（机械设计及理论专业论文）基于基元组合的连杆机构方案设计及建模技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文：基于基元组合的连杆机构方案设计及建模技术研究 摘要 本文分析了机构设计过程的基元性和重用性特点，提出了基于基元组合的连杆 机构方案设计方法，对平面连杆机构方案反求设计与连杆机构实体建模技术进行了 研究，开发了基元组合连杆机构方案设计及建模原型系统，并进行了应用实例的验 证。 论文的主要工作如下： 第一章综述了计算机辅助机械产品概念设计的研究现状，在分析传统c a d 技术 在机构设计中存在的不足之处的基础上，阐述了机构创新设计的若干关键技术，给 出了基于基元组合的连杆机构方案设计及建模技术的研究内容和意义。 第二章在分析机构设计过程中基元特性的基础上，提出了设计基元的定义以及 分类方法，并进行了设计基元的建模，研究了基元组合的基本型式，最后提出了基 于基元组合的连杆机构方案设计方法。 第三章提出了基于模糊匹配的平面连杆机构方案反求方法。分析了平面连杆曲 线的尺度综合方法与典型形状，给出了连杆曲线图形特征参数并重点研究了其提取 算法，阐述了连杆曲线的模糊匹配方法与过程，实现了平面连杆机构方案的计算机 模糊检索。 第四章提出了连杆机构映射建模技术。给出了连杆机构设计基元的描述方法， 建立了结构基元库，研究了设计基元的映射建模技术，论述了连杆机构实体的建模 过程，从而有利于实现概念设计与详细设计的信息传递。 第五章介绍了以本文研究内容为核心的基元组合连杆机构方案设计及建模原 型系统，并结合已有的工作基础给出了一些应用实例。 第六章总结了本文的主要研究内容和创新点，并给出了今后的研究方向。 关键词：基元组合，连杆机构，方案设计，设计基元，连杆曲线，模糊匹配，反求 设计，基元描述，映射建模 浙江大学硕士学位论文：基于基元组合的连杆机构方案设计及建模技术研究 a b s t r a c t an e wt h e o r ya r i dm e t h o do f l i n k a g em e c h a n i s ms c h e m ed e s i g na n dm o d e l i n gt e c h n i q u e sb a s e d o nu n i tc o m b i n a t i o ni sp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h er l t h e o r ya n dm e t h o di sb a s e do i lt h e s t u d yo f u n i tp r i n c i p l e0 m dr e u s a b i l i t yb e t w nt h ep r o c e s so f m e c h a n i s md e s i g n , i n c l u d i n gd e f i n i t i o n a n dc l a s s i f i c a t i o no f d e s i g nu n i t s ，m e t h o do f d e s c r i p t i o na n dm o d e l i n g , t y p eo f c o m b i n a t i o n , t o g e t h e r w i t hl i n k a g em e c h a n i s ms c h e m er e v a t s cd e s i g na n dm o d e u n gt e c h n i q u e s f u r t h e r m o r e ，t h e t h e o r e t i c a lr e s e a r c hi st e s t i f i e db yt h ed e v e l o p m e n to f t h el i n k a g em e c h a n i s ms c h e m e d e s i g n & m o d e l i n gp r o t o t y p es y s t e m 1 1 1 em a i n w o r ko f d sd i s s e r t a t i o ni s 鹪f o l l o w s ： c h a p t e r1g i v e sa l lo v e r v i e wo f t h ea t r r o n ts i t u a t i o no f c o m p u t e ra i d e dc o n c e p t u a ld e s i g nf o r m e c h a n i c a lp r o d u c t t h e n , t h em e r i t sa n dd e f i c i e n c i e so f c o n v e n t i o n a lc a dt e c h n o l o g yf o rp r o d u c t c r e a t i v ed e s i g na ”d i s c u s s e d a f t e rt l l 砬s o m eo f t h ek e yt e c h n o l o g i e so f m e c h a n i s mc r l t i v ed e s i g n a r e 戗p o m d e d a tl a s to ft h i ss e c t i o n , t h em a i nc o n t e n ta n ds w a t e g yo ft h en e wt h e o r yf o rl i n k a g e m e c h a n i s ms c h e m ed e s i g na n dm o d e l i n gt e c h n i q u e sb a s e do nu n i tc o m b i n a t i o na r ei n t r o d u c e d c h a p t e r2p u t sf o r w a r dt h eb a s i cm e t h o do fl i n k a g em e c h a n i s ms c h e m ed e s i g nb a s e do nu n i t c o m b i n a t i n mt h r o u g ha n a l y z i n gt h eu n i t - c h a r a c t e rl i e si nm e c h a n i s md e s i g n , d e f i n i t i o na n d c l a s s i f i c a t i o no fd e s i g nt m i t smg i v e na n dm o d e l i n go f d e s i g nu n i t smi n t r o d u c e d t h e n , t h eb a s i c t y p eo fu n i tc o m b i n a t i o na ”s t u d i e d b a s e do na b o v e , ad e s i g nm e t h o do fl i n k a g em e c h a n i s m s c h e m eb a s e do nu n i tc o m b i n a t i o ni sp r e s e n t e d c h a p t e r3p r o p o s e st h er e v e r s ed e s i g nm e t h o df o rp l a n a rl i n k a g em e c h a n i s ms c h a n eb a s e d0 1 1 f u z z ym a t c h t h r o u g ha n a l y z i n gt h em e a s u r es y n t h e t i z m gm e t h o da n dt h et y p i c a ls h a p e s ，t h ef e a t u r e p a r a m e t e r so f l i n k a g ec u r v eg r a p h i c sa 百v a n dt h ea b s t r a c t i n ga r i t h m e t i ci se m p h a s i z e l ys t u d i e d t h e n , t h em e t h o da n dp r o c e s so f 血z z ym a t c hf o rl i n k a g ec m - v e s h ee x p o u n d e d , a n db a s e do nt h a l 昀s e a r c h e sb yc o m p u t e rf o rp l a n a rl i n k a g em e c h a n i s ms c h e m ei sr e a l i z e d c h a p t e r4p r o p o 螂t h em a p p i n gm o d e l i n gt e c h n i q u e sf o rl i n k a g em e c h a n i s m d e s c r i p f i o n m e t h o d sf o rd e s i g nu n i t so fl i n k a g em e c h a n i s ma # v a na n dd a t a b a s eo fs t r u c t u r eu n i t si sb u i l t t h e n , m a p p i n g m o d e l i n g t e c h n i q u e so f d e s i g nu n i t s e r es t u d i e da n d t h e m o d e l i n g p r o c e s so f l i n k a g e m e c h a n i s me n t i t i e sme x p o u n d e d , w h i c hc a nc o n 砸b u t et ot r a n s f e rt h ed e s i g ni n f o r m a t i o nb e 脚嘲 c o n c e p td e s i g na n dp a r t i c u l a rd e s i g n t c h a p t e r5i n t r o d u c e st h el i n k a g em e c h a n i s ms c h e m ed e s i g n & m o d e l i n gp r o t o t y p es y s t e mb a s e d o nt h er e s e a r c hw o r ka b o v e , s o m ea p p l y i n ge x a m p l e sa r t a l s og i v e i l f i n a l l y , c o n c l u s i o n sa 他d r a w nf r o mt h i sd i s s e r t a t i o nw i t hr e c o m m e n d a t i o n sf o rf u t u r er e s e a r c h k e y w o r d , ：u n i tc o m b i n a t i o n , l i n k a g em e c h a n i s m , s & e m ed e s i g n ，d e s i g nu n i t s , l i n k a g e c u r v e , f u z z ym a t c h ，r e v e r s ed e s i g n ，u n i td e s c r i p t i o n ，m a p p i n gm o d e l i n g 学号兰! ! ! ! ! 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注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸主三盘堂或其他教育机 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。 学位论文作者签名：温月明 签字日期： a e 一6 年弓月7 e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘江盘堂有关保留、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，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝垄盘茎可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：、靛月明 导师签名：刃影_ 叼，万 签字日期：a 6 年弓月9 日 签字日期：加年，月夕日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文：基于基元组合的连杆机构方案设计及建模技术研究 第一章绪论 摘要：本章综述了计算机辅助机械产品概念设计的研究现状，论述了设计重用和机 构装配设计理论进展，研究了计算机辅助机构设计的特点，阐述了机构创新设计的 若干关键技术，指出了传统c a d 技术在机构设计中存在的不足之处，最后明确了 本文的研究内容和框架结构。 1 1 引言 随着科学技术和工业生产的飞速发展，人们对产品设计的要求越来越高。如 何快速响应市场的瞬息万变，最大限度地满足顾客的个性化需求，成为企业竞争 的关键。在知识经济时代，产品的科技含量日益提高，产品的生命周期更加缩短， 产品创新是企业得以生存和持续发展的内在动力，以科技为基础的新产品竞争将 成为2 1 世纪制造业竞争的核心。在当今国际化竞争的环境下，产品的创新设计是 提高一个国家产业优势和竞争力的基础。 产品设计是产品开发过程中最重要的环节之一，是制造业的灵魂和生命。产 品设计是一个“功能一行为一结构”的设计过程，这一过程体现了产品设计信息 不断细化，逐步递归的特性。据统计，产品全生命周期的成本在产品设计阶段有 9 0 已经被决定，特别是在概念设计阶段，有7 0 一8 0 被决定。此外，产品的质 量和性能等在概念设计阶段很大程度上也被确定下来。因此，产品创新设计的能 力已经成为决定企业乃至国家在全球化竞争中地位的首要因烈”j 。 机械产品设计的本质就是创新，只有通过创新设计，产品更新换代的问题才 能从根本意义上得到解决。机械创新设计【捌( m e c h a n i c a lc r e a t i v ed e s i g n , m c d ) 是指充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术成果，进行创新构 思，设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品( 装置) 的一种实践活 动。一般来说，机械是由简单的基本机构组合而成，机构是用来传递与变换运动 和力的可动装置，它是机械的重要组成部分。机构的设计是一项创造性的工作，是 机械产品能否创新的关键。机构创新设计过程的实质就是构造并修改三维模型， 创造出工作性能优良而结构形式新颖的机构。设计的过程就是一个不断改进、不 断完善的过程，从某种意义上说设计就是修改。 就产品创新设计而言，发明新产品【h 】【12 】就是将已知基本单元进行新的组合， 并认为设计是_ 个可结构化的过程，其本质是对现有物品的分解与重新组合构造， 新的发明是对现实世界结构的重新组合。机构创新没有固定的模式可以依循口”， 要创造出一种全新的新机构是一件非常困难的事情，机构创新设计通常是在现有机 、 浙江大学硕士学位论文：基于基元组合的连杆机构方案设计及建模技术研究 构的基础上，综合运用多种创造性原理，结合设计师的创造性思维来实现的。机构 的创新设计过程，就是设计师在创新理念的引导下，将设计元素进行智能拼接与组 合，实现预期功能价值的过程。 随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，计算机辅助设计促使机构学发展到了 一个新的阶段。计算机辅助机构设计将机构学概念、知识、设计理论和方法以及设 计专家的经验和智慧与计算机系统强大的逻辑推理、分析判断、数据处理、图形显 示、搜索优化等功能密切结合，日益成为现代机构设计的主要手段。计算机辅助机 构设计( c o m p u t e r a i d e dm e c h a n i s m d e s i g n , c a m d ) 为机构的创新设计提供了强有 力的支持，并成为近几年来机构创新设计的研究热点，出现了一些支持机构创新设 计的原型系统1 5 1 【3 7 】m 1 。 1 2 计算机辅助机构设计的研究与分析 1 9 6 3 年，美国麻省理工学院的i e s u t h e r l a u d 发表了题为“s k e t e h p a & - - 个人 机交互的图形系统”的博士论文，首次提出了交互技术等新思想，为c a d 技术 提供了理论基础田l 。计算机辅助设计( c a d ) 技术不仅改变了设计方式，而且提 高了设计质量和效率；不仅在工程设计中获得了广泛应用，而且在科学研究、体育、 美术、广告等领域中也有广阔的应用前景，已经成为一个很大的产业。1 9 8 9 年美 国评出近2 5 年间当代十项最杰出的工程技术成就，c a d c a m 技术是其中之一 c a d 系统的发展和应用，推动了传统的产品设计方法与生产模式向现代产品创新 设计转变，并产生了巨大的社会经济效益。 1 2 1 计算机辅助机构设计的特点 计算机辅助机构设计( c a m d ) 是综合了现代机构设计理论和计算机技术的辅 助机构设计手段，正在不断地发展和完善。计算机辅助机构设计是通过人机交互的 方式来进行的，其核心就是最大限度地利用计算机在科学计算、模拟仿真、知识存 储与管理等方面的优势，充分发挥人的创造性与能动性，从而设计出合理耐用的新 机构。c a m d 可以降低设计师的工作强度，缩短产品的设计时间，提高产品的市场 响应速度。计算机辅助机构设计主要有以下几个特点： 1 ) 机构设计的创新性 机构设计的创新性表现在整个的设计过程中，包括机构功能的创新、结构的创 新、功构映射方式的创新、机构运动行为的创新。根据设计任务的功能要求，在已 有设计资源的基础上，运用组合、变性等创造原理，通过对已知机构的探索性改进 设计，实现机构功能的创新。结构的创新，包括改变机构构件的制造材料、几何形 状、尺寸、联接方式等，以及根据人机工程学原理进行宜人化设计。机构的功能总 0 、 浙扛大学硕士学位论文：基于基元组合的莲杆机构方案设计及建模技术研究 是通过具体的构件结构来实现的，功构映射方式的创新必然引起具体设计结构的差 异，从而产生具有科学性和实用性的新机构。机构运动行为的创新，就是根据设计 要求，发挥设计师的智慧，突破传统的设计方式，改变机构运动的特点，从而产生 具有新颖性的设计结果。 2 ) 机构设计的智能性 随着人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a i ) 技术和机构设计方法学的发展，将 设计师丰富的设计知识和个人智慧以及设计经验进行封装和抽象，构建机构知识 库，形成机构设计专家系统，使计算机更“聪明”，更“有效”，更有知识处理能 力，能够对机构设计的全过程提供智能化的计算机支持，这样计算机辅助机构设计 便具有了智能化的特点。设计方法学对设计本质、设计过程思维特征与方式的深入 研究，以及设计知识与理论的计算机语言表达能力的增强，有利于提高计算机的“理 解”能力，使计算机能够模拟设计师进行机构设计成为可能。计算机辅助机构设计 的智能性，更有利于创造出宜人性的新机构。 3 ) 机构设计的快速性 计算机辅助机构设计的过程，是一个人机合作的设计过程。在这个过程中， 要把尽可能多的设计工作交给计算机来处理，最大程度地发挥计算机在逻辑推理、 分析判断、科学计算、图形显示、搜索优化等方面的优势；而设计师可以发挥创造 性思维和设计智慧，主要完成当前计算机尚不能完成的工作；这样设计师可以从繁 琐的数据计算和设计制图等事务性工作中解放出来，而且可以利用计算机对机构设 计的结果进行运动仿真，检查其工作性能，这不仅能够缩短传统的机构设计所耗费 的冗长时间，而且可以提高设计结果的可行性和科学性。 4 ) 机构设计的近似性 一般来说，机构设计的任务总是实现一定的功能要求，而功能的描述与说明信 息往往是不完备的。功能要求描述的模糊性，使功能与结构的映射并不是唯一确定 的；而在设计的过程中，并不能对所有的设计信息进行全部的处理。设计模型表达 的只是机构设计所需要的主要信息，不论计算机数据处理多么先进，设计工具多么 强大，也必须对机构设计进行必要的简化和近似。计算机辅助机构设计的过程，同 时也是计算机对设计信息进行处理的过程，这就使得计算机辅助机构设计具有了近 似性的特点。 1 2 2 计算机辅助机构设计的研究现状 机构的设计方法可以分为“自顶向下( t o p - - d o w n ) ”和“自底向上( b o t t o m u p ) ”两种。自顶向下的机构产品设计过程2 般可分为概念设计、装配设计和零 件设计三个阶段。设计人员根据用户需求。分别创建机构产品的概念模型、装配模 型和零件模型。如何独具匠心地创造出新机构，如何从已有的设计资源中挑选出最 浙江大学硬士学位论文：基于基元组台的连扦机构方案设计及建模技术研究 合理的机构进行设计重用，如何独出心裁地将机构部件进行装配集成，使之成为一 个能够理想地完成设计任务的功能载体，这些都是机构创新设计中至关重要而且也 最富有挑战性的关键环节。 1 ) 产品概念设计 产品的概念设计是实现产品创新设计的关键网。因此，对产品的概念设计理论 与方法的研究，得到了国内外学者的极大关注，并成为近年来c a d ，c a m 和c i m s 领 域的一个研究热点1 5 9 】。 目前，关于概念设计，学术界有两种比较权威的定义【5 习。gp a h l 和wb e i t z 在 其( e n g i n e e r i n gd e s i g n ) 一书中将概念设计定义为【1 9 】：“在确定任务之后，通过抽 象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得 出求解方案，这一部分设计工作叫做概念设计。”m j f r e n c e 在其书( c o n c e p t u a l d e s i g nf o re n g i n e e r s ) 中对概念设计的描述为凹：“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。在此阶段中对设计者的要求较高，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 作知识等各方面知识相互融合在一起，以做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题的一个轮廓，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的大致成本、重量或总体尺寸，以及在目前环境下的可行性等。 这个框架只需对一些特征或部件有一个相当明确的描述，但并不要求详细。” 同国外相比，国内对概念设计的研究相对较晚。邹慧君教授认为【8 7 】：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。邓家裎教授认为m l ：概念产品是产品总 体系统特征、性能、结构、尺寸形状的描述和实现；概念产品是用于评估、验证产 品对目标市场的适应性和符合产品需求说明书的满意度，也是用于制定和实施产品 后续开发过程即生产、营销、服务等计划的技术基础，以概念产品为目标的设计称 为产品概念设计。 由此可见，概念设计的内涵是十分广泛和深刻的彻。谢友柏院士指出【7 4 】，其 实不管争论如何复杂，概念设计研究的主要是两个问题：推理的方法论和知识基础。 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。概念设计是产品设计中最为关键的环节，也是提高产品质量、降低成本和 提高企业竞争力的主要手段。概念设计具有如下特征口1 】哺7 l ：( i ) 创造性包括 结构修改与替换、工作原理变换、功能增强等，构思出具有新意的产品模型；( 2 ) 浙江大学硕士学位论文：基于基元组合的连杆机构方案设计及建模技术研究 多样性建模过程中规划路径、设计原理、价值目标、用户群体等的差异性导致 产生不同的解决方案；( 3 ) 层次性设计中不同的修改将分别作用于相应的功能 层、行为层或结构层；( 4 ) 残缺性由产品信息的不完全确定性等引发的。因而 概念设计是一个相当复杂的过程。 一 在设计知识表达方面，g e r o 提出了功能一行为一结构法【1 5 1 ，将一个设计问题 分为三个设计空间，体现了结构、行为、功能三者之间的层次关系；结构是一具体 实物，行为是这些结构的共同外在表现，功能则是对行为的抽象描述。u m c d ay 提出了状态一行为一功能法f 3 2 1 ，在描述设计问题时，将设计问题抽象为包括 o p p ( g e n e r a lp h y s i c a lp r i n c i p l e ) 模型和g t m ( g e n e r i ct e l e o l o g i c a lm a c h a n i s m s ) 模型在 内的物理模型；将功能的分解转化为行为描述的分解，进而行为可以分解为一系列 状态，任意两个状态之间的变化就是一个子行为的作用结果，同时两个状态往往能 够对应于某一基本物理模型。邹慧君教授将运动行为层引入机械运动系统概念设计 中，提出了功能运动行为一结构的设计模型碡5 】，将运动行为知识多层表示，实 现了功能到结构的映射过程。于秋则等提出了机构元知识的表达及机构元的计算机 编码方法【7 7 1 ，并在此基础上构建了机构元库。宋慧军等人提出了基于扩展“之” 字映射建立的概念设计方案知识表示模型域结构模板【5 日，实现了不同层次功 能、行为和载体之间的映射关系。周济院士认为f 7 司，设计知识能够用各种规则、 框架、语义网络、面向对象等方法来表达。 在设计过程建模方面，w e l c h 提出了功能一行为一结构法刚瞰】，认为概念设 计是三种不同信息状态之间的变换：需求功能集合、实现功能的行为集合、实现行 为的系统；该方法首先确定设计需求功能，然后转化为行为，最后转换为物理结构。 u m e d a 等提出了功能一行为一状态的设计过程模型 3 2 1 1 3 3 。 f a y 等将概念设计原理 与键合图相结合叫，首先对设计要求进行分析，得到功能模型，再将功能模型转 化为待设计系统的功率键合图，通过匹配功能元，由键合图产生多个设计方案。 s i e g e r 等提出了系统设计法 2 5 1 ，从产品功能目标的抽象和总功能的分解与综合开 始，寻求各分功能的可行解，通过综合、作图和评价，从而选择最佳方案。颜鸿森 等提出了运动链发散创新设计法 7 日，研究已有机构的拓扑特征，将选定机构转化 为一般运动链，利用数综合方法并根据构件数、运动副数、自由度等求得运动链图 谱；根据设计要求，可从图谱中得到特定化运动链，然后演化出所需要的新机构。 冯培思教授等提出了设计目录法 4 3 1 ，收集功能的作用原理，整理、抽象、分类后， 建立具有一定结构的设计目录，通过分类与识别，由功能特征到作用原理特征的映 射匹配、解的选择和评价等，得到适当的方案解。邓家提教授等提出了原理构件和 功能联结的概念 4 9 1 ，并在此基础上给出了基于功能的产品设计过程模型。邹蕈君 教授等提出了功能一运动行为一结构的设计模型隅5 1 1 8 6 1 ，实现了从功能到结构的映 射。宋玉银等提出了基于实例推理的产品概念设计系统 5 7 1 ，采用面向对象技术描 浙江大学项士学位论文：基于基元组合的连杆机构方案设计及建模技术研究 述实例，建立产品实例库；基于设计要求和实例模型进行实例推理，获得产品设计 的相似实例，基于设计和制造的知识对产品的相似实例进行评价与修改，进而获得 产品概念设计的优化解。 在产品描述模型方面，对产品的描述通常采用面向对象的方法，从不同方面 对产品进行描述，是语言、几何模型、图( 树) 、知识、图形和图像等多种模型的 集成。一般来说，产品描述可以从产品的功能、行为和结构等角度来进行m 】。e r m e r 和d e n g 等采用树、图、知识等表示产品功能、需求和约束1 6 】【4 】，如用功能方法树、 功能树和基于并行工程的功能结构图等来表达功能，用语言、定型描述法、知识和 面向对象方法等对产品行为进行描述。邹慧君教授等认为【8 ”，产品功能的表示方 法主要由三种，即动名词组、输入输出流转换和输入输出状态转换；并提出了信息 集成产品建模，即几何建模、功能建模和设计意图建模。 在产品设计方法学方面，设计理论与方法可以指导设计的实践过程。p a h lg 和b e i t zw 提出了普适设计方法学鳓，a k a o 提出了质量功能布置方法【”，s u b 提出 了公理化设计 2 7 1 ，a l t s h u l l e r 和s a v r a m k y 提出了发明问题解决理论( t r i z ) 【2 】i 刎， 这些都是该领域著名的研究成果。随着经济全球化和市场国际化的发展，产品种类 繁多，这些研究成果只能局限于某些产品的设计。目前，还没有一种公认的普遍适 用的设计理论与方法口9 1 。我国的一些学者也研究出了多种设计方法，如冯培恩教 授等提出了基于产品基因的概念设计【4 2 】；王玉新教授提出了机械系统概念设计自 动化u o ；牛占文等提出了基于计算机辅助创新技术的新产品开发方法【删，并探讨 了在机械产品创新中的应用前景。 。 在产品结构表达方面，结构表达主要描述产品组成元件问的拓扑关系。m e r v i 的研究重点是如何将功能型描述转化为实现这些功能的具体形状、尺寸及相互关系 的零部件的描述，进行面向功能的结构设计【l ”。q i a n 等用无向图表达产品结构， 其中节点表示零件，弧表示零件间的相对位置关系【1 5 1 。曹东兴等提出了矢量表达 方法【3 8 i ，将结构属性，如方向、位置等信息包含在输入输出的状态矢量中，通过 输入输出转换，确定元件的位置关系，实现结构运算。在特征建模方面出现了一些 典型的模型，如孙正兴等提出了逻辑结构单元【6 1 】和宋玉银等提出了广义特征模型【5 司 等。 在产品概念设计系统方面，随着计算机辅助概念设计( c 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 n ，c a c d ) 的深入研究，一些世界上大型的c a d c a m c a e 商 品化软件如p r o e n g i n 鲥、e d su n i g r a p h i c s 、s o l i d w o r k s 等都提供了面向概念设 计的工业设计模块或草图设计模块。如美国p t c 公司的p r o e n g i n e e r 商业化软件 中包含的p r o d e s i g n i e r 是工业设计模块的一个概念设计工具，能够使产品开发 人员快速、容易地创建、评价和修改产品的多种设计概念，可以生成高精度的曲面 几何模型，并能够直接传送到机械设计和原型制造中。此模块工具包括概念设计的 浙江大学硕士学位论文：基于基元组合的连杆机构方案设计及建模技术研究 二维非参数化的装配布局编辑器，用于概念分析的二维参数模型的布局，以及用于 组件的三维布局编辑器。但该模块是在设计方案基本定型之后的概念化草图化绘 图工具而非设计工具，缺乏设计方法学的支持，与设计思维也不能很好地融合，难 以体现概念设计过程中的创新设计1 4 5 5 0 。 针对目前商业化软件中概念设计模块的不足，国内外研究人员进行了大量的 研究工作，开发了一些原型系统i s 0 1 。d s s u a 1 5 】系统是悉尼大学g e mjs 等人开发 的原型系统，该系统基于功能一行为一结构框架，采用原型表达方式，能够支持领 域间类比，具有一定的创新能力。c o n g e n ( c o n c e p tg e n e r a t o r ) 【l o 】是由美国国 家标准与技术委员会( n i s t ) 组织开发的面向对象表达的自顶向下概念设计原型 系统，是一个领域无关的基于知识的系统框架，能够实现从符号描述到几何表示的 映射，并对产品的功能、结构、行为进行统一建模。清华大学宋玉银等人开发了一 个基于实例推理的产品概念设计系统【5 7 1 ，该系统采用面向对象的技术描述实例， 建立产品实例库；基于设计要求和实例模型进行实例推理，获得产品设计的相似实 例，基于设计和制造的知识对产品的相似实例进行评价与修改，进而获得产品概念 设计的优化解。 2 ) 设计重用技术 设计重用和设计创新紧密相关，事实证明，创新设计【1 3 】大多以设计重用为支 持。产品设计重用技术是近几年来国外开始兴起的一个研究领域i s ，其主要思想是 如何挖掘，管理，利用企业现有的设计资源，支持新产品的快速创新开发，同时使 资源的利用率达到最大化。b u r g e s sjdg 等人指出当前关于设计重用的研究是非 结构化的，缺乏有效的方法和手段闭。 在设计重用方法学方面，r e 曲wc 等人对设计原理系统进行了深入分析，指 出方法、表达、捕捉和检索是实现设计重用的关键瞄】。s i v a l o g a n a t h a ns 等人总结 了当前在产品设计重用方面的研究方法与成果1 2 6 1 。王玉首次阐释了产品设计重用 概念及其内涵，给出了产品设计重用的过程框架和基本方法：然后深入分析了可重 用资源的属性以及产品设计重用层次 6 9 1 。张树有等隅l 】提出了面向可重用的产品快 速设计的基本思想，通过对已有产品设计特征、尺寸、工程语义等多角度的协同理 解，建立规范化的产品设计语义描述，通过简图、语义之间的映射实现可变型产品 的快速设计，通过i n t e r a c t 网实现不同企业产品设计资源的共享，满足可重用已有 产品设计信息的快速产品设计与进化要求。 在设计重用模型方面，d u f f y t s 黜了一种设计重用模型，该模型描述了设计 重用过程，包括领域模型、重用仓库、设计要求、进化设计模型和已经完成的设计 模型等。王听等人提出了一个服务重用的集设计意图、设计数据、设计原理和设计 轨迹四方面内容为一体的设计历史模型【7 i 】。董雁等人提出的基于结构模型的复杂 结构零件设计可重用技术【4 l l ，突破了现有的基于产品结构设计某一方面或阶段的 浙江大学硕士学位论文：基于基元组合的连杆机构方案设计及建模技术研究 重用模式，为结构设计各阶段的设计重用提供了通用的计算模型。王冬梅等人提出 了机构重用设计过程模型嘲】，提出了重用的应用层次以及运用实例推理技术( c b r ) 和网络技术实现知识重用的解决策略，并对建立重用库系统等设计重用关键技术进 行了研究。 3 ) 机构装配设计 机构产品只有通过零部件实体的装配集成后，才能进行运动和力的传递与变 换。机构装配直接关系到机构设计结果的实现，已经成为制约机构产品生产的瓶颈。 据统计【培l ，在产品的生产阶段，有三分之一以上的人直接或间接地从事与装配相 关的活动，而装配费用则占用了整个产品生产成本的3 0 - - 5 0 ，装配环节也是 制约生产自动化的主要因素。 在装配过程的信息描述方面，许多学者已做了大量的工作。l i e b e r m a n 1 6 和 w e s l e y 【3 6 】等人用图的方法表示零部件间的装配关系，以图的结点来表示零件，以结 点之问的连线来表示零部件间的装配关系。他们所建立的都是关系模型的描述方 法。而i cl e e 和g o s s a r d 1 4 佣虚链( v i n i 】a ll i n l ( ) 的概念来连接零部件的装配关系， 并且他们用层次型数据结构的描述方法表述了装配关系。郭玉申等人提出了一种能 完整描述产品装配信息的数据结构【蛔j 它能方便地进行数据的插入、查询、删除和 修改等工作。 在装配约束描述与识别方面，l i c b e r m e n 1 6 1 把装配约束类型分为a t t a c h m e n t 、 c o n s t r a i n t ，a s s e m b l y - c o m p o n e n t 和p a r t - o f l e e 1 4 】提出凤和a g a i l i 磁配约束类型。 r o c h e l e a u z 3 在矗_ t s ，a g a i l l s t 等基础上增加t s p h e r i c a lf i t 、s c r e wf i t s 、g e a rc o n t a c t 和r a c ka n d p i n i o nc o n t a c t 约束类型。f a 【。7 】等人提出了一种基于直接三维操作和约束 的实体造型方法，该方法通过约束识别与允许运动推理( a l l o w a b l em o t i o ni n 】e r e n c e ) 来实现三维操作的精确定位。庄晓等【船】通过对实际装配体设计的研究，总结出三 类基本的装配约束类型即面贴合( m a t e ) 及等距偏离( m a t eo f f s e t ) 、对齐( a l i g n ) 及等距对齐( o f f s e t ) 和定向( o r i e n t ) ，基于零部件的拓扑关系进行装配约束的识 别，并以关系图的方式将识别到的装配约束进行记录。 1 2 3 机构创新设计的若干关键技术 机构创新是机器创造发明的关键问题，直接关系到产品研发的成败。传统的 机构创新设计过程，一般是设计师在手工查找相关的机构设计手册后，结合自己丰 富的设计经验和个人智慧，在创造性思维的指导下，经过大量的逻辑推理和判断以 及相应的综合、分析与决策，从而产生机构的运动方案；然后进一步将设计结果具 体化，即建立新的机构简图、部件结构和机构装配等模型；最后进行计算和技术细 节的设计。在这个过程中，计算机辅助机构创新设计只是局限于机构设计的数据计 、算和几何绘图环节，而计算机对机构创新设计过程决策方面的支持显得无能为力， 浙江大学硬士学位论文：基于基元组合的连杆机构方案设计及建模技术研究 其根本原因就是计算机技术与机构设计方法学以及设计师的经验智慧并没有得到 深层次的融合。如何充分发挥计算机技术的优势，以便更和谐的进行人机合作，从 而加快机构创新设计的速度，是一个十分值得深入研究的课题。要提高计算机辅助 机构创新设计的水平，必须全面考虑机构创新设计所涉及的关键性技术。 1 ) 机构设计理论和方法学 要创造出一种以前人们从未见过的新机构是一件非常困难的事情。机构创新设 计是建立在现有机构设计学理论基础上，吸收和借鉴设计方法学、创造学、发明学、 思维科学、科技哲学和认识科学等相关学科的有益成分，经过综合与交叉而形成的 一种设计技术。机构创新设计除了要求设计师掌握一定的创新理论和技法外，还要 求设计师必须具有比较丰富和系统的机构设计理论，必须具有较强的机构分析和综 合能力以及较深厚的机构设计实际经验，只有这样设计师的思维才能在机构的创新 设计过程中得到较好的发散与收敛，从而使机构创新成为可能。机构设计理论和方 法学的深入研究和进步，可以推动机构产品广义结构类型综合和类型优选等，从而 为机构的创新设计独辟蹊径。将机构设计知识进行有效表达并存储到计算机中，运 用计算机进行逻辑推理和创新探索，可以降低创新设计的难度，进而提高创新设计 的速度。 2 ) 机构设计重用技术 机构创新设计和机构设计重用是密切相关的，而且机构创新设计大多是以已有 的机构设计结果为基础的。为数众多的机构创新一般总是在有目的的选择现有机构 设计成果的基础上，综合运用组合、移植、离散、还原、逆反、变性等创造性原理， 通过类比、联想、类比、模仿、替代、颠倒等创新技术措施才实现的。机构的方案 设计是机构设计中最富有创造性，也是最为关键的环节。在机构创新设计过程中， 机构运动方案是十分宝贵的设计资源，也是机构创新设计的起点。将现有的成熟的 机构方案设计成果存储到计算机中，建立机构设计方案实例库，以便运用过去的经 验来解决新的问题。根据设计任务和功能要求，从大量的机构设计方案实例库中检 索和提取出初步满足需求的机构实例，是实现机构设计重用的一个极为重要的环节 和步骤。机构设计重用，可以缩短机构创新设计的周期，提高创新设计的质量，从 而实现机构创新产品的快速响应设计与制造。 3 ) 机构装配集成技术 机构产品一般都是由一定数量的零部件组成的，如何独出心裁地将多个机构零 部件装配集成起来，使之成为一个具有特定功能的理想机构，是机构创新设计的最 后一个环节，并直接关系到机构创新产品的最终实现。机构的装配集成技术一直是 c a d 领域研究的关键技术在机构装配集成的过程中，设计师为了满足既定运动方 案设计的要求，具体地确定机构的结构和尺寸，并正确定义机构组成中各个零部件 之间的装配关系和装配约束，建立机构的装配模型。传统的装配设计很大程度上取 浙江大学硕士学位论文；基于基元组合的连杆机构方案设计及建模技术研究 决于设计师的经验，装配设计的效率比较低。在装配集成阶段，如何对待装配的机 构零部件进行特征信息描述，确定零部件之间的装配约束关系，进而进行零部件之 间的装配定位，是机构装配模型需要深入研究的问题。机构装配模型的优劣直接关 系到机构创新产品的性能。如何快速建立机构装配模型，是机构产品快速设计与快 速制造的必要前提和基础，也是广大的设计开发工作者追求的目标。 1 2 4 目前机构设计中存在的问题 机构产品概念设计、创新设计是一个