（航空宇航制造工程专业论文）基于生物基因的智能cad创新设计研究.pdf

攘簧 摘要 速着计算机技术日新月异的飞速发栽，传统意义的产潞设计已经不能满足以 技术为客体、面向特定顾客或顾客群体的个性化设计。新采用的高级生产制造过 稳与传统设计方法豹不协调是设计中“藏颈”，邋j 毙在麓造生产中，设计成为最 大的直接戚间接费用花费区，研究数字化产品智能设计成为亟待解决的问题。 本文分孝厅稻箩曩绫了智缝设诗中翅薪设计静缺点，并且针对萁弱限性大，信惑 集成性不强的缺陷，提出利用生物工程思想，将产品关键信息采用带有特定语义 售患编玛方式表达；月爨零l 餍魏缡鹦搽讨产瑟刨毅设诗建模接术。戬踅来鳃凌浚 速建模，创新建模，跨平螽信息集成和跨系统信息集成等问题。 基于慰以往剑灏设计方法戆磷究，提斑戳七条缓设为基毯，采取瑟囱全过程 的逐步求精的思想，应用遨动自由度约束分析和特征属性矩阵运冀( 理论方法) 实现计算枫辅助创新设计。 本文菌先提出利用基因思想对零件分类的特征进行带有一定语义信息的信 息基因编聪； 其次利用本文提出的融合自幽度矩阵和融合特征属性矩阵，在逐步求精方法 下进行创掰运算，求解创掰设计模型； 最后针对本文提出的蒸于信息基因创新设计的方法，使用实例进行验证，并 在专家系统的模糊评价下。评价出最优模戮。之后使用仿囊模块进行设计模型的 仿囊输出。 关键词：储息基因模型，信息基因编码，c a d 建模，创新设计，模糊评价 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h et r a d i t i o n a lp r o d u c t d e s i g nm e t h o d sh a v ea l r e a d yn o tc o n t e n t e dw i 斑t h ei n d i v i d u a t i o nd e s i g nf o rt h e s p e c i a lc l i e n t s p a r t i c u l a rr e q u i r e m e n t s b e c a u s eo f t h ec o n f l i c tb e t w e e n t h eu pt od a t e m a n u f a c t u r i n gm e t h o d sa n dt r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d sa r o u s et h e “b o r l e n e c k ”o f d e s i g n i nt h em o d e m m a n u f a c t u r i n g t h ed e s i g n b e c a m et h em o s t e x p e n s i v ep h r a s ei n c u r r e n ta d v a n c e d m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e ，s o t h er e s e a r c ho f d i g i t a lp r o d u c t i n t e l l i g e n td e s i g ni sa nu r g e n tr e s e a r c hf i e l d a f t e rc l a s s i f y i n ga n da n a l y z i n gt h e d i s a d v a n t a g e so f t h ec r e a t i v ed e s i g n ，s u c ha st h ed e s i g nl o c a l i z a t i o na n dt h el o w e r i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n ，p r o v i d ean e wi n n o v a t i v em e t h o dw h i c hi sb a s e do nt h e g e n e e n g i n e e r i n gk n o w l e d g e m o d e l i t p r o v i d e a g e n e b a s e d c o d i n gs t y l e m e t h o d e x p r e s s i n gt h ek e yi n f o r m a t i o no f t h em o l dw i t ht h ee s p e c i a lm e a n i n gi n c l u d i n gt h e g e o m e t r y , m a t e r i a la n dm a c h i n i n gp a r a m e t e r s ，越t h es a m et i m e ，w eu s et h e s ec o d e s t os t u d yt h ep r o d u c ti n n o v a t i v e d e s i g nm e t h o da n d w i s ht os o l v et h ep r o b l e m ss u c ha s r a p i dm o l d i n g ，i n n o v a t i v em o l d i n ga n di n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o na m o n gt h ed i f f e r e n t c a d ，c a e ，c a m e t c i n f o r m a t i o np l a t f o r m s i nt h i s p a p e r , t h es e v e nh y p o t h e s e sa r ep r e s e n t e db yt h er e s e a r c ho ff o r m e r p r o d u c t c r e a t i v ed e s i g n i n gm e t h o d s b a s e do nt h e s eh y p o t h e s e s ，w er e a l i z ec o m p u t e r a i d e di n n o v a t i v e d e s i g nb ya d o p t i n gt h e i d e ao ff u l l p r o c e s s - o r i e n t e ds t e p w i s e p r e c i s i o ns o l u t i o na n da p p l y i n gc o n s t r a i n ta n a l y s i so fm o t i o nf r e e d o ma n dm a t r i x o p e r a t i o n o f f e a t u r ea t t r i b u t e s f i r s t l y , p u tf o r w a r di n f o r m a t i o ng e n ec o d i n gw i t he s p e c i a ls e m a n t i c s f o rf e a t u r e o f c o m p o n e n tc l a s s i n gb yl l s i n gg e n et e e h n i q u e t h e n i n n o v a t i v e l yo p e r a t ed e s i g nm o d e l i n gw i t l ls t e p w i s ep r e c i s i o nm e t h o db y u s i n gf r e e d o ma g g r e g a t i o nm a t r i xa n d f e a t u r ea t t r i b u t e sa g g r e g a t i o nm a t r i x 。 a tl a s t ，g i v eam o d e l i n ge x a m p l eb yu s i n gt h ei n f o r m a t i o ng e n ei n n o v a t i v e d e s i g nm e t h o dp u tf o r w a r d e dh e r e ，e v a l u a t i n gb e s tm o d e lw i t hf u z z ye v a l u a t i o no f s p e c i a l i s ts y s t e m k e yw o r d s ：i n f o r m a t i o ng e n em o d e l ，i n f o r m a t i o ng e n ec o d i n g , c a dm o d e l i n g ， i n n o v a t i v ed e s i g n i n g ，f u z z ye v a l u a t i o n 珏 西北丁业大学硕士学位论文 第一章前言 第一章前言 1 1 基于生物基因智能创新设计的研究意义 随着信息论、控制论、系统论等科学技术的迅速发展，全球市场竞争日益激 烈，产品品种繁多，更新换代更加频繁，复杂性不断增加，交货期日益缩短。产 品生产逐步以小批量、多品种的生产方式代替以前的单一品种大批量生产方式。 在这种生产方式下，必须缩短产品生产周期，降低产品成本，才能提高企业在市 场的竞争力和占有率。为适应市场需求，计算机辅助设计与制造( c a d c a m ) 、 计算机集成制造系统( c i m s ) 、并行工程( c e ) 、异地无纸协同设计等新技术、新思 想、新模式应运而生。各个领域的理论和技术在统一的方法论的指导下日趋整体 化，人工智能也逐渐应用于产品设计中，形成产品智能设计。它主要指将具有数 值计算能力的c a d 系统与具有知识处理能力的人工智能系统结合构成新的系 统，即智能c a d 系统( i c a d ，即i n t e l l i g e n tc o m p m e r a i d e dd e s i g n ) ，这种设计 过程称为智能设计。智能化设计方法的主要特点是：根据设计方法学理论，借 助三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，以及多媒体、超媒体工具进 行产品的开发设计、表达产品的构思和描述产品的结构。创新设计是智能设计崭 新的研究领域，设计者凭借已有的设计经验借助计算机高效的运算得到满足用户 需求，但又具有设计者未预见到的设计结果。创新设计是智能设计一个重要的评 价指标，使计算机具有人类专家的创新设计水平是智能设计的研究核心和追求目 标。 c a d c a m 技术的基础是二十世纪五六十年代出现的数控技术、计算机图形 学和计算几何学。它以计算机作为主要技术手段来生成和运用各种数字和图形信 息，进行产品的设计与制造。c a d c a m 技术虽然改变了工程技术人员和劳动工 人的工作方式，有效地缩短了生产时间，提高了产品质量，但由于其主要目标和 成果只是解决制造过程中一个局部活动中的问题，不能有效地处理面向整个制造 过程的信息，因而导致了所谓“自动化孤岛”问题。对于制造系统这样的过程系 统来说，大量的信息交换及共享是很自然的要求，因此信息集成问题成为当前制 造系统的“瓶颈”。 为了实现c a d c a e c a p p c a m 等c a x 系统之间的信息集成， c i m s ( c o m p u t e ri m e g r a t e dm a n u f a c t u r es y s t e m ) 这一信息时代制造业的生产、经营 和管理模式开始出现。c i m s 综合运用现代管理技术、信息技术、自动化技术、 系统工程技术，将企业制造过程( 市场预测、产品设计、制造、装配、储运、管 聪北工业火学硬土学位论文 第一鼋前言 理、销售和售后服务) 中备功能子系统、人、技术及信息流和物流完整而有机 越集成起 泉，以保涯企业内部售崽的一致性、完整牲、及时性翻共享瞧，从露 达到企业的整体优化，实现缩短时间( t i m e ) 、提高质量( q u a l i t y ) 、降低成本( c o s t ) 和完善服务( s e r v i c e ) 的目标，即_ | i 哮谓的t q c s 。茭核心是通过追求信息的集成 达到系统的整体最优。 随着并晕亍工程、c i m s 和无纸设计技术的发展和应用，单个零件的设计、生 产籀管理都己实现了相当的自动化、集成纯水平。楣浇之下，设计和生产的落后 现状，使之与产品开发过程中其他环节的集成化程度很低。然而在工业化国家， 产箍的生产过程串产晶设诗瑟需工露占产晶生产懿造总工时静4 0 - 6 0 ，设计 成本占总嫩产成本的5 0 左右，大约3 0 左右的人力从攀设计方面的活幼 2 3 0 因忿，设计是产晶生余震期戆重要坏节，楚产品动能实残懿主要避程。 然而，就目前的产品设计和产品开发现状来看，尽管许多大型企业已缀实现 了无纸化设计魏生产，但燕并没鸯足够重筏产品熬蟹l 化没诗，鸯茨产品终梅及 其工艺的设计工具和设计水平仍然十分落后，与设计在产晶生命周期中的熏要地 位极不相称。另处，就现褥的产鼓设计两蠢，c a d 工具坎馋对产是结构设计载 支持能力仍很差。目前流行的p r o e n g i n e e r 、c a t i a 和u g 等大型3 d 绘图系统， 只做到对产品的几何结构设计和麓单几何特征之间的干涉关系捡验等功髓的支 持，因此，它们仍然是在几何范畴内进行产品的分析和设计。在c a p p 系统中， 目前也多怒针对单个零件制造工艺的设计，对包括产品设计在内的产品工艺设计 与分拆死乎没有。嗣薅由于c a d 设计较锫的不同簿致不阍平台之闯不黥赢效稳 定的传递数据，不同c a d 软件和c a p p 软件在数据信息传递过程中不能究全将 设计信惠传递囊热工工艺缡篱l 文档串。p d m 软 孛簿设计傣意懿零熬 串熬凡餐癸 形信息、产品制造正艺信息和产品管理信息仍处于只有基本管理信息，而无设计 信息积功能信息。 由于设计手段的落后，目前企业设计部门仍魑依靠技术经验丰富的设计师、 工艺师来宠戏产品绫构及工艺豹设诗任务。受设计襞的知识髑限魏秘主鼹瞧静影 响，不但产品设计周期长，而且对于复杂产品的设计，设计者往彼无法全两考虑 备方面，备层次的闯题，彼往只能凭借经验来寻找可行解域局部较优解，众局最 优的舀标往往难以实现。弱外，新采用的高级生产制造过耩与传统设计方法的不 协调也成为设计中的瓶颈。因此在制造生产中，设计是最大的直接戚间接赞用花 费区，研究数字纯产品智设计成为亟待煞决静闻题。为此本文提出翻蠲燕物工 程的思想，将产品的关键信息采用编码方式表达，称这种编码为信息基因编码； 希鎏遥遭它将零部件垂冬倍惠表达菇鬻有特定语义谂惑绽鹞，蘑对拳j 蔫踅编鹃探讨 产品建模技术。以此来解决创新建模，跨平台和跨系统信息集成等问题。 豫抟工业大学礤士学位诧空第一嚣翦言 1 2 生物基因智能设计的研究背景 随着先进制造系统的出现和产品信息的紧密集成，产品更新换代加快，工厂 中以往的设计方法也目濒樊端，无法适应强前生产中流行的小批量、多品耱的设 计要求。遮要求工程设计人员建立一套有效地产晶开发方法，为此许多专家学者 以计算机图形学为理论基础，以产品几何( 特征) 模型为核心，提出种种计算机 辅助的设计方法模型。虽然现有酌许多c a d 软件在产品酌分析、计算、绘图以 及制造方谳发挥了很大的作用，但产品开发更注重的是非数值计算和通过思考、 攥疆帮翔鼗靛翅凝活动。诚然基予足侮( 特征) 禳燮豹c a d 技术能够缩短设计 时间、改良已有设计，提供方便有效的制造接口，但是只柯创新活动才能真正从 校本上进褥产品蕈耩；才筑为李圭会提供穆类更多、琏能委事鬻、徐格更经济、。陡 能更佳的新产品；才能在产品的性能、质量和价格辞方面产生质的飞跃。可以说 现代设计麴核心就是刨薪设计，它爨要偌熬以往豹设计经验、根攒凝兴技术提供 的新方法进行产晶的分析和设计。因此，许多学者试图将人工智能技术融入c a d 技术之中，并为之做出了许多有益的尝试，提出了许多面向产品创新设计的c a d 方法，对加速新产品的开发起了积极韵律用。 与此瞬时，生物科学谯新的科学理论搬引下邈速发展，生物信息学和生物信 息对比学也相继而生，取褥了长怒发展，为入类在生物研究领域和生物再辍理论 撼供了坚实的基础。1 9 9 6 年7 月兜隆羊“多利”经过2 4 7 次失败之后在萸国爱 丁馒罗囊棒研究掰诞生，囊告生携信惑壳隧技术避入了一个崭薪熬篇章，在毽界 各国引起科学家广泛关注。 回顾傍生辩攀，许多摹季学理论耪发鹱都是詹蕤窝拳l 蠲生物赛已有静知识模 型。其中人工智能、遗传算法和神经网络都是这些科学理论的杰出代表，它们的 撼濑窝广泛应溺足苏涯羁傍生秘攀戆往点。镶妇久工餐能怒诗箕撬模羧入瓣思维 方式，使计算机具有自学习和自创新的能力；遗传算法和神经网络主要用于优化 求鳃和鱼动控制淘题中；弼榉霉达也是仿照蝙蝠利用超声波定位黢视远程物体。 这些科学理论启看专作者对比设计系统和生物系统，能否得出它们之间的相似之 处。最终发现：生物界的生物都是遇过基因载体糨器自的特征信息或功能特征信 息表现出来，丽每一基因又是通过大量的d n a 片敬按照各自排瓢顺序组含雨成， 一个d n a 片段具有自己特商基本的功能信息，每一个d n a 片段又是通过四种基本 梭萤酸a 、c 、g 、t 按照不同豹捧捌颓序缀或珏3 。这释锾溺最基本静核营簸静组 合表现最终特征这一思想也可以应用在创新设计中。在创新设计产品时，有时需 要经常重复稳蔫篥鍪特征零俘或纛菜些帮 串来完袋菜耱功麓设计。我粕可以将磁 要设计的产品分解成最基本的图形，例如矩形、圆形、三角形、梯形和基本的空 西北工业大学硕士学位论文 第一章前言 间拓扑结构如圆柱体、圆锥体、球体、正方体、楔体、圆环体等基本体素。正如 核苷酸的数目虽然少，但是却可以组成形形色色的生物一样，这些基本特征的数 量虽然少，可他们在空间的不同组合却能生成出形形色色的结构零件来。例如 c a t i a 、u g 和p r o e 等大型3 d 软件就是利用这些基本特征作为基本图素。因此 本文以基因理论为基础，提出基于信息基因的产品创新设计方法。 1 3 创新设计研究现状 1 3 1 产品智能设计研究现状 智能设计始于2 0 世纪8 0 年代初期w e s l e y 和t a k e y a m a 等人的研究工作， 到了9 0 年代，产品智能设计及其理论的研究才引起广泛重视和讨论。综合国内 外关于智能设计的研究现状和发展趋势h 1 ，智能设计按照其智能设计水平先后可 分为：常规智能设计( 推理机设计) ，初级智能设计( c b d 或联想设计) 和高级 智能设计( 进化设计) 。常规智能设计是目前投入实际应用的主流设计，但是只 能解决定义良好、结构设计良好的普通设计问题；初级智能设计目前已有初步成 功的理论知识，例如基于实例推理的设计方法巧1 和经过神经网络优化参数设计 1 ，实现了对推理机设计的一定突破，但是系统并不能自动产生新的设计方案或 设计模型；随着遗传算法引入机械工程领域有了进化设计，但是遗传算法主要解 决的是优化问题，而机械设计最困难的问题不仅仅是优化更主要的还有设计方案 的创新，同时遗传算法所需的编码串目前只有二进制和十进制码，故并不能完全 直接的表述模型信息，同时也不利于进行方案创新设计。 1 9 9 6 年举行的“设计中的人工智能”( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ei nd e s g i n 9 6 ) 国 际会议上，m a r o s e n m a n 提出了设计中的进化模型，进而将进化计算作为实现 非常规设计的有利工具，标志智能设计达到新的阶段。本文提出的基于基因建 模是对优化和设计相结合的创新设计的一次初步探索。 1 3 2 产品创新设计研究现状 随着创新概念引入产品设计，创新设计也逐渐成为智能设计的重要研究领 域，目前产品创新设计的c a d 方法主要以现有的c a d 技术和人工智能技术为 基础，以产品创新为目的。它以产品的设计要求为初始输入，产品设计方案为最 终输出，包含了概念设计方案的生成、功能单元的结构设计、产品装配设计、详 细设计、改良设计以及产品数据模型的生成等方面。根据产品创新设计的侧重面 不同，把现有的创新设计的c a d 方法研究归纳为基于分解的功能方案设计方法、 面向功能单元的结构设计方法、基于装配的产品改良方法、面向全过程的设计方 两北工业大学硕士学位论文第一章前言 法及模型等4 类。静3 类麓创薪设诗过程豹3 个主要阶段，第4 粪主要筑设计方 法学角度论述计算机辅助创新设计方法的设计过穰模型。 1 ，3 2 1 基于功能分解方案设计方法 产品的功能方索设计可以说楚整个设计过程中最拐懋是最重骚的一步。震要 我出可以实现该产品功能的各种可能方案并进行优选。此方法关键在于如何进行 产品设计要求的功能分解，因为产品的设计要求是最糖炼的产品功能描述，丽形 成产品的却是许许多多完成一定功能的零鄢件的缀合。如何将抽象的产品谈计要 求转换为具体的、现实的功能要求充分体现了人的创造活动。对这方面的研究， 焦点主要集中在秘髓分瓣豹禳箨上，有两种方法眈较典麓：一耪班r o b e r t h s t u r g e s 为代表，以价值工程理论( v e ) 为背景，采用功能分解，称为功能逻辑分 辫方法疆，粥；另一耱叛y a s u s h iu m e d a 梵我表，戮人蕊认知模型麓鸷景，采爱 亍 为分解，称为f b s ( f u n c t i o n 。b e h a v i o r - s t a t e ) 方法n o ，1 1 1 。虽然两者都处于发展之中， 毽楚嚣者的分解菝握更黠避工程设诗斡愚维模式。 1 3 2 2 面向功能单元的结构设计方法 侧重予这方西研究静包括m e r v ir a n t a 2 、z h a ow a n g f l 3 j 等，主要强调如何 将功能性的描述转化为能蜜现这些功能的舆有形状、尺寸以及相互关系的零部件 静描述，箕核心楚一个浃瓣过程。个典黧的方法楚基予功能一路 奄一装酝三个 层次的转换方法。铝认为功能层表达功能分解的结果，主要体现的是产品功能描 述，不涉及其傣瓣零 季形狭、足寸等要素。基本凌髓单元由足今荚震完羧该功 能的功能蜜体和这些功能实体之间的关系( 对应于某个物理模型) 组成。而装配 层疲该能髂瑷该功憩设计方寨的实现效暴，由具鸯形状、尺寸的零l 孛( 霹以是尼 何模型，烫多的是用特征模型表达) 以及这些零件之间的关系组成。因此，在这 秘方法中转换就是建立一个中间艨，被称为结构。结构分两层，上层以功能实体 为输入，按照该功能实钵所起的作用转换为一系列特征单元，作为输出在装配层 进行结构设计生成零件；下层则以功能之间的关系为输入，将它们转换为一系列 装配特征，用来在装配设计模块生成装配约束。遮稀转换方法与工程设计院较符 合，其功自一结构装配三个层次充分体现了设计师的设计过程。 1 3 2 3 基于装配的产品改良设计方法 装配设诗将藤先分数豹凄能零部 孛缝合残产燕，虽然该产鑫瑷论上能够实褒 予员计的功能要求，但是由于外部环境的限制( 比如空间位鬣限制等等) ，网此还 需要在装酝模型级进行产黼的改爨设计。慕予装配的产品改良设计方法包撼了产 品的装配设计以及改良设计，它们统一于装配模型之中，装求装配模型能够插述 西北工业大学硕士学位论文第一章前言 产品的内部组成以及各子部件之间的相对位置关系，要求能够分离出某一子部件 进行改良设计，也可以调整部分子零部件的位置。当装配体内部某一子零部件的 形状、尺寸、位置发生变化时，应该能将这种变化扩展到所有零部件，即实现产 品的变动设计，同时也要求实现子部件的可重用性。装配模型采用的约束方法有： 坐标系约束方法、位置约束方法、运动学方法、f i t s a g a i n s t 方法。这些方法各有 利弊，在一定范围内都能实现产品的变动设计要求，但是又都存在各自的局限性。 如何消除局限性，使之具有普遍意义，同时符合工程设计的习惯将是这方面的研 究重点。 1 3 2 4 面向全过程的设计方法 面向全过程的设计方法及模型的研究，根据其发展过程可以分为3 种观点： ( 1 ) 面向对象设计模型，它代表着设计方法学的组合创新设计阶段；( 2 ) g d t ( g e n e r a ld e s i g nt h e o r y ) 模型，它能够体现创新设计方法学的创新思维过程 ( 分解、映射、综合) ，代表着开环创新设计阶段；( 3 ) 逐步求精模型，它充分 体现了人的创新思维模式：继承中创新、反复迭代，代表着工程设计方法学的闭 环控制创新设计阶段。 面向对象设计模型( 1 4 ，1 5 】认为设计建立在已有的专家经验之上，是对原有设 计方案的演变或者简单地对部分功能以及结构进行调整。因此，在设计之初需要 对设计要求的功能分解方案以及各功能的实现方案都有一定了解。整个设计过程 变成从功能分解的高层往低层不断地进行基于专家经验知识库的虚功能的特化 ( 当知识库中存在能够满足该虚功能的对象时，即产生该对象的实例) 或者分解 ( 当知识库中不存在能够满足该虚功能的对象时，即按照知识库中的分解方案将 这项虚功能分解为几个子虚功能) 过程，直到所有功能都由特征对象实例来完成。 整个设计过程生成一棵多叉树，每个分叉点就是一次分解过程，而每个叶节点是 一个特化对象。这种设计方法一般针对某一类设计对象的再生设计，需要建立设 计对象的特征对象知识库以及功能分解知识库。 g d t ( g e n e r a ld e s i g nt h e o r y ) 模型【i6 ，”1 认为设计的核心是一个分解 ( d e c o m p o s e ) 、映射( m a p ) 和综合( s y n t h e s i s ) - - - 个阶段的过程。它以功能目录为 依据，功能目录列出了所有的基本功能单元，以及一对多对应的各种实现方案， 无论设计方案如何变，它的基本组成都出自该功能目录库。功能分解过程就是将 设计要求进行逐层分解，直至功能目录中存在对应的基本功能单元为止。映射过 程就是根据所要设计的基本功能的特点从功能目录中挑选能够完成该设计要求 的子功能零部件组。它需要建立一个功能目录库，输入为抽象的功能要求描述以 及一些约束条件，输出为符合设计要求的零部件。综合过程则是根据分解过程提 嚣地王监太学联土学挺论文第一塞蔫言 供的各基本功能螭元之间的关系将各个子功能零郝件组台成一个撼体。这种设计 蠢法是一耱蹙鍪熬器繇畿蓊设落+ 方法，转臻歹天妁魁囊竣诗愚终鼹三令鼢羧，宅 遥篇于各种设计蹙燮，设计出的产品很大秘度上取决于功能分解方法以及功能目 袋黪。毽是它是一个聂垮累绫，无法对设诗鳃遴嚣按裁，藤在实瓣生活孛次毯 薪设计煎结暴是徽罐实搿瀚。 逐步求糖模型【1 8 , 1 9 认蕊设计避援是一个逐步袋糕过程。这饕方法滋g d t 摸 蠹为理论辩蒙，葡辩综合了驭认知设诗过秘密验褥琏j 韵结祭。它与g d t 横型不 同，不认为设计是f l i 单的功能映射，藤是从霭求撼述( r e q u i r e m e n t ) 入手，嚣求被 籀逑为珐髓( f i m c t i o n s ) 、嚣为( b e h a v i o r s ) 帮属援( a t t r i b u t e s ) ，在浚诗过程串这3 种描述被邂渐细化、修正、测试，崴到能够形成产品为止。蹩个设计过程魁一个 不赣遘磐镶繇篱予繁元设嚣遥覆。黎金子零元凌毒卡遵疆又霹劳受5 令子过程； a w a r e n e s so f t h ep r o b l e m 对当前阃题域进行分解，分离出已经解决的部分，将 寒簿凌豁子瓣题送入下一藩；s u g g e s t i o n ；黠予舞鏊避行求辩，簌满是子氯疆要 求的设计知识中挑选侯选解；d e v e l o p m e n t 对髅选解进行修改； e v a l u a t i o n ： 砖袋选解避簿溺试、译侩；c o n c l u s i o n ；挟定是接受还是放赛该爨，羞教蹇粼遥 圈s u g g e s t i o n 层鬟新选解，若接受潮返阐a w a r e n e s s o ft h ep r o b l e m 层避行下一 个闼题的求解。这葺孛设计磐法的最大佳点楚卷在孵的评价瑟，兔谗艇解进程反馕 接镶，避露产晶蕊纯，蘑銮 ：宅是个添环设讦方法，沈较符舍工稷设计人爨的愚 维模式。对设计模型的进一步研究聊以集中穗这种方法上，关键是如何使认知模 蘩憨瑾谂遥应实蠡瓣工鬈竣诗。 1 4 基子生物基因刽薮设毒专关键技术 经过对智能设计和创新设计酬究现状的回顾与综述，辩知创新设计阍题的实 囊怒涛产蘸楚燕嚣终黟黪鬣爨凄熬姆莲送行努类，褥薅遴避舅棼蠹在黎豫禽关 系，附加一定约束帑件，经过创新鞯法的逡簿得到所有的创新实体。因此创新算 法鹣鹾突鬃褥茏舞燕要，一透特程滚蘑表忝会理，懿囊算法粼霹器寒饕定辩终裘 下褥至候选的解空间，经j 臻进一步妁束则可以得到间题的淼局多个较优解。 奉文援凄楚基予蕞意萋毽羹瑟浚谤獒工终叁苏下覆方颡整痰：畿蓑设计摸董 框架的建立；基于象物基因特征信怠编码的研究：削新设计算法研究；创新设计 终黎趋评徐帮傍真。在上述茨建按零孛，袋裴设计黪法磅寒是关键棱心技零，霞 鏊予生耨蒸褥的特镣信息酌编码怒寓现创新设计韵蒸础，同时也是窳现数字化产 品供真的基础。因此，研究黎于生物基因的特征售息的编戳襄基予生物基圆的偻 豢设计算法暴毒卡努重要静意爻。 秘裁丁业夫学硕圭学搜论文第一辩蘸言 表1 1 基因c a d 建模理论知识模型 基因分瓣信惠爱耪基戮模型基溺c a d 装鬣模壁 基本的组成成份四种碱基赫本特征撼因 其用基本功8 l 成份d n a 片段标雄他的功8 特征 滚传信息的载体基因标准化的典型零部件 本文提出的傣息基因模型是程c a t i a 、u g 和p r o 愿躲c a d 平台的基础上 经过仔细分析得到的具有蒋遍性的信息集成模型。c a d 信息基因模型是建立在 生物基因知识模型的基础上，进行分析比较建立的一种结构，如袭l t 所示， 可以清楚鹣看出僖怠基因模型的鬃次关系，也可以磊出基围模型和工程信息模型 的相同之处。希望能够借助已有的生物基因知识模型，通过方法论探讨解决信息 集戏、跨乎台信惑丢失数及雾遗僖怠蛰嚣浚速反赢祝裁。 产品特征分类和编码研究，主要为以尉的创新算法提供基础。创新算法利用 鼗特征编褥送行产品豹设诗，逶过绽码决定扶中缮到是赞么特薤巍宠或传么样匏 功能，所以特征编码的好坏直接影响创新设计算法的优劣。 生物舞救生物形形色惩，丽组成这些擞甥的基本物质却只有毅蕈孛基本核萤酸 a 、c 、o 、t ，同样在产品设计过程中设计的基本图素只有几种，装配的方法也 只商几种，然而生成的产晶却可以很多而鼠可以很复杂。因此对产品设计的特征 分类显得尤为重要，对于本文提国豹信息蒸因割新c a d 方法来讲编码的伉劣更 为熏要。遇过图l 一1 我们可以看出基本特征到典型的零部件装配中，基本特征 豹信惠基函编码帮信怠基因特征黻舍编礤在整个绩惠基嚣翎薪建模懿重要往。 四个辙基兰望鉴竺氨基酸乏骂d 片n 段a 坚璧墨 基因 四个辙基 = = = ： 氨基酸= = = 仁= = = ： 基因 绪纛蕞霹鞲糕融台编鹃 信患基因特征融合编璐 基本特征编码匕= = = = = = ：= 功能特征编码鬣二= = = = = 典型零件 嚣1 1 ；萋嚣攒型奄信惠基戮横篓设计瓣诧 基于馈怠基因瓣剑裁没诗算法，主要怒摄握甏囱全遭穰逐步求粳模型缝合信 息基因的知识模型提出的一种利用拓扑学知识和数据结构的图和树的知识提出 的产品设计创额算法。利用约束祭传将求精算法中媳行为、属性秘功能等特征经 过对特征之间隐含的关系和约束简化为约束条件函数，简化了逐步求精创新设计 的过程，并提高了求解效率。 基于信息基因的创新设计的评价和优化，主要是针对最终的求解过程所适应 的评价函数，利用已有的经验知识，依据许多评价标准，对影响设计过程和设计 8 西北工业大学硬士学位论文第一章前言 结采匏各种数值和菲数值函素在一定翻新设计的条件下避行模颧综合评价，找到 满意的设计结果戴对创新设计的结果提出修改意见，反馈网零件设计初始条件阶 段。 1 。5 本文主要工作 本文提出的纂于生物慕因模型创新设计方法，主要是撼于现脊的生物信息学 耱基因售惑j l 圣毙学知识攘爨，氆婺久戆认熟悉怒，结合珑代数学纛论帮计算撬知 识得到满煅用户需求的c a d 模型。由于创新设计的复杂性，也为了简化一些不 必要的因豢，本文在讨论实现方法蘸，做爨以下级设翦提条馋： ( 1 ) 只针对机械类产品的设计，不考虑飞机等有自由曲面的产晶的设计； ( 2 ) 参与剖凝设计静特捱均菇基本豢援特廷； ( 3 ) 假定每一个特征及特征组成的融合体都可以看成材一个最小包络的立方 体( 最小氆终立方体指特缝及子融会体我终截最小立方傣) ： ( 4 ) 每次融合操作只加入一个包络立方体单元； ( 5 ) 每次融会搽炸焉，对应甄黪经闽戆获囊关系一次建立，豆在以螽懿融合操 作巾先加入的特征与和它相融合的特征保持相对位霞不变； ( 6 ) 爨窍躲剑裁设计融合操作的方趣均楚沿x ，y ，z 辜霆方囱，显只考虑浍坐 标轴的平移运动。 ( 7 ) 爨蠢刨薮设诗的零终均霉簧经过赞绞戆零髂结构设诗携搜骏，同露校验骏 函数也是约束函数的一种。( 由于零件有不同的校骏公式和优化的嗣标) 为了突出研究重点，本文将这些关予设计校验和优化设计的露标函数简化 为一个设计优化熏箱函数，假设所有设计的结果已经满足遮个黑箱函数， 因此所做的创新设计都已经过强度和刚度评价，并将不合格的零件淘汰。 丽本文在最终所要考虑结构设计方疆静影响因素建整体菲数值计算因素： 包禽设计模型的重爨、所占据的空间体积和模型的空间稳定性。 基于艇耪基戮翻薪设诗方法童要是钎对瑶囱条过程逐步求耩算法豹稀改 进算法，为了解决算法求解的组合爆炸问题以及人工判断的弊端，提出如下的解 决方法：麓先褐逡零锌弱蒸鑫层次模墅；獒次投攥该攘鼙，将一令复杂赘大满逶 划分为若干个小问题；再缩合几何推理、几何计算和信息熬因知识模型，将零件 奁小甄摸阏题基破上，分艇为基本特征，势生感到羧设诗熬基露钱褥，图瓣进牙 数据存储：最后利用模糊技术对创新设计的模型进行评价和优化，利用仿真技术 进行三维建模仿冀。具体核心内黎毒以下几点： f 1 )在分析三维c a d 造测软件u g l 7 、c a t i a 和p r o e 特征建模的基础上，总 9 西北工业大学硕士学位论文第一章前言 结爨零件信惑基透穰壅框架，同耩亨分析零 孛建模辑濡要的特征分类信息。 特征间的关系，特秘与零件之间的关系，特征与几何拓扑之间的关系。并 在魏基疆土，建立零 孛、特疑帮凡誊虿据羚之瓣戆关系模鍪。 ( 2 )在m i c r o s o f tv i s u a lc 十+ 6 0 开发环境下，将低层几何拓扑信息结合信息基因 知谈模型进行缰缎、接理、麴象及转换，餐到镁薪设诗爨嚣模型中熬裹层 抽象创新知识信息，形成面向全过穰的信息基因创新设计模型。 ( 3 )到溪层次剑赣设诗模型孛载特征层次关系爨寝特，压联接关系蚕，莱爰1 分治 思想生成创新设计的零件。对特征层次关系树和特征联接关系图采用矩阵 存储和运箕褥到可行刨薮设计鲍解。 ( 4 )在求解的过程中，每一次融合操作结束都要经过优化黑箱函数、简单约束 判瞬灏自由度判断褥到德合约束的嬲，尽旱删除不德合要求螅艇。 ( 5 )将所有创新设计模型按照生产实际、设计的时间、缩构和功能等因索进行 模糊评价与优化，褥到满足实际建模设计环境的创掰设计模裂，共在u g l 7 平台上进行过程仿真验证。 嘻。6 本文章节安撵 本文的内容安刳 如下： 第一章前言。综述数字纯产品计算机辅勘设计在c i m s 、并行工程、无纸设计 中的重要意义，在国内外的研究历史和研究现状；创新设计在数字化产 品信惠中豹重要蛾位；创新设计静研究掰吏和研究现状及基于基翻信息 的创新设计的方法定义；基于基因信息的创新设计的方法的关键技术和 圭要难赢；本文懿主要疆究内容翻研究方法；本文豹章节安耩。 第二章基于信息潦因创新设计的总体框架。首先介绍基因信息模型，其次叙述 豢予信怠蒸因翻薪设计磷究静慧体框架，疆螽详绥夯绍该系统各个模块 的主要功能，包括信息特征分类和编码研究、基于生物基因的创新算法 茨鹾究、蓥于生物墓西戆翎赣设谤结果熬译徐、蒸于生携基因鳆毯毅设 计的仿真铸。 繁三章基予生镌蒸因产菇特征分类积编璐磅究。谬缨余绥在方法论鳃据器下剥 用人工智能解决在信息集成环境下的特征进行分类和编码的难题。借鉴 生物基因驰知识模型、人工智能知识和c a d 知识，提出基于生物基因 知识面向众过程的特征信息的各种表示和存储方法零件特征分类标 准、特征属性表、特征树和特征编码信息结构体。同时撼如基于熬因知 谈特征融台数学模型，为旗子生物基因创新设计做好准备工作。 1 0 西北工业大学硕士学位论文第一章前言 第四章基于生物基因创新设计算法及实例。首先通过分析创新设计的难点，提 出在基因知识模型和特征融合算法基础上，融合特征的矢量图、矢量运 算组合和约束函数，解决创新设计方法的难题。给出算法实现的具体框 架和简单创新设计算例。 第五章基于生物基因创新设计评价。通过专家系统对第四章生成的创新设计实 例进行模糊评价，从中选择较优的设计模型，完善基于生物基因创新设 计方法系统。 第六章总结与展望。总结本文的主要工作，分析尚未得到很好解决的技术问题， 展望今后的工作方向。 西北王业大学颀学位论文 第二章基于生物基因剖蔌莰 十躲总体握絮 第二章基于信息基因创糯设计的总体框架 本章在阐述信息基因模鳖之嚣，详缅介绍了基予信息蒸因翻新设计的越体框 架及其各个知识模块；每个模块在糕于信息基因创新设计中的主要功能和实现的 主疆愚路戬及实瑰器个摸浚豹子系统之藏鹣珐毙按日关系。 2 1 信息基因模型 生物有生命周期，对比生物系统，产品也有自已的生命周期。生物通过基因 表至冕塞己黟特 正，势显逶浚基因遗传垮塞悉静蒸本孪毒薤复涮绘下一代。弱样，所 有新产品姆它上一代产品也有一定的联系。就象一魑不同的生物之间存在赞许多 媚戗之处一撵，冬耪产赭的都馋、零馋及零传之阉豹缝构特摄闻郝蠢缀多棚似性。 这螳相似饿相对予产品信息的简化、再用和重组都有重要意义。这艟相似的特征 为本文研究提供了足够的依据，说盟在信息集成中，信息可随时间空间的变化丽 移植、扩餍、再现、就象擞物体的基本单霜一样。这些特锻信息被称荧产懿信息 基因。 2 0 l 定义2 1 产晶信息：关于觚产品概念设计、结构设计到工艺设计、翻造乃 至使用和维护的各个环节中与产品寅直接关系的备种信息的总称。包括为期能设 计、分析、稍造、溅试、梭验两全西定义豹零部锋所需要豹忍褥、籀芥、公差、 关系、属憔和性能等特征信息，另外还包括一些与相关处理信息。 定义2 2 产赫蓿怠蒸因模甏：是对产品信惑蒺弱静一穗播遴，反映冀结稳 和功能特镀以及各种产品信息基因间的关系。 定义2 。3 镶患基因缓稻串：燕反浃麓产晶稳关豹且麓、耗羚、公差、毒孝辩、 属性和性能的编码信息，同时该编码串和c a d 模溅之间相互映射。 表2 - 1 产菇蓬惑羹鞠筷鼙黯耽表 基因分屡信息生物基因模溅然因c a d 设计模型产品工艺模型 鏊本静缎织成傍嚣静碱羞基本特征基因蒸本工艺躲谖 基本功能成份d n a 片段标准化的功能特征典型工序 速抟信息的载俸基弱标准往豹典鍪l 零部件典墅工髦 产品傣息基觳是产品基因模黧中用于产品特镊拾取、转换和创新的一种最小 的信息单髭，对产鼎信息豢翻模型有其重聚的意义。表2 。l 显示了基因c a d 设 计模型与产品工艺模型和嫩物基因模型之间的对威关系。 1 2 西北工业人学硕士学位论文第二章 基于生物基因创新设计的总体框架 2 2 基于信息基因模型的创新设计系统总体框架 从获褥剖毅设诗模型接透爨发，文中瓣产品翻掰没诗纛整系绞核心在 w i n d o w s 平台上利用m i c r o s o f tv i s u a lc + 十6 0 进行开发，涉及产品的信息基因编 鼹、产品刨毅建模生成、产品创裁设计结暴鲍评份、刨掰设计豹仿真等几令主要 关键技术。 设诗过程遂缀以下懋鼹： 1 ) 利用c a t i a 、u g l 7 、p r o e 中对产品建模特征进行分类，得到最旗本的 建模实毒拳特薤元豢，在基予蓓怠基因静知谈模型掺母下搀造含寿滋次关系瓣信惑 基因模型： 2 ) 肇j 媚编磷学和戒缓技术，僚鎏生物基因知识，并缡合c a d 中的混合建 模技术( b r e p 和c s g 建模技术) 对基本建模常用的实体特征进行编码； 3 ) 稍用融合萋因信息编码、备种约柬条件，经过几何运算和设计知谖规则 进行创新逡算得到初步创新设计零件模型； 4 ) 便用模糊评价模块对创新设计结聚模型进行分析，选择出较优结果后在 u g l 7 平台输出创新设计的仿真模型，验诞整个系统的可行性。 系统结构如图2 - 1 所示： 鍪2 - 1 萋手基固翎凝设诗系统框絮鹫 蕊托l 二业大学颈学位论文第二二章基予生锯基隧剿凝设计斡想蒋框架 2 3 系统功能概要 2 + 3 1 实体特征分类和信息基因编码模块 依据三维造型方法和理论，舀前比较流行的遗型方法之一是錾于特征造型的 方法，这种方法主要是在b r e p 和c s g 造型理论綦础上提出的一种造型方法。 邋过对西藏流行豹三维逡麓软件u g 帮c a t i a 中静特征邋行眈较、分类藕综合， 得出基本特征分为点、线、面、球、圆柱、棱柱、圆锥等 2 1 , 2 2 】。通过对特征的分 类，可滋潺楚熬番爨褪缓产瑟基本上是耄这鳖将缝缓藏戆零俘装熬；匿残。嚣魏对 零件的特征分类和编码在熬个系统中有重要的研究意义。由图