（机械设计及理论专业论文）复杂机械系统的方案识别与空间布局研究.pdf

摘要 产品的快速自 动化创新设计是企业参与全球化市场竞争， 满足快速多变的市 场需求的根本。 本文以s o l i d w o r k s 三维设计软件为平台， 利用s o l i d w o r k s 的二 次开发技术，以 v c + + 为开发工具，对三维虚拟机械创新设计系统进行了研究， 主要工作包括: 三维虚拟机械创新设计系统符号方案的自 动识别; 一维虚拟机械 的空间布局;虚拟实体的自 动生成;三维虚拟机械的运动仿真等。 根据机构组合创新原理， 本文提出 种基于基本机构的符号 方案自 动识别方 法。 利用该方法， 可以自 动识别出复杂机构的多种信息， 如各组成机构的类型及 数量， 包括串联、并联、 混合连接在内的各种基本机构的连接关系及运动输入输 出关系等。 符号方案的自动识别为符号方案三维实体化打下了基础， 同时也为基 于基本机构的复杂机械系统的计算机辅助概念设计创造了条件。 与传统的布局问 题不同， 组成机械系统的基本机构之间存在一定的输入输出 连接关系， 其布局具有特殊性因而更为复杂。 在符号方案自 动识别结果的基础上， 本文分析了组成机械系统的基本机构的连接关系， 给出了 三种基本连接关系的布 局模型，采用自 适应遗传算法构造了复杂机械系统空间布局的有效方法。 采用面向对象的技术， 利用三维平台的二次开发环境， 将组成机构的每一构 件生成三维虚拟实体。 并将三维构件实体预置到特定的位置， 从而实现复杂机械 系统的装配与运动仿真。 最后作为上述理论和方法的应用实例， 本文对高速纽扣电池自 动装配装置的 创新设计的全过程进行了 分析， 完成了该装置从符号方案识别， 结构设计， 运动 仿真， 虚拟装配的全过程的自 动化。 说明了根据本文方法对产品进行快速自动化 创新设计的可行性和有效性。 关键词:创新设计符号识别空间布局实体生成运动仿真 ab s t r a c t p r o d u c t s r a p id l y a n d a u t o m a t i c a l l y c r e a t i v e d e s i g n l a y s t h e b a s i s f o r e n t e r p r i s e t o c o m p e t e w i t h o t h e r s i n t h e w o r l d w i d e m a r k e t a n d t o s a t i s f y m a r k e t r e q u i r e m e n t s w h i c h c h a n g e r a p i d l y a n d f r e q u e n t l y . t a k i n g t h e 3 d d e s i g n s o f t w a r e , s o l i d w o r k s , a s t h e p l a t f o r m , u s i n g t h e s e c o n d - d e v e l o p m e n t m e t h o d o f t h e s o l i d wo r k s a n d v c + +， t h i s p a p e r s t u d i e s 3 d v i r t u a l c r e a t i v e m e c h a n i c a l d e s i g n s y s t e m . t h e m a i n w o r k i s a s f o l l o w s : a u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o n o f s y m b o l s c h e m e o n t h e m e c h a n ic a l s y s te m , s p a t i a l l a y o u t o f t h e 3 d v i rt u a l m e c h a n i c a l , a u to m a t i c p r o d u c e o f t h e v i r t u a l e n t i t y , m o t i o n s i mu l a t i o n o f t h e 3 d v i rt u a l me c h a n i s m e t c . a c c o r d i n g t o c r e a t i v e m e c h a n i s m c o m b i n a t i o n t h e o ry , t h i s p a p e r p r e s e n t s a n a u t o m a t ic i d e n t i f i c a t i o n m e t h o d f o r s y m b o l s c h e m e b a s e d o n b a s i c m e c h a n i s m. wi t h t h i s m e t h o d , m a n y k i n d s o f i n f o r m a t i o n o f c o m p l e x m e c h a n i s m m a y b e a u t o m a t i c a l l y i d e n t i f i e d , s u c h a s t y p e s a n d n u m b e r o f b a s i c m e c h a n i s m s , a l l s o rt s o f c o m b i n a t i o n p a t t e rn s o f b a s i c m e c h a n i s m s i n c l u d i n g s e r i e s , p a r a l l e l a n d h y b r i d , a s w e l l a s i n p u t a n d o u tp u t r e l a t i o n s h ip e t c . t h i s m e t h o d p u t f o r w a r d i n t h i s p a p e r l a y s t h e f o u n d a t i o n f o r e m b o d y i n g s y m b o l s c h e m e i n t o t h r e e - d i m e n s i o n a l e n t i t y , a t t h e s a m e t im e , i t a l s o m a k e s c o n d it i o n f o r c o m p u t e r a i d e d c o n c e p t u a l d e s i g n o f c o m p l e x m e c h a n i c a l s y s t e m b a s e d o n b a s i c me c h a n i s ms . d i f f e r e n t f r o m t h e t r a d i t i o n a l l a y o u t p r o b l e m , t h e r e e x i s t s a c e r t a i n i n p u t a n d o u t p u t c o n n e c t i o n r e l a t io n a m o n g b a s i c m e c h a n i s m s c o m p o s i n g t h e m a c h i n e s y s te m , s o t h i s k i n d o f l a y o u t h a s i t s p a rt i c u l a r i t y a n d c o m p l e x i t y . b a s e d o n t h e r e s u l t s o f t h e a u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o n f o r s y m b o l s c h e m e , t h e c o n n e c t i o n r e l a t i o n o f b a s i c m e c h a n i s m s c o m p o s i n g m a c h i n e s y s t e m i s a n a l y z e d i n t h i s p a p e r f i r s t l y . t h e n t h e l a y o u t m o d e l o f t h r e e k i n d s o f c o n n e c t i o n r e l a t i o n i s p r e s e n t e d . a t l a s t t h e v a l i d s p a ti a l l a y o u t o p t i m i z a t i o n a lg o r i t h m o f c o m p l e x m a c h i n e s y s t e m i s c o n s t r u c t e d a d o p t i n g a d a p t i v e g e n e t ic a l g o r i t h m . u s i n g o b j e c t o r ie n t e d m e t h o d a n d s e c o n d - d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t o f 3 d p l a t f o r m , t h i s p a p e r m o d e l s 3 d e n t i t y f o r e v e r y m e c h a n i s m a n d l o c a t e s t h e m i n t h e s p e c ia l l o c a t i o n t o r e a l iz e a s s e m b l y a n d m o t i o n s i m u l a t i o n o f c o m p l e x m e c h a n i c a l s y s t e m. i n t h e e n d , t a k i n g t h e d e v i c e o f h i g h s p e e d f a s t e n e r b a t t e r y a s a n e x a m p l e , a n a l y z e s i t s w h o l e c r e a t i v e d e s i g n p r o g r e s s . d o t h e w o r k f r o m s y m b o l i d e n t i f i c a t i o n t o m a c h i n e r y d e s i g n , m o t io n s i m u l a t i o n a n d v ir tu a l a s s e m b l e a u t o m a t i o n . t h e s e v e r i f y t h a t t h e m e t h o d m e n t i o n e d i n t h i s p a p e r i s v a l id i t y a n d f e a s i b i l i t y t o t h e c r e a t iv e d e s i g n o f t h e p r o d u c t . k e y w o r d s : c r e a t i v e d e s i g n ; s y m b o l i d e n t i fi c a t io n ; s p a t i a l l a y o u t ; e n t i t y g e n e r a t i o n ; mo t i o n s i mu l a t i o n 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_ i 作和取得的 研究成果， 除了 文中 特别加以标注和致谢之处外， 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 2进生- 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了谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 称 秘签 字 日 期 : ， 卒 年 ， 月 匆 口 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解 k; * k 主- 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 。 特 授 权 达生主-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， 并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以 供查阅和借阅。 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学 位 论 文 储 签 名 : 稿 a 艳 签 字 日 期 : 卿。 年奉 月 知 日 导师签名: 签字日期: 物 sz日 第一章绪论 第一章绪论 1 . 1引言 随着制造全球化的发展和市场竞争的日 益激烈， 知识产权得到国际社会的普 遍重视和保护， 产品的快速创新对于企 业的发展变得越来越熏要 川 。 快速多 变的 市场， 要求企业能够根据市场需求迅速开发出能够满足需求的产品。 因此， 产品 开发的创新性和快速性是产品设计所必须解决的关键技术问题。 三维设计软件的 发展， 使得机械产品的设计和开发向 着三维化和虚拟化方向发展。 采用三维设计 软件进行产品开发设计的主要优点在于:有利于实时地评价零部件的结构工艺 性、 可装配性和可制造性等; 采用基于特征的参数化造型方法， 易于对三维虚拟 实体零部件的结构特征进行修改， 以满足可装配性、 可制造性等方面的要求; 利 用虚拟装配技术， 得到三维虚拟样机， 通过运动仿真和干涉检验， 方便修改和完 善设计方案;基于w e b 的数据共享技术和直接转换成c a m / c a e数据的 接f i , 使c a d i c a wc a e甚至c a p p 等能够集成在一个平台上。 本文利用三维设计软件在产品开发过程中所表现出的上述先进性， 研究了 基 于三维设计平台的机械产品开发自 动化系统的组成、 特点、 关键技术等问题， 并 给出了应用实例。 本文开发的三维虚拟机械产品创新设计自 动化系统， 支持由概 念设计到结构设计、 运动仿真、 虚拟装配等过程的自 动化和系统化， 能够高效地、 自 动化地给出满足市场需求的虚拟产品。 1 .2 . 概念设计 1 .2 . 1概念设计方法 概念设计处于产品设计的早期，目 的是提供产品方案。 研究表明， 产品大部 分 成 本 在 概 念 设 计 阶 段就己 确定 (2 ) 。 概 念 设 计 不 仅 决 定 着 产品 的 质 量、 成本、 性 能、 可靠性、 安全性和环保性， 而且产生的设计缺陷无法由 后续设计过程弥补 3 但是， 概念设计对设计人员的约束最少， 具有较大的创新空间， 最能体现设计者 的经验、智慧和创造性。因此，概念设计被认为是设计过程中最重要、最关键、 最具创造性的阶段间 。 第一章绪论 第一章绪论 1 . 1引言 随着制造全球化的发展和市场竞争的日 益激烈， 知识产权得到国际社会的普 遍重视和保护， 产品的快速创新对于企 业的发展变得越来越熏要 川 。 快速多 变的 市场， 要求企业能够根据市场需求迅速开发出能够满足需求的产品。 因此， 产品 开发的创新性和快速性是产品设计所必须解决的关键技术问题。 三维设计软件的 发展， 使得机械产品的设计和开发向 着三维化和虚拟化方向发展。 采用三维设计 软件进行产品开发设计的主要优点在于:有利于实时地评价零部件的结构工艺 性、 可装配性和可制造性等; 采用基于特征的参数化造型方法， 易于对三维虚拟 实体零部件的结构特征进行修改， 以满足可装配性、 可制造性等方面的要求; 利 用虚拟装配技术， 得到三维虚拟样机， 通过运动仿真和干涉检验， 方便修改和完 善设计方案;基于w e b 的数据共享技术和直接转换成c a m / c a e数据的 接f i , 使c a d i c a wc a e甚至c a p p 等能够集成在一个平台上。 本文利用三维设计软件在产品开发过程中所表现出的上述先进性， 研究了 基 于三维设计平台的机械产品开发自 动化系统的组成、 特点、 关键技术等问题， 并 给出了应用实例。 本文开发的三维虚拟机械产品创新设计自 动化系统， 支持由概 念设计到结构设计、 运动仿真、 虚拟装配等过程的自 动化和系统化， 能够高效地、 自 动化地给出满足市场需求的虚拟产品。 1 .2 . 概念设计 1 .2 . 1概念设计方法 概念设计处于产品设计的早期，目 的是提供产品方案。 研究表明， 产品大部 分 成 本 在 概 念 设 计 阶 段就己 确定 (2 ) 。 概 念 设 计 不 仅 决 定 着 产品 的 质 量、 成本、 性 能、 可靠性、 安全性和环保性， 而且产生的设计缺陷无法由 后续设计过程弥补 3 但是， 概念设计对设计人员的约束最少， 具有较大的创新空间， 最能体现设计者 的经验、智慧和创造性。因此，概念设计被认为是设计过程中最重要、最关键、 最具创造性的阶段间 。 天津大学硕士学位论文 p a h l 和b e i t z 15 1认 为 ，机 械设 计 分为 明 确 任务、 概念 设 计、 技 术设 计和 施 t 等 四个阶段。 k o l l e r 认为， 机械设计分为产品 规化、 功能设计、 定性设计和定量设计 等四个阶段。 邹慧君认为， 机械设计分为产品规划、 方案设计、 详细设计和改进 设计等四个阶段。 概括 起来说 ， 设计的 主要步骤是 两个: 概念设 计( c o n c e p tu a l d e s ign ) 和 构 型 设 计 ( c o n fi g u r a t io n d e s ign ) 前者 的目 的 是 制 定出 方 案 ，后者 的目 的 是设计出具体构型。概念设计的主要方法为; 1 . “ 构思一设计”法 ( b e it z ) 该方法将产品的方案设计分成“ 构思” 和“ 设计” 两个阶段。 构思阶段的任 务是根据合适的功能结构， 寻求满足设计任务的原理解。 即功能结构中的分功能 由“ 结构元素”实现，并将 “ 结构元素”间的物理连接定义为 “ 功能载体” ， 这 样“ 功能 载体” 和“ 结构元素” 间的相互作用形成功能示意图。 方案的设计是根 据功能示意图，先定性地描述所有的 “ 功能载体”和 “ 结构元素” ，再定量地描 述所有 “ 结构元素”和联结件的形状和位置，得到结构示意图。 2结构化设计法 ( wa l c z a k ) 该方法通过组合 ( 一般为)通用零部件产品的解，实现产品的设计和开发。 这是一种有效的提高产品开发能力的方法。 w a l c z a k根据零部件的连接关系将连 接归纳为四种类型，并采用相应的符号表示: 符号“ 4 ” 表示要求元件间 直接定 位，并具有自 调性的部件;符号 “ f ” 描述结构上具有共性的组合件:符号 “ s 描述嵌套式机构特征及嵌套式元件的连接类型; 符号“ m” 表示模块化机构特征， 及模块化元件的连接类型。 利用符号 进行抽象思维的结构化， 实现元件间连接的 算法化和概念的可视化。 3组合分类法 基于组合分类方法16 1 ， 邹慧君教授开发了“ 机构系统方案设计专家系统” 。 通过对机构分类， 建立相应的存储和编码规则， 以 二元逻辑推理和模糊综合评价相 结合的方法建立推理机制， 得出 可行的方案解。 孔凡国 将方案创新设计过程划分 为两个主要阶段: 基于实例功能推理的原始机械方案生成阶段和基于结构推理的 方案创新设计阶段。 开发了机械方案创新设计智能支持系统。 在这个基础上， 他 们还提出了功能一 行为 结构的概念设计模型和基于样体知识表达和推理相结合 的方法，使领域知识和基础知识相互结合，以便产生多层次的创新解。 4组合法 浙江大学潘云鹤院士等人提出了 基于组合创新原理的概念设计方法1 7 1 。 把概 念设计中的组合创新归结为产品的功能、 原理、 布局、 形态和结构 5 个方面。 创 新设计中的关键技术为产品建模技术、 创新设计技术、 智能支持技术、 协同设计 第一章绪论 技术和集成设计技术。 他们还建立了 产品 概念设计系统p c d s i 中的创新设计工 具包。 5实例推理法 清华大学宋玉银、蔡复之等人提出了 基子实例推理的产品概念设计系统1 8 1 根据设计要求和产品的 特征， 建立产品的实例模型。 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。 1 .2 . 2概念设计的计算机化方法 随 着计算机技术、 人工智 能 技术及其相关 技术的 发展， 机 械系 统概念设计的 计算机化成为可能。 但由 于市场需求描述的不确定性、 功能描述的抽象性等因素 的影响， 使得基于功能分解与重组方法自 动化地获得产品的 概念设计方案非常困 难。 国 内 外 许多 学 者 在 此 方 面 进 行了 长 期的 探 索 和 研究 19 111 8 1 ， 并 取 得了 一定 的 进 展a k o t 。 和c h i g u 等人19 11 1 6 1 提出了 基于运动变换矩阵分解的方法以实现机构的台 动重组。 但其 机构重组仅是 实 现了串 联组合， 没有考虑 其他组 合方式。 日 本学者 为 了 克 服 功 能 描 述的 抽 象 性 和 不 确定 性 带 来 的 不 便， 提出 了f b s 模 式 1 j 9 w y n n e h s ” 1 1 7 3 等 人提出了 一 种将d f a运用到 概念设 计中 的 方 法。 通 过这种 方法可以 q l 导设计者去寻求一种以 装配为出发点的设计。 总体来讲， 这些研究或者停留在符 号方案阶段，或者限于零件级产品的概念设计。 近 年 来， w a n g 等 刀2 4 1 z 3 1提出 了 一 种 基 于 设 计 规 则 的 机 械产 品 概 念 设 计自 动 化方法。 该方法可以自 动的获得概念设计的符号方案。 该符号方案包含了多个 基 本机构及其多种组合方式的信息。 本文的工作即是该方法的后续研究。 1 . 3创新设计方法 1 .3 . 1三维虚拟环境下创新设计的定义 有关资 料 显 示: 产品 寿 命的7 5 -8 0 % 是 在 创新 设 计 阶段 决定 的。 而 创 新设 计 也是最能体现人类智能高低的。 但在学术领域中， 学者们对创新设计的定义观点 并不统一。 面对二资 一世纪产品竞争日益加剧的挑战， 世界各国普遍重视提高产 品的设计水平， 以增强产品竞争力。 产品设计的根本目 的就是要创新产品， 满足 市场需求和占领更大的市场。 产品设计本身是创造性的劳动， 设计的本质是创新。 第一章绪论 技术和集成设计技术。 他们还建立了 产品 概念设计系统p c d s i 中的创新设计工 具包。 5实例推理法 清华大学宋玉银、蔡复之等人提出了 基子实例推理的产品概念设计系统1 8 1 根据设计要求和产品的 特征， 建立产品的实例模型。 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。 1 .2 . 2概念设计的计算机化方法 随 着计算机技术、 人工智 能 技术及其相关 技术的 发展， 机 械系 统概念设计的 计算机化成为可能。 但由 于市场需求描述的不确定性、 功能描述的抽象性等因素 的影响， 使得基于功能分解与重组方法自 动化地获得产品的 概念设计方案非常困 难。 国 内 外 许多 学 者 在 此 方 面 进 行了 长 期的 探 索 和 研究 19 111 8 1 ， 并 取 得了 一定 的 进 展a k o t 。 和c h i g u 等人19 11 1 6 1 提出了 基于运动变换矩阵分解的方法以实现机构的台 动重组。 但其 机构重组仅是 实 现了串 联组合， 没有考虑 其他组 合方式。 日 本学者 为 了 克 服 功 能 描 述的 抽 象 性 和 不 确定 性 带 来 的 不 便， 提出 了f b s 模 式 1 j 9 w y n n e h s ” 1 1 7 3 等 人提出了 一 种将d f a运用到 概念设 计中 的 方 法。 通 过这种 方法可以 q l 导设计者去寻求一种以 装配为出发点的设计。 总体来讲， 这些研究或者停留在符 号方案阶段，或者限于零件级产品的概念设计。 近 年 来， w a n g 等 刀2 4 1 z 3 1提出 了 一 种 基 于 设 计 规 则 的 机 械产 品 概 念 设 计自 动 化方法。 该方法可以自 动的获得概念设计的符号方案。 该符号方案包含了多个 基 本机构及其多种组合方式的信息。 本文的工作即是该方法的后续研究。 1 . 3创新设计方法 1 .3 . 1三维虚拟环境下创新设计的定义 有关资 料 显 示: 产品 寿 命的7 5 -8 0 % 是 在 创新 设 计 阶段 决定 的。 而 创 新设 计 也是最能体现人类智能高低的。 但在学术领域中， 学者们对创新设计的定义观点 并不统一。 面对二资 一世纪产品竞争日益加剧的挑战， 世界各国普遍重视提高产 品的设计水平， 以增强产品竞争力。 产品设计的根本目 的就是要创新产品， 满足 市场需求和占领更大的市场。 产品设计本身是创造性的劳动， 设计的本质是创新。 第一章绪论 技术和集成设计技术。 他们还建立了 产品 概念设计系统p c d s i 中的创新设计工 具包。 5实例推理法 清华大学宋玉银、蔡复之等人提出了 基子实例推理的产品概念设计系统1 8 1 根据设计要求和产品的 特征， 建立产品的实例模型。 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。 1 .2 . 2概念设计的计算机化方法 随 着计算机技术、 人工智 能 技术及其相关 技术的 发展， 机 械系 统概念设计的 计算机化成为可能。 但由 于市场需求描述的不确定性、 功能描述的抽象性等因素 的影响， 使得基于功能分解与重组方法自 动化地获得产品的 概念设计方案非常困 难。 国 内 外 许多 学 者 在 此 方 面 进 行了 长 期的 探 索 和 研究 19 111 8 1 ， 并 取 得了 一定 的 进 展a k o t 。 和c h i g u 等人19 11 1 6 1 提出了 基于运动变换矩阵分解的方法以实现机构的台 动重组。 但其 机构重组仅是 实 现了串 联组合， 没有考虑 其他组 合方式。 日 本学者 为 了 克 服 功 能 描 述的 抽 象 性 和 不 确定 性 带 来 的 不 便， 提出 了f b s 模 式 1 j 9 w y n n e h s ” 1 1 7 3 等 人提出了 一 种将d f a运用到 概念设 计中 的 方 法。 通 过这种 方法可以 q l 导设计者去寻求一种以 装配为出发点的设计。 总体来讲， 这些研究或者停留在符 号方案阶段，或者限于零件级产品的概念设计。 近 年 来， w a n g 等 刀2 4 1 z 3 1提出 了 一 种 基 于 设 计 规 则 的 机 械产 品 概 念 设 计自 动 化方法。 该方法可以自 动的获得概念设计的符号方案。 该符号方案包含了多个 基 本机构及其多种组合方式的信息。 本文的工作即是该方法的后续研究。 1 . 3创新设计方法 1 .3 . 1三维虚拟环境下创新设计的定义 有关资 料 显 示: 产品 寿 命的7 5 -8 0 % 是 在 创新 设 计 阶段 决定 的。 而 创 新设 计 也是最能体现人类智能高低的。 但在学术领域中， 学者们对创新设计的定义观点 并不统一。 面对二资 一世纪产品竞争日益加剧的挑战， 世界各国普遍重视提高产 品的设计水平， 以增强产品竞争力。 产品设计的根本目 的就是要创新产品， 满足 市场需求和占领更大的市场。 产品设计本身是创造性的劳动， 设计的本质是创新。 天津大学硕士学位论文 因此， 重视创新设计是增加产品竞争力的 根本途径。 机构概念创新设计的研究近 年来已取得了一些进展，提出了不少方法。 m. c h e w等人提出了 基于知识系统的机构运动结构综合法进行机构的创新 2 2 1 。运动结构综合是一 个基于机构的结构 ( 拓扑)设计机构的过程，是运用 f r e u d e n s t e i n和 m a k i 提出的在机构综合的概念设计阶段将结构与 功能相分离的 方法的结果。 该理论运用图论知识表达机构的运动结构。 图 形的运用使得系统化 地对机构进行创新和评估成为可能。 图形表达机构的优点在于适用性广， 可适用 很多不同 机构的创新设计。 西南交通大学的谢进， 丁剑飞等提出了基于功能， 约束和结构的机构概念设 计方法 t2 3 1 。并 将 该方 法应用于间 歇 运动 连杆机构和直线 运动连杆机构设计系 统。 该方法首先将设计要求进行处理， 去掉次要的， 突出主要的， 并将其分为功能 和 约束两大类。 功能是设计过程中设计所要满足的最为重要的特性， 功能又分为主 要功能和次要功能: 主要功能必须无条件地满足， 而次要功能与设计约束之间是 可以 协调的。 该方法首先将功能以 抽象的， 定性的概念来表示， 并且进行功能的 分解， 直到能够实 现功能与结构之间的一一对应的映射关系为_l七 此处， 结构.p r 以 认为是一种构型， 一种属性， 或者是产品且 录中的一种产品或一个元件。 设计 过 程中不断地将约束加入， 去掉那些不满足约束的解， 再由评价准则或方法评出最 佳或较佳方案。 其中， 功能分解是一个重要环节， 因此他们对功能“ 粒化” 问题 进行了 专门的 研究2 4 1 颜 鸿森 教 授 提出了 颜氏 创 造 性 机 构设 计( c a n s c r e a t iv e m e c h a n i s m d e s i g n m e t h o d o lo g y ) 2 5 2 6 1 , 该 方 法 使 设 计 者 可 以 改 造己 有 的 机 构 进 行 创 新 设 计 而 又 可 以避开专利保护的问 题。 该方法的第一步是找出q .用的已 有设计， 并归纳出机构 的拓扑构造特性， 然后任意选择一个巳 存在的设计作为原始机构; 第二步经由一 般化程序， 把原始机构转化为 只含连杆和回转副的一 般化运动链; 第三步运用数 综合理论得到具有所需机件和运动数目的一般化运动链图谱: 第四步根据设计要 求， 经由 特定化程序， 获得特定化的运动链图谱: 第五步从所得特定化运动链图 谱中， 找出能满足设计约束的可用特定 化运动链图谱;第六步经由 具体化程序， 将每个可用特定化运动链转化成与其相对应 机构， 以 获得机构图谱; 最后一步是 从建立的机构图 谱中去掉己 存在的 现有机构， 所获得的即是具申 请专利潜力的新 类型机构图谱。 该方法无疑是迄今为止最完备、 最系统的机构创新设计方法。该 方法的提出为实现机构创新自 动化的研究奠定了良 好的基础。 在设计方法学中， 创新设计也称方案设计， 它是根据产品总的功能需求创造 出 相应的原理方案的 一种创造性过程， 其日 标是获得产品的基本形式或形状2 7 1 广义上的创新设计包含了从产品的需求分析到进行详细设计之前的设计过程。 它 第一章绪论 包括功能设计、 原理设计、 形状设计、 布局设计和初步的结构设计。 一般意义上 的创新设计是指在产品的功能和原理基本确定的情况下， 产品外观造型的设计过 程。 创新设计的各个环节紧密相连， 在设计过程中 互相依赖， 互为驱动。 创新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 解和子功能的结构设计， 进行满足功能和结构要求的二 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。 在面向 对象的三维虚拟设计环 境下， 基于定向发散创新设计方法的创新设计应具备原理方案的抽象性， 创新设 计过程的定向 发散性和面向 对象性， 面向产品设计的全过程性， 以 及设计方案的 三维性和虚拟性等特点， 同时强调产品的工业美学设计也是创新设计的一个重要 组成部分。因此， 我们认为 1 1 9 1 . 在面向 对象的三维虚拟设计环境下，机械系统的创新设计包含两个基本部 分: 含光、 机、 电、 液等广义传动机构的 三维虚拟设计和广义传动机构载体的工 业美学设计。 广义传动机构的 三维虚拟设计是利用抽象描述的图形和符号作为原 理方案的载体， 按定向 发散创新设计方法， 对抽象数学载体进行符合设计规则的 属性操作， 在面向对象的环境下， 逐步实现抽象图形符号方案的具体化和三维虚 拟结构化， 最终形成广义传动机构的三维虚拟设计方案。 在考虑三维虚拟广义传 动机构的空间布局、 可装配性、 可制造性和可维修性的前提下， 对载体的儿何造 型进行量化工业美学设计。 三维虚拟设计环境下的创新设计方案是一种完成了原 理方案设计和构型设计的设计方案， 根据这些设计方案可以得到满足市场需求的 三维虚拟样机。 面向 对象性、 方案评价与 修改的实时 性、 三维虚拟性和定向发散 性是该创新设计的主要特点。 1 .3 .2三维虚拟环境下创新设计的特点 1设计规则的 抽象性 三维虚拟设计环境下机械产品的创新设计是指基于计算机的创新设计。首 先， 需要借助设计任务分解智能平台 或人类专家将市场需求分解为设计规则。 设 计规则一般分为两部分: 定向发散创新设计规则和方案评价设计规则。 定向发散 设计规则主要为概念创新设计生成过程中提供每一步发散所应遵守的原则， 方案 评价规则主要对发散创新过程中生成的 准方案进行筛选、 评价。 因 此， 方案设计 规则的描述必须具有高度的 抽象性， 易于用数学语言描述和表达， 同时又利于在 方案生成过程中由计算机应用， 进行逻辑推理。 第一章绪论 包括功能设计、 原理设计、 形状设计、 布局设计和初步的结构设计。 一般意义上 的创新设计是指在产品的功能和原理基本确定的情况下， 产品外观造型的设计过 程。 创新设计的各个环节紧密相连， 在设计过程中 互相依赖， 互为驱动。 创新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 解和子功能的结构设计， 进行满足功能和结构要求的二 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。 在面向 对象的三维虚拟设计环 境下， 基于定向发散创新设计方法的创新设计应具备原理方案的抽象性， 创新设 计过程的定向 发散性和面向 对象性， 面向产品设计的全过程性， 以 及设计方案的 三维性和虚拟性等特点， 同时强调产品的工业美学设计也是创新设计的一个重要 组成部分。因此， 我们认为 1 1 9 1 . 在面向 对象的三维虚拟设计环境下，机械系统的创新设计包含两个基本部 分: 含光、 机、 电、 液等广义传动机构的 三维虚拟设计和广义传动机构载体的工 业美学设计。 广义传动机构的 三维虚拟设计是利用抽象描述的图形和符号作为原 理方案的载体， 按定向 发散创新设计方法， 对抽象数学载体进行符合设计规则的 属性操作， 在面向对象的环境下， 逐步实现抽象图形符号方案的具体化和三维虚 拟结构化， 最终形成广义传动机构的三维虚拟设计方案。 在考虑三维虚拟广义传 动机构的空间布局、 可装配性、 可制造性和可维修性的前提下， 对载体的儿何造 型进行量化工业美学设计。 三维虚拟设计环境下的创新设计方案是一种完成了原 理方案设计和构型设计的设计方案， 根据这些设计方案可以得到满足市场需求的 三维虚拟样机。 面向 对象性、 方案评价与 修改的实时 性、 三维虚拟性和定向发散 性是该创新设计的主要特点。 1 .3 .2三维虚拟环境下创新设计的特点 1设计规则的 抽象性 三维虚拟设计环境下机械产品的创新设计是指基于计算机的创新设计。首 先， 需要借助设计任务分解智能平台 或人类专家将市场需求分解为设计规则。 设 计规则一般分为两部分: 定向发散创新设计规则和方案评价设计规则。 定向发散 设计规则主要为概念创新设计生成过程中提供每一步发散所应遵守的原则， 方案 评价规则主要对发散创新过程中生成的 准方案进行筛选、 评价。 因 此， 方案设计 规则的描述必须具有高度的 抽象性， 易于用数学语言描述和表达， 同时又利于在 方案生成过程中由计算机应用， 进行逻辑推理。 天津大学硕士学位论文 图形和符号本身具有非同构性， 可以用数学方法对其进行描述和运算， 同时， 也比 较符合计算机数据结构的语言描述要求。 因 此， 图形和符号是设计规则抽象 和表达的有效载体，是机械系统结构的最佳表现形式。 z创新设计的定向发散性 功能 组合创新设计方 法 c z - 是机械产品 创 新设 计的 一 种可行的 设计方 法。 这 种方法的优点是直观性强， 在问题求解的驱动下，可以 得到满足设计需求的解。 目 前， 功能组合创新设计方法主要的困 难在于， 如何利用子功能结构组合成复杂 的机械产品， 其中子结构之间结构连接与性能协调是制约功能组合创新设计的关 键技术难题。 基于定向发散的机械产品创新设计方法试图避免组合创新设计方法 所遇到的技术难题， 通过预先给定的设计规则， 逐步得到能够满足设计需求的设 计方案。 所谓的定向发散是指对图形和符号载体进行符合设计规则的操作， 这种 操作的结果增加了图形载体的属性， 但并没有改变图形载体的拓扑结构形式。 在 定向发散过程中， 实时地判定图形结构的同构性， 确定拓扑结构的唯一性， 可以 得到唯一的一组可行设计方案。 该方法的优点是方案的创新性突出， 易于计算机实现。同时，由于解的结构 是预知的，可以很方便地得到解的三维虚拟设计方案。 3设计过程的面向 对象性 三维虚拟设计环境下的 机械产品设计自 动化平台，主要包括设计任务的分 解、 原理符号方案的生成、 针对符号方案的基本机构分解、 三维虚拟样机的生成、 运动仿真和工业美学设计等过程。 对于每一环节， 平台为操作人员提供一个对话 窗口 ，设计人员根据提示信息， 输入相应的参数， 系统会自 动进行相关的 操作。 例如， 给定设计规则， 系统自 动生成能够满足规则的符号方案: 给定机构组成的 符号方案，系统将其分解为子机构， 并给出各个子机构之间的连接关系， 系统自 动生成三维实体虚拟样机和进行运动仿真等。 设计人员不需要对程序本身的构造 有深入的了解。 4创新设计方案的三维性 三维虚拟设计环境一 凡 机械产品的创新设计己 不再停留在传统的原理符号设 计阶段， 而应该具有直观性和可视性，应和后面的结 构设计、空间布局设计等结 合起来。创新设计方案本身是以三维实体的虚拟样机形式出现在设计人员面前 的。 在机械系统原理性设计可行方案计算机识别的抽象符一号 方案生成以 后， 其运动分析、 虚拟装配、 运动仿真、有限元分析、方案修改等过程都是基于 第一章绪论 三维虚拟实体构件或虚拟样机进行的。 如果不考虑加工制造因素， 创新设计方案 完全能够满足设计需求。 5面向产品设计的全过程 在三维虚拟设计环境下，创新设计的内涵得到拓宽，它不仅包括了 传统的原 理图形符号方案的创新设计内容，而且，还要解决三维设计所带来的技术问 题， 如零件的三维结构设计、 可装配性设计、 可靠性设计、 虚拟装配、 三维实体仿真、 运动干涉检验、 空间布局、 工业美学设计等。 _ 上 述这些技术问 题， 应该都属于问 题求解范畴， 需要根据具体的设计规则进行子方案的构思和规划， 在面向对象的 环境下， 使每一技术环节实现具体化、 三维化， 逐步形成完善的、 能够满足设计 需求的创新设计方案。 因 此， 三维虚拟设计环境下的创新设计应面向 系统设计的 各个环节，是一种系统设计，其结果便是虚拟样机。 6考虑产品的工业美学设计 传统的机械产品创新设计方法， 主要解决机械结构的创新，以提高系统的经 济性和可靠性等技术指标， 以满足人们日 益增长的物质和文化需求。 随着市场竞 争的加剧， 产品的工业美学设计， 如市场的可接受性、 产品的亲切性和可爱性等， 对产品市场竞争能力的制约作用越来越强。 因此， 三维虚拟设计环境下， 应将工 业美学设计纳入到创新设计之中。 机械系统的设计可以 分为两部分: 传动系统( 包 括光、 机、电、液广义传动系统)的三维虚拟设计和广义传动系统载体 ( 广义机 架) 的虚拟设计。 对于广义传动系统载体广义机架的设计， 应用工业美学设 计方法， 在考虑广义传动机构的空间布局、 系统的可装配性和可维修性的前提下， 确定广义机架的最佳结构形式。 机械三维虚拟设计系统的最后一个环节是解决机 械系统的空间布局问题。 1 . 4空间布局 布 局 和 布 置 设 计问 题 ( p a c k i n g p r o b l e m a n d l a y o u t d e s i g n ) u 1 是 给 定一 个 布 局空间和若干待布物体， 将待布物合理地摆放在空间中满足必要的约束， 并达到 某种最优指标.布局问题大量地出现在机械制造、 皮革服装、 造船、玻璃、交通 运输、 航空航天、 大规模集成电路的设计及医学物理应用等诸多领域， 例如服装 下料，车间布局，集装箱货物摆放，仪器舱内仪器布局，飞机、车辆的布置设训 等。 根 据布 局空 间 和待 布 物 体的 形 状， 布局问 题 分为 2 9 30 1