（机械设计及理论专业论文）复合传动功能概念设计自动化方法的初步研究.pdf

、 摘要 翟4 3 9 8 g g 设计活动是产品开发过程中最重要的环节之一，而在设计过程中，概念设计 又皂最重要的阶段，因为概念设计决定了产品的基本特征和主要框架，后续的过 程只是对这些设计概念的具体化和实现。面对二十一世纪产品竞争日益加剧的挑 战，传统的设计手段和过程不足以很好地满足现代产品萝发的需求，导致了现代 工程设计学、概念设计理论同人工智能技术的结合。 本文以复合传动功能概念设计自动化方法为研究对象，阐述了概念设计及传 动功能( 系统) 设计的一般方法和规律，论述了传动系统知识建模、表达和获取 的方法，研究了基于实例的推理技术及其在传动功能概念设计中的应用，利用定 性代数和空间构型矩阵的方法对系统空间构型的进行了较好的描述，并探讨了概 念设计阶段智能支持系统的建立。 全文共分七章。第一章为绪论，分析了国内外在设计方法学、概念设计、智 能a d 以及传动设计上的研究现状和发展趋势，阐述了本课题的意义和主要任 务。第二章介绍了传动系统概念设计的相关概念及知识表达、知识获取模型，引 入虚拟功能生成器的概念，来表达设计知识及相关传动元的功能。第三章研究了 概念设计阶段传动系统的综合过程，介绍了综合策略和传动元组合的兼容性原 则，并论述了单输出传动系统和多输出传动系统的检索及综合过程。第四章为传 动系统空间构型基础，介绍了传动系统空间表达模型、定性向量描述方法以及空 问构型矩阵的表达及计算方法。第五章为传动系统的空间构型设计，介绍了定性 代数及其推理方法、构造空间构型的基本方法及空间构型树、空间构型形态矩阵 的概念，详细论述了单输出系统和多输出系统的空间构型产生过程，并给出了一 个多输出系统的应用例子。第六章为计算机辅助传动系统概 绍。第七章是对全文工作的总结，并对未来研究做了设想。 关键词：设计自动化设计方法学概念设计传动设计 i ，一l o a b s t r a c t d e s i g na c t i v i t y i so n eo fk e yp o i n t si nt h ep r o d u c t sd e v e l o p m e n tp r o c e d u r e ， w h i l ec o n c e p t u a ld e s i g ni sm o s ti m p o r t a n ti nd e s i g na c t i v i t y t h i si sb e c a u s e t h eb a s i c f e a t u r e sa n dm a i n f r a m eo fp r o d u c t sa r ed e t e r m i n e di nt h ec o n c e p t u a ld e s i g np h a s e ， a n dt h et a s k so ff o l l o w - u ps t e p sa r eo n l yt os u b s t a n t i m ea n de m b o d yt h e s ed e s i g n c o n c e p t s w i t ht h es e v e r ec o m p e t i t i o no fp r o d u c t si n2 15 c e n t u r y , t r a d i t i o n a ld e s i g n m e t h o d sa n d p r o c e d u r e s c a n n o tm e e tw e l lt h ed e m a n d so fm o d e mp r o d u c t s d e v e l o p m e n t ，t h i st r e n dl e a d st ot h ec o m b i n a t i o no fm o d e me n g i n e e r i n gd e s i g nw i t h c o n c e p t u a ld e s i g nt h e o r ya n d a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et e c h n i q u e s t h i s p a p e r f o c u s e so nt h et r a n s m i s s i o nf u n c t i o n c o n c e p t u a ld e s i g n o f m u l t i f u n c t i o np r o d u c t s t h ea i mo ft h ep r e s e n tw o r ki st o g e n e r a t ea n dp r o v i d e v a r i o u st r a n s m i s s i o ns y s t e ma l t e r n a t i v e so fap r o d u c tb yr e u s i n gp r e v i o u sd e s i g n c o n c e p t s i nt h ee x i s t i n gd e s i g nc a s e s i nt h i sp a p e r , w ed e s c r i b ec o m m o nm e t h o d sa n d p r i n c i p l e s o fc o n c e p t u a l d e s i g n a n dt r a n s m i s s i o nf u n c t i o n d e s i g n ，d i s c u s s t h e k n o w l e d g em o d e l i n g a n d r e p r e s e n t a t i o n ，s t u d y t h e a p p l i c a t i o n o fc a s e b a s e d r e a s o n i n gt e c h n i q u e i nt r a n s m i s s i o nf u n c t i o n c o n c e p t u a ld e s i g n ，u s eq u a l i t a t i v e a l g e b r aa n ds p a c ec o n f o r m a t i o nm a t r i xt og i v et r a n s m i s s i o ns y s t e mag o o ds p a c e d e s c r i p t i o n ，a n da l s oi n t r o d u c et h ee s t a b l i s h m e n to fi n t e l l i g e n c es u p p o r tc o n c e p t u a l d e s i g ns y s t e m t h ep a p e rc o n s i s t so fs e v e nc h a p t e r s t h ef i r s to n ei st h ei n t r o d u c t i o n ，w h i c h a n a l y z e st h eh i s t o r ya n dc u r r e n ts i t u a t i o ni nd e s i g nm e t h o d o l o g y , c o n c e p t u a ld e s i g n ， i n t e l l i g e n c ec a d a n dt r a n s m i s s i o nd e s i g n s e t sf o r t ht h em e a n i n ga n da i mo f p r e s e n t w o r k t h es e c o n do n ei n t r o d u c e st h er e l a t e dc o n c e p t sa b o u tt r a n s m i s s i o n s y s t e m c o n c e p t u a ld e s i g na n dt h ep r o p e rk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nm o d e l ，i ta l s oi n t r o d u c e s i n t ot h ec o n c e p t so f v i r t u a lf u n c t i o nb u i l d e rt or e p r e s e n t d e s i g nc o n c e p t sa n df u n c t i o n s o fr e l a t e dt r a n s m i s s i o nu n i t s t h et h i r d c h a p t e rs t u d i e st h es y n t h e s i sp r o c e d u r eo f t r a n s m i s s i o ns y s t e mi nc o n c e p t u a ld e s i g np h a s e p r e s e n t st h es y n t h e s i ss t r a t e g ya n d a d a p t a t i o nr u l e si nt h ec o m b i n a t i o no ft r a n s m i s s i o nu n i t s ，a n di l l u s t r a t e st h ee n t i r e p r o c e d u r eo fs i n g l eo u t p u ts y s t e ma n dm u l t i o u t p u ts y s t e m t h ef o u r t ho n ei n t r o d u c e s t h es y s t e ms p a c er e p r e s e n t a t i o nm o d e l 、d e s c r i p t i o no fq u a l i t a t i v ea l g e b r aa n ds p a c e c o n f o r m a t i o nm a t r i x t h ef i f t ho n ei st h e s p a c ec o n f o r m a t i o n d e s i g n o ft h e t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，i nt h i sp a r tw ed i s c u s st h eq u a l i t a t i v ea l g e b r ar e a s o n i n g ，b a s i c m e t h o do f b u i l d i n gs p a c ec o n f o r m a t i o n ，s p a c ec o n f o r m a t i o nt r e ea n d s p a c e l i c o n f o r m a t i o ns t a t em a t r i x w ea l s oi l l u s t r a t et h e g e n e r a t i o no fs p a c ec o n f o r m a t i o n u s i n gs i n g l e 。o u t p u ts y s t e ma n dm u l t i o u t p u ts y s t e m ，a n df i n a l l ys h o wa ne x a m p l eo f m u l t i o u t p u ts y s t e m t h e s i x t h c h a p t e r i n t r o d u c e s c o m p u t e r - a i d e d t r a n s m i s s i o n f u n c t i o nc o n c e p t u a ld e s i g n p r o t o t y p es y s t e m a n dt h es e v e n t ho n ei st h ec o n c l u s i o no f t h ew h o l e p a p e r , a tt h es a m et i m eg i v e ss u g g e s t i o n sf o rt h ef u t u r e k e y w o r d ：d e s i g n a u t o m a t i o n ，d e s i g n m e t h o d o l o g y , c o n c e p t u a ld e s i g n ， t r a n s m i s s i o n d e s i g n ，c a s e b a s e dr e a s o n i n g i i 】 致谢 值此论文完成之际，我谨向导师冯培恩教授表示深深的感谢。两年半的学习 以及本论文的研究工作自始至终得到了导师悉心的指导和极大的关怀。导师渊博 的学识，严谨的治学风格，清晰的思路，求是创新的学术追求，为人师表的作风， 使我深受教益，并将引导和激励着我走向新的起点，迎接新的挑战。 感谢潘双夏教授、高宇老师和邱清盈老师在科研工作中的耐心帮助和指导。 感谢张帅博士生、陈泳博士生在学习和工作上的大力支持和帮助。 感谢本实验室的众多师兄弟，在与他们的学术讨论和日常相处中，我深深受 益。同时还要感谢吕文刚、孔刚、孙簧、王庆海、许杭、陈家明、牛江川i 、江福 民、张强、石华强、段福斌等同学，感谢他们在两年半的学习和生活中给予的关 心和爱护。怀念和你们共同度过的时光。 感谢所有曾关心帮助过我的前辈和师长，并向百忙之中抽出宝贵时间评审我 论文的各位专家学者致以诚挚的谢意。 最后，感谢我的母亲。她伟大而无私的爱，她辛勤的劳动和付出，她对我的 谆谆教诲和殷切希望，是我人生路途上拥有的最宝贵的财富。感谢我的姐姐和姐 夫，他们的支持和鼓励给了我不断向前的动力和信心，还有那即将诞生的小生命， 让我感受到不断孕育着的希望。另外感谢我的女友朱颜小姐，在生活中关心我， 在学业上勉励我。有她的相伴，生活展现出新的意义。 毛宗玄 二零零二年春于浙大求是园 浙江大学硕士学位论文 复合传动功能概念设计自动化方法的研究 第一章绪论 1 1设计方法学及概念设计 现代设计方法学提出，一般的设计流程 1 】为： 一制订产品计划：通过对当前经济、技术和市场等方面的形势分析，综合 考虑企业目标、优势和周围环境，系统地寻求和选择有前途的产品主意 并对其跟踪，最终建立一张初步的要求表。 一阐明任务书：根据对解提出的要求、存在的条件及其重要性，以及设计 开发和各个后继工作步骤的需要，建立明确、完整和详细的要求表。此 要求表即为后续设计过程的标准和指南。 一概念设计( 方案设计) ：在阐明任务书以后，通过抽象化来认识本质问 题，建立功能结构，并通过寻求合适的作用原理再将其组合成作用结 构，来确定原理解，如图1 所示。 一技术设计：从作用结构或原理解出发，根据产品的技术性和经济性来明 确、完整地拟订组合结构，也即完成产品的结构设计，确定总体技术设 计方案。 一旄工设计：通过规定所有零件的形状、尺寸和表面质量，确定所有材 料，来补充一个技术产物的组合结构，并通过编制加工、装配和运输规 程及使用说明书完善生产文件，最终确定生产文件交付生产。 复合功能产品的设计类型可分为三种【2 】： ( 1 ) 开发性设计：在工作原理、产品结构等完全未知的情况下，应用成熟的 科学技术或经过实验证明是可行的新技术，设计过去没有过的新型产品。这是 一种完全创新的设计。 ( 2 ) 适应性设计：在原理方案基本保持不变的前提下，对产品作局部的变更 或设计一个新部件，使产品在质和量方面能满足使用要求。 ( 3 ) 变型设计：在工作原理方案基本都不变的情况下，变更现有产品的结构 配置和尺寸，使之适应于更多的量的要求。 塑竖查兰堕主兰垡笙茎 堡垒堡垫垫堕塑垒堡旦堕里世堕堡! ! ! ! 型 确定要求表 转入方案设计一。一 i 卜一一 识别问题本质 j 一一l 一 勰! 端t总功能一分功能 选出合适的组合 i 具体化为原理解 的变型即解的原理 f 根据技术准则经 济准则和社会准则 堂堑透鱼 一 l t 确定愿璎枣骞解一+ 转入技术设计 一 f l 图1 方案设计的工作步骤 厂 方 案 设 计 i 随着科学技术的迅速进展，新产品也不断涌现，产品的创新已成为增强现 代产品竞争力的焦点。复合功能产品的设计师已不再仅满足于适应性设计和变 型设计，进行产品的开发性设计已成为他们设计的重点和难点。产品的开发性 设计即创新设计的关键在于设计方案的创新，而这正是设计进程中的概念设计 阶段的核心任务。 概念设计实质上就是设计方案的构思与拟定的过程。它包括以下主要内容： 1 ，功能创新；2 ，功能分析和功能结构设计：3 ，工作原理解的搜索和确定； 4 ，功能载体方案构思和决策。概念设计既要借鉴前人的设计经验，又要运用创 造性思维方法。 浙江火学硕士学位论文 复合传动功能概念设计自动化方法的研究 经典的偏重于直觉的创造性思维方法，如智暴法、6 3 5 法、陈列法等，依靠专 家小组的集体智慧，利用群动效应，经过多次反复，有希望得到较好的设计方 案。但经典的方法效率低、周期长且要耗费很大的人力物力，己不能满足现代 的产品高效和迅捷开发的要求。因此，为了谋求工程设计的自动化，中外学者 提出了各种c a d 理论并开发出了相应的软件系统。但是，传统的c a d 系统大多 侧重于进行图形处理或数值计算，而对真正的设计过程缺乏支持。虽然随着 c a d ，c a m c a p p 集成技术的发展，面向技术设计和旌工设计阶段的c a d 技术得 到了广泛的应用推广，但仍缺乏足够的智能性以支持通用的概念设计过程。工 程设计技术与专家系统技术的结合为解决设计中的智能性问题提供了较好的途 径，各种各样的基于知识的概念设计专家系统( c d e s ) 便应运而生。但其中大 多以实现某种专用的机器零配件或特定整机的粗略方案生成为主，成熟的通用 概念设计型专家系统仍未实现。主要原因如下： ( 1 ) 知识获取和管理的困难。建立专家系统的知识库，需要领域专家和知识 工程师的合作，总结专家经验，然后形式化，编码送入计算机。由于些领域 知识比较模糊，一般很难描述和提取，同时在知识获取的交流过程中不可避免 地会引入许多人为的错误，再加上领域专家时间的珍贵等原因，使得知识获取 成了专家系统开发过程中的一个“瓶颈”。由于专家系统的知识库是固定的， 所以当推理时所用知识稍稍超出其范围时，系统就出现推理断点而彻底失败， 这是知识的脆弱性问题。当然可以通过增加新的知识来解决，但又会产生知识 库庞大及不一致性和冗余性的检查问题。 ( 2 ) 对设计过程本质的认识不足。设计过程是非常复杂的智能行为，涉及到 设计者的知识、经验、思维方式和精神状态。一些学者通过对一般设计人员的 工作背景、知识水平和设计行为与设计结果的比较、分析和研究，来探索人类 设计过程的本质。为了更好地指导设计自动化，中外学者提出了各种设计方法 学理论，给出了设计的一般步骤、基本规范和评价标准，但它并未给出设计创 造思维的细节性描述和明确的求解策略。尚未取得根本突破的思维科学和人工 智能技术依然限制着人们对设计过程更深入的理解，对设计过程的计算机模拟 仍存在相当大的困难。 ( 3 ) 专家系统技术还不够成熟。与领域知识的多样性和复杂性相比，专家系 统构造工具提供的多种推理方法和求解策略仍然显得苍白无力。现有的专家系 统按照预定的推理策略进行求解，缺乏人类专家所有的直觉、灵感和创造能 力。人类专家的知识可以通过运用知识来扩充，并由此获得经验，也就是有自 学习自适应的能力：而目前的专家系统即使遇到前面解决过的问题还要逐步重 复推理。所以，专家系统不仅要学习解的知识和积累解的知识，还要学习运用 解的知识，即学习人类专家的推理策略并进行对推理策略的推理，以搜索出适 当的推理策略或产生新的推理策略。 浙江大学硕士学位论文 复合传动功能概念设计自动化方法的研究 1 2 传动系统( 功能) 概念设计 1 2 1 概述 从实现系统功能的角度看，现代机械及产品主要包括下列一些子系统：动 力系统、传动系统、执行系统、操纵及控制系统【3 】。目前，传动系统越来越紧 密地融入到执行系统，许多工作装置同时包含了各种传动机构。因而传动在现 代机械产品中起着非常重要的作用。 设计机械传动系统是一项复杂的工作，不仅需要对各种传动机构的性能、 运动、工作特点和适用场合等有较深入全面的了解，而且需要具备比较丰富的 实际知识和设计经验，并以设计方法学的理论为指导，从功能和运动结构分析 入手，充分收集、归纳、整理已有的知识和经验。 在传动系统设计领域中，为满足设计要求选择合适传动元的组合，即所谓 的系统结构综合属于概念设计的范围。对于传动系统来说，输入和输出的运动 类型( 平移、转动等) 和它们的行为约束( 摆动、间歇等) 可以视为功能需求 的一部分。有了这些功能需求，一个设计师就可以提出所有可行的设计方案来 满足预先设定的功能，从而可以从中挑选出一些满足约束并且较优的方案。然 后对所有的备选方案进行评价，最后选择一个最终设计方案。从方法学来讲， 这是个分析、抽象和综合的过程【4 】。 目前为止，两种主要的用于传动系统( 功能) 结构综合的方法是： 1 利用传动原理设计知识库【8 1 4 ，1 5 】和传动机构图册 1 6 ，6 5 ，6 6 ，6 7 ，6 8 ，6 9 ，7 0 ，7 1 】。这种传动目录或者传动机构图册的方法由于建立在大 量成熟设计实例的基础上，因此可以为设计任务提供直接的想法或者有用的设 计知识和方案。它们根据实现的功能或者完成的运动转换进行分类和分组。尽 管传动目录和传动机构图册的方法还是传动系统设计的典型模式，但是因为这 种方法还停留在手工检索阶段( 传动原理设计知识库及智能c a d 运用于传动设 计还没有很好的成果) ，要检索所有相关的设计实例是很麻烦和累人的事情。 2 在运动学基础上产生新传动机构方案的系统学方法 1 7 ，1 8 1 。但是，这种 方法由于只是考虑了传动机构的结构和布局关系，所以在反映功能和行为需 求，比如传动系统概念设计过程中的运动类型和行为方面存在局限 1 9 】。 因此，传动系统概念设计比较理想的方法是一种支持已有设计实例及设计 成果重用并能反映功能需求的方案解产生的方法。 在概念设计阶段，对于一个特定的机械系统设计任务来说，可以有许多传 动系统作为备选的方案解。大量备选方案解是在系统综合的过程中确定下来 的。每个备选方案解是由基本传动元组成的，在给定的输入和输出运动情况 下，这些基本传动元可以依照一定的顺序传递机械运动。由于论文中的传动系 统概念设计综合过程通过运动变换实现，可以看到备选方案解满足从输入到输 塑坚奎堂堡主堂垡堡壅 墨盒堡垫塑堂塑垒堡生! 垫些查! 墨堕! ! 翌 出的运动传递情况。这些各选方案解可以用其他的设计要求或准则进行评价， 然后挑选出较优的一个或几个以满足下游设计的需要。 在传动系统概念设计阶段，设计师或许想要了解，一个设计备选方案是否 不仅仅满足于系统综合中使用到的抽象运动类型，而且也满足实际存在的具体 约束状况，这也是设计方案的一个评价准则。其中的一个约束就是空间构型问 题，比如说输入输出运动的相对位置、输入输出运动的相对方向、组成传动系 统各传动元的空间方位。这些空间约束也可能被定义为设计要求。所以，为了 判断一个设计方案是否能满足给定的空间约束，必须首先得到所有通过运动类 型匹配的空间构型，然后判断是不是满足给定的空间约束。然后，设计师将会 选择一些能满足给定空间约束的设计方案，用更可行和更优的设计方案进行后 续设计进程。另外，尽管空间约束不是明显指定的，设计师也需要了解所有可 行的空间构型来决定些主要的设计尺度，发现大致的空间需求，或者把设计 方案限制在满足某些空间约束的解域内。 在概念设计阶段，一种特别的情况是，设计要求几乎是由定性描述的形式 给出，缺乏量化信息。而且，尽管已知一定的量化信息，大多数的设计活动还 是以定性方式进行，以便能综合考察涉及设计因素的每个方面。所以通常还是 采用定性模式来反映概念设计的各种特性。在传动系统的空间构型问题上，由 于系统组成构件( 传动元) 的特定尺寸还没有确定，并且对设计师来说可以获 得的只有一些定性描述，所以也应当采用一种定性的方法。因此说在传动系统 空间构型的推理生成中，定性推理的方法是必须的。 1 2 2 传动系统结构综合 传动系统综合的任务以系统运动学和机构学 1 8 的角度看，可以划分为以 下几个方面：运动识别，轨迹识别，功能生成。运动识别是指传动系统输入输 出端位置和方位的阐明，轨迹识别是有关特定的传动元或机构能否实现一条指 定轨迹或某条轨迹上的不同离散点的问题。功能生成是指传动元或机构的设计 应满足输入输出之间协同运动的要求。既然这样，待设计的传动系统应该满足 从输入到输出端特定的运动变换。而且这种类型的传动系统可以在一个复杂机 器里实现将一个输入驱动多个不同运动类型输出的功能。比如说，缝纫机的刺 针和送布装置是由电机产生的一个转动输入驱动的。刺针运动是一个往复运 动，而送布装置进行一个水平推动和一个垂直提高运动。在这个例子里，传动 系统的功能生成包括运动传递以及输入输出间的运动变换。 1 2 2 1 设计任务描述 浙江大学硕士学位论文 复合传动功能概念设计自动化方法的研究 在传动系统的概念设计中，设计要求表可以以输入输出运动的类型或者其 他设计约束的形式定量或者定性地给出。这里，其他约束是指输入输出间的行 为关系特性( 线性或非线性) 、运动特征( 连续或间歇) 、运动方向( 摆动、 往复或单向) 、传动特征( 可互换性、周期) 、输入和输出的方位( 平行、垂 直和斜交) 、空间约束、成本、重量、安全性、环境等等。在传动系统概念设 计阶段产生方案时，所有潜在可行的方案都应该保留以供后续的评价。 但是在这个阶段，并不是所有上面列出的要求都能放在一起进行考察。所 以，方案产生过程应该利用一些重要的设计要求形成一些各选方案。然后其他 剩余的约束就可以用来在形成的各选方案中选择更优的设计方案。 在功能生成任务中，特别是在方案产生阶段，输入输出的运动类型以及运 动特征可以被视为是重要设计要求。所以，方案产生阶段的设计问题可以如下 描述：根据给定的一系列输入输出的运动类型和特征，寻找出所有能变换和传 递输入输出之间特定运动的的备选设计方案。 1 2 2 2 构造模块和虚拟功能生成器 许多复杂的传动系统实际上是由一些基本传动元形成的基本构造模块组合 而成的 1 9 。通过将连续的设计空间离散成设计子空间，构造模块的概念有助 于了解设计总功能是如何形成和实现 2 6 。比如，如图2 所示的打字机传动机构 可以看作由凸轮、摆动从动件、双摇杆和打字杆组成。从凸轮及摆动从动件输 入的纯转动被传递和变换成打印杆的个摆动打印的转动输出。通过以构造模 块予功能的形式形成整个传动系统的总传动功能，可以比较方便地理解各组成 部分的原始设计知识。 图2 打字机传动机构示意图 虚拟功能生成器( v i r t u a lf u n c t i o no e n e r a t o r ，v f g ) 的概念用来表示已有传 动系统及机构的原始设计知识【3 0 】。虚拟功能生成器由个或多个基本传动元 组成，并执行从输入到输出的一个特定运动变换。它们从已有的传动方案或机 浙江大学硕士学位论文 复合传动功能概念设计自动化方法的研究 构中抽象和产生，并且这些已有的传动方案及机构也以基本传动元的形式进行 离散化表示。从一个传动方案或机构中可以抽象出几个虚拟功能生成器。在前 面所述的打字机传动机构例子中，可以分离出六个虚拟功能生成器：凸轮( 摆 动从动件) + 双摇杆+ 打印杆，凸轮( 摆动从动件) + 双摇杆，双摇杆+ 打印杆， 以及三个各自的基本传动元。如果虚拟功能生成器来源于一个传动系统的全部 基本传动元，那么它就代表了总体设计知识，如果来源于传动系统的一个部 分，那它就代表了一个子知识。因此，在本论文中，一个已有的传动系统总体 设计知识和子知识是通过虚拟功能生成器的概念抽象和存储的。这些虚拟功能 生成器在新的传动系统设计综合过程中充当基本构造模块的角色。 虚拟功能生成器的概念有下列的特征和优点： 1 虚拟功能生成器是由个基本传动元或几个基本传动元的连接组合构 成。即使在总功能相同的条件下，这种几个基本传动元的连接组合比一个基本 传动元形成的单独构造模块显示出相当不同的运动特征、空间构型特征、输入 输出方位等等的特点。所以对于传动系统综合来说，虚拟功能生成器可以作为 一种新的构造模块。 2 从一个传动系统或机构分离虚拟功能生成器，可以视为是将现存设计实 例的完整设计空间( 总功能) 分解成设计子空间( 子功能) 的集合。因此，虚 拟功能生成器能应用在功能分解阶段及子功能求解上。论文采用的方法就可以 通过连接组合那些已有的子功能来满足总功能。 3 虚拟功能生成器由那些基本传动元组合而成，因为那些基本传动元都在 已有的设计实例中使用过，所以它比那些由草图形成的传动元及机构的任意组 合有着更大的可行性。这使得一个设计师可以关注于更有希望的设计方案。 1 2 3 传动系统的空间构型 1 2 3 1 空间构型问题 组成一个传动系统的基本传动元在布局上是由以前的设计过程决定的。布 局关系只是给出了基本传动元如何连接而取得特定运动变换的信息。在概念设 计阶段应该更深入考察的一个问题就是空间构型的问题，而空间构型问题包括 输入输出的方向和位置，以及组成传动系统各基本传动元的空间安排。由于一 个系统的总体空间构型是由组成传动元的个体构型决定的，为了产生一个传动 系统所有可能的空间构型，应该事先获得基本传动元的空间结构知识。 一个基本传动元的空间构型包括下列几个方面：方位、方向和位置的构 型。方向构型是指输入输出运动的相对方向。位置构型是指传动系统输入输出 端的相对位置变化。方位构型是指基本传动元的空间布置。比如，一个基本传 动元可以沿x 轴正向或z 轴反向布置，随着基本传动元的方位改变，系统输入输 浙江大学硕士学位论文复合传动功能概念设计自动化方法的研究 出运动的方向和位置也会随之变化。由于基本传动元的三个构型问题是紧密相 连的，所以应该把它们放在一起进行考察。 1 2 3 2 空间约束的描述 在传动系统设计中，各组件的方位、输入输出运动的位置和方向可以是设 计要求的一部分。在概念设计阶段，由于这些约束的量化工作不可能全部完 成，所以即使可以定量地确定其中的某些因素，一般还是对这些约束进行定性 的考察，并以定性方式表达。所以在很大程度上，空间约束可以定性地描述。 如前面所说，在概念设计阶段可以考察的空间约束主要有输入输出运动的 方向和位置，基本传动元的方位。另外，如果系统有多个输出的话，各输出运 动间的相对位置也是重要的空间约束。空间约束主要有以下几个方面： 1 输入输出运动的方向。每个输入和输出运动都受约束于某个特定的运动 轴线。 2 与输入运动对应的输出运动位置。每个输出运动的位置可以被列为设计 要求。设计师关注的是与输入运动对应的输出运动的相对位置。 3 输出运动间的相对位置。在概念设计阶段，不光与输入运动对应的输出 运动相对位置应该重点考察，每个输出运动间的相对位置也是一个重要因素。 4 组成系统基本传动元的方位。组成系统的基本传动元的不同方位组合起 来就得到了总体构型的方向和位置，所以它们也应该详细地考察。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 概念设计及传动系统设计 如前面提到的，目前用于产品传动系统概念设计的方法主要有两种：l ，利 用传动机构图册和传动原理设计知识库；2 ，在运动学基础上产生新传动机构方 案的系统学方法。利用传动机构图册的方法 1 6 ，6 j ，6 6 ，6 7 ，6 8 ，6 9 ，7 0 ，7 1 是传统 的获取设计思路的方法，在传动系统设计中仍然处于基础地位。各类手册资 料、设计图库、机械装置专利也提供了大量的设计思路和先前设计的实例，通 过对原始设计知识的组合改造，新的设计思路应运而生。然而由于它们都是以 装置或机构图表的形式给出，所以不能直接应用于计算机辅助的概念设计。为 了实现自动化设计过程，已有传动系统和机构以及它们的原始设计解应该用一 种合适的形式来表示。设计目录的方法 8 ，9 ，1 0 ，l l ，1 2 ，1 3 ，1 4 不同于一般的手 册和资料，作为一种设计信息载体它具有信息完备性、易检索性和可补充性， 既适用于手工检索来获得设计方案，又适用于计算机辅助概念设计。它是设计 实例和设计经验的提炼和综合，为计算机提供了丰富的设计信息，是利用计算 浙江大学硕士学位论文 复合传动功能概念设计自动化方法的研究 机进行辅助设计的知识基础。但已有的传动设计目录主要集中在基本传动形 式，如齿轮、带、链、蜗轮蜗杆等种类，比较简单，单级传动应用上还理想， 多级传动应用就比较困难。可以方便实现单输入单输出，但是对多输出的情况 研究不够。而且设计目录对传动系统空间结构的考虑相对欠缺，也是设计目录 不能广泛应用，基本上还停留在手工检索阶段的主要原因。 在传动方案系统运动学的研究上，目前比较关注的领域是：机构学以及结 构综合，研究方向为系统及机构的运动结构、机构及其组成部分的连接形式和 空间布局关系。f r e u d e n s t e i n 和d o b r j a n s k y 首先开创了一种基于图论的运动结 构特征模型和应用于结构综合的方法，h o e n z e l ，c h i e n g ，l a 卜h a k i m ， a k u s i a k ，j m a t h e w 等人则在这个方向上取得了较新的进展 2 0 ，2 1 ，2 2 。基于 图论的运动结构综合主要考察机构及运动系统的结构特征、布局特征以及功能 特征。已经开发出了基于图论表达模型的机构设计专家系统 2 2 ，具有列举所 有可行运动结构的能力。 在机构及传动系统的概念设计中，利用图论的结构综合是非常有效的，特 别是对于机构及传动系统的创新设计。但是由于这种方法建立在运动结构分析 的基础上，所以它也有一些局限性。首先，图论的方法只考虑了传动元的自由 度，其他的功能特征，比如运动类型( 平移，转动等) 、运动行为特征( 摆 动，间歇等) ，都被放到后续过程中考虑。由于在结构综合过程中缺少功能方 面的考虑，则要在运动链中捕捉功能特征是很困难的。换句话说，很难直接从 图模型中实现机构及传动系统的方案，这里需要大量特定的领域知识和设计师 的努力。而且这个方法也不包含运动结构每个组成单元的功能特性。另外，它 还存在着组合的复杂性、不同领域集成的难度等等的问题 1 9 ，2 3 ，3 1 。因此， 为了从系统功能的角度来表述原始设计知识，就需要用不同于运动结构分析的 方法来描述机构或系统。 最近在机构及传动系统设计方面还出现了一些从功能角度出发的方法 1 9 ，2 3 ，2 4 。这些方法假设许多复杂的机构和机械传动系统都可以用基本构造 模块进行综合。基本构造模块可以用来表达组成系统及传动元的功能，每个模 块对应现实世界的一个物理构件，并可以实现特定功能。所以，这样的方法产 生的设计知识更直观，也更容易被表述和实现。本文拟采用的方法使用了其中 的基本构造模块概念来进行功能角度的系统设计。 k o t a 和c h i o u 提出了一种基于矩阵的计算方法 1 9 ，2 6 ，利用基本传动元 ( 比如曲柄一滑块、凸轮一从动件、齿轮一齿条等) 的构造模块来进行机构和系统 的综合。同时，他们还提出一种系统定性模拟方法。在这种方法中，设计任务 和构造模块用运动变换矩阵和作用约束矩阵的形式表达。通过变换规则，给定 任务的矩阵可以分解成一系列子功能运动变换矩阵的链接。然后再对子功能求 解( 矩阵匹配) ，构造模块的候选链接就被确定下来。同时约束矩阵也进行链 接，并同给定要求的约束矩阵相比较。k o t a 和c h i o h 的方法建立在各个独立的构 浙江大学硕士学位论文 复合传动功能概念设计自动化方法的研究 造模块上，但是我认为存在于已有设计实例中的构造模块的组合也可以当作构 造模块本身。而且，k o t a 和c h i o u 方法只考虑单输出运动的系统，而实际上许多 传动系统有多个输出运动。 c h a k r a b a r t i 和b 1 i g h 2 3 ，2 4 ，2 5 ，4 4 通过穷举所有满足特定输入输出运动的 解方案来解决机械系统传动问题。他们在已有机构及传动系统中先确定一组基 本结构作为功能构造模块，并通过向量形式表示。然后运用广度优先搜索法来 穷举所有解。他们也采用了功能构造模块的概念，他们方法中的构造模块是机 械系统更基本的功能元，像杆、凸轮、轴等等。对比一下可以发现，k o t a 和 c h i o u 方法中的构造模块来自于已有的基本传动元，已经是不那么“基本”的传 动元，它可以由更基本的功能元或结构组成。c h a k r a b a r t i 和b 1 i g h 方法的局限 之处在于，他们的方法侧重于解决从草图开始的设计问题，而由于设计问题的 规律性和某种程度的重现性，我认为基于实例推理( c a s e - b a s e dr e a s o n i n g ) 的方法和技术是更为有效的手段，它可以通过对过去设计实例的重用而找到设 计的方案解。 国内目前在概念设计领域的研究也逐渐成为产品设计学科研究和探讨的热 点。浙江大学冯培恩、张明君、徐国荣等人将设计目录的方法成功地运用到产 品的原理方案设计中，取得了分功能上的突出成果 9 ，1 0 ，1 1 ，1 2 ，1 3 。上海交通 大学的邹慧君等人在机械运动方案设计专家系统的研究，结合机械产品概念设 计开展了较为系统的研究 1 4 ，4 1 ，5 6 。华中理工大学周济、毛权等人研究主要 集中在基于实例的基础上，将之应用于工程中的实例检索和重用及再设计问题 上 3 4 。3 j ，3 6 ，在雷达系统的方案设计支持系统中应用了这一方法 3 3 。另 外，面向一些确定机电产品的研究也取得了一定的成果。殷国富、徐雷等人在 液压缸设计 3 9 ，张冠伟、徐燕申等人应用于数控机床模块概念设计 4 0 。但 是面向传动系统或功能的研究成果还不是很明显。 1 3 2 基于实例的推理 基于实例推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 的技术是人工智能领域新崛 起的一项重要技术，它通过联想( 或类比) ，将解决过去问题的经验( 包括解 答和解决过程) 用于解决当前问题 2 7 。设计师的设计活动，往往不是从头开 始考虑每个细节，而是依据过去的经验和实例，做适当调整或进行某种联想或 类比以解决当前问题。因此，用实例来描述设计知识和用基于实例的推理来模 拟设计过程更接近真实情况。基于实例的推理不仅可用于将实例解直接重用于 解决当前问题，还可经过适当调整来解决当前问题或解释当前问题并给出专家 建议。 a s h o k k g o e l 等人开发的k r i t i k 是一个将c b r 技术同基于模型的推理 ( m o d e l b a s e dr e a s o n i n g ) 相结合的一个系统，主要用于小型机械及电子设备 浙江大学硕士学位论文复台传动功能概念设计自动化方法的研究 的设计 2 8 。它主要利用“结构一行为一功能”模型来表达设计实例。假设给定 一个新设计任务的功能要求，通过功能匹配就可以检索出以前相关的设计实 例。检索出的实例通过适当调整以适应新的设计问题。如果满足一定功能要 求，则还需对修改后的实例进行评价。 d n a y i n c h a n d r a 。k a t i ap s y c r a 等人开发的c a d e t 系统主要应用于动力设 备设计 2 9 。它包含一个计算模型，在给定的输入输出运动行为下，能从已有 设计的实例库中综合出想要的设备。它使用一种详尽索引的技术来作为发现和 综合实例整体或实例部件的方法。这个系统侧重于功能行为的表达和定性建模 上。它在不精确匹配和实例的多重重用上有很多启发意义和可以借用的思想， 但是，他们的方法实际上和k o t a 的方法很接近。系统首先进行精确匹配，如果 失败，则变换代表设计要求的索引以寻求可以实现部分运动行为的组件。索引 的变换可以认为就是一种设计要求的分解。所以这个系统的工作_ 足e k o t a 方法里 的设计任务的分解和匹配很相近。设计任务的分解需要预先设定详尽、合理和 完整的规则，而综合的结果容易受到分解规则的影响。在他们思路的基础上， 可以事先就把已有系统的方案或者子方案提取出来，而不是在设计任务下达以 后。可以使它们以虚拟功能生成器的形式存在，并编入系统索引，这样实际上 是一种源实例的分解。利用虚拟功能生成器和系统索引既能保留成熟系统的设 计知识和子知识，也可以避免耗时的图匹配的方法，是一种有益的思路。 p e a r lp u 和l is ap u r v i s 提出了种利用约束满足度修改算法进行适应性设 计的方法 3 2 。他们的方法主要运用于两个设计领域：装配序列生成和结构设 计。在装配序列生成方面，整体装配的关系模型是和那些部件的关系模型相匹 配的。这样，整体装配序列可以通过合并匹配部件的序列来获得，同时，利用 最小冲突算法可以最大限度地减少装配中可能出现的冲突。 1 3 3 空间构型 c h a k r a b a r t j 和b 1 i g h 利用约束传递的方法，在功能综合产生解之后解决了 方案解的空间构型问题。通过逐一考察系统的方位、方向和位置，产生方案解 可行的空间构型 2 5 ，4 4 。但是本文工作的目的是想把空间