（设计艺术学专业论文）数控机床结构到造型映射关系研究及其在CBID系统中的应用.pdf

摘要 本文依托8 6 3 计划基于案例的工业设计技术与辅助设计系统及应用研究 课题，探讨数控机床结构到造型的映射关系，构建由内部结构到外观造型的映射 机制，并实现了其在智能化的数控机床计算机辅助工业设计系统中的应用，其成 果同时可以应用在并行工程思想下的产品开发过程中去。 苕先给出基于结构约束酶数控机床造型设计过程，定义造型原型的概念来说 明由结构到最终造型的中间状态。造型原型是结构对造型的约束关系的综合体现， 表现为关键轮廓。论文以此为立论基础。 然后提出数控机床结构对造型映射机制的研究框架。即通过对数控机床结构 分解成若干结构特征，再把造型也分解成若干可以反映总体特点的造型特征，引 入特征映射的概念，建立由结构特征域到造型特征域的特征映射关系。特征映射 关系是分散的函数关系的组合，不能够直观的表达和在计算机辅助系统中有效应 用，并非研究的目的，还需要建立各种实体形式的对应或映射机制。结构特征重 新组合可以得到不同的结构形式，与结构特征相对应的造型特征进行组合可以得 到造型原型，这样就建立了由内部结构形式到造型原型的一一对应关系：在造型 原型的基础上，不同的造型意象特征组合形成不同的造型形式，这样又建立了造 型原型和造型之间的一对多关系。由于机床造型的特点，可以把三维的造型降维 为二维的轮廓来表示，研究就是应用图形分析的方法围绕轮廓进行的。 接着以普通数控车床和卧式加工中心为研究对象，具体分析，建立相应的映 射机制。 最后实现了其在c b i d 系统( 基于案例的数控机床工业设计系统) 中的应用。 根据基于结构约束的数控机床造型设计过程，借助关键轮廓这一体现了结构对造 型的约束关系的直观表达形式，构建了c b i d 的检索路径，并通过对造型原型的 修改实现系统的修改模块。 关键词：数控机床；造型原型；特征映射：关键轮廓；c b i d 系统 数控机床结构到造型的映射关系研究及其在c b l d 系统中的应用 a b s t r ac t b a s e do nt h es t a t e s 8 6 3 ”s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c t “r e s e a r c ho nt h e a p p l i c a t i o no fc a s e - b a s e di n d u s t r i a ld e s i g n i b c h n o l o g ya n dc b i ds y s t e m ”，t h e p a p e rd i s c u s s e st h em a p p i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r u c t u r ea l l ds h a p eo fn u m e r i c a l l y c o n t r o l l e dm a c h i n e sa n dc o n s t r u c t st h em a p p i n gm e c h a n i s mf r o mt h ei n t e r a l s t r u c t u r et oe x t e m a lf o r m ，w h i c hr e a l i z e si t sa p p l i c a t i o no nm ei n t e l l e c t u a l i z e dc a i d s v s t e mo fn u m e r i c a l l vc o n t r o l l e dm a c h i n e s ，a n di t sr e s u l t sa l s oc a nb eu s e di nt h e p r o c e s so fp r o d u c td e v e l o p m e n tb a s e do nt h et h o u g h to fc o n c u r r e n te n g i n e e “n g f i r s t l y ，t h ed e s ig i lp r o c e s so ft h es h a p eo fn u m e r i c a l l yc o n t r o l l e dm a c h i n e s i sp u t f o r w a r d ，w h i c hd e f i n e st h ec o n c e p to ff o mp r o t o t y p et oe x p l a i nt h ei n t e r m e d i a t es t a t e f r o ms t r u c t u r et ot h ef i n a ls h a p e t h ef q r mp r o t o t y p er e 弘e s e n t i n gt h ek e yp r o f i l e e m b o d i e st h er e s t r i c t e dr e l a t i o n s h i pf r o ms t r u c t u r et os h a p es y n t h e t i c a l l y ，w h i c hi s t h eb a s i ct h e o r yo ft h ep a p e r b a s e do nt h i s ，t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dar e s e a r c hf r a m e w o r ko ft h em a p p i n g m e c h a n i s mf r o ms t r u c t u r et os h a p e w es e p a t a t en cm a c h i n et o o l ss t m c t u r ei n t o s e v e r a ls t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sw h i l ee x t r a c ts h a p ec h a r a c t e r i s t i c sf r o mm a c h i n e t o o l s ，i nt h i sp r o c e s s ，w eq u o t em en o t i o n “c h a r a c t e r i s t i cm a p p i n g ”a n ds e tu pas e r i e s m a p p i n gr e l a t i o n s h i pf r o ms t r u c t u r ed o m a i nt os h a p ed o m a i n r e l a t i o n s h i po f c h a r a c t e r i s t i cm a p p i n gi sc o m b i n a t i o no fd i s p e r s i v ef u n c t i o nr e l a t i o n s h i p ，i t sn o tt h e o b j e c t i v eo ft h i sr e s e a r c hs i n c ei t c a n tb ee x p r e s s e de x p l i c i t l ya n dc a n tb eu s e d e f f e c t i v e l yi nc a dp r o c e s s ，w en e e dt oe s t a b l i s hm a p p i n gm e c h a n i s mo fe n t i t y w e c a ng e td i f 绝r e n tt y p eo fs t r u c t u r et h r o u g hd i f 诧r e n tc o m b i n a t i o n ，i nt h es a m ew a y ， c o m b i n a t i o no fd i f f 色r e n tt y p eo fs h a p ec h a r a c t e r i s t i c sm a k es h a p ep r o t o t y p e ，s ow es e t u pao n e t o - o n er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r u c t u r ea n ds h a p ep r o t o t y p e ；b a s e do nt h i s ， d i f f e r e n t s h a p ec h a r a c t e r i s t i c sf o r md i 虢r e n ts h a p e ，i nt h i sw a y ，w es e tu pa o n e t o - m a l l yr e l a t i o n s h i p b e t w e e ns h a p e p r o t o t y p e a n d s h a p e b e c a u s eo fm e c h a r a c t e r i s t i c so fm a c h i n et o o l s ，w ec o u l du s e2d i m e n s i o n sp r o f i l et od e p i c t3 d i m e n s i o n ss h a p e ，t h i sp a p e r 龃a l y z e st h e s ep r o f l l e so fn cm a c h i n et o o l s t h e w et a k en cl a t h ea n dh o r i z o n t a lp r o c e s sc e n t e ra so u rr e s e a r c ho b j e c t s ， i i 硕士学位论文 ! ! ! ! e ! e ! ! 目_ _ - - _ e j j ! ! ! ! ! ! 口_ _ ! e ! 目e _ _ _ _ _ e e e ! 目! e e _ z ! ! ! e _ _ _ e s t a b l i s hc o r r e s p o n d i n gm a p p i n gm e c h a n i s m f i n a l l yt h e s ea r ea p p l i e di nc b i ds y s t e m ( c a s eb a s e di n d u s t r i a ld e s i g ns y s t e m ) s u c c e s s f u l l y a c c o r d i n gt of o md e s i g np r o c e s so fn u m e “c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l w h i c hb a s e do ns t r u c t u r er e s t r i c t i o n ，c o n s t r u c ts e a r c h e sp a t ho fc b i d ，a n dr e a l i z e r e c o m p o s em o d u l eo ft h ec b i ds y s t e mb yr e c o m p o s ef o mp r o t o t y p e i nv i r t u eo fk e y p r o f i l ew h i c hr e p r e s e n t st h ed i r c c tr e s t r i c t i n gr e l a t i o n s h i pf r o ms t r u c t u r et of o r m k e yw o r d s ： n cm a c h i n et o o l s ；c h a r a c t e rm a p p i n g ；k e yp r 0 6 l e ；c b i ds y s t e m ； f o r m i n gp r o t o t y p e ； i 数控机床结构到造型的映射关系研究及其在c b l d 系统中的应用 插图索引 1 1 现代数控机床设计1 1 2 基于结构约束的机床造型过程2 1 3 由关键轮廓到造型原型再到最终造型的过程3 1 4 公理化设计3 1 5 问题定义模型4 1 6 湖南大学开发的数控机床i c a i d 系统5 1 7 数控机床并行设计模式中的结构到造型映射机制6 1 8 机床总布局设计的相关因素6 2 1 数控机床结构到造型映射关系的研究框架模型8 2 2 结构特征分类9 2 3 造型特征内部关系分析1 0 2 4 数控机床结构特征和造型特征的关系模型1 3 3 1 数控车床的布局形式1 5 3 2 数控车床床身和水平面的夹角与最大回转直径的关系1 7 3 3 普通数控车床结构特征域到造型域的映射关系1 7 3 4 结构参数与尺度的关系1 8 3 5 基于人机工学的不同床身高度数控车床的原型方案1 9 3 6 观察窗与水平面的夹角随着床身高度的变化趋势1 9 3 7 普通数控车床侧视轮廓造型子特征2 1 3 8 普通数控车床造型原型对应的侧面轮廓2 l 3 9 最终造型对应的侧面轮廓2 2 4 1 卧式加工中心结构示意图2 4 4 2 卧式加工中心6 种运动配置形态2 5 4 3 卧式加工中心实用的3 种运动配置2 5 4 4 三菱重工m - h 系列产品床身尺度和工作面尺寸的关系2 7 4 5 卧式加工中心床身高度和工作面尺寸的关系2 7 4 65 种常见卧式加工中心结构布局形式2 8 4 7 十字工作台型结构结构和造型原型的对应关系2 9 4 8 普通倒t 型结构与造型的对应关系2 9 4 9 倒t 型交换工作台结构与造型的对应关系3 0 4 1 0 普通t 型结构与造型的对应关系3 0 4 1 1t 型回转工作台结构与造型的对应关系3 l i v 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 5 1 基于案例的工业设计技术模型3 2 5 2c b l d 系统的两种检索方式3 4 5 3 基于结构约束的数控机床造型过程中的相关因素3 4 5 4 基于结构到造型的映射关系的案例检索技术中的关键轮廓3 5 5 5 数控车床造型意象尺度图3 6 5 6 基于数据驱动的案例检索技术模型3 8 5 7 系统入口和基于数据驱动的案例检索页面3 8 5 8 案例描述页面3 9 5 9c b i d 系统的修改机制3 9 5 1 0 从侧面轮廓拉伸形成造型原型4 0 5 1 l 承载了约束关系的控制轮廓4 l 5 1 2 整体修改模块界面4 2 5 1 3 色彩和零部件修改模块界面4 2 5 1 4 下载和保存模块界面4 2 6 1 课题组为南京数控机床厂设计的数控车床4 5 6 2 笔者参加“上海电气杯”工业设计竞赛金奖作品4 6 v 图图图图图图图图图图图图图图图图 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：序i 荟l 奄 日期：沙。年广月z 3 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。本人授权湖南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 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名匀多赢日期沙6 年厂月哆日 剔磁轹彦媾醐：洲鹎肚扫 1 1 研究背景 第l 章绪论 1 1 1 数控机床的工业设计 数控机床的整体设计研发能力从某种程度上讲衡量着一个国家的科学技术水 平，工业设计作为一种技术手段，在数控机床整机研发过程中起到了重要的作用 。数控机床外观设计是机床制造行业的一项重大课题”1 ，优秀的设计可以提高 其外观质量，增强产品的附加值，创造更高的经济效益。 从1 9 9 8 2 0 0 5 这几年的世界数控机床展览会来看，数控机床行业真是日新月 异，特别是世界领先的德国、日本等产品，推陈出新的速度更是惊人，无论是造 型、材质、工艺等方面都在不断创新。我国数控机床企业通过多年的努力，在提 高数控机床性能的同时，机床的外观造型水平已经有较大的提高，但是距国际领 先水平仍有一些差距。随着我国机床行业的蓬勃发展，工业设计在数控机床设计 与制造领域中的地位和作用更为突出。现代数控机床设计已由传统的片面强调功 能的设计观念向功能与形式相协调的人性化设计方向发展。 圉1 1 现代数控机床设计 1 1 2 数控机床基于结构约束的工业设计过程 传统机床的内部传动结构对外观造型的影响是十分突出的，因为它影响着造 型的比例尺度、整体外观形态以及操作手柄的多少和位置布局川。虽然随着数控、 数显、光控和微电子技术的应用，现代机械产品的控制方式更趋先进，机床数控 化程度越来越高，机床外露的手柄、手轮等己消失，机控和手控相应减少，造型 整体性加强，但是内部结构布局对造型整体形态、人机尺度和比例关系的影响是 不变的，内部结构布局仍是约束造型的最重要的因素。 b m c e a r c h e r 在设计者运用的系统方法( 1 9 6 5 ) 中提到设计是“一种针对 目标的问题求解活动”1 。造型设计一定程度上是一个约束满足过程”1 ，设计的 创造性只有在满足约束的前提下才能发挥。目前数控机床的工业设计过程一般表 现为主机厂方做好了结构布局方案，工业设计单位在该结构布局方案的基础上做 出造型和色彩方案，因此，数控机床的工业设计过程归纳起来就是基于结构约束 的造型求解过程。 通过对多年的数控机床工业设计实践活动经验总结和相关实验分析，本文提 出造型原型的概念来揭示由机床结构到最终造型的中间过程。这种承载了结构对 造型的约束关系和人机关系的最小不干涉空间为造型原型，是机床结构和最终造 型之间的中间状态。图1 2 描述了基于机床结构约束的造型设计过程，机床的内 部结构因素首先决定了最小不干涉空间，对最小不干涉空间进行人机分析后形成 造型原型”，造型意象进一步发展造型原型，而防护间的材料选择、制造工艺和 成本控制则制约着造型原型向枫床最终造型的发展。 固1 2 基于结构约束的机床造型过程 相对别的工业产品而言，钣金工艺对造型的制约因素表现得更加明显，这体 现为数控车床结构紧凑，包络面大体平整。我们发现数控机床的造型往往可以由 侧视和顶视轮廓入手沿一个方向拉伸形成造型原型，再生成最终造型( 如图1 3 所示) 。数控车床和卧式加工中心都是从轮廓入手的，这种轮廓体现了结构对造型 的约束关系，我们之为关键轮廓，它是造型原型的表现形式。这种规律决定了从 不同角度对不同类型机床进行造型设计是可行的”1 。从侧视轮廓入手进行设计的 数控机床，操作者的主要观察面为前视方向，因此其造型变化主要反应在前视方 向，如卧式车床和小型立式加工中心的造型设计。从俯视着手的机床造型由于操 作者通常观察面为前视和右视，决定了这两个面上门窗等附件造型变化较多，如 2 鼍墨 一下一 一彬 粤一 墨 硕士学位论文 卧式加工中心、立式车床及部分立式加工中心的造型设计。 图1 3 由关键轮廓到造型原型再到最终造型的过程 1 2 文献综述和问题定义 现代科学技术的发展，对产品提出了功能更高、可靠性、经济性更好的要求， 迫使设计者要从经验的、静止的、随意性很大的传统设计中摆脱出来，通过运用 计算机技术和各种新的科学理论，收集和分析获取必要的信息，用快速寻优设计 出最佳方案，满足市场竞争的需要9 1 。美国麻省理工学院机械工程系n a mp s u h 等学者自1 9 9 0 年来对设计的理论进行了系统的研究，提出公理化设计( a x i o m a t i c d e s i g n ：简称a d ) ”，a d 的出发点是将传统上以经验为主的设计，建立为以科 学公理、法则为基础的公理体系。a d 中关于映射机制如从功能域映射至物理域 ( 载体域) 的的定义为 【f r s 】- 【a 】【d p s 】 功能域物理域 图1 4 公理化设计 图片源自参考文献 1 】 数控机床结构到造型的映射关系研究及其在c b l d 系统中的应用 式中：a 表示设计矩阵，表示产品设计的特征。在此基础上，设计的问题域后来 被看作为顾客需求域 c a s 】、功能域【f r s 】、物理域【d p s 】、过程域 p v s 】四个依次通 过映射机制相联系的问题域概念模型。 公理化设计理论向我们描述了一个面向广义的产品设计过程系统的不同问题 域之间的映射求解模型，数控机床内部结构和外观造型都属于广义设计过程中的 物理域 d p s 范畴，本文在大量研究机床典型结构布局的基础上，重点对内部结构 形式与其外覆盖件造型的对应关系进行了分析和比较，并结合数据统计，得出结 构与造型之间的对应或映射关系，最后在物理域 d p s 内部建立结构域和造型域之 间的映射机制( 如图1 5 所示) 。 1 3 课题应用方向 图1 5 问题定义模型 1 3 1 智能工业设计系统中的应用 目前的c a d 技术在实现设计自动化、提高设计效率方面发挥着重要作用，但 其应用主要集中于实现设计方案的中下游阶段9 1 。从某种意义上讲，现今的c a d 技术只是在解决产品的二维、三维的描述，而不是辅助产品设计1 。因此，对于 产品概念设计( 创新设计) 方面的理论研究和技术开发是目前和今后c a d 发展的 一个方向。智能设计技术或智能c a d 技术，在更高的创造性思维活动层次上将给 予设计人员有效的辅助，是真正意义上的计算机辅助设计。智能技术是c a d 技术 与人工智能技术结合的产物，人工智能中的专家系统技术、实例推理技术、约束 满足技术、神经网络技术等已经在c a d 技术研究中得到广泛的研究，并在一些专 业应用c a d 系统中得到实现”1 。 计算机辅助工业设计( c o m p u t e ra i d e di n d u s t r i a ld e s i g n ，c a i d ) 就是 c a d 技术在工业设计领域的应用。目前的应用主要体现在用计算机来绘制各种设 硕士学位论文 计图，用快速原型技术来替代油泥模型，或者用虚拟现实来进行产品的仿真演示 等。基于几何描述或代数方程求解的自动造型”2 ”1 由于表达方式有限和方程求解 困难目前只能解决有限的简单造型问题。通过对设计知识合理组织”并推理产生 设计方案是目前实现复杂造型自动设计的主要途径”“。 湖南大学设计艺术学院工业设计系赵江洪教授领导的课题组在“十五”国家 的科技攻关项目专题基于设计知识与用户知识的网络化数控机床造型设计与人 性化界面技术及应用研究中开发了数控机床的i c a i d ( i n t e m e tc o m p u t e r a i d e d i n d u s t r i a ld e s i g n ) “6 1 冽系统。i c a i d 系统就是基于知识的推理和基于实例的推理 相结合的智能计算机辅助工业设计系统。结构域和造型域之间的映射机制是基于 规则的推理技术中的领域知识1 ，是基于案例的推理技术中的案例表达知识，因 此是构建智能化的计算机辅助工业设计系统的基础。 图1 6 湖南大掌开发的数控机床i c a i d 系统 1 3 2 并行模式下产品开发过程中的应用 并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) ，作为一种科学的系统工程方法，在2 0 世纪8 0 年代中期首先由美国提出来。美国国防部先进计划局( d e f e n s ea d v a n c e d r e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ，简称d a r p a ) 对并行工程的定义是“它是一种对产品 及相关过程( 包括制造过程和有关的支持过程) 进行平行、一体化设计的系统化 工作模式”。该方法要求产品开发人员在设计一开始就考虑产品整个生命周期中从 概念形成到产品报废处理的众多因素，促使产品开发过程中各阶段的活动交叉、 并行的进行，保证前续阶段的信息及时传递给后学续的各个阶段，后续阶段也能 及时对前续阶段提出反馈意见。 现有的数控机床工业设计过程表现为线形的基于结构约束的造型设计过程， 但是由于产品研发周期的缩短和参与研发人员多学科化，产品设计过程正由线型 结构和循环结构向树型结构和并行结构演变。尤其是近几年来c a d 技术和 i n t e r n e t 的迅速发展极大的推动了这一演化8 1 。如图1 7 所示，数控机床的结构 布局设计和外观造型设计两个过程既有顺序上的逻辑性，又有相互之间的重叠性， 因此从宏观上数控机床的整机设计过程可以表现为一种并行设计的模式。 t 圈1 7 数控机床并行设计横式中的结构到造型映射机制 从机床的总体布局设计的角度来看，有两方面的因素与其相关( 如图1 8 所 示) ，一方面是机床的内部因素，如加工功能，机床刚度、热稳定性等结构性能以 及工件的形状、尺寸和质量等因素，另一方面是数控机床的外部因素，如外观造 型、操作维修的人机关系，生产管理等问题”。因此，在并行模式下，两者之间 必须建立一种映射机制，做数控机床结构总布局设计时可以通过这种映射机制预 期到外观造型情形，及时修改和调整内部布局方案，真正体现平行、一体化和系 统化的工作模式； 机床总布局 图1 8 机床总布局设计的相关因素 1 4 本文研究思路和论文组织 本文首先提出一个通用的研究结构和造型关系的理论框架，应用该框架对普 通数控车床和卧式加工中心具体分析，分别得出结构到造型的映射机制，然后把 这种映射机制转换为基于案例的计算机辅助设计系统中的案例表达知识，构建 硕士学位论文 c b i d 系统中的案例检索模块。 论文组织结构如下： 第2 章：提出结构到造型的特征映射的理论研究框架 第3 章：具体分析普通数控车床结构特征域和造型特征域，建立特征映射关 系，最后得出结构到造型的映射机制 第4 章：具体分析卧式加工中心的结构特征域和造型特征域，建立特征映射 关系，最后得出结构到造型的映射机制 第5 章：实现在智能设计系统一一基于案例的数控机床工业设计系统( c b i d ) 中的应用 1 5 课题来源 论文课题来源予2 0 0 4 年度立项的国家8 6 3 计划研究课题基于案例的工业设 计技术与辅助设计系统及应用研究，研究以建立基于案例的数控机床工业设计 c b i d ( c a s e b a s e di n d u s t r i a ld e s i g n ) 系统为目标怛们。 数控机床结构到造型的映射关系的研究是其中的子课题之一，是数控机床造 型设计知识研究和工业设计设计对象案例知识表达技术的关键，因此是基于数据 驱动的案例检索技术和案例修改修改技术的基础。 娑墨耋兰耋型耋墨兰璧茎盖主三耋墨量耋：耋鎏耋塑暑星一。一 第2 章数控机床结构到造型的映射关系理论研究 2 1 数控机床结构至0 造型映射关系的研究框架 根据科学的方法论，人们在处理复杂的问题时，总是试图把复杂的问题分解 成若干个比较简单的子问题逐个击破，对予问题的研究结果综合归纳得出总结论， 最终达到复杂问题求解的目的“”。 本文针对由机床结构经过造型隙型再到最终造型的设计过程，首先把机床结 构和造型分别分解为相应的特征。然后引入特征映射的概念建立特征之问的映射 关系，把承载了这些映射关系的特征组合得出结构、造型原型和最终造型的实体 表现形式，最后建立这些实体表现形式之间的对应关系，形成数控机床结构到造 型的映射机制。 说明：1 袁示基于结构约束的造型设计过程i l 轰示结构到造鹜的特征映射表示结构到造型的映射机制 图2 1 数控机床结构到造型映射关系韵研究框架模型 理论框架分3 个层面，最下面的层面为基于结构约束的数控机床造型设计过 程，是本文的立论基础；中间层为结构到造型的特征映射层，研究特征之问的映 程，是本文的立论基础：中间层为结构到造型的特征映射层，研究特征之问的映 硕士学位论文 射函数关系；最上层为表象层，研究数控机床结构到造型的映射机制，表现为结 构和造型原型之间的一一对应关系，造型原型和最终造型之间的一对多关系。 2 。2 数控机床结构特征 一个事物可用从不同的侧面或不同的角度采用不同的方式加以描述，得到事 物的不同方面的状态。因此，从系统( 对象) 描述的角度考虑，特征可以理解为解 析描述现实世界的一种方式、工具或观察事物描述事物的角度、侧面，是一组状 态或表现的公共标志或名称。事实上任何事物都是诸特征状态的集成与交叉，一 类对象总是对应着一组特征，一组特征也总是对应着一类研究对象，不同研究对 象之间的差异可以通过它们所对应特征状态取值的不同来区分，这种研究对象与 特征组之间的对应意味着可以通过与研究对象相对应的特征组来建立一种描述研 究对象的描述系统，并通过对该描述系统的研究达到认识事物、了解事物的目的 ”“。从系统或对象描述的角度进行分析人们更习惯采用“特征”或类似的“属性”、 “指标”等词汇，本文中采用“特征”作为我们描述复杂对象的基本概念。 数控机床的加工原理，和普通机床一样，就是由主运动( 由刀具或工件完成) 和迸给运动( 由刀具和工件作相对运动) 实现工件表面的成形运动( 直线运动、圆周 运动，或螺旋运动，或曲线轨迹运动1 。而机床的这些运动，必须由相应的执行部 件( 如主运动部件，直线或圆周进给部件) 以及一些必要的辅助运动部件( 如转位、 夹紧、冷却及润滑) 来完成。所谓机床布局就是指根据工件的工艺分类所需运动及 主要技术参数而确定各部件的相对位置，并完成工件和刀具的相对运动，保证加 工精度，方便操作、调整和维修，且要求外型美观，结构紧凑”。 图2 2 结构特征分类 如图2 2 所示，数控机床的结构特征可以外在表现为反映部件位置关系的布 局特征”以及反映加工空间的参数特征( 通常用关键技术参数体现) ，而布局特征 9 分为运动配置特征( 反映整体布局关系) 和局部特征，局部特征又可按照各个部 件分为许多子特征。如普通数控车床的布局特征可以细分为床身布局和刀架布局 等子特征，参数特征由床身最大回转直径( 关键技术参数) 来体现；卧式加工中 心的布局特征又可细分为运动配置特征( 整体布局关系) 和工作台特征，参数特 征由工作面( 关键技术参数) 来体现。 2 3 数控机床造型特征 用简单的术语来说，形态是由一种物质或结构的外表所提供的因素8 “，造型 设计就是通过人的意志，依靠材料和处理材料的技术，进而加工出物品形态的过 程o ”。通常人们认识形态是个心理感知的过程，阿恩海姆在艺术和视知觉中 认为知觉形态是通过视觉和触觉来感受的，形态的本质也可以通过少数的几个特 征就能够确定对一个知觉对象的认识”，也就是说这些可以被有效识别的特征是 通过造型感觉来体现的。然而用于描述造型的特征的内部关系错综复杂，如图2 3 所示，人的心理和生理因素、机器的内部结构因素都对应不同的造型感觉，这些 感觉之间又互为因素、相互联系。为了研究数控机床的结构到造型的映射关系， 我们通常析取外观尺寸、人机尺度、整体感等作为与结构特征对应的造型特征。 生型衙素( 原固)皇型略诱( 诘幕) ，心理塞萎霖潞嚣圣磊箭观的卜 r蚁z 一体i 八。 i 。4 。f l + 禹 ，、1 7 l ，、j q ，n 飞 叽器： 功能因素 结构、机构等卜一一最d 环境： 品牌文化 色彩 i色素感 图2 3 造型特征内部关系分析 ( 1 ) 体量感、比例中的尺寸特征 物体整体或某部分的体积、形状、色彩、肌理等要素给视觉的综合量感称为 体量”1 。任何造型物，都可以按照形体分析的方法，分解成为某几个简单的几何 。_ _ 蓄：羞：譬奎吝。喃。，。 形体，每个部分均表现出一定的体积，并占有一定的空间，而在视觉上和心理上 总认为他们是一个一个的实体，也有一定的重量感。产品的造型设计中必须按照 一种符合逻辑的，和谐的方法相互适应。机电产品艺术造型的比例关系，是根据 功能的要求、可能的技术条件以及材料、结构、时代特征等因素，再结合人们对 各种造型的欣赏习惯和审美爱好而形成的。 产品的物质功能是形成产品体量大小和比例的依据，对数控机床来讲，床身 整体尺寸是决定体量和比例的审美心理以外的最重要的因素。因此把外观尺寸作 为比较关键的造型特征来研究。 ( 2 ) 人机尺度特征 所谓尺度主要是指造型对象直接和人接触部分尺寸的大小，它是以人体尺寸 作为度量标准的，目的是满足和适应人的生理和心理上的特点，使操作者能够舒 适而安全地工作”1 。尺度是造型设计中的基础，一般先确定尺度，然后才能进一 步推敲其比例关系。由于数控机床的尺寸相对人体尺寸比较大( 相对别的产品而 言) 以及操作方式多为站立作业的特点，人机尺度特征( 比如显控的造型，观察 窗与水平面的倾斜角度) 非常明显。 ( 3 ) 造型的整体性特征 由于机床布局决定了机床各部件的相互位置关系，与造型的整体性有很大关 系，因此把其作为与结构非常相关的造型特征单独研究。 ( 4 ) 造型风格和意象 产品意象是指产品存在于人类心中的某种形象。从设计的角度来看，设计师 在展开设计方案时，必须收集与产品相关的资讯来帮助发展构思，而这些资料中 有一部分属于意象的资料，这些资料可用来刺激想象，经由设计师的归纳整理并 藉由语义的形式来表达，再经过归类成为设计概念，而这个归类的动作就是产品 意象与语义的联想。综合说来，产品造型的意义并不在于它本身( 形象) ，而在于 能唤起某种相应的表象，深入到人们的认知审美情趣中去。如果造型唤起的表象 组合在一定的情景中，表现了特定的对象和氛围，就称之为意象“”。阿恩海姆认 为，在任何一个认识领域中，真正的创造性思维活动都是通过“意象”进行的。”。 许多形态心理因素虽然与结构特征无关，但是确实造型特征中非常重要的一方面， 为了更好的说明问题，这里把那些心理因素决定的造型特征笼统的归为造型风格 和意象。 数控机床结构到造型的映射关系研究及其在c b 系统中的应用 2 4 特征映射 2 4 1 特征映射的概念 特征空间是人工智能领域的基本概念之一，入工智能领域中的许多问题都可 以通过特征空间来描述，并通过特征空间变换的方法进行简化和求解，因此被广 泛应用到智能控制、模式识别、知识获取和表达等领域。在c a d ，c a p p 集成中， 由于特征的“多视域”性，造成c a d _ 和c a p p ( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sp 1 a n n i n g ， 计算机辅助工艺过程设计) 系统间的特征信息需求不同，阻碍了两个系统间信息的 真正集成共享。为了使c a d 系统的产品信息能被后续应用系统直接利用，应将 c a d 系统的设计信息映射为后续应用系统所需的特征信息，即进行特征映射。”。 特征映射反映了特征空间的相互关系，在零件的设计特征与制造特征以及夹具特 征之间建立映射机制，进而构建零件全息特征模型，因此被广泛应用在c a p p 领 域中。 这里我们引入了c a p p 领域中特征映射的概念，在结构特征域和造型特征域 之间建立一定的映射或对应关系，我们称之为特征映射。 根据集合理论，将映射前的特征称为原像特征，映射后的特征称为像特征。 特征空间关系决定了特征映射的方式。根据信息在特征空间的关系不同，特征映 射分为如下四大类8 “”1 ： ( 1 ) 直接映射 这种映射是由特征空间的相交关系决定的，直接映射反映了两个层面上的内 涵：两特征空间特征信息数量对等，两特征空间中的原像特征和像特征之间一一 对应。 ( 2 ) 共扼映射 原像特征和像特征之间存在着“多对一”或“一对多”的对应关系。前者称 为正向共扼映射，后者称为反向共扼映射。 ( 3 ) 聚合映射( d i s c r e t ea g g r e g a t i o n 艟a p p i 订g ) ：将多个像特征组合为单一 特征。 ( 4 ) 分解映射( d i s c r e t ed e c o m p o s i t i o nm a p p i n g ) ：把原像特征分解为多个 像特征 本研究将综合运用上述几种特征映射方式，实现了结构特征到造型特征之间 硕士学位论文 的映射。 2 4 2 数控机床结构到造型的特征映射关系 一款造型美观新颖的数控机床投放市场时，用户仍然能从外观上一眼认出这 台机床是数控车床、加工中心还是转塔冲床( 而无需打开防护罩傲仔细研究) ，这 说明数控机床的造型特征和结构特征之间存在某种“隐性的”对应关系，反过来讲 就是结构对造型存在某种约束关系。 图2 4 描述了结构特征和造型特征之间的关系，从囤中可以看出，并非所有 的结构特征都对造型特征有约束关系，也并非所有的造型特征都有结构特征与之 对应。我们称所有结构特征组成的集合为结构特征域x ，则 x = ( x i l i = 1 ，2 ，3 n 称所有造型特征组成的集合为结构特征域y ，则 y = y i l i = l ，2 ，3 m ) r 表示所有约束造型的结构特征的集合和所有受结构约束的造型特征的集合的笛 卡儿乘积，r c x y ，数学上把r 称作x 和y 的关系”。引入特征映射以后可以 建立x 和y 的特征映射关系。 f ( 订 ox 表示约束造型的结构特征oy 表示受结构约束的造型特征 图2 4 数控机床结构特征和造型特征的关系模型 我们称由数控机床结构域到造型域的映射是特征映射，记做f ( x ) ，f ( x ) 由舡) ，9 0 ) 一啊0 ) 多个特征映射函数组成， f ( x ) 可b ) o g ) o 圆s 0 )( 式2 1 ) 式中f 表示结构特征域到造型特征域的映射 gs 分别表示种具体的映射函数 一一代表组合映射 数控机床结构到造型的映射关系研究及其在c b i d 系统中的应用 2 5 数控机床结构到造型的映射机制 我们探讨结构到造型的特征映射关系，本质上是将结构对造型的约束关系明 晰化，然而一方面我们无法穷尽所有的结构特征和造型特征之间的精确函数关系， 另一方面罗列出来的分散的数学关系并不能够被有效的表达和应用。1 9 7 3 年系统 科学家扎德”提出了不相容性原理：当系统的复杂性超过某一限度，对系统行为 进行精确且有意义的描述是不可能的。要想在没有复杂的数学工具的情况下也可 以研究复杂的非线性系统，所用的办法是建立描述系统行为的规则。另外一种方 法是将系统的一些有意义的状态映像成一些更简洁的内部表示，使这些状态在以 后产生时能被识别，即通过例子或人工神经网络来训练的方法”。 如图2 1 ，基于特征映射关系，分别把对应结构、造型原型和最终造型的特 征组合得到各个阶段的实体表现形式，通常一种结构形式会对应一个造型原型， 而一个造型原型会对应很多具体造型方案，这是结构和造型之间的一对多关系。 同时会发现不同的结构形式对应出的某些造型原型形式又有些类似，导致不同的 结构可以有相同的造型形式，这是结构和造型之间的多对一关系。其中通过特征 组合找出若干中典型的结构布局形式和造型原型形式是研究的关键。 第3 章数控车床结构到造型的映射关系分析 3 1 普通数控车床的结构特征 3 1 1 数控车床的结构特征 数控车床的主轴、刀架、尾架等部件为横向排布，刀架的导轨随床身角度倾 斜，工作时主轴高速旋转做主运动带动工件旋转切削，车刀随刀架一起沿导轨做 进给运动。由予数控车床的运动配置关系相对比较单一，因此对其运动配置特征 不做过多分析，主要考虑局部布局特征和参数特征。局部布局特征又由床身布局 特征、刀架布局特征等子特征组成。 1 床身布局特征 数控车床的床身布局方式有图示的4 种，一般来说，中、小规格的数控车床 采用斜床身和平床身斜滑板居