件加工扩展到产品设计、工艺编制、生产管理、 质量控制、刀具设计、采购维修等各个方面。但其本质始终没有太大的变化，即成 组技术要解决的问题是：如何出重复使用的情况，也就是按照零件的各种属性( 形 状、功能、工艺、尺寸等等) 进行归类，从而避免重复和多余的操作、缩短设计或 生产周期1 4 4 l 。 用g t 进行产品设计时，首先考虑的是如何利用各种标准模块进行组合叠加而形 成一种新的产品，同时对标准模块中的各种零件尽量采用相同或类似的零件，因此 基于g t 的产品计算机辅助设计( g t - c a d ) 可以提高产品的继承性和零件的标准化， 给工厂的技术准备和生产管理都带来了极大的方便，在分析工程零件谱的基础上， 对产品进行最有效的分析和组合，把分类中的相似件编制成主样件，并建立相应的 g t - c a d 图库。利用g t - c a d 进行产品设计不仅可解决设计工作中的重复劳动等问 题，保证产品的合理性和经济性，而且为c a d 与c a p p 的集成和成组加工奠定了基 础m l 。 1 2 3 模块化设计方法 模块化设计是指在一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产 品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合 可以构成不同产品，以满足市场不同需求的设计方法。模块化设计的优越性具体表 现在：1 ) 缩短产品的设计周期。据统计，在设计过程中利用模块化设计能节约5 0 的时间。2 ) 有利于提高产品的质量和新产品开发，增强企业对市场的快速应变能力。 3 ) 有利于降低成本，增强产品的竞争能力。 “模块化设计”这一概念在5 0 年代由欧美一些工业发达国家首先提出，7 0 年代 末，模块化设计开始在我国受到重视，随之许多高校和研究单位对此设计理论进行 了许多有益的研究和探索。需要指出的是，模块化设计往往需要和其他一些设计思 华中科技大学博士学位论文 i i 模块进行了划分与组合，进行了基于g t 的模块化产品设计的研究h “a 华中理工大 学和天津大学等进行了基于实例推理的机床模块概念设计系统的研究1 4 “。对于产品 模块化设计的模块化选择算法也进行了深入的研究。 1 2 4 智能化设计方法与专家系统 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 是一个具有丰富的专门领域知识的程序，它应用人工智 能技术，根据专家提供的知识及推理能力，模拟人类专家做出决策的思维过程，来 解决原需要由专家才能解的复杂问题专家系统，与传统的解决工程问题的程序不同， 它是一种“非确定性”程序，具有逻辑推理和判断决策能力。专家系统把许多事实 和有关专业内的启发规则( 经验法则) 结合在一起，通过系统地应用这些事实和启发 规则，不断地缩小搜索范围，引导问题的解决一“。 专家系统在产品设计领域得到了广泛的应用。引入专家系统的c a d 系统提高了 智能的推理和人机通讯能力，它应能理解设计者的意图，并且具有统一的数据描述 方法。一般的智能c a d 系统应该具备以下这些子系统：( 1 ) 分析设计说明并建立原 始模型的子系统。对应于概念设计；( 2 ) 建立粗略设计实施方案的子系统；( 3 ) 检查候 选方案可行性的子系统；( 4 ) 根据原始模型构造出新模型的子系统；( 5 ) 支持细节设计 的子系统 4 8 , 4 0 。 除了专家系统外，智能化设计方法也体现在其它多个方面，但是其主要思想都 是根据设计方法学理论，借助于三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术等 信息技术，以及多媒体、超媒体工具进行产品的开发设计、表达产品的构思、描述 产品的结构等方法f 5 0 j 。文献p l j 把产品的整个丌发过程概括为“产品规划”、“开发” 和“生产规划”三个阶段，并且充分利用了现有的c a d 尖端技术虚拟现实技术。 1 ) 产品规划构思产品。其任务是确定产品的外部特性，如色彩、形状、表面质 量、人机工程等等，并将最初的设想用c a d 立体模型表示出，建立能够体现整个产 品外形的简单模型，该模型可以在虚拟环境中建立，借助于数据帽和三维鼠标，用 户还可在一定程度上参与到这一环境中，并且能够迅速生成不同的造型和色彩。立 体模型是检测外部形状效果的依据，也是几何图形显示设计变量的依据，同时还是 开发过程中各类分析的基础。2 ) 开发设计产品。该阶段主要根据“系统合成” 原理，在立体模型上配置和集成解元素，解元素根据设计目标的不同有不同的含义： 可以是基本元素。如螺栓、轴和轮毂联接等；也可以是复合元素，如机、电、电子 部件、控制技术或软件组成的传动系统等。3 ) 生产规划加工和装配产品。在这 一阶段，文献p 2 j 主要论述了装配过程中c a d 技术的应用，提出用计算机图像显示 解元素在相应位置的装配过程，即通过虚拟装配模型揭示造型和装配间的关系，由 此发现难点和问题，并找出解决方法。 华中科技大学博士学位论叉 1 2 5 几种基于知识复用的设计方法比较 上面所述的这些设计方法各具特点。结构模块化设计方法视具有某种功能的实 现为一个结构模块，通过结构模块的组合，实现产品的方案设计。对于特定种类的 机械产品，由于其组成部分的功能为明确且相对稳定，结构模块的划分比较容易， 因此，采用结构模块化方法进行设计较为合适。由于实体与功能之间并非是一一对 应的关系。一个实体通常可以实现若干种功能，一个功能往往又可通过若干种实体 予以实现。因此，若将结构模块化用于一般意义上的产品设计，结构模块的划分和 选用都比较困难，而且要求设计人员具有相当丰富的设计经验和广博的多学科领域 知识。 机械产品的设计通常无法采用纯数学演算的方法进行，也难以用数学模型进行 完整的描述，而需根据产品特性进行形式化的描述，借助于设计专家的知识和经验 进行推理和决策。因此，欲实现基于特征知识的计算机辅助产品设计，必须解决计 算机存储和运用产品设计知识和专家设计决策等有关方面的问题，由此形成基于产 品特征知识的设计方法。 、 成组技术是建立在相似理论基础上的一门生产技术科学。但是，由于各个企业 的零件结构差异较大，难以推行统一的零件编码系统。同时，成组技术必须建立在 设计知识、工艺知识和生产管理知识的大量积累的基础上，否则，企业投入了大量 的人力、物力设计出复杂的零件编码系统，也未必能够取得理想的效果。 专家系统的技术是专家提供的知识及推理能力，以及利用计算机模拟人类专家 做出决策的思维过程。它对系统设计者提出了较高的要求，而且在规则推理和知识 学习等方面也还需要进一步的研究和探讨。其它一些智能化设计方法，如虚拟设计， 主要是利用三维图形软件和虚拟现实技术进行设计，直观性较好，开发初期用户可 以在一定程度上直接参与到设计中，但系统性较差，且零部件的结构、形状、尺寸、 位置的合理确定，要求软件具有较高的智能化程度，或者有丰富经验的设计者参与。 应当看到，上述各种方法并不是完全孤立的，各类方法之间都存在一定程度上 的联系，如结构模块化设计方法中，划分结构模块时就蕴含有系统化的思想，建立 产品特征及设计方法数据库和推理机时，通常也需运用系统化和结构模块化方法， 此外，基于产品特征知识的设计同时又是智能设计的基础之一。在机械产品设计中， 视能够实现特定功能的通用零件、部件或常用机构为结构模块，并将其应用到系统 化设计有关层次的具体设计中，即将结构模块化方法融于系统化设计方法中。不仅 可以保证设计的规范化，而且可以简化设计过程，提高设计效率和质量，降低设计 成本。 华中科技大学博士学位论文 1 3 知识处理技术及其应用的研究综述 1 3 1 知识处理技术研究现状 7 0 年代中期，知识处理的研究逐渐热起来，并发展成为一门学科。e d w a r da f e i g e n b a u m 及其研究小组在1 9 7 7 年的国际人工智能会议上提出了“知