（机械制造及其自动化专业论文）基于知识的传动方案设计支持系统研究.pdf

摘要 本文对抽象概念和相对抽象概念在产品设计中的作用进行了探讨，结台机械 传动产品设计中的概念设计，讨论了产品设计中需求，功能，结构之间的关系， 提出用户新的需求是在完成基本功能的产品基础上新的功能要求。利用现有的设 计方案，通过组合功能元解能够给出满足用户需求的方案，实现产品的创新设计。 利用新材料工艺可以改变功能元解的适用范围，同样可以实现创新设计。对于应 用组合功能元解方法中如何匹配功能元解进行了研究，并采用多次过滤的算法避 免了组合爆炸。剥。系统得到的多个可行解采用层次分析法和多级模糊评价法进行 评价，给出最优解。系统建立过程中对设计知以库进行了有效的组织，并设计了 与其他系统交换信息的接口。系统采用面向对象技术实现，保证了系统的实现， 灵活性和可扩充性。用户界面简洁，友好。 厂v 关键词：机械传动磐粟设甘瑾千菊识酌系练抽象概念模糊评价g 睦各 缸j 与绷弛斜方家 a bs t r a c t t h ep a p e rs t u d i e dt h er o l eo fa b s t r a c tc o n c e p ta n dr e l a t i v ea b s t r a c t c o n c e ：p t i n p r o d u c td e s i g n c o m b i n gw i t hc o n c e p td e s i g n i nm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n p r o d u c t d e s i g n ，t h er e l a t i o n sa m o n g u s e r l sr e q u i r e m e n t ，p r o d u c t 。sf t m c t i o na n ds t r u c t u r ew e r e d i s c u s s e dam e t h o dt h a tu s e r 。sn e w r e q u i r e m e n ti sb a s e do n t h ep r o d u c tw h i c hh a st h e b a s i cf u n c t i o nw a sp u tf o r w a r d w i t ht h ea v a i l a b l e d e s i g ns c h e m e s c o m b i n i n gc e l l f u n c t i o na n s w e r s ，t h ea n s w e rt h a ts a t i s f yu s e r 。sr e q u i r e m e n tc a nb ea c h i e v e d m a k i n g u s eo fn e wm a t e r i a la n dn e w t e c h n o l o g yc a nc h a n g et h es c o p eo ft h ec e l lf u n c t i o n a n s w e r ，c r e a t i v ed e s i g nc a na l s ob ea c h i e v e d s t u d yw a sg i v e no nh o wt oa c h i e v et h e m a t c ho fc e l lf u n c t i o n a n s w e r s m u l t i - l a y e r f i l t r a t em e t h o dw a su s e dt oa v o i d c o m b i n a t i o ne x p l o s i o n m u l t i l e v e lm e t h o da n dm u l t i - l e v e lf u z z ye v a l u a t i o nw a su s e d t oe v a l u a t et h ea n s w e r sa n dt h eb e s ta n s w e r g i v e n i nt h e p r o c e s s o fs y s t e m s c o n s t r u c t i o n ，d e s i g nk n o w l e d g ew a se f f e c t i v e l ya s s e m b l e d t h ei n t e r f a c et oe x c h a n g e i n f o r m a t i o nw i t ho t h e rs y s t e mi s d e s i g n e d t h es y s t e mw a sc o n s t r u c t e d 、j t ho b j e c t - o r i e n t e d t e c h n o l o g y t o g u a r a n t e e t h ec o n s t r u c t i o n ，f e a s i b l ea n d e x p a n s i o n u s e r i n t e r f a c ei ss i m p l ea n d f r i e n d l yd e s i g n e d k e y w o r d s ：m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o ns c h e m e d e s i g nk n o w l e d g e b a s es y s t e m a b s t r a c t c o n c e p tf u z z y e v a l u a t i o nc o m b i n a t i o n 声明 r 主0 5 3 6 0 峨? 蔷 创新性，并明 爪人川_ i 定的论文是我个人在岢! h i j p ，导卜进 j ：的研究工作及取得的研究 成果。j s 我所知，除j 7 艾t 1 特别d f l 以铀、汴和致谢中所罗列的内容以外，论文巾不 包含j j t 【| 1 人l ! 经发表或撰写过的研究成粜；也不包含为获得两安i 乜子科技大学或 j i 它教宵, f jl f f , j f 内+ 、j ! f 讧或训 5 l 丽使j 1 j 过f f ：j 十_ | ：l ，j 陇一i 司l 干1 ：f n 厉】忠列本珂f 究所做 的任何贞6 f t j - , ；已n ：论文中做r 明确n 1 观 u j 计表，j i 了j 意。 本人掺名均赴j j 到多 火j 沦文使川授十义的说u 月 小人充企j 1 自￥幽发 乜f 利坎、4 、；：仃) ：垛州剐4 - t 用学f 汀论文的j 兕定，即：学校 仃仪保f ? f 送交沦义的复 = | j 什，允许卉恻嗣l 借阅沦艾：学饺r - 1 以公仃沦文的全部或 i 邵分内齐，t 叮以允许采用影e 、缩【r 【】或其它复制于段蜾仃论文。 本人签彩 譬m f 签名 商逊l 堡且 f j f 查型：主 1 期塑咀世 第一章绪论 第一章绪论 传动方案的设计是机械系统设计领域的重要环节。传统的传动方案设计， 主要是基于以往的设计经验，咀成熟的设计理论进行指导，设计过程往往存在大 量重复工作。由于主要针对某一特定领域，沿用传统设计手册中的经验公式，对 于现代市场对传动新方案的要求，难以实现创新设计。本文提出基于知识的传动 方案设计支持系统，是为了在减少重复工作的同时，通过基于组合方案和新材料 新工艺的使用，针对用户提出的任务要求，给出新的解决方案。 1 1 方案设计的发展 方案设计的发展经历了常规设计，改进设计，创新设计等阶段。e i2 常规设 计即传统的方案设计主要依托成熟的设计理论，以成熟结构为基础，运用常规方 法进行理论计算和校核，方案的优劣主要取决于设计人员的设计经验和对专业领 域知识的熟悉程度。在机槭设计领域里，由于设计理论的成熟，一般设计人员短 期内就可咀掌握基本设计理论，解决实际中的许多普通问题。这种设计只要了解 以往的产品模式，熟悉设计手册，套用设计公式即可，解决的问题有限。 改进设计是在保持产品原理，方案基本不变的前提下，在原有产品基础上， 对产品的某些局部功能和结构作出变更，以适应某种需要。从整体上来说，改进 设计其设计目标是确定的，并且存在着较为固定的问题分解模式。但对于产品的 某些子模块来1 l 兑则往往在技术上具有较大变化，没有固定的设计模式可循，也就 是说，存在着对某些子系统的改进设计。 创新设计是指针对新的用户需求，从已知的，经过实践检验是可行的理论和 技术出发，设计出过去没有的新型产品其基本特点是，对于设计且标的描述是 不完全和不确定的，并且没有现成有效的问题分解模式和对于子问题的规划，整 个设计过程是发散的，无常规可循，基本取决于设计者的创造性思维。卧2 创新 设计可以通过新原理实现，也可以通过新结构，新材料新工艺实现。创新设计是 在多种因素的限制约束下进行的，其中包括科学，技术，经济等发展状况和水平 的限制，也包括生产厂家提出的特定要求和条件，同时涉及环境，社会等因素。 同时，满足一定目的的设计方案通常并不唯一，思维活动的空间很大，对于特定 问题需要给出一种最优方案解，因此，对于设计人员提出了更高的要求。 三一 至三墅塑塑焦垫查壅塑生塞楚墨堕塑窒 1 2 方案设计理论的现状 方案设计方法理论反映了市场对产品的需求和设计水平，方案设计方法理论 经过多年的发展，形成了欧洲流派的系统设计方法学，日本流派的一般设计方法 学，美国流派的公理化设计方法学，前苏联流派的设计方法学等，它们有着各自 的特点。 ( 1 ) 欧洲流派的系统设计方法学 七十年代，德国学者g 。p a h l 和w 。b e i t z 提出了最具代表性，权威性和系统 性的设计方法学，他们将设计过程主要分为四个阶段：任务明确阶段，概念设计 阶段，具体设计阶段和详细设计阶段，主张将从专业设计人员长期的设计实践中 归纳总结出来的各种方法作为工程设计流程中各个环节的手段，贯穿到整个设计 过程中，提出并大力推广融设计经验和系统工程为一体的系统设计方法学。同时 将归纳和总结出来的大量的工程设计知识经过系统化的整理，以设计目录的形式 保存，传递和运用。 ( 2 ) 日本流派的一般设计方法学 以日本东京大学吉川宏之教授为首的r 本学者在七十年代提出一般设计方法 学，该流派思想试图将一般的设计本质在严密的数学原理基础上予以阐述，从而 得到有别于各具体领域设计的一般设计理论。该流派思想重视设计过程和设计知 识的形式化，重视对人类设计思维活动机制的研究，重视理论本身对计算机辅助 设计技术的指导作用。一般设计方法学主要出发点是抛开设计的个性，研究设计 的共性问题。即以共性为基础，融入特定的环境因素，领域因素而形成特定方案。 这种方法学强调归纳演绎方法的运用，从特性归纳出设计的共性和本质，从一般 本质基于环境因素演绎出特定设计个体，以通用设计原理指导设计者进行开发。 ( 3 ) 美国流派的公理化设计方法 公理化设计方法是由m i t 的n a mp s u h 教授等人于七十年代提出的设计原理， 该思想试图确立主导所有设计的一般规律，其目的是提高设计的创造性，减少设 计的随意性和设计中的错误和不合理性。 公理化设计基于功能独立性公理和信息量最小公理。功能独立性公理是指产 品设计要维持功能要求的相对独立性。当存在两个或多个功能要求时，设计必须 在使每一功能要求满足的同时不影响其他功能，功能之间彼此不冲突，尽量不相 关。两个或两个咀上的相关功能应被一个对等的功能取代。在理论上，如果一个 零件能够相互独立地满足所有必要的功能，那么它是一个最好的设计。信息最小 公理是指产品设计要力争使设计信息含量晟少，信息量最少的设计为最优设计， 信息最小公理说明用最小的信息来实现目标设计时成功的可能性最大。 在设计的过程方面公理设计把设计理解为：首先设计人员进行功能分析， 第一章绪论 明确用户对功能的要求，根据功能要求来确定零部件及其设计参数，然后根据零 部件结构明确工艺要求，最后确定工艺参数。为了对开发过程作明确的阐述，公 理设计方法把开发划分为四个域：用户域，功能域，结构域，工艺域。设计过程 就是四个域空间的映射过程。公理化设计与欧洲设计流派都认为设计是一个映射 过程，强调从设计要求出发，在原有设计知识和经验的基础上，完成设计不同阶 段之间的映射，实现定性的要求到定量的设计参数。 ( 4 ) 前苏联流派设计方法 t r i z 理沦方法始于一九四六年，以g s a l t s h u l l e r 为首的由前苏联的大学，研 究所和企业组成的研究组织分析研究了世界的近2 5 0 万项发明专利，综合各个学 科领域的原理，法则形成了t r i z 的理论体系。主要目的是研究人类进行发明创造， 解决技术难题中所遵循的科学原理和法则。在东西冷战时代，t i l i z 的研究一直被 作为苏联的国家机密，西方国家知之甚少。苏联解体后，大批t r j z 研究人员移居 西方国家，t r j z 的研究实践得以迅速普及和发展。t r i z 综合各学科领域的原理， 广泛研究大量发明专利所遵从的科学准则和方法，建立了一系列的科学原理知识 库，设计知识库。在计算机辅助产品设计领域得到广泛应用，目前在欧美国家得 到越来越广泛的应用。 l _ 3机械传动方案设计的现状与需求 1 3 1 机械传动方案设计的现状 目前，国内机械传动方案设计仍处于常规设计和改进设计阶段。对于传统的 产品设计要求，较多采用的仍是常规设计。这种方法对于常规问题，能够满足要 求。许多专业生产厂家的业务，就是根据国家标准或用户要求，进行常规设计， 这种产品的设计原理也比较单一。例如，标准三角带的生产厂家，产品的原理和 加工方法等都是基本固定的。在不少生产厂家的设计部门，也对产品的设计作了 一些局部的改善，对于特定的产品，这种方法可以在一定程度上解决存在的问题。 这两种设计都有一个特点，即通常都是针对某一种产品进行设计，目标比较单一。 计算机技术的普及，给设计人员提供了现代化的设计工具，各种计算机辅助 设计工具为实现设计自动化提供了支持。计算机辅助设计在机械设计领域里的应 用，体现在绘图自动化，工艺自动化等方面，三维建模工具，计算机辅助工艺设 计工具等的使用为机械传动产品设计提供了很大帮助。在方案设计方面，随着人 工智能的发展，基于知识的机械传动设计系统走向实用。目前大部分基于知识的 机械传动设计系统针对特定的问题，如，针对带传动方案设计，给出参考设计方 案。这些系统在很大程度上减轻了设计人员的重复工作，但并没有很好地解决系 统模仿设计人员的创造性思维方式，对于千变万化的用户的新需求，功能有限。 4 基下知识的传动方案设计支持系统研究 同时，这种系统涉及到的知识一般都限于特定领域，知识的设计与领域结合比较 紧密，知识获取等方面的能力也有限。 目前，还有一些基于知识的系统，重点是研究对设计方案的综合评价。这种 系统目的在于从产品的技术性能，经济性能，社会性能等方面对设计方案给出综 合评价，为决策人员提供支持。在产品设计的初期进行对设计方案的综合评价， 主要是为了及早发现方案的问题以避免在后期付出更大的代价。这种评价对于 保证设计的质量很有帮助，但对于根据用户的新要求，给出合理的新型传动方案， 帮助不大。 1 3 2 机械传动方案设计的需求 机械传动产品是许多产品的重要组成部分，主要实现能量的传递，运动的变 换等功能。在各个行业罩，机械传动产品都有着广泛的应用。对不同的使用要求， 需要不同类型的机械传动机构。针对不同的需求选定合理的传动方案是机械传动 方案设计的主要任务。 市场经济下，满足用户不断的新需求是产品设计的根本任务。功能是用户关 心的中心，对于功能在产品中是如何实现，采用哪种原理等用户并不关心。在具 体产品的实现罩，各个部门之间的协作同样是通过功能这一抽象概念层次上进行 交流合作。在机电产品的设计罩，这一点很明显。产品的总体设计人员只提出功 能要求，具体通过机械或电路等方法实现则是各个具体设计人员的工作。机械传 动作为产品的部分，为整个产品的设计提供传动功率，变换运动等功能。例如， 光驱的总体设计人员对于传动设计人员提出传动要求：实现直线双向运动，传动 平稳，对特定位置的零部件的绝缘性能，传动比，重量轻等要求。负责传动部分 设计的机械设计师根据这些要求完成设计，就需要了解各种传动设计原理。但对 于总体设计人员并不需要关心细节。同样，用户对传动产品的要求是从功能角度 提出，对于实现功能采用何种结构，那种结构最理想，并不关，1 5 。 实现市场经济下用户对于传动产品设计提出的新要求，除了详细设计以外， 需要完成几个方面的工作：第一，理解用户需求，实现捕获用户意图。由于涉及 到自然语言理解等方面的技术，这方面的工作目前做的还较少。相比之下，国外 在这方面己经趋于实用化，国外市场上己有这方面的系统软件产品，但价格较贵， 更多的是代理网站。第二，功能结构之蒯的关系，要能了解实现一种功能存在几 种可行结构方案，也要了解已有的结构可以实现哪些功能，不能实现哪些功能。 以便用户提出新要求时，有的放矢。 对于用户提出的机械传动产品的新要求，采用新原理解决问题是解决问题的 最有力的方法，但需要相应的理论支持。采用组合方法利用已有的原理，提出合 理的新方案是较为可行的一种方法。组合利用的是发散性思维。在现有的可行方 案解的基础上，按照一定的条件进行合理的组合，完成由单级传动方案不能满足， 第一章绪论 但经过组合后可以满足的传动链。采用这种方法，可以解决许多用户提出的新产 品的要求。另一方面，通过新材料工艺方法来实现改变组合方法所需方案解的范 围，是从改变单独方案的求解范围的角度增加创新方案的有效方法。这两种方法 对于满足用户的新产品要求，是有力的解决方法。面对现代社会对新产品的迫切 需求，上述方法对于采用现有的方案，利用已有的原理，进行传动方案设计新方 案的提出，不仅从技术上是可行的，而且从经济角度看，也是可行的。 i 4 本文的主要目的和工作 本文的主要目的在于通过有效的知识表示，高效的推理控制策略和合理的评 价方法，建立一个基于知识的传动方案设计支持系统，对传动方案创新设计提供 辅助参考。 本文在理论方面的工作： 1 对抽象概念和相对抽象概念在产品概念设计中的作用进行了分析，阐述了 抽象概念设计在产品创新设计中的重要作用。 2 对传动方案进行功能分析，建立功能和结构之间的映射关系，建立传动设 计知识库，并且对通过知识的有效组织保证知识的一致性进行了研究。 3 对于推理求解策略进行了探索，对于推理过程中功能元解之间匹配的定义 域问题进行了研究，采用逐层过滤后再进行组合求解，有效地防止了组合爆炸问 题，在此基础上对多级传动的实现进行了探讨。 4 对于推理生成的方案解，采用层次分析法和多级模糊评价法进行评价，最 终给出最佳解。 本文在软件开发方面所做的主要工作： 采用面向对象方法建立一个基于知( 的传动方案设计支持系统应用程序，能 满足一般机械传动方案设计阶段给出参考方案的要求。 建立传动设计知识库，以产生式规则，框架范式表示知识。建立了良好的人 机界面，使用方便，输出直观。 采用数据库存储系统推理实现需要的多种信息等，并建立了数据库与推理机 之间的接口，实现了推理机对数据库的有效访问。 论文的主要结构如下： 第一章，绪论。介绍机械传动方案设计的现状，提出利用组合方法和新材料新工 艺针对用户的新要求提出新方案是可行的，简要介绍了本文的工作。 第二章，机械传动方案设计分析。通过抽象概念和相对抽象概念的引入，以及它 们之间关系的研究，讨论了概念设计在机械传动方案设计中的应用。给出了实现 机械传动设计方案的几种方法：组合求解，利用新材料和新工艺。 6 基于知识的传动方案设计支持系统研究 第三章，知识库的表示与组织。对机械传动设计知识的获取，表示，组织和利用 进行了深入讨论。对于图表知识，表格知识的表示，与数据库的结合等工作进行 了讨论。 第四章，推理控制策略。介绍本系统的求解策略，对多级串联传动求解的算法进 行了分析，给出了三级串联求解的实现。 第五章，评价方法。介绍采用层次分析法和多级模糊评价，对推理得到的多个可 行方案解进行评价。通过评判矩阵的构造给出各个因素的权重，最终采用最大隶 属度给出评价方案的排序。 第六章，软件结构与功能介绍。对系统的软件基本结构和实现的功能进行了简要 介绍。包括输入输出界面的使用，使用时的步骤，注意事项等。 第七章，总结与展望。总结全文，指出系统下一步需要扩充的部分。并展望网络 发展的情况下，如何使本系统进一步发挥作用。 第二章机械传动方案设计分析7 第二章机械传动方案设计分析 分析一般方案设计的过程，有助于在遇到新的用户要求时，给出新的实现方 案。一般来讲，一个产品的方案设计都有功能设计，结构设计，参数设计，分析 校核，评价决策等阶段。在不同的阶段，完成不同的任务。 功能设计阶段，主要是根据用户要求和技术要求，从功能概念集合中，找出 有效功能概念，确定产品功能。通常设计任务书就是为了明确设计任务，明确指 出设计要求实现的功能。功能设计的出发点一般是设计任务书。结构设计阶段， 根据有效功能概念和技术要求，从结构概念集合中搜索出有效可行的结构解。参 数设计阶段，完成结构的详细描述，这部分知识称为模型知识，是领域专家特有 的知识，领域专家丰富的设计经验对于方案的选择，有其对领域知识的深刻理解， 这些经验知识有些是可以通过原理等表示的，有些则是现有理论所不能解释的。 分析校核阶段，借助有限元等技术进行强度，振动等分析校核。这是设计中实现 可行功能的保证，传统设计的分析校核是通过手工验算完成的。随着计算机的应 用普及和有限元的成熟，分析校核工作趋于程式化。评价决策阶段，利用综合评 价方法，按预定的目标体系进行评价，最后决定方案是否可行或选择哪个方案， 产品设计不能仅从原理可行的角度考虑，必须综合考虑产品的经济性，社会性等 因素，以满足市场的要求。 分析上述几个阶段，在整个设计过程中，参数设计以及分析校核主要通过公 式演算等实现，评价决策部分则是对已有方案评价。这两个阶段均难以给出新方 案。可以看出，功能设计以及从功能设计到结构设计是能够实现产品设计中新方 案提出的主要环节。这一部分涉及到产品概念设计以及合理的组织设计知识，是 给出新方案的基础。 2 1设计中事物性质的应用 设计是对事物性质的利用，这里的性质对于不同的应用有不同的含义：从具 体结构的角度来看，实际事物总是以具体的结构形式表现出来，事物具有哪些性 质，也可以讲是事物具有哪些功能。例如，带传动机构具有传递功率等功能，常 常也称为，带传动机构具有传递功率等性质。日常提到的产品，零部件都是具有 一定的性质的。减速箱具有调速功能，或称性质。作为部件减速箱同样具有这 些性质。 从实现功能的角度来看，要实现个产品或零部件具有的一定功能，需要相 g 基于知识的传动方案设计支持系统研究 应的材料具有一定的性质。例如：选用的钢材的抗拉强度硬度这些性质，是 实现具体功能的基础。实际设计的过程，就是对具体事物的性质的合理利用，来 有效地解决设计问题的过程。 合理地利用性质，可以考虑通过微观变化实现宏观的较大变化这一特点。在 设计过程中，这一特点的运用，主要是为了能够发现新的性质，找出新的性质对 应的求解范围。机械传动产品中，零部件的性质对于整个传动机构可以实现的功 能有着重要的影响作用。零部件的性质的变化，对整个产品的性能都会起作用。 例如，对齿轮进行热处理，提高其硬度，可以提高其使用寿命。从这里可以看出， 仅仅是材料的微观变化，导致了齿轮传动机构的使用寿命这一宏观功能的变化。 随着网络的发展，标准零部件的某些新性质的增加，对于使用标准零部件的传动 产品设计，同样可以实现传动产品设计性质的增加。 合理地利用性质，通过组合单独事物，得到原来单独事物不具有的性质，是 给出方案的可行方法之一。利用各个单独事物内在的性质或功能之间的组合，可 以实现原来所不具有的性质或功能。传动设计中多级传动设计就是典型的例子： 多级传动可以解决单缴传动机构不能完成的传动比问题，空间尺寸限制问题，变 换运动性质等单级传动不能同时解决的功能。 合理地利用性质，需要考虑当时的各种因素。设计过程中应该充分考虑当时 的各种因素。例如，钟表机构的设计，需要充分考虑到零部件的制造成本。早期 手表的价格与后来手表的价格相差很大，批量生产使得成本降低是直接因素。方 案设计中，这些都应给予充分重视。 2 2 概念设计及其在方案设计中的应用 2 2 1 概念设计的含义 概念设计有着深刻的内涵，f r e n c e 在其书中为概念设计下了定义：“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。在此阶段 中对设计师的要求较高，但却可以广泛地提高产品性能。它需要工程科学。专业 知识，产品加工方法和商业运作知识等各方面知议相互融合在一起以作出一个 产品全生命周期内最为重要的决策。在这里，“框架式的解”是指设计问蹶的一 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前的环境下的可行性等。”邹慧君认为，“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现功能结构的工 作原理载体方案的构思和系统化设计。概念设计的过程是一个发散思维和创新设 第二章机械传动方案设计分析 计的过程，是一个求解实现功能的，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的过程。在概念设计的过程中，要求设计人员掌 握现代设计方法，先进制造技术，专业理论商用运作等方面知识”。睇8 2 2 2 抽象概念在产品概念设计中的作用 概念设计是在抽象层次上进行的设计。在抽象层次上进行设计，需要理解抽 象概念，相对抽象概念以及它们的作用。 ( 一)抽象概念和相对抽象概念简述 抽象概念是事物或事物问相互关系的描述。相对抽象概念是抽象概念与具体 事物之问存在的对抽象概念的进一步具体化描述。凹。相对抽象概念仍然是抽象概 念，但相对于抽象概念而占，抽象程度较低。例如传动与具体传动之阃还存在有 将圆周运动变换为直线运动的传动，变速传动等概念，将“传动”视为抽象概念， 则“将圆周运动变换为直线运动的传动”“变速传动”为相对抽象概念。相对抽 象概念丰富了概念的内容，使得对事物的抽象描述更为方便。抽象概念和相对抽 象概念有以下特点。 首先，相对抽象概念的存在有其必然性，它具有抽象概念所不具有的许多性 质；例如，t f 方形就具有普通矩形所不具有的性质：对角线平分顶角。虽然在矩 形中给定了正方形的形成条件之后，根据矩形的数学模型，正方形的“对角线平 分顶角”这个性质可通过推理得到，但面对大量有关正方形的实际应用每次采 用推理方式得到所需性质显然是低效的。相对抽象概念及其常用性质的存在大大 方便了相关事物的描述，提高了概念使用效率。实际使用时，只要有相对抽象概 念存在，就很少使用更抽象的概念，例如，只要能用正方形，就很少使用“相邻 两边相等的矩形”来描述。 其次，相对抽象概念可以由抽象概念外推得到。对抽象概念增加性质，能得 到相对抽象概念。例如，“等速传动”这一相对抽象概念，可以由“传动”这一 抽象概念增加“传动比为l ”这个新性质得到。新的性质的增加，丰富了相对抽 象概念的内涵。抽象概念和相对抽象概念的使用视不同的情况使用。对于通常问 题的描述，大量使用相对抽象概念。但有些问题则需要使用抽象概念分析例如 对用户提出的新功能要求的分析。在提出石英表的新功能时，原来描述机械钟表 功能的相对抽象概念不再适用，则从“时间指示”这一更抽象的概念出发，增加 “能量采用电能”性质，得到新的相对抽象概念。需要使用抽象概念时，通过增 加新性质得到相对抽象概念，为解决这类问题提供了许多方便。 第三，抽象概念是相对抽象概念的基础。直角三角形，等边三角形这些相对 抽象概念是实际使用中常常用到的，它们都是在三角形这一抽象概念基础上，增 加“有一个角为9 0 度”，“三条边相等”形成的相对抽象概念。直角三角形，等 边三角形都具有“三条边相连，顶角之和为1 8 0 ”这些“三角形”这一更抽象概 基于知识的传动方案设计支持系统研究 念的共同特点。在抽象概念的基础上，根据实际中的问题，形成相对抽象概念， 是解决实际问题中常常采用的方法。 ( 二)抽象概念在功能设计里的应用 根据上述特点，抽象概念和相对抽象概念有着各自不同的应用范围。相对抽 象概念在实际应用中应用较多。在实际产品设计过程中，理解用户的新功能需求 就是在已有的抽象概念基础上增j j u 新性质要求，生成包括新功能要求的总功能这 一相对抽象概念来描述问题。合理的抽象程度，是解决问题的重要因素。 功能是种抽象概念，我们况某产品可以实现某项功能，本身并没有涉及具 体使用的是什么结构。例如，实现定时功能，可以通过机械钟表机构实现，也可 以通过触发延时电路实现在产品的概念设计阶段，关心的只是产品需要实现的 哪些功能，对于实际采用什么结构并不关心。 设可以实现原来基本功能f 的解的集合为r ，增加新的功能后可以实现功能 n f ，实现n f 的解的集合为7 1 ，则 n f cft r ( 2 1 ) n f 比f 的内涵丰富了，但其外延变小了；同样，r 相对月的外延变小。因 为能够实现功能f 的结构丁，一定可以实现功能只必然是集合r 的子集。所 以式( 2 1 ) 成立。 现实世界中普遍存在着这种情况。例如实现基本功能f “时间指示”的结构 集合为r ，在没有出现石英表之前，r 描述为时间指示装置，包括机械钟表，但 没有石英表这个概念。新增加功能“能量采用电能”，则完成“能量采用电能” 和“时间指示”这两个功能的总功能为f ，对应实际结构采用了石英表7 ，石英 表仍然是时间指示装置集合的子集。 幽2 1抽象概念在功能殴计中的使用 上述式( 2 1 ) 的含义在于实际设计中，许多新产品从本质上讲，仍属于能实现 原来基本功能的产品范围。由于有了新的需求，产生了对新结构产品的需要。从 抽象层次上讲，创新设计的工作是通过一定的方法，将既能实现原来基本功能， 又能实现新的功能的实际产品结构表示出来。创新中用到的原理等方法，都是为 了发现这些结构并将它们表示，进而合理利用生成新方案。如图2 1 。 第二章机械传动方案设计分析 ( 三)抽象概念在产品结构设计里的应用 从抽象概念和相对抽象概念模型可以看出，实现用户的新功能要求这一相对 抽象概念对于产品设计来讲，可以通过功能这个相对抽象概念与实际结构集合之 问的映射，完成用户的新的功能需求，从而实现产品设计。例如，“实现一定传 动比，运动轴线垂直，将圆周运动变换为圆周运动的传动”这个相对抽象概念的 产品设计，首先找出能够“实现一定传动比，将圆周运动变换为圆周运动”这个 抽象概念对应的结构解空问，如“齿轮传动”，再根据“运动轴线垂直”从“齿 轮传动”中找出“圆锥齿轮传动”。再进一步，如果还有其他功能要求，可能会 落实在“直齿圆锥齿轮传动”。而能否实现创新，其关键是准确地找出用户所需 要的功能所对应的抽象概念，然后再查找到有新意的属于抽象概念的相对抽象概 念。 2 3 机械传动方案设计中的创新 机械产品设计中，创新的含义是指，引入新的设计原理，利用新材料和新工 艺或新结构等增加产品的新功能或使得原有的设计指标性能限制得到突破，经 济性能得到改善，满足了用户需求，则可以认为真正实现了产品创新设计。 机械传动方案设计中实现创新，同样遵循找出问题，分析问题，解决问题的 步骤。找出现有方案不能满足新的要求的原因并解决是实现新产品设计问题的突 破点。例如，在普通带传动中，存在打滑现象，允许线速度低，效率不高，不能 保持准确的传动比，寿命短等问题。分析这个问题，可以从原理，材料，工艺等 角度分析。从原理的角度分析，得出传统方法单纯靠摩擦力这一问题，给出了齿 型带传动，从原理上吸收了链传动，齿轮传动的优点，克服了传动比不准确等问 题。从材料的角度，选用聚氨酯橡胶材料，可以延长带的使用寿命，从工艺的角 度，在皮带轮上加工凹槽，也可以一定程度解决打滑问题。解决时，采用哪种方 案，取决于实际应用。不管使用哪种方法，有效地组织知识是基础。 机械传动设计中新方案的提出过程中，新知识的应用与新方案并没有必然联 系。产品设计中，应用新知识通过一定的法则，实现了新的功能，是创新设计， 但创新设计不限于此。采用新知识开发的满足用户需求的产品是新产品，这属于 发明创造，如谐波齿轮传动：而利用已有性质开发的满足用户需求的市场上还不 存在的产品也是新产品，如聚氨酯橡胶材料的使用相对于传统的橡胶带，提高了 带的寿命等。结合机械传动方案设计，以三角胶带传动为例，对三角胶带的心层 材料改进为聚酯线绳，实现了强度大和耐冲击等特点。可以看出，采用材料，工 艺增加解的范围，通过组合实现新功能，是解决许多问题的有效方法。 针对传动设计方案要求，采用组合方案来实现创新设计，是可行的方法，由 基于知识的传动方案设计支持系统研究 于组合方案的设计思维是发散的，创新设计成为可能。组合方案的缺点是可能产 生组合爆炸，为了防止组合爆炸的问题，采用逐层过滤，即每次组合的元素集合 是符合一定条件的集合，根据这些元素再进行组合，有效地控制了组合爆炸问题。 组合方案法有串联法，并联法，叠加法等。本文主要实现串联机构，对于现有条 件下可以实现的问题给出可行的方案解。 新材料新工艺的出现是解决设计问题的重要基础，由于力学理论发展到现在 已基本完善，从力学理论原理实现创新设计的工作成效有限。而对于有经验的设 计人员来讲，新材料的使用往往会使得原来不可行的设计方案变得可行。i n t e r n e t 和电子商务的发展，为新材料信息的获取提供了可能。越来越多的生产厂家将自 己的产品放在自己的主页服务器上发布，设计人员可以通过网络查询自己感兴趣 的信息。新材料新工艺的使用在设计中越来越得到重视。 2 4 组合求解方法 组合求解是求解过程中常常遇到的，当单独解决方案无法满足设计要求时， 常常需要考虑将多个单独方案进行合理地组合，生成两级或两级以上的方案，从 而实现用现有的设计方案解决新的设计要求。 2 4 1 功能元与功能元解 组合求解过程中用到功能元和功能元解，功能元是指将较复杂的功能分解到 最后不能再分解的，能直接从技术效应和逻辑关系找到可满足功能要求的最小单 位。d 3 功能元解指能实现功能元的实际结构解。实际使用中功能元解总是对应具 体的若干结构解，常用的基本功能元有物理功能元，逻辑功能元，数学功能元等。 传动设计常用的基本物理功能元有输入输出量之间类型变换，放大，缩小，合 并，传导，分离等变换功能，如表2 1 所示基本物理功能元。 输入量e 特征 功能元备注 输出量a 类型变换e ，a 类型不同 大小放大 e _ a 缩小 数目合并 e a e 三， 罪，或三下界 上界，或n f 羿 2 0 m p a ) 、中低速( v 8 m s ) ，中低湿( t 1 7 0 ) 的工作环境。抗拉强度3 1 7 3 7 6 n m m 2 ，屈服强度为2 8 7 n r a m 2 ，延伸率3 5 ， 布氏硬度为】1 2 ，冲击韧性为2 1 7 j c m 2 ，抗弯强度为6 9 4 n m m 2 ；摩擦系数 0 0 2 8 5 3 磨损率为8 8 6 4 x1 0 - 1 0 r a m 3 润滑油工作温升为1 2 4 ，承载能力大于 3 2 m p a ，工作温度极限为1 7 0 ，速度极限为8 m s 。 对于链传动：原有的限制有，抗冲击能力，承载能力，链轮强度，耐磨性。 通过提高链条材料的抗拉强度等，可以提高抗冲击能力，承载能力。通过增大链 轮的强度，可以提高链轮的耐磨性，延长了使用寿命。 对于摩擦轮传动，工作条件是在油中或是干燥条件，对于不同的应用需求有 第三章知识库的表示与组织 不同的作用，在油中，摩擦系数变小，适用于需要延长使用寿命的需要；干燥条 件，摩擦系数较大，适用于轴问压力较小的需要。对于带传动，带轮表面的加工 精度，加工精度越高，使用寿命越长。 对于齿轮传动，工作条件是开式闭式，是在油中，还是干燥环境，视不同的 条件需要而定。对于链传动，链条可以经过新的热处理工艺提高韧性，从而延长 使用寿命。 以上是考虑机械传动设计的特点，进行的知识获取过程，知识的来源主要是 机械设计手册，各项标准向机械领域专家学习得到的。得到这些知识后，通过 设计的知识获取接口，将相关的知识输入到指定数据库中。 3 1 3 网络条件下知识获取的策略 现代信息社会为产品设计提供了巨大的信息来源，从网络上获取最新的设计 原理，新材料，工艺知识使得设计人员有了更多的选择。随着电子商务的发展， 各个生产厂家把自己的产品以及相关的性能指标放在发布网站上。通过统一的格 式，系统用户可咀实现从这些站点上获取数据，加入到自己的知识库里，从而实 现知识的自动获取。 通过网络进行知识资源的获取，现有的技术采用h 1 v r p ，a s p ，x m l 等技术， 通过建立智能信息收集引擎或专业代理，建立与生产厂家w e b 网站的连接以 指定的方式获取相关的产品信息，将厂家的最新信息与本地数据库的信息进行比 较，对厂家更新了的信息，加入本地数据库。这样，在下一次进行推理生成方案 时，就可能生成不同与原理方案的新方案。以这种思路实现利用新材料，新工艺 实现产品创新设计，在现代信息社会罩，是可行的，并且这种协作符合社会分工 细化：材料生产厂家将主要注意力集中在提高产品的质量上，设计部门根据已有 的生产资料进行设计。 3 2 知识的表示 知识表示是知识处理中最基本的一个问题，获取的知识必须表示成某种形式 才能记录下来，没有知识的表示就谈不上知 = 的运用。知识表示的好坏对知识处 理的效率和应用范圈影响很大。良好的知识的表示应该有直观性，简洁性，抽象 性，易结台性，可划分性，合适的知识粒度等。肼叩 3 2 1知识表示的方法 知识的表示有一阶谓词逻辑表示法，产生式表示法，框架表示法，语义网络 表示法，脚本表示法，p e t r i 网表示法等，这些方法有各自适用的范围。一阶谓词 逻辑表示法适合于表示事物的状态，属性，概念等事实性的知识，也可以用来表 示事物间确定的因果关系，即规则。一阶谓词逻辑表示法表示知识有表达自然， 基于知识的传动方案设计支持系统研究 精确，严密，容易实现等优点，但存在不能表示不确定性的知识，可能形成组合 爆炸和效率低等缺点。语义网络表示法通过概念及其语义关系来表达知识，用语 义网络表示事实，事实问的关系以及其他比较复杂的知识，有结构清晰，便于联 想，表达自然等优点，但也存在严格性较差和处理上的复杂等缺点。脚本表示法 适用的范围较窄，能力有限。p e t r i 网表示法更适用于系统控制等方面。目前基于 知识的系统应用中对于知识的表示，常用的是采用基于产生式规则的方法和采用 面向对象的框架范式知识表示方法，它们都有各自的特点。 基于产生式规则的知识表示方法，知识的表示是通过f t h e n 方式表达。设 计任何基于知识的系统，这种知识表示方法都是必不可少的，设计系统过程中， 领域专家和计算机设计人员需要共同协作，经常修改系统。采用基于规则的表示 方法，规则可以独立地添加，删除，修改而不影响其他规则以及其他子系统，并 且采用这种方式系统能够跟踪推理过程，系统的调试，维护较方便。但是，从逻 辑的一致性和完整性的角度来看，当规则变的越来越多时。这种独立性会大打折 扣，频繁地改动更新规则占用了大量设计时删。 框架范式表示知识，采用面向对象方法来表示知识。由于引入了面向对象的 方法论，问题的描述更加清晰。框架范式系统在用自然方式表达模拟显示专家的 因果关系上比较弱。框架范式适用于分类问题，但对于基于知识的应用的基本要 求一更新和样板行为机制并没有提供较好的支持。 现有的基于知识的设计系统普遍采用产生式规则，随着面向对象技术的发 展，越来越多的基于知识的系统将二者结合起来。本文采用框架范式和产生式规 则结合来表示。 3 - 2 2 知识表示的设计 传动知识库的设计需要体现功能与结构之间的映射关系，能够反映出传动方 案中材料工艺的使用，并表示出其在方案的技术性，经济性，社会性方面的作用。 根据实际推理求解的要求，对单级传动知识的表示进行了如下考虑。 ( )经验知识表示的设计 各种方案结构能够解决的功能应该得到体现。这里的设计用到了知识获取部 分的各种传动方案能够解决的问题范围，将这些知识进行表示涉及到知识的分 类，按照常用的类型进行了分类，如直齿，曲齿等归入齿轮类。使用的过程中采 用规则： i f 要求进行功能匹配查找 参数为功能类型 t h e n 连接存在的指定数据库，构造查询语句，进行功能查询返回结果。 下表是设计中的简化示意。 第三章知识库的表示与组织 传动方案编号传动方案类型输入运动形式输出运动性质输出廷明形式 0 0 1 0 0 1 平行摩擦轮传水平连续水平 功 0 0 1 0 0 2 垂直摩擦轮传水平连续垂直 动 表3 4 功能在结构方寨中的体现 上述是对单级传动方案的基本功能与结构之间的关系，实际中还需要处理各 种情况，但基本思路不变。 ( 二)图表知识表示的设计 出于各种传动方案的范围是与使用的材料和工艺直接相关的，表示传动的知 识时需要考虑这些因素。如：普通橡胶传动带，能解决的问题与金属带能解决 的功率范围是不同的，尽管这两种传动类型都是一样。这种关系是可以通过基本 运算，初步选材完成的。将各种类型的传统计算方法表示成规则知识，对于设计 要求，进行计算，再根据材料库中的参数计算，则可得出是否存在可行解得到 可行解集合。针对这种知识的表示，进行了设计。 建立单级传动方案设计中，建立材料工艺与设计指标因素之间的关系涉及许 多知识，这些知识的表现形式各不相同。对在设计经验公式里用到的大量经验参 数的选取，需要将许多图表旱的知议有效地表示出来，便于推理过程中利用。对 于图形表示的参数选取，通过产生式规则表示，在推