（机械制造及其自动化专业论文）基于可拓变换的产品适应性设计方法研究.pdf

浙江t 业火学硕j ：学位论文 基于可拓变换的产品适应性设计方法研究 摘要 在如今竞争激烈的市场条件下，产品生命周期越来越短，给企业带来繁重的产品开发 任务。在原有产品基础上研究产品的适应性设计，能及时快速的开发出新产品，及时交货， 争先抢占市场，则能大大提高企业的综合竞争力和持续发展的生命力。在此基础上，本文 以可拓学为基础，对产品适应性设计方法进行了研究。 首先，从现有的产品适应性设计关键技术研究现状中指出了目前产品适应性设计方法 存在的不足，并详细分析了产品适应性设计过程中存在的两类矛盾问题需求与结构之 问的矛盾、新旧结构之间的矛盾，介绍了可拓设计的基本理论，结合可拓学将需求与结构 之间的矛盾问题界定为不相容问题，将新旧结构之间的矛盾界定为对立问题。 针对不相容问题，本文采用了可拓传导变换进行求解。首先定义了机械产品适应性设 计中的不相容问题，及可拓设计基元，建立了相容度函数作为问题相容与否的定量化判断， 在此基础上通过对需求的蕴含分析将需求映射到结构中，根据蕴含分析结果出现的矛盾问 题进行反向的传导变换形成传导变换蕴含树，最终使不相容问题转化为相容问题。并将该 方法应用在l e d 分拣机振动盘的适应性设计过程中验证了方法的可行性。 针对对立问题，本文采用了转换桥方法进行求解。首先定义了机械产品适应性设计中 的对立问题，阐明了转换桥的含义，并将转换桥方法与t r i z 方法在解决对立问题上进行 了分析对比，建立了共存度函数作为问题共存与否的定量化判断。在此基础上通过对问题 中条件基元的发散分析得到基础的变换库，根据变换库利用五种基本变换算子对条件基元 进行变换操作，通过变换方向的控制与变换效应的验算得出适应性方案解，使对立问题转 化为共存问题。并将该方法应用在油锯把手适应性设计过程中验证了方法的可行性。 最后，根据本论文所采用的方法，丌发了基于v b 6 0 、s o l i dw o r k s 平台的可拓适应性 设计原型系统。介绍了该原型系统的基本功能及操作流程。 关键词：矛盾问题，适应性，传导变换，转换桥 浙江t 业人学顾1 ：学位论文 r e s e a r c ho na d a p t a b i l i t y d e s i g nm e t h o do f p r o d u c tb a s e do ne x t e n s i b l et r a n s f o r m i n g a b s t r a c t i nt o d a y sc o m p e t i t i v em a r k e tc o n d i t i o n s ，t h ep r o d u c tl i f ec y c l ei sb e c o m i n gs h o r t e r , a n di t b r i n g sah e a v yt a s kt ot h ee n t e r p r i s e sp r o d u c td e v e l o p m e n t h o w e v e r , t h en e wp r o d u c tc a nb e d e v e l o p e dr a p i d l yb yt h ea d a p t i v ep r o d u c td e s i g nb a s e do nt h eo r i g i n a lp r o d u c t s ；a sar e s u l t ，i t c a nd e l i v e ri nt i m e ，s e i z et h em a r k e tf i r s t ，a n di m p r o v et h ec o m p r e h e n s i v ec o m p e t i t i v e n e s so f e n t e r p r i s e sa n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tv i t a l i t y t h e r e f o r e ，t h ea d a p t i v ep r o d u c td e s i g nb a s e d o n t h ee x t e n s i o ni ss t u d i e di nt h i sp a p e r f i r s to fa l l ，t h es h o r t c o m i n g sa r ep o i n t e do u tf r o mt h ee x i s t i n gk e yt e c h n o l o g i e so fc u r r e n t a d a p t i v ep r o d u c td e s i g n t h et w ot y p e so f c o n t r a d i c t i o np r o b l e m sb e t w e e nt h ed e m a n ds t r u c t u r e s a n dn e w o l ds t r u c t u r e si na d a p t i v ep r o d u c td e s i g na r eg i v e nd e t a i l e da n a l y s i s t h eb a s i ct h e o r y a n dm e t h o do fe x t e n s i o ni si n t r o d u c e d a n dc o m b i n e dw i t he x t e n s i o n ，t h ec o n t r a d i c t i o no f d e m a n ds t r u c t u r e si sd e f i n e da sa ni n c o m p a t i b l ep r o b l e m ，a n dt h ec o n t r a d i c t i o no fn e w o l d s t r u c t u r e si sd e f i n e da sa no p p o s i t ep r o b l e m a i m i n ga tt h ei n c o m p a t i b i l i t yp r o b l e m ，am e t h o db a s e do n e x t e n s i o no fc o n d u c t i o n t r a n s f o r m a t i o ni sp r o p o s e di n t h i sp a p e r f i r s t ，t h ei n c o m p a t i b i l i t yp r o b l e ma n dt h ed e s i g n e x t e n s i o ne l e m e n ta r ed e f i n e di nm e c h a n i c a lp r o d u c t sa d a p t i v ed e s i g na r ed e f i n e d ，a n dt h e c o m p a t i b l ef u n c t i o ni su s e dt od e t e r m i n eq u a n t i t a t i v e l yw h e t h e rt h ep r o b l e mi sc o m p a t i b i l i t y o r n o t ，t h e nd e m a n di sm a p p e dt ot h es t r u c t u r et h r o u g ht h ec o n t a i na n a l y s i so fo b j e c t i v ed e m a n d s ， t h ei n c o m p a t i b i l i t yp r o b l e mi sc o n v e r t e dt oc o m p a t i b i l i t yp r o b l e mb ym a k i n gu s eo far e v e r s e c o n d u c t i o nt r a n s f o r m a t i o nb a s e do nt h er e s u l t so ft h ec o n t a i na n a l y s i s t h i sm e t h o di sa p p l i e dt o t h ev i b r a t i o np l a t eo fl e ds o r t i n gm a c h i n e sa d a p t a b i l i t yd e s i g np r o c e s st ov 舒母t h ef e a s i b i l i t y o ft h em e t h o d a i m i n ga tt h eo p p o s i t ep r o b l e m ，am e t h o db a s e d o nt r a n s f o r m i n gb r i d g ei sp r o p o s e di nt h i s p a p e r f i r s ti ti sd e f i n e dt h eo p p o s i t ep r o b l e mi nm e c h a n i c a lp r o d u c t sa d a p t i v ed e s i g ni sd e f i n e d t h em e a n i n go ft r a n s f o r m i n gb r i d g ei se l a b o r a t e da n dc o m p a r e dw i t ht h et r i zm e t h o d si n r e s o l v i n gt h eo p p o s i t ep r o b l e m ，t h ec o e x i s t e n c ef u n c t i o ni s s e tu pt od e t e r m i n eq u a n t i t a t i v e l y w h e t h e rt h eo p p o s i t ep r o b l e mi sc o e x i s to rn o t b a s e do nt h ec o n d i t i o n sd i v e r g e n c ea n a l y s i s ，t h e b a s i ct r a n s f o r md a t a b a s ei se s t a b l i s h e d ，a n dt h ec o n d i t i o nb a s i ce l e m e n ti so p e r a t e dt h r o u g ht h e i i 浙江工业人学硕上学位论文 f i v et r a n s f o r mo p e r a t o r sa c c o r d i n gt ot h et r a n s f o r md a t a b a s e ，t h r o u g ht h ec h a n g ed i r e c t i o n c o n t r o la n dt h er e s u l t so ft h ec h a n g ee f f e c t ，a na d a p t i v es c h e m es o l u t i o ni sg a i n e d a n dt h e m e t h o di sa p p l i e do nt h eg a sc h a i n s a wh a n d l e sa d a p t a b i l i t yd e s i g np r o c e s st ov e e r yt h e f e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d f i n a l l y , u t i l i z i n gt h em e t h o d sp r o p o s e di nt h i sp a p e r , ap r o d u c ta d a p t a b i l i t yd e s i g np r o t o t y p e s y s t e mi sd e v e l o p e db a s e do ns o f t w a r ev b 6 0a n ds o l i dw o r k s a n dt h eb a s i cf u n c t i o n s ， s t r u c t u r e ，a n do p e r a t i o n a lf l o wa lei n t r o d u c e d k e y w o r d s ： c o n t r a d i c t i o np r o b l e m ，a d a p t a b i l i t y , c o n d u c t i o nt r a n s f o r m a t i o n ，t r a n s f o r m i n g b r i d g e 浙江- t 业人学硕上学位论文 b m 。l 尺 d c v r p ( x ，x ) 以x o ，朋 x o y u p g 符号说明 基元 物元 事元 关系元 对象 特征 量值 关系元 距公式 粕，x o ，x 组成地区间套 最优值 正域 论域 关联函数 问题 目标基元 条件基元 对立 共存 可拓变换 可适应性因子 变换算子可操作程度 变换方向 变换效应 可拓变换 个 l 丁 缈 尹 r r 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。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。本人承担本声明的法律责任。 名：彦叫醐：干夕月形日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并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 人授权浙江工业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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 孝n 川1 夕月冲曰 厂月垆日 彳彳1 獬， 飙飙日日 彳绛rl沈l 浙江工业人学硕i j 学位论文 第1 章绪论 1 1 选题背景及研究意义 如今，随着中国和世界经济的快速发展，企业需要面对国内同行之间的竞争，还要面 。来自世界其它国家和地区的竞争，这种竞争越来越激烈。除了企业之间竞争，企业还要 面对的不断变化的客户需求，客户对产品的需求越来越多样化、个性化，对产品的质量要 求也不断提高，并且还要有良好的服务和较短的交货期。这些对企业来说都是挑战。 在如今竞争激烈的市场条件下，产品生命周期越来越短，给企业带来繁重的产品开发 任务，这意味着产品开发有更加严格的计划，设计人员常常面临很大的压力。而分析产品 开发项目的类型，三种产品设计类型( 变型设计、适应性设计和创新设计) 中的变型设计、 适应性设计在产品开发工作中占相当的比重。也就是说，产品设计开发人员常常在现有的 设计的基础上进行产品设计。因此，研究变型设计与适应性设计，能及时快速的开发出新 产品、及时交货、争先抢占市场，同时也因缩短制造时间和消除各种浪费而降低制造成本， 由于加快了产品更新换代频率，而向市场大量提供质量更高、价格更低的高性能产品。从 而大大提高了企业的综合竞争力和持续发展的生命力【1 】f 2 】【3 1 。 为了应对激烈的市场竞争和多变的客户需求，制造企业必须不断寻求各种方法来加强 自身的核心竞争力，而增强产品的持续创新能力是提升制造企业核心竞争力的重要途径。 产品设计技术方法是产品创新的核心，它对产品的先进性和竞争能力起着决定性作 用。企业在激烈的市场竞争中的生存和发展以及整个制造业的振兴都离不开先进的产品设 计方法。随着产品复杂性的逐渐提高，产品设计过程中将不断的出现各种冲突问题。此外， 在用户至上的市场环境中，制造企业为了能够不断满足用户多变的需求，要求产品设计系 统在质量、成本、上市时间、环境、服务等多目标的前提下能够灵活地对变化做出反应， 快速自主地进行决策。因此，研究产品适应性设计过程的本质，建立一套能够有效解决其 中出现的矛盾问题的方法，对提高产品的设计效率具有很重要的意义。 1 2 适应性设计的概念及提出 1 9 8 4 年p a h lg 和b e i t zw 在e n g i n e e r i n gd e s i g n ) ) 上提出了分类方法【4 l ，根据设计活 动的基本特点和实际应用情况，制造行业中的产品设计活动一般可以分为以下三种类型： 浙江工业人学硕1 j 学位论文 1 创造性设计 这种设计方法针对新的需求，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。这是一种完全创新的设计，其基本持点是：对于设计目标的描 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设计规划，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。 一+ 2 适应性设计 这类设计是在保持产品原理、方案基本不变的前提下，在原有产品的基础上，对产品 沟某些局部功能和结构做出变更，以适应某种要求。从整体上来说，适应性设计其设计目 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说则往往 在技术上具有较大变化，没有固定的设计模式可循，换言之，存在着对某些子系统的创造 性设计。 3 变型设计 变型设计是在产品工作原理、基本功能定义不变的情况下，通过现有产品局部结构型 式和尺寸的变异以满足不同工作性能的需求。其基本特点是具有固定、有效的问题分解结 构，对于子问题的设计和设计错误的处理都具有比较明确的常规步骤和方法，比较适合于 运用现有的计算机技术去辅助实现【5 】o 现代新产品特别是复杂产品通常采用成熟技术加部分创新技术的方式，以降低开发风 险。据估计9 0 的设计为适应性设计或变型设计，这意味着大多数的设计工作可重用以前 的产品设计方法：新产品开发中完全重用现有的或供应商提供的零部件占4 0 ，修改后重 田的零部件占4 0 ，完全全新设计的零部件仅占2 0 t 6 】【刀。 由此可认为适应性设计就是一种建立在渐进性创新基础上的设计方式。它根据市场及 客户的需求，通过对已有产品的部分功能、原理、结构的变异来获取满足要求的新产品。 适应性设计方式充分重用了企业已有的设计、制造、管理资源，降低了产品的开发时间和 成本，是企业应对市场竞争的有效设计方式。 2 0 0 2 年加拿大的p g u 教授在产品结构( 构造) 设计的早期过程中考虑到产品的适应 性，提出了适应性设计的概念，以满足未来更好的产品功能、质量、特性、可用户化、环 境友好性、低成本和更短的交货时问等等这些方面不断增长的竞争需要，使产品在全生命 周期中具有更快的响应速度和更强的响应能力f 8 】。该适应性设计的理念要求在设计某一产 品或系统时，不仅仅考虑此单一产品或系统的实现，也应该并可以考虑到可能的产品或系 统的衍生、扩展、提升等适应能力的可能性，并从结构上考虑其实现性，从而保证产品系 浙江- t j 业人学烦i ：学位论义 统的最佳生存力( 包括生命时间生存力和功能生存力及其他比如环境适应生存力) 及企业利 益最大化的潜能力。这类似于并行设计中，在前期设计就要考虑到后期设计及制造实现的 可能性、便利性，达到设计思维实际实现的现实条件具备性，从而要求前期、前序设计人 员具有统观能力和理念。采用适应性设计思想要求设计人员( 尤其是概念、全局规划设计人 员) 能够从功能的可能需求升级和结构的可能实现两方面的相互影响中加以尽可能的优化 和权衡( 现实的功能需求决定了结构实现，结构的形式又可反过来产生、适应未来的潜在功 能) 【9 】【1 0 】【l l 】。 1 3 产品适应性设计关键技术及其研究现状 产品适应性设计是新提出的产品设计的先进理念，正处于研究发展阶段，主要涉及参 数化变型设计技术、模块化技术、接口技术、公理化技术等概念，还没有形成完整的设计 理论和方法体系。更进一步，包括可适应产品的实现、产品的评价( 包括结构强度评价) 及 计算机辅助可适应设计实现等问题尚待进行深入的研究。 1 3 1参数化变型设计技术概况 变型设计是一种设计方法和设计过程，是在原有设计工作的基础上，通过一定的修改 以产生一个新的和原有设计相似的产品【1 2 】。变型设计并没有改变原有产品的功能和原理， 它通过对现有产品的局部结构、配置和尺寸的变异来快速地、高质量地满足客户对产品的 定制需求【1 3 】【1 4 1 。变型设计首先在印刷电路和集成电路设计中得到应用，后来机械设计者认 识到了变型设计的优点，并将变型设计方法引入到机械产品设计过程中【1 5 l 。 零件的变型设计包括结构变型设计和参数变型设计。结构变型设计是指对零件的结构 进行修改以满足设计要求；而参数变型设计则是通过修改尺寸参数来满足设计要求。两种 类型的变型设计均依赖于结构关联来保证模型的完备性。零件设计的变型是在零件结构原 型的基础上通过尺寸驱动和结构驱动的方法实现的【1 6 】f 1 7 】【1 引。 1 尺寸驱动 尺寸驱动包括结构内尺寸驱动和结构间尺寸驱动。尺寸修改时，结构也将修改，依据 零件原型图的空间布局约束图和结构拼接矩阵图对零件进行重构，生成新的变型零件。 2 结构驱动 结构变异设计是在零件设计中一种重用方法，通过修改已有零件的局部结构来满足新 的设计要求。结构变动可以通过结构的增加、删除和替换等改变模型中功能结构的数量和 浙江工业人学顾i j 学位论文 类型的方法来快速实现。 随着市场需求的细分和客户需求的个性化及多样化，产品变型设计的运用将会越来越 广。研究表明，目前大约7 0 的企业产品都是在现有产品的基础上，针对市场需求进行修 改设计来完成的，也就是说，大部分的企业产品可以通过变型设计来完成。由此可见，变 型设计的研究对于企业来说是有很大的意义的。如果不使用变型设计或其他计算机集成系 统，设计者设计一个新的产品所需的时间中只有2 5 3 0 是花费在设计和绘图上，而其他 的时间则花费在资料整理、信息采集、开会或其他事物上【1 9 t 。当然变型设计也是有缺点的， m e y e r 和l e h n e r d 指出如果只是一味地满足客户需求，这往往会使企业在不同产品或产品 线之间缺乏模块化、标准化、兼容性和共性，从而导致产品类型增多，产品制造成本和管 理成本增加，进而使得企业利润下降【2 0 1 。所以产品变型设计必须在大批量定制思想的指导 下尽可能地重用已有的零部件，尽可能地使用标准件，同时也要在产品优化的过程中，尽 可能地考虑已有的零部件、标准件以及零部件的模块化，使得产品在变型设计过程中显得 更加合理，也使得变型设计技术能更有效地运用在企业实际生产过程中。 参数设计就是用参数来表示零部件的尺寸及其相互之间的关系。目前，三维c a d 都 已经很好地实现了参数设计。在实际生产过程中，常用的系列化、标准化的零部件比较适 合参数化设计。 变量设计是参数化设计的发展结果。变量设计在零部件修改方面需要更大的自由度， 对产品尺寸和形状需要一组约束才能确定。而且变量设计中的约束已经不仅仅局限在零部 件尺寸方面，还可以包括工程方面的约束。变量设计的重点是如何通过约束组来表达产品 信息以及如何提高产品信息的处理效率。为了提高变量设计的效率，一般都会通过借用数 值计算、图论中的一些方法。 吴伟伟【2 1 】等人提出了基于参数化的机械产品尺寸变型设计，其在设计对象结构比较成 熟的基础上，用一组参数来表示尺寸值和约束关系，其核心是尺寸参数驱动。这种方法将 参数化设计和产品尺寸结构变型设计结合起来：通过c a d 软件建立产品三维主模型，然 后使用参数化设计的思想建立产品参数之间的联系，最后通过变型设计系统软件开发来实 现对产品参数的操作。该方法很好地解决了产品的尺寸参数的变型，但没有涉及产品的选 配变型，无法生成定制产品b o m 表。 参数化设计和变量化设计，都是通过参数约定设计对象的尺寸关系，在参数的作用驱 动对象变型。参数化设计的约束求解要按照顺序进行，而变量化设计不受顺序制约，求解 存在自由度大。生产中常用的系列化、标准化设计就是属于参数化和变量化这一类型。 浙江t 业大学硕：i ：学位论文 参数设计和变量设计适用于产品初始设计和定型产品系列化设计，使产品的设计图纸 可以随着某些结构尺寸的修改和使用环境的变化而自动修改。目前变量设计是以c a d 系 统研究的重点，在变量设计中必需着重考虑的是约束满足问题，而设计一个高效的约束求 解器则是变量设计的难点。目前国内外基于约束的变型设计方法的实现方案主要有：数值 约束求解方法、迭代法、基于规则的几何推理方法、基于图的约束求解方法、基于构造过 程的方法【2 2 】【2 3 1 。 1 3 2 模块化设计技术概况 随着先进设计制造技术的发展和计算机技术的广泛应用，使传统的以产品为中心的设 计方法发生了深刻的变化。模块化是现代制造业发展的要求，是对传统标准化形式的发展。 模块化与成组技术、柔性生产技术、计算机辅助技术等现代设计制造技术之间的关系是相 辅相成、互相支持，只有在生产中密切配合才能发挥最大效益。模块化设计是在对一定范 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来构成不同产品，以满足市场不同需求的一 种设计方法。模块化是企业和产品重组的基础，是产品及其制造系统持续更新和并行开发 的最佳基础【2 4 】。 同本的yi t o 等【2 5 1 是较早从事模块化设计的研究者之一，在对系列产品结构分析的基 础上，他f f ( 1 9 7 9 ) 提出了分层模块化结构的概念，重点描述了机床的分层模块化结构。关于 结构描述，他们提出用g t 码和力流来描述机床并形成机床的结构模式。yi t o 和h s h i n n o 1 2 6 】应用上述机床结构模式来评估机床结构形状的相似性，并引入了共同度、相同率和相似 率的概念。 童时中从系统论的角度指出模块化设计是面向产品系统的设计，是标准化设计、组合 化设计。他总结出模块化设计的三个不同层次：1 模块化产品系统设计；2 模块系统设 计；3 模块化产品设计。并分析了模块化作为一种现代设计方法及新的标准化形式而形成 独特的标准化属性，探讨了模块化设计中的系统分解方法及模块化的实施途径【2 7 1 【2 8 1 【2 9 1 。 针对传统模块化设计的不足之处，天津大学的徐燕申教授提出广义模块化设计的概 念，进而提出了模块化、参数化和变量化集成设计的广义模块化设计方法【3 0 1 。 文献【3 l 】继承并发展了广义模块化的概念和原理，以模板模块和实例模块为基础构建 产品模块系统，并以选择实例模块或由模板模块生成实例模块组成模块化产品的设计方 法。在文献【3 2 】中又进一步对广义模块化和柔性模块进行了定义，认为广义模块化设计是 浙江t 业人学颂l 学位论文 针对分级特性不明显或结构不易系列化、通用化和标准化的非定型结构的产品，是一种根 据用户需求，以柔性模块和实例模块为基础构建产品模块系统，并以选择柔性模块或由柔 性模块生成的模块实例组成模块化产品的设计方法。 在模块化设计中，产品及模块系列的规划也是重要内容，如文献 3 3 1 中根据模块化产 品在系列产品中所覆盖的形式和程度，把模块化产品规划为横系列模块化、纵系列模块化、 跨系列模块化和全系列模块化四类。 文献 3 4 】在上述研究的基础上，根据产品的结构变型和规格变化可以将一组产品构造 为一个产品矩阵，矩阵中每行的第一个元素称为基型产品，第- - n 称为基型产品系列。并 以基型产品为研究对象派生功能模块矩阵，再把功能模块映射为结构模块矩阵，这些结构 模块可以组合成不同的模块化产品。该方法从宏观上进一步分析了模块化产品设计的横系 列、纵系列及跨系列模块化之间的关系，并对其深层作用机理作了深入的分析，提出一套 基于矩阵的产品及模块系列的规划方法。 u l r i c h 等【3 5 1 学者研究了模块化的产品系列规划和设计方法在产品品种、部件标准化、 产品性能及产品丌发管理方面的影响。 文献1 3 6 研究了广义模块化设计技术在粗纱机设计中的应用，在研究广义模块化设计 的一般方法的基础上针对粗纱机的具体情况对其进行了产品族的规划、模块的划分、模块 模型的创建等模块化设计的系列工作。 文献【3 7 】研究了虚拟模块化技术在数控机床上的应用，提出了模块化机床类产品虚拟 仿真系统的构造方法，阐述了模块化产品方案的评价优选技术，分析了模块化产品方案评 价优选系统的构成及操作步骤。 1 3 3 接口设计技术概况 接口指模块间的结合部分。在模块化设计的研究中，许多学者对接口面的形状与连接 型式等进行过总结归纳1 3 8 】f 3 9 1 。模块接口对模块的拼装等起着重要的作用。 模块化设计中接口技术主要包括两个方面的内容：其一为接口本身的工艺特性，包括 接口的可靠性、可装配性、可加工性等；其二为在模块化设计中接口数据管理技术，包括 标准化、编码、接口数据库管理、模块组合测试等。 针对接口的重要性，许多学者进行了研究： f r e d r i kh i l l s t r o m 【删提出了一种基于公理设计的接口设计方法，并用d f m a 软件工具 对接口设计方案进行评价和优选。 浙江t 业人学硕i ：学位论文 文献【4 1 研究了模块接口与模块化机床动态特性之间的关系。文献【4 2 从计算机辅助模 块组合的需要出发，研究了接口的描述与编码方法，并分别描述了模块的组合判断方法。 文献 4 3 】为解决产品族设计中平台确定和接口设计的问题，提出了种建立系列平台 的设计方法，并引入机械总线的概念。该方法以已有产品的功能结构为基础，通过划分产 品模块、分析模块性矩阵和评估矩阵得到系列平台，利用机械总线实现平台模块与个性模 块的连接，通过替换个性模块得到个性化产品，并对国内某企业生产的工程钻机建立了系 列平台。 1 3 4 公理化设计技术概况 公理化设计是一种以域和设计公理为基础的设计，主要目的是建立一个科学基础，为 设计者提供进行设计和改进设计提供理论依据，使设计者更能发挥其创造力。同时能根据 设计要求决定最好的设计，并提供了判断的相应准则，以尽可能早的淘汰差的设计，使设 计者的主要精力集中在较好的设计上。此外，它还提供了设计分解过程的形式，使系统设 计的流程更加清晰，从而克服了早期设计目标模糊的现象。 s u h 教授提出的公理化设计a d ( a x i o m a t i cd e s i g n ) 理论的出发点，是将传统的以经验为 基础的设计活动转变为以科学公理、法则为基础的设计公理体系。公理化设计理论认为， 在设计过程中设计问题可分为四个域，即：用户域( c u s t o m e rd o m a i n ) 、功能域( f u n c t i o n a l d o m a i n ) 、结构域( p h y s i c a ld o m a i n ) 和工艺域( p r o c e s sd o m a i n ) 。每个域中有各自的元素，即 用户需求( c u s t o mn e e d s ) 、功能要求( f u n c t i o nr e q u i r e m e n t s ) 、设计参数( d e s i g np a r a m e t e r s ) 和工艺变量( p r o c e s sv a r i a b l e s ) i 州。整个设计过程实际就是四个域之间的映射过程。公理化 设计提出了两个重要的设计公理： 1 独立性公理( t h ei n d e p e n d e n c ea x i o m ) ：保持功能要求的独立性； 2 信息公理( t h ei n f o r m a t i o na x i o m ) ：力求使设计的信息量最少。 公理化设计的两个设计公理可以在设计过程中帮助设计者判断设计的合理性。但是如 果发现设计不满足设计公理的要求，设计者只能凭经验去修改。目前公理化设计还只是一 种概念上的表达，距离完善的理论体系和实用阶段尚有一定的差距。 在国外，公理化设计方面的研究主要有：d l i n d h o l m 等【4 5 】人将公理化设计理论应用 于设计过程的决策问题，根据设计分解的过程进行推理，得到设计决策树；m a t sn o r d l u n d 等【4 6 】研究了公理化设计理论在商业上的应用前景和应用实践；v t m a i nh a r u t u n i a n 等f 4 7 】研究 了基于公理化设计理论的产品设计的决策系统及其开发辅助公理化设计软件的内容和意 浙江_ t 业入学硕：l ：学位论文 义；j a s o nd h i n t e r s t e i n e r 等【4 8 】研究了将公理化设计用于控制系统中，建立了系统结构模型 和系统控制模型，并研究了公理化设计软件的设计过程；s c ，yl u 等【4 9 】建立了协同设计 过程模型，用社会技术框架解决协同设计中的冲突问题；n i c o l ac a p p e t t i t 5 0 】研究了机动车上 电池支撑板模糊设计的公理化决策方法，将公理化设计方法用于方案设计的选择。 国内对公理化设计的研究才刚刚起步，主要是应用公理化设计的思想和理论。主要研 究的内容有：杨培林等【5 l 】利用公理化设计的基本思想对产品并行设计过程进行分析和描 述，提出了产品并行设计策略；陈永亮掣5 2 】根据公理化设计理论，对模块化柔性生产线方 案的设计过程进行分析；张瑞红等【5 3 】将公理化设计用于系统设计，将两条设计公理作为系 统设计的指导思想，对产品进行稳健优化设计；陈小川等瞰】运用公理化设计理论对优化设 计、可靠性设计、鲁棒设计和d f x 方法进行集成研究，并建立了面向成本设计的成本估 算框架；吴斌等【5 5 】以公理化设计为基础，对需求产品进行定义，建立了需求产品的模型； 唐敦兵等【5 6 1 将公理化设计的“之，字形映射方法应用于并行设计的研究中；宋慧军等【5 7 】提出 了域结构模板的概念，对公理化设计进行了扩展。 1 4 目前存在的不足 根据上述关键技术及其研究现状，目前在产品适应性设计中主要存在的问题有： 1 变型设计是在原有设计工作的基础上，通过一定的修改以产生一个新的和原有设 计相似的产品，它通过对现有产品的局部结构、配置和尺寸的变异来快速地、高质量地满 足客户对产品的定制需求，主要采用的是参数化修改和局部的结构修改，而在变型设计的 过程中没有考虑到参数或局部结构修改后对客户其他需求所造成的影响； 2 模块化设计与接口设计，是在对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，通过设计模块之间 的接口，使得各个模块有效组合以满足市场不同需求的一种设计方法。该设计方法产品进 行了结构的分离设计，回避了具体结构设计过程中出现的矛盾问题以及新结构与原有结构 之问的矛盾问题： 3 公理化设计是一种以域和设计公理为基础的设计，主要目的是建立一个科学基础， 为设计者进行设计和改进设计提供理论依据，使设计者更能发挥其创造力。其中要研究内 容是为设计者提供较好的设计规则，提高设计效率，根据已有的设计公理可以较好的完成 设计过程，但是当在产品设计过程中出现了新的问题时就没有现成的设计规则可以遵循 了。 浙江t 业人学硕l 学位论文 总结上述存在的问题可以发现：当通过结构的改变满足某一需求时，是否会对其他需 求产生影响以及结构的改变对原有结构的影响，在目前的各种产品适应性设计方法的关键 技术中，未有充分的考虑，即未考虑产品设计过程中或设计完成后产生的矛盾问题。可拓 学是用形式化模型研究事物拓展的可能性和开拓创新的规律与方法，并用于解决矛盾问题 的理论，可拓设计是一种定性分析与定量结合的方法。本文将可拓学中的可拓变换理论与 产品设计相结合，采用一种解决产品设计中的矛盾问题可拓适应性设计方法，并将该方法 应用在了l e d 分拣机振动盘与油锯产品的适应性设计过程中。 1 5 本文的课题来源及主要研究内容 1 5 1 课题来源 本文来源于国家自然科学基金“基于可拓逻辑的产品族适应性设计理论与方法 ( n o 5 0 5 7 5 2 0 7 ) ”，鉴于目前对产品适应性设计理论方法研究的不足，以及实际产品设计 过程中存在的问题，论文采用可拓变换对产品适应性设计方法进行了深入研究。 1 5 2 论文体系及主要研究内容 本论文总体内容分为六个章节，具体内容安排如下： 第l 章首先介绍了课题的研究背景及研究意义、相关知识点的概念及产品适应性设计 关键技术及其研究现状，并指出了目前存在的不足，最后说明了本文课题的来源及本论文 的组织结构。 第2 章介绍了可拓设计相关基础理论，包括了基元理论，关联函数，拓展分析，定义 了可拓变换的五种基本算子，阐述了产品适应性设计中存在的两类主要矛盾问题，并结合 可拓学理论界定了产品适应性设计两类矛盾问题及其求解的可拓变换方法。 第3 章首先定义了机械产品适应性设计中的不相容问题及其可拓模型，然后详细讨论 了不相容问题的求解方法，即以可拓设计基元为基础，根据其拓展性通过蕴含分析方法的 定性分析，结合相容度函数的定量计算，再通过反向的传导变换来求解不相容问题。最后 将该方法应用在l e d 分拣机振动盘的适应性设计实例上。 第4 章首先定义了机械产品适应性设计中的对立问题，及机械产品适应性设计中的转 换桥，将转换桥方法与t r i z 方法进行了对比，建立了共存度函数作为对立问题的定量化 判断，详细阐述了转换桥的构建过程先用发散分析的方法分析对立问题，再用可拓变 换算子对分析后的对象进行变换操作，通过变换方向的控制与变换效应的验算结果形成转 浙江t 业人学硕i ：学位论文 换桥，并输出最终适应性设计方案。最后将该方法应用在油锯把手的适应性设计实例上。 第5 章根据第3 、4 两章的研究结果，利用v b 6 0 与s o l i dw o r k s 等软件，开发了振动 盘适应性设计原型系统与油锯把手适应性设计原型系统，验证了可拓变换适应性设计方法 计算机智能化实现的可行性。 第6 章对本文的工作进行了系统的总结，并对下一步的研究工作进行了展望。 论文整体框架及章节之间的关系如图1 1 所示： 图1 1本文各章组织结构 浙江- t 业入学硕i ：学位论文 第2 章可拓设计基本理论及矛盾问题分析 2 1可拓设计基本理论 可拓学是由中国学者蔡文于1 9 8 3 年提出的一门原创性学科，经过2 0 多年的发展，逐 渐形成了可拓学的理论框架【5 8 1 。可拓学以形式化的模型，探讨事物的可拓性以及开拓的规 律与方法，并用于解决矛盾问题的学科。可拓学之所以成为一门备受世人关注的原创性学 科，是在于它具有以下特色： 1 建立了基元理论，以基元的可拓性为依据的基元变换为解决矛盾问题提供了强有 力的工具。 2 提出了化矛盾问题为相容问题的基本思想和方法。 3 建立了可拓集合理论。以可拓域和临界元素对事物量变到质变进行定量化描述， 在可拓集合的基础上，形成可拓学的定量化工具一可拓数学。 4 形成并发展了可拓工程方法，把可拓方法成功地应用于决策、新产品构思、控制、 诊断、评判和识别等领域。 近年来，对可拓学的研究已逐渐从单一的理论研究转移到应用研究，并取得了相当的 成果。杨春燕教授将可拓学引入产品创新设计，提出了三个创造法【5 9 】。赵燕伟教授将可拓 学理论引入机械产品的概念设计，有效的利用了可拓学中的菱形思维方法，系统地研究了 基于可拓的机械产品概念设计，使概念设计更加接近人类专家的创造性设计过程【砌。可拓 学理论为新型智能系统中创造性思维的产生提出了一条全新的研究途径。 2 1 1基兀 1 物元 设以物o m 为对象，c 。为特征，瓯关于c 。的量值v 。构成的有序三元组 m = h ，c 。，y 。) ( 2 1 ) 作为描述物的基本元，称为维物元，o m 、c 。、1 ，册三者为物元肘的三要素，其中c 。 和y m 构成的二元组( c 。、y 。) 称为物瓯的特征元【6 i 】。 为方便起见，把物元的全体记为孝( m ) ，物的全体记为4 ( 0 。) ，特征的全体记为善( c 。) 。 关于特征c 。的取值范围记为v ( c 。) ，称为c 。的量域。 浙江工业人学硕j j 学位论文 一个事物可以有多个特征，与一维物元相仿，可以定义多维物元。 设物吼，刀个特征l ，c m 2c ，c m 。及瓯关于c 。，( f - 1 , 2 ，刀) 对应的量值 ，( i = 1 , 2 ，1 ) 所构成的阵列 称为以维物元，其中 m = 瓯，i ，l 2 ，v m 2 ，。 c ，=，圪= = ( q ，q ，)( 2 2 ) 对于两个物元m ，= 慨，c 埘。，y 。) ，肘：= h ：，气：，：) ，当且仅当瓯= 瓯：，c 。= ：， 1 ，。l1 1 ，。2 时，称m i 和m 2 相等，记作m l = m 2 。 2 事元 物与物的相互作用称为事，事以事元来描述【6 2 1 。 把动词q 、动词的特征名c 口及相应的量值屹构成的有序三元组作为描述事的基本元， 称为一维事元，记作 彳= ( q ，巳，v o ) ( 2 - 3 ) 对动词而言，它的基本特征名有：支配对象、施动对象、接受对象、时间、地点、程 度、方式、工具。