（机械制造及其自动化专业论文）面向机械产品系统相似度量的特征值获取方法及其应用.pdf

面向机械产品系统相似度量的特征值获取方法及其应用摘要机械产品系统的相似度量是为了比较产品的相似性和差异性，相似度量的首要任务是认识产品的特征。本课题主要研究面向机械产品系统相似度量的特征值获取方法及其应用。通过提取机械产品的功能特征、行为特征、结构特征和性能特征来分析相似性。对于复杂的产品，特征具有层次性，为了便于分析，本文提出了基于相似性的广义特征和相似模块单元的概念，确定了相似模块单元特征提取方法。根据产品特征值的类型，将机械产品的特征分为定性特征和定量特征两大类。建立了特征单元相似度计算模型，解决了广义特征相似度计算问题。特别对于高维特征，采用模式分类法，将高维特征变成低维特征，再求相似度。结合汽车油泵实例，将机械产品的特征值获取方法应用于其中，结果表明这种方法具有可行性，能够根据相似度将特征存在差异性的油泵区分开来。研究了机械产品特征值获取方法在产品相似性设计和系列化设计中的应用，为产品的相似系列化设计提供了新的思路。关键词：机械产品相似度量特征取值相似模块单元系列化设计a c q u i r i n gf e a ta p p l i c a t i o no fs i mm e c h a n i c ar ev a 1 u ea r i umearltyn 1 ep r o d u c tm e t h o da n di t sa s u r e m e n t sf o rs y s t e ma bs t r a c ts v s t e ms i m i l a r i t ym e a s u r e m e n t so ft h em e c h a n i c a lp r o d u c t sa r ef o rt h es a k eo fc o m p a r i s o no fs i m i l a r i t ya n dd i f f e r e n c e t ok n o wp r o d u c tf e a t u r e si st h ec h i e ft a s ko fs i m i l a r i t vm e a s u r e m e n t s t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l ys t u d i e sa c q u i r i n gf e a t u r ev a l u em e t h o da n di t sa p p l i c a t i o no fs i m i l a r i t ym e a s u r e m e n t sf o rm e c h a n i c a lp r o d u c ts y s t e m si m i l a r i t yi sa n a l y z e db ya b s t r a c t i n gt h em e c h a n i c a lp r o d u c tf e a t u r e so ff u n c t i o n b e h a v i o r , s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c e f o rt h ec o m p l e xp r o d u c t s ，t h ef e a t u r e sa r ed i v i d e di n t om a n yl a y e r s t h ec o n c e p t so fe x t e n s i v ef e a t u r ea n ds i m i l a r i t vr o o d u l eu n i ta r ep r e s e n t e df o re a s ya n a l y s i s 。t h em e t h o dw h i c ha b s t r a c t su n i tf e a t u r e so fs i m i l a r i t ym o d u l e si sm a d ec e r t a i n t h ef e a t u r e so fm e c h a n i c a lp r o d u c t sc a nb ed i v i d e di n t oq u a l i t a t i v ea n da u a n t i t a t i v ef e a t u r e sa c c o r d i n gt of e a t u r et y p e s c a l c u l a t i v em o d e lo fs i m i l a r i t yd e g r e eo nf e a t u r eu n i ti sb u i l t aq u e s t i o no fe x t e n s i v ef e a t u r es i m i l a r i t yd e g r e ei sr e s o l v e d e s p e c i a l l y ，h i g h d i m e n s i o n a lf e a t u r e sa d o p tm o d ec l a s s i f i c a t i o nm e t h o d t h ed e g r e ei sc o m p u t e da f t e rt h eh i g h d i m e n s i o n a lf e a t u r e sb e c o m el o w d i m e n s i o n a lo n e s a sa c t u a le x a m p l e so ft h ea u t o m o b i l eo i lp u m p s ，t h em e t h o do fa c q u i r i n gf e a t u r ev a l u ef o rt h em e c h a n i c a lp r o d u c t si sa p p l i e di no n e s ，w h i c hh a st e s t i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d i tc a nd i s t i n g u i s hf r o mt h es i m i l a ro i lp u m p sa c c o r d i n gt ot h e i rs i m i l a r i t yd e g r e e a n o t h e r t h em e t h o d sa p p l i c a t i o ni sa l s or e s e a r c h e di nt h ef i e l d so fs i m i l a r i t ya n ds e r i e sd e s i g n ，a n da f f o r d e dan e ww a yf o rs e r i e sd e s i g no fs i m i l a rp r o d u c t k e y w o r d s ：m e c h a n i c a lp r o d u c t ；s i m i l a r i t ys i m i l a r i t ym o d u l eu n i t ；s e r i e sd e s i g n m e a s u r e m e n t s ；a c q u i r i n gf e a t u r ev a l u e ；unl图2 - 1图2 - 2图2 - 3图2 - 4图2 - 5图2 - 6图2 - 7图2 - 8图2 - 9图2 - i 0图2 - 11图2 - 1 2图2 - 1 3图3 - 1图3 - 2图4 - 1图5 - 1图5 - 2图5 - 3图6 - 1图6 - 2插图清单i vo1235666789o021334447l1l111l11l12223344455怠幺口h日一一一一一一一一一一一一一一一一一一一曲一一一一一统一一一一取一一一一一一一一一数一一一一一系一一一一提取一一一一一一一一先一一一一一协一一一一征提一一一型一一一一优一一一一一d一一一构特征一一系模图一一一中一一征征的234结的特程一关学理征征一标律计特特型计型型型元统义过一间数原特特一坐规设构能模设模模模单系广解一时性作义构族数似征结性征征征征征块子统求型与似工广结械对相特的的特特特特特模振系度类度相泵的的机数统品品口明义于义义义似簧似似征靠品轮泵泵程先系产产产广基广广广相弹相相特可产齿油油工优表2 - 1表3 - 1表5 - i表5 - 2表5 - 3表5 - 4表5 - 5表5 - 6表5 - 7表5 - 8表5 - 9表6 - 1表6 - 2附表表格清单相似模块单元特征2 0机构的行为特征3 0转向油泵结构性能参数4 6转向油泵结构性能参量的权重4 7转向油泵结构性能参数标准化4 7功能和行为相同的转向油泵相似度4 9功能相同行为结构不同的油泵特征相似度5 0功能不同行为结构相同的油泵参数5 1功能不同行为结构相同的油泵相似度5 l功能行为不同的油泵参数5 1功能行为不同的油泵特征相似度5 2优先数系5 6相似度序列5 9常用特征量及量纲6 2v符号清单兀相似准则；n相似准则为常值；( 1 q t 3 ) 弓相似准则兀2 为常值，兀l 随兀3 变化；f ( 矿)模糊映射：( 局，b j )对象马、丑，模糊度；q ( 马，b ，)对象局、b j 相似度；g ( 【，)相似系统【，所有广义特征相似度5q i ( u ) 净l 4 分别为相似系统u 的功能相似度、行为相似度、结构相似度和性能相似度；g 打( 阢) ，= 1 4 分别为相似模块单元的功能相似度、行为相似度、结构相似度和性能相似度；g ，( )相似模块单元玑的相似度；g ( u )相似系统u 的所有模块单元的综合相似度；q ( u )相似系统u 的相似度；s i m ( a ，6 )特征元相似度；“缸最大特征值；c r 判断矩阵的随机一致性比率；s 逆矩阵；s 转置矩阵；l i l i n ( )最小值；m a x o最大值。v i独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金胆王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签字：乏各怎易签字日期：一p t 年j 月，7 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金肥王些盔堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者毕业后去向：工作单位：通讯地址：导师签名：阀弘签字日期：嘶年f 月电话：邮编：f 日加力、b 月了孕j0 年名签竹者铲文期论日位字学签致谢本文是在我的导师周美立教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。周老师渊博的学识、严肃的科学态度、严谨的治学精神及精益求精的作风深深地感染和激励着我，给我的人生注入了一笔宝贵的财富。从课题的选择到论文的最终完成，周老师都始终给予我悉心的指导和不懈的支持。三年的硕士学习期间，周老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向周老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意! 同时，衷心感谢师母郭春荣老师在我读研期间给我的许多无私关爱和帮助!在论文的写作过程中，合肥力威汽车油泵有限公司副总经理魏连江高级工程师提供了许多有益的指导和重要的技术数据，在此表示深深的感谢!真诚感谢机械原理及零件教研室主任朱家诚教授，从学习到生活提供许多方便和指导! 感谢董玉革教授、吴天星副教授、王纯贤副教授、吴焱明副教授、汪进副教授、王勇副教授、田杰副教授以及朱立红老师、陈奇老师的许多有益的指导和关怀! 感谢教研室的其他所有老师在我读研期间给予的诸多帮助。感谢师兄何鹏、赖江丰和师弟刘元平，以及机械原理与零件研究生工作室的高亮、刘建锋、余斌、黄士伟、顾新春、娄银庭、苏学满、吴杰、方俊芳、陈加超、张永松、李方、赵古田、高振刚等室友的帮助和支持。还要深深感谢我的父母( 包括岳父岳母) 和家人，多年来一直含辛茹苦、默默地支持和鼓励! 感谢所有支持和帮助我的亲属及朋友。谢谢!作者：徐志山2 0 0 8 年0 4 月第一章绪论1 1 课题的来源及研究的内容本课题来源于国家自然科学基金项目：复杂机械产品系统相似性与差异性分析方法及其应用研究( 项目编号5 0 4 7 5 0 7 2 ) 。“面向机械产品系统相似度量的特征值获取方法及其应用 是该项目中的主要研究内容之一。在本文中主要作了如下四个方面的研究：( 1 ) 分析提取产品的特征不论是简单的产品，还是复杂的产品，都包含一些特征信息，但同样的物体，认识的侧面不同，其特征的描述也不尽相同。产品设计时考虑与设计有关的特征，产品加工时考虑与加工有关的特征。设计特征主要表现为产品的功能和性能，同时还应考虑产品的经济性、可靠性、对环境的影响以及使用的方便性等。加工特征主要表现为产品的几何特征、材料特征和精度特征。产品的相似性分析，综合了产品的设计信息和加工信息，分别从功能、行为、结构、性能四个方面来认识产品的特征。所以，提取产品的特征应从产品的功能、行为、结构、性能四个方面来考虑，鉴于此提出产品广义特征和相似模块单元的概念，大大方便了产品的相似性研究。( 2 ) 确定各类特征取值方法产品的特征很多，产品间的相似性不仅是客观存在的，也是多方面的。比较产品间的相似性，首先确定比较的对象，再来确定与比较对象有关的特征。有的特征属于单个属性，称为单属性特征，如速度、功率等；有的特征是多个属性的综合，称为综合属性特征，如产品的功能特征是能量、物料、信息的综合反映；另外特征还有定性和定量之分，对于不同类的特征取值不同，单属性特征以本身的属性值作为特征值，综合属性特征运用层次分析法和模糊评判方法确定特征值。( 3 ) 提出了面向广义特征的相似度量方法产品相似度量离不开产品的特征和特征值，一般相似度量是比较两个产品各个特征之间的综合相似度，本文将相似度量扩充到一类产品中。该类产品在功能、行为、结构和性能上不完全相同，而存在差异。产品间的相似度不仅与产品的特征有关，而且还与产品类的组成有关。特征的选择不同，产品类的组成不同，产品间的相似度也不相同。( 4 ) 探讨了相似度与产品的系列化设计的关系传统的产品系列化设计是基于产品的主特征参数【3 2 】系列化，系列化参数间具有确定的公比值，也就是产品主特征元的相似度。如果将相似度作为产品系列化设计的一个参数，在确定基型产品之后，根据相似度大小确定产品序列，这样更能体现产品系列化的程度。1 2 本课题的研究意义i 弘l如今，相似性分析方法和原理在系统相似性领域获得了广泛的研究，特别在机械产品设计领域得到了广泛的应用，形成了系统相似设计方法，更新了现代设计理念，以特征为基础的系统相似性设计方法正不同程度地渗透到现代机械设计理论中。如：创新设计重点强调创造和革新，传统的创新设计仅追求产品的新，在未来的创新中，更多考虑环境的因素，实现“人一一机一一环境之间的相互协调，相互和谐，达到人与自然可持续发展。智能化设计就是模仿人脑的机能，建立信息库，通过电脑模拟设计人们是所需要的产品。基于实例推理的快速响应变形设计是人工智能领域新崛起的一种重要推理技术，通过实例检索，选择出最相似的实例。模块化设计是基于产品的功能，将产品分解成若干个功能元，开发功能元模块，以模块为单元随机组合，形成相似系列化产品。参数化设计技术是采用参数预定义的方法建立图形的集合约束集，指定一组尺寸作为参数，使其与几何约束集相关联，并将所有的关联式融入到应用程序中，然后以人机交互方式修改参数尺寸，通过参数化尺寸驱动对设计结果的修改，能设计出一族而非单一的在形状和功能上具有相似性的产品模型。在制造领域里，相似制造【l6 j 成为现代集成制造技术一个新的概念。相似制造论就是用相似论的基本观点对制造活动中大量存在的相似现象和原理进行探讨，研究制造领域广泛存在的相似运动、相似联系与相似创造规律，以求提高对制造活动的认识水平。相似制造在现代制造的应用表现在四个方面。( 1 ) 在工艺设计中的应用，除考虑零部件结构等设计特征的相似外，还应考虑诸如工艺路线、材料、精度、毛坯、工艺方法、工序、安装、工步操作、设备、工艺装备、工时定额等特征的相似性。( 2 ) 在工序质量控制中的应用，相似工序法主要是运用相似制造论，将相似零件和工艺条件分类成组，进而将相似工序的数据、即同类型分布的数据，经过数据变换成为同一分布的数据，积少成多，按时间的先后顺序在同一张控制图上进行控制。( 3 ) 敏捷制造是一种基于互联网的跨企业、跨地区、跨国的广泛应用相似制造论的制造系统新模式，在企业不同产品间的集成优化方面，特别强调不同产品间产品相似性的挖掘和利用，提高产品的通用化、系列化、模块化和标准化水平，从而利用规模经济效益，使外部的多样化和内部的标准化得以统一。( 4 ) 成组技术p 4 j 就是一门相似制造科学，研究如何识别和发展生产活动中有关事物的相似性，把相似问题归类成组，寻求解决这一问题相对统一的最大方案，以期取得良好的经济效益。不论从产品的设计理论，还是从现代制造理念，都强调人的因素和整个社会的力量，多功能、高智能化、资源合理有效流动的新型产品是未来开发的总趋势，相似设计和制造已成为人们的思维方法，正指导我们开发符合要求的新2型产品，这种新型产品的开发和新思维的发展又促进了相似理论的完善。研究产品的特征提取和取值方法是提高设计制造效果的一项重要途径。1 3 产品特征研究的背景1 1 4 ”l特征的提出源自于从零件几何模型中提取零件的几何形状，以便自动工艺编程、成组编码和数控加工。自从特征的概念产生以来，许多专家学者对特征从不同的角度进行了定义。可以看出特征是与应用相关的，不同的应用形成了特征的不同定义。从加工角度看，特征被定义为与加工操作和工具有关的零部件形状以及技术特性。从形体建模角度看，特征是一组具有特定关系的几何或拓扑元素。从设计人员角度看，特征又是用于设计、分析和评估的基本元素。从系统的角度看，特征是系统评价的重要来源。归纳起来特征可以理解为是具有属性，与设计、制造活动相关，并具有工程意义的基本实体或信息的集合。因此，特征不仅包括几何信息，还包括关于产品功能、行为、制造、评价等非几何信息。对特征按一定规则进行分类能给特征的表达、操作等带来很多好处。根据不同的应用观点，产生了不同特征的分类标准。从产品整个生命周期发展过程看，特征可分为设计特征、加工特征、公差及检测特征、装配体特征。从功能上看，特征可分为形状特征、精度特征、技术特征、材料特征。从设计方法看，特征又可分为通道特征、挤压特征、提拉特征、过渡特征、表面特征、形变特征。此外，根据复杂程度，特征还可分为基本特征、组合特征、复合特征。在特征造型中，p r a t t 和w i l s o n 提出了一个按形状和构造特点对特征进行分类的模式，将特征分为通道、凹陷、凸起、过渡、域和变形等六种。根据特征在模型设计中所起的作用不同，c u n n i n g h a m 和d i x o n 将特征分为静态和动态两类，静态特征又进一步细分为基本类、附加类、交类、整体形状类和宏类等五类特征，动态特征是指由能量和运动转化得到的实体。s h a h 为特征的分类提出了一个指导性原则：“特征分类必须根据特征在模型设计中所担任的功能角色一。特征的应用可以支持产品的不同过程、不同层次的需求，实现这些过程之间的数据传递。特征模型集成了高层工程信息，通过特征进行描述、管理和操作，方便了工程语义的表达与交流。基于特征的机械产品设计与制造，近年来获得了广泛的研究。如基于形状特征的设计、基于造型特征的设计、基于功能特征的设计、基于变形特征的设计、基于精度特征的设计、基于装配特征的定义和表达、基于特征的加工方法等。在参数化设计或变量化设计的驱动下，形成了许多特征绘图软件，如美国a u t o d e s k 公司a u t o c a d 、m d t 、i n v e n t o r 软件，p t c公司p r o e n g i n e e r 软件、c a d d s ，e d s 公司u g 软件等。对于特征的定义和研究一直处于不断的发展之中，而且根据不同的应用领域、不同视角、不同对象，特征的定义也不相同。相似性科学认为：当机械产品问存在公有特征，其特征属性值有差异，则对应的公有特征称为相似特征。当机械产品间存在相似特征时，认为机械产品间存在相似性。1 4 机械产品相似性特征研究研究产品的相似性实质上是分析产品功能、行为、结构、性能特征的相似性，实际分析时，根据产品的复杂程度，建立产品的相似模块单元，提取相似特征单元( 相似元) ，同时对各类特征单元确定对应特征的特征值，这样比较两产品的相似性时，把这些相似特征的差别转化为某种数学模型，并根据有效的计算相似性的算法公式，从而就能够精确地去判断和分析，因此，将产品之间的相似性转化为基于特征的数学模型是分析事物相似性的关键。定义了产品的特征，具有以下五个好处：( 1 ) 把复杂的事物简单化，有利于分析理解；( 2 ) 便于按类表达特征，使特征的表达规范化和结构化；( 3 ) 可以建立通用的特征和特征术语；( 4 ) 有利于产品数据交换的标准化；( 5 ) 便于识别、匹配和区分事物。1 5 产品特征研究应注意的问题i ”l基于特征研究的有效性，从根本上讲，首先取决于是哪一类型的产品，同类产品特征的选择应相同，不同类产品的特征选择可以不同，反之，如果将各类产品的特征都混为一类，这样也不便产品的特征研究，也不能比较产品的差异性。因为对象属于不同的类别，它们之间必然有一些重要的特征显著不同。如果特征选择不适当，可能对于所选取的特征，不能区分不同的类，换句话说，有显著的特征没有选取，这时应重新提取特征，选取它们之间显著不同的特征。从技术上说，方法的有效性取决于度量方法和特征的选取。所以特征选取至关重要，同时应注意以下几个方面。( 1 ) 特征选取不当使度量无效任何产品从不同的角度来考察，都可以选择出不同的特征，如从设计者角度考虑的特征与从制造者考虑的情况就不同，就是同一特征在不同层次上的要求也不相同，也就是说，在对产品特征层次化分析时，外层特征不能与内层特征同等看待。( 2 ) 特征选取不足使不同类的产品对象混为一谈选取产品的特征，首先要确定产品的功能特征，再来考虑产品的行为特征、结构特征和性能特征等，如果忽视了功能特征，仅考虑产品的性能特征，由于很多产品都具有相同的特征元素，这样不能通过相似度区分不同类的产品。( 3 ) 特征选取过多可能无益反而有害，增加分析负担并使分析效果变差4假设根据已选取的较少的特征可以进行正确的度量。如果增加一些新的特征参与度量，这些新增加的特征和原有的特征间可能有如下的统计关系：独立、不相关或相关。若增加的新特征和原有的特征间是独立或不相关且是有用的，则度量结果不会改变，但由于增加了特征矢量的维数易造成分析难度加大。若新增加的特征和原有的特征是相关的，这样并没有引入更多的有用信息反而增加了数据的冗余，除了计算量增加外，更为严重的是，由于多了一些相关的特征，可能使对于不同对象具有显著差别的重要特征在各种特征“总和 中占的比重变小，对相似度量结果产生很大的影响。( 4 ) 量纲选取不当，也使分析无效对于产品的大多数特征都有量纲，这里的量纲既包括度量单位也包括相同的评判依据。某一特征量对于不同的产品为了表达方便使用不同的量纲，但对于产品的相似性分析同一类型的特征量量纲应相同，若特征量纲选取不当会使特征的数值发生较大的变化，当使用某种相似性度量方法进行判定时，某一特征值的变化可能严重地影响相似性度量，从而产生误判。1 6 国内外相似性度量方法及其进展相似性度量常用于两个或多个系统之间、对象之间、新旧问题之间、设计方案之间进行相似性大小的测度，诚然，确定了两个研究对象，它们的相似度应该有一个确定的值，但选择的度量方法不同，相似度也不同。目前，相应的度量方法主要有传统相似系数法、模糊相似评判法和系统度量法三大类，在机械工程中都得到了有效的应用。( 1 ) 传统相似系数法在相似三定理中，对于同类物理现象满足相同的物理规律，对应参量综合相似比等于一个确定的值，称为相似准则。这种方法只适用于系统满足某一确定的规律，但实际的系统由于受到多方面条件的限制，需要遵循的规律很多，各规律之间可能出现层次性和相关性，传统相似系数法难以描述复杂系统的相似性。( 2 ) 模糊相似评判实际的研究对象不仅具有定量属性，还具有模糊属性，对这种属性的相似性采用模糊数学的知识加以评判，相应的方法有二元对比法，模糊聚类法和模糊集法( f u z z ys e t ，r o u g hs e t ，v a g u es e t 等) 。这种度量方法与专家知识相结合，对于处理模糊特征量有很好的应用。( 3 ) 系统相似度量方法周美立教授在 相似学中提出了相似特性、相似元概念，并提出从特性、单元和系统3 个层次综合分析度量系统相似性【，阐明机械产品相似性是多个单元及特性的综合的系统相似性，且系统的相似度0 q 0 。 这是判断相似的第三个方法。任何一个系统都受某种客观规律所支配，复杂系统更是如此。如：在不同地区的生态系统中，支配系统良性循环是合理的食物链结构；在各种各样的机械系统中，都含有原动机、传动机构、工作机构和控制机构，支配整部机械有续工作是系统间的相互联系。任何一个有序的复杂系统都有一定的序结构和信息作用，总有一定的规律支配其运行，受相同规律支配的系统存在相似性。“相似学三定律 基于相似性形成原理和系统相似分析方法，分别从系统的序结构、信息作用和支配系统的规律探讨相似性，它们之间是相互联系相互影响的，它们的关系如图2 一l 所示。9序结构序结构信息作用信息作用支配规律支配规律图2 l系统相似规律“相似学三定律 研究的对象是广义上的系统，可以是天体系统、生态系统、社会管理的系统等，特别是对机械产品的设计具有指导意义，相似系统设计方法和相似制造论是相似理论的典型应用。提取产品的特征( 定性特征和定量特征) ，构造特征模型，建立产品数据库，设计出符合要求的产品，可以大大地缩短产品的开发周期。这对产品的数字化设计、系列化设计等都具有实用价值。2 4 基于相似性机械产品广义特征2 4 1 广义特征的定义及分类在现代产品设计研究中，不论是产品的设计过程，还是产品的设计结果，都要综合考虑产品的功能、行为、结构和性能。近年来许多学者都讨论过产品的设计过程，如：通过构造“事物元一【5 】的方法，一方面重用基本蕴含系统，另一方面形成蕴含可拓集，将产品的设计过程概括为“功能一一行为一一特征 ，采用自下而上、逐层升级拓展的方法，并以“优度一来定量比较设计的结果，这种设计方法对开发既具有共性化又具有个性化的产品很有价值：“面向产品族的设计【6 l 以现有的产品作为“平台 ，以功能单元为基础，通过功能匹配和变异实现新产品的开发，将产品的设计过程概括为“顾客需求一一功能结构一一原理求解一一结构设计 ，并通过“模块通用度一来衡量模块在产品族中的覆盖程度和共享程度：还有把产品的“性能特征一视为产品设计的起点和完成的标志，把“行为刀视作运动【_ 刀；以及基于迭代的“功能一一行为一一机构一一结构 【8 】的模型，认为产品的设计是功能到结构的映射，通过行为和机构有机地联系起来：再有基于“功能一一行为一一结构 1 9 j 的情景设计模型，认为功能到行为不唯一，行为到结构也不唯一，通过具体的情景类比设计。综观以上各种设计过程，设计的起点和终点都相同，都是以产品的特征为基础，尤其以产品的功能特征和结构特征为重，实现了产品功能到结构的转换，但这些设计思路只考虑了产品的部分特征，没有考虑到产品的全面特征。对于一般的机械产品应包括四类特征：功能特征一一产品的作用，行为特征一一实现功能的方式，结构特征一一实现功能的组成，性能特征一一产品功能和质量的体现。产品的相似性集中体现于功能相似、行为相似、结构相似和性能相似。有效提取产品的特征，可以对产品进行相似性设计，特别在基于实例设计( c a s e b a s e dd e s i g n ，c b d ) 和创新设计( c r e a t e dd e s i g n ) 中如果有效地分析提取i o产品特征，那么产品设计过程实质上是产品特征的匹配过程。传统的c a d 设计方法只能满足产品几何特征的需要，不能满足顾客对产品的个性化需求。为了有效地设计出符合顾客需求的产品，首先根据产品特征建立特征信息库u d f l( u s e rd e f i h ef e a t u r el i b r a r y ) ，基于u d f l 中的特征进行产品定义，产品的相似性设计过程是特征库中特征实例化的过程。这种设计过程如图2 2 所示。按照相似性设计要求，首先将产品的总功能分解成几个子功能，确定每个子功能的行为方式，选择相应的结构，最后分析产品的性能，若性能满足，则实现了总功能：若不满足，需要对原有的行为、结构重新设计或改进设计。为了使产品的特征信息，更多的符合设计需要，引入基于相似性的机械产品广义特征的概念。图2 - 2 产品特征设计定义广义特征是体现机械产品系统间相似性与差异性的信息集合体，是产品功能、行为、结构和性能特征的反映。广义特征具有如下的特点：( 1 ) 几何特征是机械产品广义特征的一个内容；( 2 ) 基于机械产品相似性设计的需要，是机械产品相似性分析的基本单元：( 3 ) 不同类型的机械产品广义特征的结构和层次不同。分述如下：( 1 ) 功能特征功能是产品用以满足用户的用途和使用价值。同类产品功能具有一致性，b 蕃相似产品的功能应相同或相近，但实现功能的行为不一定相同，功能与行为的组合对外表现为一定的输入产生一定的输出，这种输入或输出是能量、物料和信息的综合。由输入到输出的转化是由产品内在的结构和性能表现出来，可通过以下几个方面来描述。1 ) 物理化学特征：用物理量化学量来表示。如：汽车气缸燃气的温度，车轮的制动距离，不同的产品不同的功能其物理化学特征不同。2 ) 运动特征：在机械运动系统中能产生的某种动作种类是比较有限的，一般有：等速运动、不等速运动、往复摆动、往复移动、间歇转动、平面复杂运动、空间复杂运动、实现轨迹运动等，运动特征包括运动规律、传动精度、应用范围、可调性、运转速度等；3 ) 力学特征：根据不同的原理产生的力的性质不同，有：机械力、液压力、气压力、电磁力等。力学特征包括承载性、加速度的峰值等；( 2 ) 行为特征行为是实现功能的某种动作( 或原理) ，是功能实现的内在机制。原理具有变异性，同一功能，可以有不同的行为。汽车的发动机就是一例，最常见的是汽油发动机和柴油发动机，而且，汽油发动机又可分为化油器式和汽油喷射式。同样，对于简单的机械传动机构有摩擦传动、啮合传动、流体传动、电力传动。复杂的机械产品，有多个行为组成，产品各个行为的总和，就实现了产品的总功能。( 3 ) 结构特征结构是功能和行为的载体，结构特征反映了产品的大小、形状、位置和装配关系，具有多样性。对于机械运动系统来说，结构就是形形色色的机构，从广义说，包括液动机构、气动机构、电磁机构、光电机构、声电机构、振动机构、机电组合机构、记忆合金机构等。描述结构的特征有材料特征、加工特征、稳定性、可装配性、可拆卸性、序结构、集成性和简单性特征等。根据产品的功能，常见的结构形式有：链式结构、并列结构、循环结构和混联结构，分别如图2 3 中1 9 、b 、c 、d 所示。acb图2 - 3 产品的结构特征1 2d( 4 ) 性能特征1 3 6 1产品的性能特征具有多元性，是产品的结构、材料、工艺和现有技术的综合反映。性能特征值是评价产品功能和质量的重要指标，有时称为性能指标、技术指标、技术参数、技术性能、功能参数等。根据性能特征的类型可分为物理性能和使用性能，物理性能是产品内部能量、物料、信息转化中表现出来的特征量，可用相应的物理参数来描述。如油泵的物理性能特征有流量、排出压力、吸出高度、效率、转速、功率、适用温度等。使用性能是产品与环境相互作用相互影响下而表现的特征，如汽车的使用性能有可靠性、安全性、操纵性、排放性等。产品的性能特征分类如图2 4 所示。每一物理性能都有确定的含义，有大小有量纲，比较其相似性时，不仅比较大小而且还要比较量纲，各个物理量的量纲见附表。常见的使用性能特征分述如下。性能特征物理性能使用性能力学量、热学参量、电磁学参量、光学参量、声学参量可靠性、失效性、可维护性、绿色特征、经济性、时间性、环保性、美学特征等图2 - 4 产品的性能特征1 ) 可靠性特征可靠性是指：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力，也是衡量产品性能稳定性的指标。产品的可靠性可通过指标参数来衡量，通常又叫做可靠性特征量，对于不可维修( 失效后无法修复或不修复，仅进行更换)产品来说，可靠性特征量有可靠度、不可靠度、失效率、失效概率密度、平均寿命等；对可维修( 发生故障后经修理或更换零件即恢复功能) 产品来说，还有维修度、维修率、维修密度、平均维修时间和可用度等。2 ) 失效性特征产品的失效是指产品在使用过程中由于磨损、疲劳、腐蚀、老化等使产品失去工作能力。常见的有磨损失效、腐蚀失效和疲劳断裂三种形式。度量失效性的特征量有磨损量、磨损率、磨损度。3 ) 可维护性特征产品的维护性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到规定状态的能力。可靠性与可维护性决定了产品的可用性。这种可用性表达产品在任一时刻，处于可工作、可使用状态的程度。维护性的特征量有维修度、修复率、平均修复时间、有效度和重要度等。4 ) 绿色特征所谓绿色产品，就是从产品的整个生命周期出发，考虑了生命周期各个阶段对环境的影响，在产品生命终止后，废品能够回收、再生和利用，使废品对1 3环境的影响最小，从而能最大限度地利用提高资源的利用效率。绿色设计就是使环境负担最小的设计，是从产品的设计、制造、运输、使用、报废回收整个过程来考虑。有利于提高产品的使用效率和社会的经济效益。衡量产品的绿色特征，首先确定绿色评判标准一一绿色指标，常从技术、经济、和环境三个方面来评判，综合算出“绿色度 即为产品的绿色特征值。5 ) 经济性特征产品的经济性是指合理的产品寿命周期费用。产品寿命周期费用包括开发研制过程、生产制造过程、流通使用过程，以及用后维修所需费用的总和。它是满足顾客和社会要求的主要质量特性之一。如果产品具有良好的性能、可信性、安全性、适应性，但造价、运输和维修费用十分昂贵，这样的产品不可能得到顾客的青睐。产品的经济性是保证企业在竞争中得以生存的关键之一，是产品质量特性的重要组成部分。产品的经济性特征值可根据市场价格来反映。6 ) 时间性特征产品的时间性是指在规定的时间内，满足顾客对产品交货期和数量要求的能力，以及随时间变化满足顾客需要变化的能力。在科学技术日新月异的时代，产品的更新换代、新产品的开发及供货的及时，提高到十分重要的地位。时间意味着产品的竞争能力，意味着产品可获得性提高。时间性特征值即为产品的生命时间。7 ) 环保性特征产品的环保性是指产品对防治环境污染、改善生态环境、保护自然资源的程度。随着经济的发展，严峻的生态环境使人们赖以生存的空间受到严重的威胁。任何产品都应该考虑到是否有利于环境的保护和生态平衡，已成为社会共识。产品的环保性主要体现在减少或消除对不可再生原材料的使用，较少或消除产品对生态环境和人类健康的负面影响等。环保性特征值可通过对环境的影响程度来度量。8 ) 美学特征产品的美学特征体现在产品的造型上，现代产品设计一方面追求产品功能美，另一方面追求产品的造型美。也称为产品的艺术特征，反映人一一机一一环境的和谐。美学特征根据人的审美观念来度量。2 4 2 机械产品的广义特征研究从相似性的角度，产品的广义特征是客观存在的，分析产品的广义特征，首先分析功能特征。产品的功能是产品发挥的作用，对于复杂的机械产品来说，功能具有层次性，也就是说总功能有许多子功能组成，任一子功能同样有确定的行为、结构和性能。这样定义了产品的广义特征，就可以对任何产品进行特征分析，分析产品的最基本的组成单元( 零部件的功能、结构、行为、性能) ，通过比较组成单元就可以分析任何产品整体的相似性和差异性。任何复杂产品1 4都是一系列这样的组成单元的抽象集合体。定义了组成单元，就可以把所需要的产品构建起来。在不同的研究中，广义特征的概念不相同。宋玉银等l lo j 将广义特征理解为产品生命周期中信息的载体，包括产品生命周期内各种活动的全部特征信息，如技术特征、用户特征、管理特征、材料、形状、精度、制造、装配、质量、价值、评价等特征，它们的关系如图2 5 ，并借助于p r o d e v e l o p 开发工具，在p r o e n g i n e e r 软件基础上，二次开发基于特征设计的c a d 系统，这种系统包含特征定义、特征设计、特征管理、特征信息设定和特征识别5 个模块，如图2 6 。李岳梅等【5 】在基于产品创新设计中为了满足个性化和人性化的需求，将顾客特征引入产品的特征模型中，建立广义特征模型如图2 7 。徐有忠等【2 1 1 提出了用于d f t ( d e s i g nf o rt e s t a b ili t y ) 产品的广义特征的概念，如图2 8 ，其中主要考虑了产品与模型的对应性，可检测性评价与功能、形状特征的密切关系，以及原型实现的方便性。夏禹等1 2 2 提出基于面向对象知识的广义特征信息模型，如图2 9 ，每一个基本的广义特征和与它相关的知识都封装到一个特征知识对象中。精度特征用户特征)( r 维护特征广义特征销售特征、( 芝竺竺兰舐矾制造特征、)夹具特征图2 - 5 广义特征模型1塞一薰娄，t ，甏图2 - 6基于特征设计的c a d 系统图2 7 广义特征模型2评价对象属性槽对象类型属性参数关联槽关联对象关联参数检测槽检测类型检测要素属性参数li 关联参量ii 检测要素参数名称参数数值关联元素关联关系图2 - 8 广义特征模型31 6要素名称参量数值特征知识对象l属性集方法集规则集ilfli设计属性几何属性规则操作一般方法设计规则属性名属性名规则操作名方法名规则名属性值属性值规则操作描述方法描述规则描述关联关系造型方法关联关系名造型方法名关联关系描述造型方法描述图2 - 9广义特征模型4相似性科学研究产品的相似性，不是仅研究产品的几何相似性，也不是从从个别特征研究，而是从系统的角度来研究，把具有功能、行为、结构和性能特征的产品看作是一个系统，研究产品的相似性实质上是研究系统与系统的相似性，如果一个系统与另一个系统相似称为他相似，如果一个系统的部分与整体相似则称为自相似。认识系统首先认识系统的特征，通过提取产品的广义特征，来研究产品间的相似性和差异性。产品的广义特征是这一产品区别于其它产品的标志，同一类产品，特征数目相同，但特征值不同；不同类的产品，不仅特征值不同，而且特征的种类和个数都不同。特征类型相同，但特征值存在差异的特征为相似特征。相似性科学认为，如果产品间存在相似要素，那么它们之间的相似程度是可以度量的，称为相似度。相似度的大小与相似元的个数和对应相似元的相似程度有关。对于产品的相似元即为产品对应的特征单元，为了便于综合度量，可以把产品的相似度分解为功能相似度、行为相似度、结构相似度和性能相似度。2 5 面向相似性特征提取2 5 1 相似特性每一个系统都存在具体的特征。然而，在不同类型、不同层次的系统之间，可能存在某些公有的物理、化学、几何学、生物学等具体特征，简称为特性，当刻画这些公有特性的特征值时，可能会有差异，则对应的公有特性称“相似特性”。当系统间存在相似特性时，认为系统间存在相似性。2 5 2 相似元同一系统中的要素以不同特征相区别。通常，一个系统的特征不止一个。不同类型、不同层次系统中组成要素及特征不尽相同，但这些系统间某些组成1 7要素的特征存在共同性而形成相似性。在要素间存在公有特征，而特征值在数值上存在差异的特征，定义为相似要素。系统间存在一个相似要素或一个相似特性，便在系统间构成一个相似单元，简称相似元。在系统间存在刀个相似要素或相似特性，构成n 个相似元。对于参数化的相似元的相似程度可通过相应特性参数比来表示，又称为相似比或相似常数。2 5 3 相似模块单元认识了产品的广义特征，为了便于分析产品的相似性，建立相似模块单元，相似模块单元是相似系统最小组织单元，由若干相似元组成，分为四部分，第一部分描述模块的功能特征，第二部分描述模块的行为特征，第三部分为模块的结构特征，第四部分为模块的性能特征，如图2 1 0 所示。图2 1 0 相似模块单元结构模块单元与系统的特征既有联系又有区别。系统的特征是组成系统各个模块单元特征综合的体现，但不是简单的相加，系统的有些特征在单个模块单元中体现，有些特征是几个模块的共同体现，同时模块单元的结合可能使模块自身的特征产生变异和湮灭。这种模块单元与模块单元结合产生新的特征元，称为这层模块单元的派生特征元，同时又称这新的特征元是上一层模块单元的基本特征元。相似系统实质上是一个个对应模块单元的相似和由此派生的一个个派生特征单元的相似。系统的复杂性可用模块的层次化来描述，这样复杂系统的相似性研究就脉络清楚了。2 5 4 广义特征提取过程复杂的机械产品系统一般是由多个模块组成，不同系统间有些模块在结构或功能上相近，称为相似模块。但系统不是各个模块的简单叠加，系统有整体性，系统的整体性是通过各个模块按照一定的方式组合后表现出来的综合特性，如一个理想的弹簧振子系统，仅由两部分组成( 弹簧和振子) ，弹簧的特征量为弹簧的倔强系数( 刚度) ，振子的特征量为振子的质量，但它们结合成系统后并给予一定的能量就派生出新的特征量为振子系统的周期或频率，如图2 一1 1 。1 8图2 1 l 弹簧振子系统的特征提取所以在进行相似特性分析时，不能简单地只考虑相似模块单元的特性，还应考虑它们的派生属性。再如发动机装在汽车底盘上，汽车就能够产生一定的运行速度，运动速度则为一派生属性。另外，模块的组合方式不同，系统的派生属性也不相同。为了便于分析，采用“化整为零 ( 即由系统到特征单元) 的分析方法。相似系统广义特征提取步骤可用图2 - 1 2 表示，但应注意以下几个方面的问题。( 1 ) 模块具有完整性，与其它模块有明确的序机构关系并有信息联系；( 2 ) 模块的增减影响系统的整体性能，即模块的改变引起系统特性的变化；( 3 ) 提取特征时不仅分析模块内的特征( 固有特征) ，还应分析模块间的特征( 派生特征) ，往往是模块间的特征是系统的主要特征，更应分清系统特征