（机械设计及理论专业论文）机械系统方案设计的特征状态空间理论与方法.pdf

人近理l ：火学博十学位论文 摘要 本论文在国家自然科学基金( n o 5 0 4 7 5 1 5 4 ) 的资助下，结合工程设计背景，建立 了机械系统运动方案设计的特征状态空间理论与综合指导算法，得到了复杂混联机械系 统的创新设计数学模型。 本文首先从机械运动功能特征转换的角度定义了多自由度基本机构单元，归纳总结 了常用单自由度与多自由度机构及其机架变异的机构单元，将其运动传递过程转化为运 动特征状态的变换，提出阶跃函数作用速度矢量方程特征离散化，并抽象为多自由度基 本机构的输入与输出特征矢量，建立了机构单元的运动功能与运动特征变换的定性分析 和定量表达方法，由此导出单自由度基本机构单输入多输出和多自由度基本机构多输入 多输出，且其输入、输出构件可为定轴或非定轴运动的特征矢量表述及其运动传递特征 状态方程。 针对复合机构单元的数学建模，提出了运动构件的相对运动特征状态向绝对运动特 征转化的功能特征状态分析方法，深入研究了机构单元相关组合特征属性与复合运动功 能约束关系，依据固结关系确定的特征矢量转化因素，将单元机构的特征状态方程与矢 量坐标转换关系计算相融合，推导出复合运动固结构件特征状态矢量合成公式，以此提 出迭合式复合机构单元建模转化依据，建立附加机构的相对运动特征状态方程向描述绝 对运动的特征状态方程的转化过程，并总结出其数学建模的过程模型。 定义多个机构单元的串、并、混联等组合方式及其典型组合单元的数学模型，并探 讨了组合系统运动变换的内在联系与运动特征间的转换规律，深入分析组合关系的重组 计算与功能传递方式等关键问题，利用组合模型理论建立广义特征状态方程，采用分层 特征模式并结合定性知识数学建模，抽象出实际的机械系统功能特征的数学模型。构建 组合系统运动变换的广义特征状态组合模型来传递输入输出特征属性，表达机构单元及 其组合功能特征的拓扑关系。 对特征状态空间与混联机械系统之间的映射规则及特征转化规律进行探讨，确定特 征状态空间的结构及其构成元素的性质，迸一步讨论对偶矢量间运算规则和度量方式， 由此阐明特征状态图理论，并将功能约束通过特征状态空间映射到混联系统综合的求解 空间，使得运动方案设计问题转化为特征状态空间中特征状态图的分解与连接匹配问 题，在特征状态空间模型的不断分层细化之中，确定解空间的区域，通过特征状态图的 计算规则，获得混联机械系统综合可行解( 集) 。 依据建立的数学模型，提出了相应的设计知识转换方法，建立合理的数据存储结构 与知识库的组织管理，包括基本单元信息的存储、提取操作及数据流问的复杂关系，结 机槭系统方案设计的特缸e 状态空间理论与方法 合组合关系的逻辑计算规则，提出方案设计综合求解的可自动计算算法，完成状态变换 矩阵中类型、方向及特征属性值的自动分解，由此实现机械运动方案设计系统的开发。 将本文提出的特征状态空问理论及设计空问的转换求解思想应用于生产实际中，产 生设计实例的自动求解多方案，验证了该设计理论的正确性与综合方法的有效可行。至 此完成数学建模形式、定量算法操作和设计指导理论的有机结合，开辟混联机械系统的 自动方案设计的新途径。 关键词：方案设计；混联系统；基本机构：组合方式；特征状态空间；对偶矢量；特征 状态图 人连理j ：人学博十学位论文 t h ec h a r a c t e r i s t i cs t a t es p a c et h e o r ya n dt h ea u t o m a t e d c o n c e p t u a l d e s i g nm e t h o d o l o g yf o rt h em e c h a n i c a ls y s t e m a b s t r a c t an e wm e t h o d o l o g yf o rt h ec o n c e p t u a ld e s i g no fh y t r i dc o m b i n e dm e c h a n i c a ls y s t e m b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i cs t a t es p a c ea p p r o a c hi sd e v e l o p e d t h eg o a li st oc o n c e i v et h e a p p r o p r i a t eh y b r i ds y s t e mg i v e no n l y t h ek i n e m a t i cf u n c t i o np o s e di nt h e p r o b l e m s p e c i f i c a t i o n s t h i sr e s e a r c hs u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a u n d e rg r a n tn o 5 0 4 7 5 1 5 4 t h ek e ye n a b l e ro ft h ec o n c e p t u a ls y n t h e s i si st h em e t h o do fc a p t u r i n gk i n e m a t i c b e h a v i o r an e we h a m c t e r i s t i cs t a t ea n a l y z i n gm e t h o df o rm u l t i d o fb a s i cm e c h a n i s mu n i t s 0 3 m u s ) i sp r o p o s e d f i r s t l y ，t h ei n p u ta n do u t p u tc h a r a c t e r i s t i cs t a t ev e c t o r sa r ee s t a b l i s h e d t h r o t i 曲t h eg e n e r a l i z e dk i n e m a t i cf u n c t i o n sa c c o r d i n gt ot h em o t i o nt r a n s f o r m a t i o np r o c e s s o ft h es p e c i f i cm e c h a n i s m s b a s e do nt a y l o rs e r i e se x p a n s i o n ，t h ep h a s e s t e pf u n c t i o n c o n v e y sk i n e m a t i ct r a n s f o r m a t i o nu n i t si n t oc h a r a c t e r i s t i ct r a n s f o r m a t i o nu n i t sa n d d i s e n g a g e st h ei n f l u e n c eo fd e t a i l e dd i m e n s i o n t h e nt h ec h a r a c t e r i s t i cs t a t ee q u a t i o n sa r e e s t a b l i s h e db ym o t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em u l t i p l ei n p u t sa n dt h eo u t p u t s , w h i c h i n c l u d i n g c h a r a c t e r i s t i ct r a n s f o r m a t i o nm a t r i c e sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i cs t a t ev e c t o r s m e a n w h i l e ，t r a n s f e rr e l a t i o n s h i p so ft h ec h a r a c t e r i s t i cs t a t ee q u a t i o n sa r es t u d i e d , f r o mw h i c h t h ep r o p e r t i e sa n dv a r i a t i o n so ft h ef u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i ca r eo b t a i n e d t h u st h em u l t i d o f b m u sa r ei d e n t i f i e d ，c l a s s i f i e da n dr e p r e s e n t e dq u a l i t a t i v e l yf r o mv a r i o u sp e r s p e c t i v e s c h a r a c t e r i s t i cs t a t ea n a l y s i sm e t h o di su s e dt od e s c r i b et h eb e h a v i o ro ft h em u l t i - l o o p m e c h a n i s m f o rm a t h e m a t i c a l m o d e l i n g o ft h e c o m p o u n d m e c h a n i s m u n i t s , t h e t r a i l s f o r m a t i o no ft h ek i n e m a t i cc h a r a c t e r i s t i cs t a t ef r o mt h er e l a t i v em o t i o nt ot h ea b s o l u t e m o t i o nf o r t h em o v i n gl i n k si si n v e s t i g a t e da n dt h ec o r r e s p o n d i n gc h a r a c t e r i s t i cp r o p e r t i e sa r e i n t e n s i v e l ya d d r e s s e d u s i n gt h er e l a t i o n s h i po ft h ej o i n t e dl i n k s ，t h ec h a r a c t e r i s t i cv e , c t o r s c o m p o u n d e df o r m u l ad e d u c e ds e l v e sa st oa c h i e v et h ec h a r a c t e r i s t i cs t a t ef u n c t i o n sf o rt h e a b s o l u t em o t i o nt r a n s f o r m a t i o no ft h ea d d i t i o n a lm e c h a n i s m 1 n l cg e a r - l i n k a g ec a s es t u d i e s a r ei n c l u d e dt oi l l u s t r a t et h em e t h o d sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gg e n e r a l i z e dp r o c e d u r e s c o n c l n d e d i ns h a r pc o n t r a s tt ot h er e l a t e dr e s e a r c hi nc o n c e p t u a ld e s i g n ，t h ec o m b i n a t i o np a t t e r n s a r ei n v e s t i g a t e da n dr e l a t e dt h i st ot h eb e h a v i o ro fm e c h a n i s m sc o m p o s e do fb m u s t h e g e n e r a l i z e dc h a r a c t e r i s t i cs t a t em o d e ls e t sa r ee s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h ec l a s s i f i e db a s i c c o m b i n a t i o nu n i t s ( b c o s ) a n dt h e n ，t h eg e n e r a l i z e dc h a r a c t e r i s t i cs t a t ee q u a t i o n sa r ed e r i v e d 机械系统方案设计的特祉状态空间理论与方法 a n dt h em a t h e m a t i cm o d e l so fv a r i e t yc o m b i n a t i o np a t t e r n sa r es e tu p m e a n w h i l e ，t h e a l g o r i t h mo ft r a n s f e r r i n gt h ec o m b i n a t i o ns y s t e mi n t ot h eo p e r a t i o no ft h eg e n e r a l i z e d c h a r a c t e r i s t i cs t a t ev e c t o r si sa n a l y z e dc o r r e s p o n d i n gt ot h ev a r i e dc o m b i n a t i o np a t t e r n s t h u s t h er e f e r e n c er e g u l a t i o na n dt h ed e c o m p o s i t i o nm e t h o dp r o v i d et h eh y b r i ds y s t e ms y n t h e s i s p r o c e d u r e f u r t h e r t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h e h y b r i d c o m b i n a t i o n s y s t e m f a c i l i t a t e st h e c h a r a c t e r i z a t i o no ft h eb m u sa n db c u s ，t r a n s f o r m a t i o no fp r o b l e ms p e c i f i c a t i o n s ， d e c o m p o s i t i o ni n t os u b p r o b l e m s a n dt h ea b i l i t yt os e a r c hf o ra l t e r n a t es o l u t i o n s n en e w m e c h a n i c a ls y s t e mc a nb ea u t o m a t i c a l l y g e n e r a t e d ，i np a r t i c u l a r l y ，t og e n e r a t ea l t e m a t e m e c h a n i s mc o n c e p t sb yc o m b i n i n gb m u sw i t ht h ea i do ft h eb c u s t h ec h a r a c t e r i s t i cs t a t e s p a c ei se s t a b i l s h e db yt r a n s v e r s i n gt h ed e s i g ns p a c ee l e m e n t st o t h es t a t es p a c e ，a n dt h e p r o p e r t i e sa sw e l la s t h es p a c er e l a t i o n s h i po ft h et r a n s f e r e de l e m e n t sa r ea n a l y z e d a d d i t i o n a l l y t h eo p e r a t i o nr u l ea n dt h em e t r i cf o r ma r es t u d i e de l a b o r a t e l y n ec h a r a c t e r i s t i c s t a t es p a c eg r a p ht h e o r ya n dt h er o u t i n gm o d e lb e t w e e nt h er a n d o md u a lp o i n t si nt h es p a c e a r ee s t a b l i s h e d f u r t h e r m o r e ，w i t ht h em a n i p u l a t i o no ft h ed u a lv e c t o r s ，t h em a t h e m a t i c s y n t h e s i sm o d e li sp r e s e n t e da n dt h eg r o u n d w o r ki s l a i df o rt h ec o n c e p t u a ld e s i g ni nt h e c h a r a c t e r i s t i cs t a t es p a c e t of i n et u n et h ea u t o m a t e dd e c o m p o s i t i o na n dt h es y n t h e s i sa l g o r i t h m ，t h ed e s i g n k n o w l e d g et r a n s f o r m a t i o nt e c h n i q u ei se s t a b l i s h e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h em a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h eb m u sa n dt h eb c u s t h er a t i o n a ii n f o r m a t i o ns t o r a g eo r g a n i z a t i o na n d a s s o c i a t e dk n o w l e d g eb a s em a n a g e m e n t ，w h i c hi n c l u d i n gt h er e l a t i o n s h i p so ft h ed a t a f l o w a n dt h em a n i p u l a t i o ns t r a t e g i e sf o rt h ec o m b i n e dp a t t e r na r ee s s e n t i a l l yi n v e s t i g a t e d 1 1 l e e f f e c t i v e n e s so ft h em e t h o d o l o g yd e p e n d so nt h eq u a l i t yo ft h ea v a i l a b l ed e c o m p o s i t i o n f o r m u l a t i o n , w h i c hd i r e c t st h ec r e a t i o no fs o l v a b l es u b - p r o b l e m sb a s e do nt h em a p p i n g b e t w e e nt h es t a t es p a c ea n dt h ef u n c t i o ns p a c e an u m b e ro fd e s i g ns c h e m ea l t e r n a t i v e sc a nb eg e n e r a t e df i r o mag i v e ns p e c i f i c a t i o n w h i c he m p l o y st h ec h a r a c t e r i s t i cs e a r c hi na na p p l i c a b l el i b r a r yo fb m u sa n db c u s i tc a l lb e s h o w nt h a tt h es u g g e s t e dd e s i g ne x a m p l e sa r ec o m p a c ta n dc o m p a t i b l ew i t ht h eg e n e r a l d e s i g np r i n c i p l e s k e yw o r d s ：c o n c e p t u a ld e s i g n ：h y b r i dc o m b i n a t i o ns y s t e m ： b a s i cc o m b i n a t i o nu n i t ；c h a r a c t e r i s t i cs t a t e c h a r a c t e r i s t i cs t a t eg r a p h l v b a s i cm e c h a n i s mu n i t ： s p a c e ；d u a lv e c t o r ： 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：堡型洼e t 期：至q q 鱼生窆目 大连理t 大学博士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位沦文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 删萍翩珲 。1 。+ 。1 。1 。 j 王谴焦兰龇 ；q ! 年里一月! 日 人迮理i ：人学博十学忙论文 1 绪论 1 1 论文背景 产品设计是企业生产的先行军，创新设计水平成为企业技术能力的衡量主体之一。 方案设计是产品设计的瓶颈所在，其设计结果将直接影响后续环节，且此阶段的失误很 难用更为详细的细节设计来弥补【”，因而方案设计问题需要加以重视。传统设计方法凸 现出很多问题，目前大部分是有针对性的产品设计，设计对象和解决问题的范围比较狭 窄，设计人员缺乏有效的设计方法指导，设计手段还很落后，依赖于查阅图册、专利文 献等产品方案的最终描述形式，产生的可行方案数量有限，没有形成真正意义上的计算 机辅助概念设计理论及其c a c d 软件系统。由此提升设计理念和改造设计手段使产品不 至输在起跑线上，并将传统的产品设计信息化过程赋予新的含义，提高产品设计质量势 在必行。 随着机械产品的设计需求程度不断提高，机器辅助运动多而复杂，而且对运动形式、 运动规律和动力性能等都有越来越高的要求，因此，机械工程中将越来越广泛地应用机 构的串、并联组合及其混联系统。如何将简单机构以不同的方式迸行组合来实现特定的 复杂运动，是机械运动方案创新设计的研究热点之一。具体的组合形式往往与所设计机 器的功能要求及使用场合相关，多用来实现特殊的运动轨迹或获得特殊的运动规律，广 泛地应用于纺织、印刷和轻工业等生产部门。同时，机械产品设计的宜人化需要实现功 能的机构也越来越精巧多样，对于少量简单动作，设计人员可以根据经验或直觉想象选 择有限个简单的基本机构及其组合来实现，能否有更好的方案或创新有待探讨。特别是 对于复杂动作或多个动作要求的机械系统，如何方便快捷形成机构运动方案，组成性能 更加完善、运动形式更加多样亿的新机构是有待研究的课题，使得混联情况下机构运动 方案设计成为机械产品创新设计的瓶颈，也是机械设计领域具有魅力的挑战性难题。 混联机械系统的运动方案设计研究日益受到重视，但由于机构本身的复杂性、机构 组合关系的多样性及其间耦合结构的不透明性，给系统中组合关系的分析、建模和组合 特征传递等研究工作带来一定的困难。同时，多自由度的机构在实际应用中也十分常见， 由于运动关系与功能分析的复杂性，加之其运动特征提取困难，还没有形成对其统一的 特征表达体系，以往的概念设计也一直没有能力将其囊括其中。 机械原理等教材1 3 j 中为了系统研究设计方法，将机构按结构特点进行分类，如凸轮 机构、连杆机构、齿轮机构等等。但是在实际机械设计时，由于对各种机械系统的要求 千变万化，工作原理各殊，实现的动作往往不是由单独的某一种所能实现，需要研究不 机械系统方案设计的特征状态空间理论与方法 同的机构适当地组合的情况，所以设计理论上的空缺同样需要弥补，现存的许多理论问 题尚待深入讨论。 由于组成混联机械系统的各子机构运动参数问关系牵连很多，故设计方法比较复 杂，设计规律难以寻找，但这并非意味着组合系统的设计全无任何规律可循。本文以机 械系统创新设计方案的数学模型建立以及自动求解方法为研究目标，从基本机构单元与 基本组合单元研究出发，探讨按运动功能特征转换原理分解机械系统，建立特征状态空 间理论作为混联系统创新方案体系的新方法。同时建立单元的功能特征信息存储模型及 知识库系统，并实现可计算机化数据抽象。设计了相应的算法，实现机械系统创新方案 设计的计算机自动求解。从总体上针对各种变化形式，找到统一的解决办法和相对一致 的操作方法，利用错综问题的归类简化，探讨出混联机械系统方案设计的新思路。 本文旨在仅通过对产品的输入输出功能要求的描述，即可获得一系列符合要求的创 新方案，脱离现有方案的局限，并可综合其他因素在众多可选方案中决策优选，希望能 为生产实际中有设计经验的人提供一种参考，为没有设计经验的人提供一种向导。从而 为机械产品设计提供准确、快捷的条件，提高机械产品设计的性能和质量，降低制造成 本与维护费用等，具有重要的理论与实际意义，也是产品设计过程可数字化、可计算机 化至关重要的一步。 1 2 文献综述 方案设计是产品概念设计的重要阶段，对系统运动性能、制造性能和可维护性等方 面有重要的影响作用。由于方案设计阶段知识表达的抽象性和过程建模的复杂性，缺少 成熟的设计理论与方法支持。随着研究的发展，目前国内外学者在方案设计内涵、方案 建模方法及设计理论、机械系统组合理论、方案求解过程模型理论等方面，取得了不同 程度阶段性的成果。 1 2 方案设计 ( 1 ) 方案设计内涵 f r e u d e n s t e i n 和d o b 蛹a n s k y1 4 】在1 9 6 4 年提出机械设计过程分为两个阶段：综合阶 段和分析阶段。提出了型综合一般性的简单定义：“根据想要的运动性能确定机构的结 构形式”。r o t h 5 1 将设计过程分为由特定的设计步骤组成的不同设计阶段，强调设计过 程中分类特征的作用。 1 9 8 4 年，p a h l 和b e i t z 在( e n g i n e e d n gd e s i g n ) 1 6 i 一书中从过程描述的角度指出， 工程设计分为明确任务、概念设计、技术设计和施工设计四个阶段，并认为：“在阐述 人近理l ：人学博十学位论文 任务书后，通过抽象化来认识本质问题，建立功能结构，并通过寻求适合的作用原理及 其组合，来确定原理解，这一部分设计工作叫概念设计”。 f r e n c h 7 l 在其( c o n c e p t u a ld e s i g nf o re n g i n e e r s ) ) 一书中认为：“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”。h a i n i8 j 定义方案设计为“某 种特定机构类型的选择。主要考虑同样构造类型机构问的选择，特别是运动副和连接件 的选择”。c r o s s l e y l 9 l 给出一个建设性的描述“分析想要获得的运动，目的是寻找最简单 的机构类型或类型组合来完成这种运动或近似完成”。 上述反映了各个不同阶段对方案设计的不同认识。总体上，方案设计是由功能要求 出发，进行满足功能和结构要求的工作原理发散求解和实现工作原理载体方案的构思和 系统化设计，是一个求解实现功能的，满足各种技术和需求指标的，产生多解方案并最 终确定综合最优方案的过程。概念设计的灵魂是自动多解和创新方案。创新是多层次的， 从修改替换到功能原理更换等高层次创新活动都属于概念设计范畴。 1 2 2 建模方法与设计理论 随着产品建模向更高层次的发展，相继出现了一些新的建模方法和设计理论，代表 性的典型方法可归纳如下： ( 1 ) 基于人工智能理论的定性知识建模方法 诸如悉尼大学g e r ojs 等1 1 0 , 1 1 】通过基于功能、行为等深层知识的相似设计，支持 领域间类比，但是难于处理知识抽象问题的相似性判别。n a v i n c h a n d r a i ”1 提出用实例( c a s o 支持概念设计。实例由索引和内容两部分组成，索引用来检索实例，内容中包含具体方 案细节，用知识模型表达( 如框架、规则、谓词逻辑等) 。佐治亚理工学院g o e lak 等 人【b 1 5 】采用c b r 推理技术，更符合人类所解决问题的一般认知过程，具有较强的知识表 达效果，但是c b r 需大量良好的设计实例才能有效工作，这对大多数的设计问题来说很 困难。日本东京大学u m e d ay ，t o m i y a m a 等l 峪1 8 1 将传统的描述方法转化为定性模型， 进而进行推理和给出定性解释，因此非常适合于定量信息不足的概念设计早期阶段，但 是存在知识属性划分困难问题。“1 9 捌提出了机构行为的另一种定性分层次性描述方 法，它将一个机构用输入、输出、输入输出关系以及控制四部分描述，其中输入部分又 分为类型、速度、速度方向和输入构件数目四个属性，输出、输入输出关系以及控制等 部分也由相应的属性组成。j o s k o w i c z l 2 1 2 2 , z 3 1 提出了一种机构行为的表达语言，用来表达 定轴机构的行为。这种表达语言用零件、运动类型、轴和初始状态、终止状态五部分描 述一个构件的运动行为。卡耐基梅隆大学c a m p b e l lmi 等1 2 4 j 基于a g e n t 的技术，面向 机电产品，模仿人类分布式信息处理的推理方式，基本思想是单元决策、协同求解，实 机械系统方案设计的特征状态空间理论与方法 行并行工作方式，通过多a g e n t 协同完成整个设计任务并获得高质量的解，但是对于多 a g e n t 协调与冲突管理存在很多技术难题，同时知识的操作变得更加复杂。新加坡南洋 理工大学z h a n gwy 【2 5 , 2 6 j 等人采用面向对象与基于规则混合表达的方法，但不同的应用 情况需建立不同的模型。k o l b 2 7 1 ，k u s i a k i 磐3 ”，m a r t i n l 3 2 】等用对象技术表达设计方案并建立 相关设计约束模型。k j e l l b e r g i3 3 】将产品模型分为三个单元，其中功能模型描述产品的功 能、物理模型支持产品的约束，最终结果由方案模型表示。c o r r i g a l l p 4 开发了一个层次 结构产品模型，层次结构为集合、选择、表和原子。这个模型不仅包含产品信息，而且 包含设备信息，如切削工具、设备参数等。另外，p a r m e eic 和b o n h a mcr l 圳借鉴自 然进化过程实现一种进化推理方法。进化推理能够产生创新方案，其有并行性和自适应 的优点，其表达模型是基因模型。目前进化推理的应用主要集中在产品结构方案设计上， 用于功能向结构映射推理的研究还很少，并且其获取解的时间较长。冯培恩【3 “，顾新建 1 3 7 i 提出了产品信息基因模型。孙守迁等【3 8 】采用基于约束的表达，支持并行设计并侧重于 协同设计。由清华大学宋玉银等人1 3 9 , 4 0 l 开发的基于实例概念设计原型系统，采用框架和 规则混合表达的方法。王知行【4 1 ，4 2 j 等基于实例模型进行推理，具有较强的推理功能和较 高的效率。钟佩思等【4 3 结合神经网络和专家系统的优点，提出了混合型专家系统结构。 孙正兴等【“l 提出了基于原型特征的产品模型。周济等1 4 5 】将设计实例和归纳性知识有机结 合起来，提出了基于实例原型的设计模型。r o t hk 1 删按照不同的物理效应与化学效应， 归纳了实现基本功能的效应变换与效应结构，建立了大量的原理目录，并提出了利用目 录的程式选择设计法( a a k 法) 。s u n 和c h e n 47 】则将输入问题和实例采用7 位代码表示， 并使用索引规则进行索引，开发了一个模型混合设计系统。功能原理目录法将设计任务 或分功能的解汇编为目录，从而方便检索查询。冯培恩等 , t s , 4 9 】研制了实现分离功能的原 理方案设计目录，在此基础上进行特征建模与作用原理求解。形态学矩阵及设计目录的 制定，是试图在功能和结构间建立对应关系，但由于功能的多样化表达和结构表达的有 限，致使效果并不显著。同时在运动方案设计的匹配过程中还较依赖于设计者的经验， 前期分类、归纳等准备工作需要花费大量时间，并且实现自动求解比较困难。上海交通 大学的邹慧君教授1 5 聊j 结合知识库系统与推理系统，对运动转换功能和机构类别编码加 以描述、存储。檀润华等1 5 2 瞧出基于进化技术的设计方法，文献 5 3 建立复杂产品进化 设计基因模型。谭建荣等i 划侧重功能语义元分析设计过程与方案表达，王玉新等1 5 5 5 6 l 建立符号表达与逻辑推理的设计方案思想。致力于该领域研究的还有k a n n a p a n p h 的代 数与谓词逻辑方法等【弛醴l 。一些学者1 罅7 3 1 在此基础上，提出产品设计的功能模块化配 置研究。此外，t r i z 理论1 7 4 - 7 7 1 的出发点是借助于经验发现设计中的冲突，问题采用定 性的描述，主要解决设计中如何作的问题，已经形成了一系列设计方法与工具，特别是 人迮理f ：人学博十学位论文 提出了设计冲突理论、标准解、a r i z 算法等，成为国际设计理论界公认的著名学派之 一。但对设计中做什么问题未能给出合适的工具，传统的t r i z 知识库中还没有信息技 术的相关成果。 基于实例类比推理方法需要大量具有代表性的典型设计实例才能有效工作，知识模 型较适合设计初期的知识推理，但由于机械运动方案设计面向的行业广，对象多，要求 各不相同，实际应用中实例获取还存在着诸多困难。同时，推理机制或者依赖于规则， 或者依赖于实例的特征，而二者能否被抽象和概括出来并指导设计实践，是应用该方法 进行方案设计的关键所在。此外，基于实例类比推理方法还有赖于人工智能技术1 7 8 】的支 持，但由于人工智能技术在当前还远未达到成熟实用程度，因而，在机械运动方案设计 中采用基于实例类比推理方法，还需要进一步探索。 ( 2 ) 基于图和树理论的特征符号建模方法 运用图和树理论的特征符号表达方案源于对机构简图及设计示意图知识的理解。 1 9 6 9 年a m h e i m 7 9 瞧出可视化思考的概念，1 9 9 0 年r a d c l i f f e 和l e e 提出一个可视化思 考模型l s o l 。图论于1 9 6 4 年首次被应用到运动链和机构中来1 8 1 , s 2 ，a r t o b o l e v s k y i s 3 j 对机 构依其功能建立了简图册。f r a n zr e u l e a u x1 8 4 j 最先研究了机构的各要素间的相对运动， 按照不同的运动副构成对机构进行分类，并开发了符号表达类似于化学中的元素组成。 探讨用图论方法进行机构结构创新设计成为一个重要的方法。图论表达机构基本方 法是以封闭的图代表机构，顶点代表连杆，边代表运动副。应用图的优点在于可以形象 化表示顶点与边之间是否具有联结关系，体现了在不考虑尺度的前提下，机构的一种拓 扑关系。通常顶点与边之间的关联关系可以用关联矩阵、邻接矩阵描述，其以曲柄滑块 机构为例，其运动链的图及邻接矩阵构建方式如下图1 1 。设图的顶点集 v ( g ) = v l v 2 一v p ) ，若v i 与v i 邻接，则a i i = l ：若v i 与v i 不邻接或坷，则a i i = 0 。 汹 pl i p 伞刊 图1 1 曲柄滑块机构图与邻接矩阵表示 f i g 1 1 g r a p hr e p r e s e n t a t i o no ft h es l i d e r - c r a n km e c h a n i s ma n dt h ei n c i d e n c em a t r i x d o b r j a n s k y 和f 砌d c n s l e j n l 8 5 】等人定义了多种邻接矩阵并归纳了它们之间的关系。 由这些邻接矩阵可以寻找到相应的结构。由于同一个运动链图的顶点标号顺序可以不 同，造成邻接矩阵不同，产生同构问题。采用邻接矩阵的特征多项式判别及其它方法可 q 1 1 o l o l l 0 i o m n m 机械系统方案设计的特征状态空间理论与方法 以解决同构问题1 。f r e u d e n s t e i n 和m a k i i ”j 提出了功能和结构分离的想法，在给出一定 数量、类型的运动副及机构的自由度后，借助图论的方法可以穷举出所有可能的结构型 式。t h o m p s o n ，t r i 耶j 依据f r e u d e n s t e i n 和m a k i 提出的机构功能要求和拓扑结构分离的 原理，将二者的一般性信息分别建成规则库，据此开发了t y s e s 专家系统。然而，这 只是进一步应用人工智能技术对图论方法的补充和完善。l a t i f a ih a k i m l 8 9 1 等人对图论表 示方法进行了拓展。用图的顶点表示构件，边表示相邻构件间能量的流动。这种拓展容 易看出组成元素间的能量流动，同时易于将其它约束条件如成本考虑在设计要素中去。 d o m e s 9 0 的通过人机交互方式输入设计问题的规定参数及结构属性，由此确定连杆 数、运动副数和运动副类型及个数，产生满足构件数与运动副数要求的所有非同构为标 注图形，这些标注图就是潜在的设计方案。f u n s l o n 9 1 的创新思路是产生所有可能的 未标注单方向路径，每个弧代表一个机构，每个节点代表输入输出连接，从数据库中选 择机构标注圆弧，进行排列组合产生方案。 台湾成功大学的y a nh o n g s e n1 9 2 , 9 3 】等人提出了颜氏创造性机构设计的系统方法，把 原始机构转换成只含连杆和回转副的一般化运动链，并生成所有非同构运动链，运用数 目综合理论，得到所需一般化运动链图谱。根据设计要求，特定化运动链图谱，并转换 成对应的机构，获得机构图谱。该方法可高效地得到满足现有专利技术要求，而不受专 利保护的技术方案。1 9 9 8 年1 9 4 j 提出用树状图( t r e e g r a p h ) 表达加工中心拓扑结构。 杨廷力等1 9 5 - 9 9 1 提出单开链迭加法，利用现有的机构结构，根据一定的规则，把结构 单元依次迭加到已构成的机构上去，形成更复杂的机构。 此外，为了解决机构的拓扑构造与功能要求分离的困难，1 9 5 9 年h e n r yp a y n t e r 提 出键合图的基本思想【1 删，e r m e r l l 0 1 l 和s h a r p l l 0 2 , 1 0 3 增学者将其应用到概念设计领域，键 合图中所用基本元件有九类，即势源、流源、阻性元件、容性元件、惯性元件、变换器、 回转器、共势节点、共流节点。元件之间由键连接，每根键上由半箭头表明功率流向， 由短线标明因果关系，有机地将这些元件结合起来可表达物理系统方案。 英国l a n c a s t e r 大学工程设计中心8 r a c e w e l lrh 和s h a r p ejee1 1 0 4 ，1 0 5 l 采用键 合图的建模方法考察能量系统，并应用基于规则的推理技术，但是系统侧重于控制转换 过程的研究，对机构部分的分析相对薄弱，且只分析了s i s 0 功能系统。致力于该领域 研究的还有s h a i l l 0 6 l 。s o n i l l 0 7 1 及国内的1 0 8 1 1 2 1 等。 树、图表达是常见的、最适合人进行思考和创新的表达方法，同时也是计算机最难 实现、最难理