（机械制造及其自动化专业论文）概念设计过程及其计算机辅助实现技术的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 概念设计阶段对整个机械设计制造过程有举足轻重的影响，因此有关概 念设计的理论、方法和应用的研究在国内外学者中受到很大的关注。本论文 的研究课题主要是对机械产品概念设计过程的研究，并且以计算机辅助机构 概念设计系统的建立方法为例探讨了计算机辅助实现概念设计过程的一些方 法和技术。 论文首先对概念设计的概念、内容、特点以及功能结构、原理设计等相 关理论进行消化了解，并在此基础上着重分析功能一原理一结构这一设计求 解的映射过程，提出了通用的机械设计概念设计阶段的设计过程模型。 论文阐述了机构设计的概念设计阶段机构的功能表示方法、运动规律及 原理设计等问题，并且以描述输入运动输出运动的转换作为机构概念设计阶 段机构功能的主要表示方法，结合之前提出的通用的概念设计过程模型，给 出了机构概念设计阶段的设计过程。 在对计算机辅助机构概念设计系统的实现的研究中，论文利用了人工智 能领域中的知识表示和推理等知识与技术。根据机构概念设计中机构知识的 组织特点，论文选择结合规则的框架表示作为机构概念设计系统知识的表示 方法。 论文最后提出了一个计算机辅助机构概念设计系统的原型，并且详细阐 述了系统在概念设计过程控制下进行的框架推理求解过程和方法。 关键词：概念设计；功能一原理一结构：设计过程：机构设计；框架 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep h a s eo fc o n c e p t u a ld e s i g nh a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h ew h o l e p r o c e s s o fm e c h a n i c a l d e s i g n a n d m a n u f a c t u r i n g ，w h i c hm a k e st h e s c h o l a r sa th o m ea n da b r o a dt a k eg r e a ti n t e r e s t si nt h er e s e a r c h e so n t h et h e o r y ，m e t h o da n da p p l i c a t i o no fc o n c e p t u a ld e s i g n t h es u b j e c t o ft h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yr e s e a r c h e st h ec o n c e p t u a ld e s i g np r o c e s s o fm e c h a n i c a lp r o d u c t i ta l s od i s c u s s e ds o m em e t h o d sa n dt e c h n o l o g y u s e df o rr e a l i z i n gt h ec o m p u t e r a i d e dc o n c e p t u a ld e s i g np r o c e s sb yt h e e x a m p l eo fb u i i d i n gam e e h a n i s mc o n c e p t u a ld e s i g ns y s t e m f i r s t ，t h et h e s i sd e s c r i b e dt h ec o n c e p t ，c o n t e n t ，c h a r a c t e r i s t i c o fc o n c e p t u a ld e s i g na n dt h e o r i e st h a tc o n c e r n e ds u c ha sf u n c t i o n a l s t r u c t u r ea n dp r i n c i p l ed e s i g n t h e nt h et h e s i sa n a l y z e dt h es o l u t i o n f i n d i n gp r o c e s so ff u n c t i o n p r i n c i p l e s t r u c t u r em a p p i n gi nd e t a i la n d e s t a b l i s h e dag e n e r a ld e s i g np r o c e s sm o d e lo fc o n c e p t u a ld e s i g ns t a g e i nm e c h a n i c a ld e s i g nb a s e do nt h ed e s c r i p t i o n t h et h e s i se x p l a i n e dt h ei s s u e so ff u n c t i o nr e p r e s e n t a t i o nm e t h o d s m o t i o nr u l ea n dp r i n c i p l ed e s i g no fm e c h a n i s mi nt h ec o n c e p t u a ld e s i g n s t a g eo fm e c h a n i s md e s i g n i tt o o kt h ed e s c r i p t i o no ft h ec o n v e r s i o n o fin p u tm o v e m e n ta n do u t p u tm o v e m e n ta st h em a i nr e p r e s e n t a t i o n m e t h o d o fm e c h a n i s mf u n c t i o n si nc o n c e p t u a l d e s i g ns t a g ea n dp u tf o r w a r da c o n c e p t u a ld e s i g np r o c e s s o fm e c h a n i s md e s i g nb yc o m b i n i n gt h eg e n e r a l c o n c e p t u a ld e s i g np r o c e s sm o d e lp r e s e n t e db e f o r e d u r i n gt h es t u d yo nt h er e a l i z a t i o no fc o m p u t e r a i d e dc o n c e p t u a l d e s i g ns y s t e mo fm e c h a n i s md e s i g n ，t h et h e s i su t i l i z e ds o m ek n o w l e d g e a n dt e c h n o l o g yi nt h ea r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ef i e l ds u c ha sk n o w l e d g e 哈尔滨工程大学硕十学位论文 r e p r e s e n t a t i o na n dr e a s o n i n g i tc h o s ef r a m ec o m b i n e dw i t hr u l ea st h e p r i m a r yk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nm e t h o d f o r t h e c o n c e p t u a ld e s i g n s y s t e mo fm e c h a n i s mb a s e do nt h ee h a r a c t e r i s t i co fm e c h a n i s mk n o w e d g e o r g a n i z a t i o n i nt h ec o n c e p t u a l d e s i g ns t a g e ， i nt h ee n d ，t h et h e s i sp u tf o r w a r dap r o t o t y p eo fc o m p u t e r a i d e d c o n c e p t u a ld e s i g ns y s t e mo fm e c h a n i s ma n d d i s c u s s e di nd e t a i lt h e p r o c e s sa n dm e t h o d so ff r a m er e a s o n i n ga n ds o l u t i o nf i n d i n go ft h e s y s t e mu n d e rt h ec o n t r o l o ft h ec o n c e p t u a ld e s i g np r o c e s s k e y w o r d s ：c o n c e p t u a ld e s i g n ；f u n c t i o n p r i n c i p l e s t r u c t u r e ：d e s i g n p r o c e s s ：m e c h a n i s md e s i g n ：f r a m e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开 发表的作品成果。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准。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：年月日 哈尔滨j 二程大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 目前的机械设计理论研究和设计工具的开发在详细设计、几何设计、制 造自动化等方面已经做了大量研究，并且有很多成熟的工具软件已经成功应 用在辅助绘制草图、几何制图、设计计算、制造加工、工艺规划等方面，极 大减轻了设计负担，提高了设计制造效率并取得了极大的经济效益。 c a d ( 计算机辅助) c a m ( 计算机辅助制造) 系统在制造业已经应用了很 多年，传统的c a d 系统处理的是线框几何建模、实体建模和表面建模，现在 的c a d 系统已经将其功能扩展到零件装配建模、约束表示、特征表示、公差 定义与分析以及虚拟现实等方面，并仍在不断扩充和完善“1 。这些先进的系 统大部分是基于知识的，因此它们捌有自动产品生成的能力并且能够使用大 型知识库。c a m 技术与c a d 技术并行发展，已经可以处理自由曲面的零件。 c a p p ( 计算机辅助工艺设计) 系统是介于设计和制造之问的工具软件，它将 设计与制造结合起来，是在零件设计的基础上进行加工的工艺设计，已经从 过去的确定加工量、选择切削参数、公差分析与综合等能力发展到现代的自 动配置设计、交互式特征查找、选择设备工具、生成工具路径以及模拟加工 等功能。虽然这些工具都很有使用价值，但是它们仍然主要依赖于产品的几 何数据，着眼于详细的几何设计。目前，许多c a p p 系统通过特征识别从c a d 系统的一个完成的详细的几何模型中获取所需的数据。这个c a p p 系统必须将 所有的设计意图从实体几何模型中解读出来。如果找到了特征，那么就可以 进入工艺设计的领域。这种操作模式无法为设计者提供任何的可制造性的反 馈信息。可能导致无效的产品开发周期。因此，需要一个能够在每个设计阶 段将信息反馈给设计者的工具。 综合以上可以看出，传统的计算机辅助设计等技术经过数十年的发展， 在实际的应用中已经取得了巨大的成效。但是，随着科学技术的飞速发展， l 哈尔滨j 二程大学硕士学位论文 制造业的每个企业都面临着持续多变和难以预测的全球化的市场竞争。市场 对产品的功能要求日益增多，更新换代速度加快，总之，对新产品的t 、o 、 c 、s 、e ( t t i m et om a r k e t ，最短的上市时间；q ：q u a l i t y ，最好的质量； c ：c o s t ，最低的成本；s ：s e r v i c e ，最优的服务：e ：e n v i r o n m e n t ，最清洁 的环境) 提出了更严格的要求“1 。然而，以上提到的计算机辅助工具对于机 械产品开发初期产品的方案设计的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需 要。主要表现在目前的计算机辅助设计的技术主要是面向产品详细设计和造 型绘图阶段，所以不能有效地支持产品的概念设计；不支持t o p d o w n 的设计 方法，不符合设计人员的正常设计思维，且人脑的概念设计结果和手工绘制 的设计草图不能为计算机所直接使用，只是能够支持设计过程中方案设计的 后续设计阶段。正因为如此，自8 0 年代中期以来，计算机辅助概念设计已成 为产品自动化的瓶颈问题，也是当前设计领域的研究热点之一。 目前，一些商业的，基于规则的设计系统已经被开发来自动化常规的设 计任务。设计者可以通过输入不同的参数，将知识编入这些系统来自动产生 设计。虽然这些系统可以在概念设计阶段帮助设计者( 尤其是常规设计) ，但 是概念设计的许多方面的都没有涉及和处理。包括：功能的分解，从功能映 射到设计的产品。 另外，这些软件技术大都是在拟定了设计大体方案之后的几何设计和工 艺设计，需要设计者有相当的设计经验、了解客户期望以及制造工艺和过程， 能够成功的自己进行初期设计( 概念设计) 。而经验不足的设计者在这个阶段 就需要得到各领域有经验设计者的协助，并且很可能因为某个错误而重复设 计，产生很大的成本浪费。所以目前很多学者在概念设计智能化研究以及概 念设计与其它设计工具的集成等方面进行理论和方法的研究。 自从“概念设计”这一名词的提出，人们已经对其进行了十几年的研究。 近年来，有关概念设计的方法和应用的研究在国内外学者中都受到很大的关 注。概念设计之所以在机械设计领域受到关注是由于概念设计阶段对整个设 计制造过程有举足轻重的影响。研究表明，概念设计阶段决定了产品全生命 周期高达7 0 以上的成本，而此阶段所花的成本只约占全生命周期成本的5 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p j 。产品的概念设计阶段是所有的后续设计及丌发工作的基础和依靠。是 整个产品开发生命周期中最关键的环节。产品的概念规定了产品的同标、未 来市场的商业优势和适宜性。如果产品的概念定义不行的话，再多的漂亮的 外观、包装效果也没有办法弥补。概念设计阶段是整个设计过程中最富创造 性、最有影响力的阶段。 1 2 概念设计的计算机辅助技术的发展及其研究现状 目前，计算机辅助设计( c a d ) 主要解决了在计算和绘图等设计后续阶段 对设计者的支持。而对于极富创造性的早期方案设计阶段的计算机支持至今 没有取得实质性的进展。而目前的智能c a d 系统，所采用的方法的理论基础 般是基于传统的人工智能的知识表示与推理方法，即逻辑思维为基础，其 中多以知识工程和专家系统的方法实现。创造性如何在方案设计过程中体现 一直是困扰设计理论研究工作者的棘手问题。 对机械产品的概念设计的研究，目前已报道成功的事例基本是在大学里 的论文和一些工业经验。并且这些计算机辅助概念设计只是应用在一些特定 类型的问题上。出于每个研究者对概念设计问题研究的角度和侧重点不同， 使概念设计研究的范围很广，包括概念设计中各种模型的研究、各种推理概 念和求解方法的研究，选择评价方法的研究，另外还有将新技术如人工智能、 数据库、网络技术等应用到概念设计中的研究等等，举例如下。 1 2 1 产品功能、行为、状态和结构设计等方面的相关研究状态 在概念设计过程中相关理论和方法的研究中，围绕着功能、行为、状态、 结构设计这几个方面进行的理论研究很广泛。这几个方面相互有复杂的联系， 不能简单地分为几个独立的研究方向。就其侧重点来说，分别介绍如下： 首先，作为设计核心的功能设计，主要分为两种方法：一种是以功能为 基本单元进行相应的描述，关键是功能的分解和组合，较为直观：另一种是 将功能设计转化为其它形式的设计，关键是转化的机理，有利于功能难以直 哈尔滨上程大学硕士学位论文 接分解和组合的设计情况。例如： ( 1 ) 功能逻辑分解方法：s t u r g e s “3 等以价值工程理论为基础演化而来 的方法，它经历了基本功能逻辑分解到扩展的功能逻辑分解两个阶段。该方 法的核心是认为设计是一个以功能为基本单位的逻辑问题，认为功能是代表 做什么的符号，具有逻辑操作性。把整个产品的综合功能看作初始功能，对 产品功能进行逐层的逻辑分解，直至完成某单一功能的理论上不必再分解的 基本功能。这种方法的关键在于研究如何建立一个丰富的功能定义库，从而 进行功能的描述以及定义该功能的后续功能，直至没有后续功能的基本功能， 以及定义一个全面的功能块关系描述集。其特点是通过功能逻辑分解，能清 晰地表达功能逻辑结构，比较注重功能间的逻辑关系，但在较能体现创新的 功能重组方面涉及较少。 ( 2 ) 键合图方法”1 ：将组成系统元件的功能分成产生能量、消耗能量、 转变能量形式、传递能量等各种类型，并借用键合图表达元件的功能解，希 望将基于功能的模型与键合图结合，实现功能结构的自动生成和功能结果与 键合图之间的自动转换，寻求由键合图产生多个设计方案的方法。檀润华等 将功率键图和键合图用于概念功能设计中，通过功率键图或键合图，将功能 模型转化为物理元件系统，产生多个设计方案。 其优点在于进行方案设计时，不必具体考虑功能的实际含义，而只要遵 循物理元件系统的物理意义。这样虽然有利于创新，但是由于物理原理与产 品的实现之间往往有较大差距，有时会导致虽然设计出了新方案却无法在实 际制造中实现的问题。 其次，在行为设计方面，n e v j l l e 等”3 在分析了对描述机构行为的表达语 言的要求后，以逻辑谓词和代数关系作为描述固定轴机构行为的表达语言， 来描述机构各部分的位置、运动状态及其相互关系，可以从定性和定量两个 方面同时描述机构的行为特性。这也是概念设计过程中的对机械产品的描述 问题。另外，在结构设计方面，q i a n 等通过功能一行为一结构”1 的表达，进行 产品的拓扑结构设计，并由交互方式产生新的拓扑方案。 最后，形状设计可以说是计算机辅助概念设计的一个比较成熟的领域。 4 哈尔滨工程人学硕士学位论文 目前关于形状设计的理论和技术发展较为成熟，比如草图技术的研究，它主 要是将概念设计人员的二维和三维设计草图进行三维建模的关键技术，也是 用来将传统c a d 系统与概念设计相结合的一种有效手段。国内外已经建立了 一些产品概念设计形状的快速生成系统以及基于草图的c a d 系统。1 形状设计的研究重点是在概念形状设计时，特别是信息残缺的情况下， 对概念形状的描述、表达和操作，并按设计人员的设计习惯，辅助形状创新。 人们进行了大量草图设计研究，以实现几何图形的快速输入和计算机草图识 别问题。 例如：m e r v i 将设计分为功能一结构一装配三个层次，重点研究如何将功 能性描述转化为实现这些功能的具体形状、尺寸及相互关系的零部件的描述， 其中结构设计被作为从功能需求到实现该功能的装配体的转换桥梁。d i j k 丌 发了称为快速形状生成器的原型系统，使之接受产品设计者的使用和评价， 从而找出概念形状设计计算机支持的要求。g o r t i 等提出了一种从符号描述 到形状表达的映射方法，其中包括从功能关系导出设计目标间的空间关系、 求出这些空间关系的解和展示几何形状表达的演化。s h e u 等在形状方案设计 中，基于b - r e p 技术，对形状特征的定义、表达和操作等进行了研究，其提 出的特征模型有利于产生新的形状特征，进而产生新的几何形状。另外还有 d a n i 等开发的概念虚拟设计系统，采用声音和手跟踪的输入方式来快速产生 概念形状、t a u r a 等提出的形状特征产生过程模型等研究结果。“ 1 2 2 计算机辅助概念设计的设计过程方法研究状况 根据目前的设计理论、计算机技术以及相关科学技术的发展现状，可以 看出，计算机辅助的产品概念设计系统在目前能够处理的主要是那些相对有 规律的人脑处理的设计过程，即产品概念设计的过程。因为设计的原创性目 前只能由人来完成，而计算机能够模拟的仍然是已有的存储下来的经验和思 路。因此在创新的方面，目前的计算机辅助概念设计系统处理的主要是创新 设计中的适应性设计和变型设计( 见本文的2 2 节) 。 计算机辅助概念设计的过程及其方法一般都基于某种设计方法学的基本 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 理论。设计方法学理论种类较多，也各成体系。所以有关产品概念设计的方 法、过程的理论模型和方法，随着研究者的研究角度、问题的环境不同也多 种多样。上一节介绍了产品功能、行为、状态和结构设计各个方面的研究状 况，而关于概念设计过程方法的研究就是设计者在各自对功能、行为等方面 的定义或理解的基础上，一般是以功能设计、功能推理为核心，研究这几个 方面之间的映射关系或推理过程，建立不同的设计过程( 方法) 模型。其中 比较有代表性的是功能一结构( f u n c t i o n s t r u c t u r e ) 、功能一行为一结构 ( f u n c t i o n - b e h a v i o r s t r u c t u r e ) 方法模型以及功能一行为一状态 ( f u n c t i o n - b e h a v i o r s t a t e ) 的设计方法模型“。 以s r i d h a rk o t a 为代表的功能一结构方法表示的是从产品的功能设计到 设计出能实现产品所需功能的产品结构的映射或推理过程。但是结构一功能 的方法将结构与功能直接连接，这样就无法用来了解设计中结构是如何被选 择的。由于设计本身就是一连串的选择或产生结构以达功能需求的过程，而 行为恰好可以作为连接功能与结构之间的桥梁，所以该方法得到进步扩展 和完善，将行为加入功能和结构的映射之间，例如：g e r o 等“4 于1 9 9 0 年提 出的d e s i g np r o t o t y p e ( 设计原型) 中包含了功能一行为一结构 ( f u n c t i o n - b e h a v i o r s t r u c t u r e ) 的设计原型。他将功能、行为和结构之间 的关系称为f b s 通道，给定一个功能，就能指出实现这个功能的行为以及引 起这个行为的结构：给定一个结构，也能从f b s 通道发现它的预期行为和功 能。其中，功能显示产品的意图，结构指出产品的构成以及它们连接的关系， 而行为则说明产品的结构如何达成其功能。一个功能可能对应多个行为，一 个行为可以和多个功能相联系，同样，同一行为也可以从多个结构中推导出。 另外，g o e l 等提出了一个结构一行为一功能( s b f ) 模型来表达装置设 计的结构一功能映射，并应用在适应设计中，如图l _ 1 所示”。该s b f 模型 中的“b ”指装置的内部行为，它说明了装置的结构如何提交它的功能，或者 说如何提交它的输出行为。 功能一行为状态( f u n c t i o n b e h a v i o r s t a t e ) 方法是u m e d a 、g o e l 等提 出的将功能分解转化为行为描述的分解，再由行为描述映射到实现功能的结 6 哈尔滨_ l 程大学硕士学位论文 构的概念设计过程的设计模型。这种方法基于以下3 个定义之上： 定义1 ：功能是人们从实际认识中抽象出来的行为的描述，功能与行为之 问是多对多关系。 定义2 ：一个实体的状态是一系列属性以及与相关实体之间的关系。 定义3 ：行为是一系列随时间变化的状态。 s b fm o d e l 图1 1s b f 模型示意图( g o e l ，1 9 9 7 ) 这种方法的特点是以人的认知模型为基础，采用功能一行为一状态的表 达方法，将功能分解转化为行为分解的研究，更符合人的思维活动。行为分 解主要分为两类：一种是基于经验的分解，即某一行为可以分解为a 、b 两个 子行为，a 与b 之间没有必然的联系，只是代表该行为的两个步骤；另一种 是基于因果关系的分解，即某一行为可以分解为a 、b 两个子行为，a 与b 之 间存在着因果关系，即有a 必有b ，所以一旦出现了a 行为，系统就会自动 追加b 行为。 行为描述模型以人的设计思维活动为基础，有利于功能创新，但是行为 的分解往往受到人的经验和相关知识水平的限制，以及对其因果关系的认识 程度的约束。 这些方法目前已经在产品概念设计求解中得到了广泛的应用，并且这些 7 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 方法本身也得到了不断的研究和改进。 1 2 3 计算机辅助概念设计的系统方法的相关研究 自1 9 8 3 年d c b r o w n 最早提出关于人工智能在机械设计中应用的研究论 文发表以来，大量文献报告了机械设计专家系统在机械设计各方面的应用成 果。人们也将人工智能技术和其它相关技术引进到概念设计的研究中来，例 如利用与人工智能相关的表达和推理机制，为系统需求相应的解，本文也利 用了这种理论方法来实现概念设计的问题求解。目前，利用专家系统的方法 已经建立了一些概念设计方面的应用于特定类型问题的一些专家系统等辅助 系统，如：s a k a g i 和t t a n a k a 等人研制出船舶动力方案实践专家系统， o s l l o n d 的所谓最佳齿轮传动链的选择方案等。 国内许多学者也在积极地从事这方面的研究。华中理工大学周济教授的 研究成果主要集中在机械c a d 方面，开发出实用专家系统工具d e s t l 0 ，应 用于工程实际中和系统辅助设计中。上海交通大学的邹慧君教授等人以机械 运动系统作为概念设计的对象，用组合分类法对机构分类，在理论研究的基 础上开发出了“机构系统方案设计专家系统”。 在这里再简单介绍几个常见的比较有影响的机械设计系统方法方面的研 究的例子，如： ( 1 ) 台湾成功大学的颜鸿森等人提出的颜氏创造性机构设计的系统方 法。“”该方法首先找出可用的已有设计，归纳出这些机构的拓扑构造特性， 选择其中一个存在的设计作为原始机构，然后把原始机构转换成只含连杆和 回转副的一般化运动链，运用数目综合理论，得到所需机件和运动副数目的 一般化运动链图谱。根据设计需求，特定化运动链图谱，找出能满足设计约 束条件的可用特定化运动链图谱，再把可用特定化图谱转换成与其对应的机 构，获得机构图谱，最后去掉已存在的现有机构，获得新类型机构图谱。 ( 2 ) 矩阵设计法“：k o t a e t a l 提出的形成概念设计系统方案的一个可计 算方法的新的基础。根据这种方法，机械领域的设计空间不断被分解为功能 子空间，而每个子空间只表示概念设计的一个模块，在抽象阶段的高层，每 r 哈尔滨工程大学硕士学位论文 个设计模块用运动转换矩阵和个可以进行操作的约束矢量表示；在抽象阶 段的低层，每个设计模块被表示为参数矩阵和一个运动方程。通过对参数矩 阵和矢量的操作处理，在设计过程中，由一个运动转换矩阵和一个操作用的 矢量，把给定的设计任务分解成子功能集( 包含一个设计模块集) ；通过一种 较低水平的表示，可进行一个定性的机械运动的仿真。这种方法可以：用设 计模块在不同水平的抽象中进行表示和推理；产生可选择的概念设计配置中 的各个零部件；通过连接一系列的设计模块，可进行概念设计性的快速仿真。 ( 3 ) 基于实例的方法“：此方法是在目前在研制设计型专家系统的知识 库中，采用基本谓词描述设计要求、设计条件和选取的方案，用框架结构描 述“工程实例”和各种“概念实体”，通过基于实例的推理技术产生候选解来 匹配产品的设计要求。基于实例的推理是一种相似或类比的推理方法，它是 一种相似问题的求解方法，其核心在于用过去实际中所用的实例和经验来解 决新问题，它以实例为主进行推理，直接利用以往的设计结果进行推理，从 而大大减少知识获取的工作量，在一定程度上避丌了知识获取的瓶颈问题。 另外，有的学者研究了在概念设计阶段利用计算机模拟设计过程的可能 性，提出了两种不同的方法：一是寻找在每个设计阶段决策的基本原则：二 是模拟化感性知识和经验，即a i 技术的应用。至于a i 的应用，我们可以在 机械设计型的专家系统中看到它的广泛采用，比如神经网络等等”。 总体来看，目前国际上已经研究和开发的一些计算机辅助概念设计系统， 有各自不同的侧重点，其设计的指导思想也不同。有的系统侧重于概念设计 任务的计算机自动化求解，系统重点放在相关领域知识的获取、表达和运用： 有的系统以设计理论为指导，重点是对理论的计算机实现；有的系统侧重于 多个设计方案的选择，主要通过仿真等技术来评估方案；有的侧重于设计任 务的协调完成，系统重点在于协调各个任务求解器，以使整个问题的求解更 加合理和有序；有的系统重点考虑对创新设计思维的规范和自动化。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 4 商品化软件中的概念设计系统模块 目前世界上大型的c a d c a m c a e 软件系统，如p r o e n g i n e e r 、e d s u n i g r a p h i c s 、e u c l i d 、a u t o d e s k 、s o l i d w o r k s 、a 1 i a s 、s o f t i m a g e 等，都 提供了产品早期设计的系统支持模块。称为工业设计模块、概念设计模块或 者草图设计模块。不过从本质上来看，这些工具都没有解决概念设计阶段的 方案创新设计的问题，其重点仍然集中在图形设计、草图识别等方面，例如： p r o e n g i n e e r 它包含一个工业设计模块- - p r o d e s i g n ，用于支持自上而下的 投影设计，以及在复杂产品的设计中所包含的许多复杂任务的自动设计。此 模块工具包括：概念设计的二维非参数化的装配布局编辑器、用于概念分析 的二维参数模型的布局，以及用于组件的三维布局编辑器。 e d s u n i g r a p h i c s 它从v 1 3 版本后推出了概念设计( w h a t i f a l t e r n a t i v ev a l u ee n g i n e e r i n g ，w a v e ) 技术。w a v e 为协同概念设计提供了 强大的技术支持。它使不同部门的工程师在概念设计阶段，从系统工程的角 度同时对多种可选择的设计方案进行评估。通过将设计意图组织到一个相关 控制结构中去，可使概念设计人员有效地控制各种设计的变更。此外，w a v e 也支持“概念设计到详细设计工程”。 1 2 5 机械产品计算机辅助概念设计的关键技术和发展趋势 目前机械产品计算机辅助概念设计的关键技术，同时也是有待解决和深 入研究的内容，主要包括： 基础理论研究：主要是对概念设计过程及设计方法和理论、设计创新技 术等的研究。探索概念设计过程的特性及需要遵循的原则和规范。 建模技术研究：主要是研究面向概念设计的产品模型和概念设计过程模 型的建立方法，使概念设计的模型定义和描述方法、模型的操作和演化等有 利于计算机的表达和处理，能更符合设计者的思维模式和设计习惯。使概念 设计的建模技术面向产品级和全生命周期。 知识获取和自学习研究：研究如何将设计需求信息转化成计算机辅助概 哈尔滨j 二程大学硕十学位论文 念设计阶段能够识别的设计任务清单，以及在设计过程中总结新的设计经验， 不断扩充知识库，进行自学习和自我完善。 设计信息的集成化研究：主要研究概念设计与其它设计阶段的集成，如 概念设计与结构设计、工艺设计、制造、装配等环节的集成。概念设计的结 果是详细设计与制造阶段的信息基础，是实现c a d c a m c a p p 一体化( 即c i m s ) 的首要环节，所以产品信息以及设计过程产生的信息的集成是实现设计集成 的基础。 并行和协同设计技术研究：研究如何并行地进行产品及其相关过程的设 计，将概念设计过程放在产品的整个生产活动中统一考虑，将概念设计过程 和制造、加工、装配、维修和成本等其它因素并行考虑和协同设计，以及在 不同或相同领域的设计师之问的协同设计。 概念设计的发展方向现阶段大体上分成了两大部分：一是致力于在原先 计算机辅助绘图为主的辅助设计软件的基础上，发展概念设计阶段的草图绘 制辅助、草图识别与自动生成三维图形和制造工艺、解决机械设计不同设计 阶段的信息孤岛问题等技术：而另一部分的重点放在概念设计的设计过程方 面，其期望目标是实现概念设计过程的计算机的自动实现，并且与后续的设 计加工阶段最终形成一个完整的机械设计系统。 随着计算机技术、信息技术的飞速发展，以及人工智能、多媒体、虚拟 现实、网络等技术的发展和实际应用，产品设计模式在信息化的基础上，正 朝着数字化，网络化，智能化和交互化的方向发展。计算机辅助概念设计的 理论、表现形式和内涵都会进入新的境界。从整个产品设计的发展来看，概 念设计的必将与其它的设计阶段一起，无缝地集成为一个覆盖产品全生命周 期的、与不同领域、地域以及不同设计者之间协同设计、真正的人机一体化 的并行的智能集成设计制造系统。”“”“”。“” 1 3 课题的内容及其意义 本课题为自立课题。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由前文可知，概念设计阶段的改进比详细设计阶段的改进对提高产品质 量、减少总体成本和上市时间更加有效。概念设计在机械设计领域中的重要 性和先进性决定了对概念设计过程及其计算机辅助实现研究的重要性，这也 正是设立本课题的原因。 本课题目的是通过研究目前产品概念设计过程所涉及的相关理论与方 法，提出一种通用的机械产品概念阶段的设计过程并且对与其相关的概念和 理论加以分析和研究，该通用概念设计过程通过给出达到预期设计目标的方 法，以与具体产品无关的方式描述在概念设计过程中解决复杂的、不同的设 计任务的特点和基本步骤。课题最后将通过机构的概念设计这样一个比较具 体的领域进一步探讨计算机辅助实现概念设计过程的相关技术和方法。 论文分为两大部分，第一章和第二章介绍和探讨了机械产品概念设计的 基本概念和理论知识，即概念设计过程研究的相关理论部分( 当然由于概念 设计的理论面非常的广阔，所以这里是择其要点和与论文密切相关的部分进 行阐述) ，第三章和第四章研究的是在实现概念设计过程中涉及的一些方法， 以实现一个机构概念设计辅助系统原型为例，具体讨论实现概念设计系统可 采用的一些技术与方法。 1 4 本章小结 本章介绍了概念设计研究的技术背景和发展过程，解释了概念设计在机 械设计领域的重要性，并且介绍了目前各国学者对概念设计各方面理论和实 践的研究状况，以及概念设计过程中得到广泛接受和讨论的一些概念设计理 论和模型、有关计算机辅助概念设计方面的关键技术，并且展望了其发展前 景。 哈尔滨上程大学硕士学位论文 第2 章机械产品概念设计及其过程建模研究 2 1 具有代表性的产品设计理论与方法 产品设计方法学是研究产品设计的过程、规律及设计中思维和工作方法 的门综合性学科。设计方法学的研究结果包括设计理论和设计方法。设计 理论是研究产品设计过程的系统行为和基本规律，如通用设计理论、公理化 设计理论、泛设计理论、设计空间度量理论等，设法解释说明技术产品的特 性并找出通用有效的方法，以便用于发明新的人工产物；设计方法是产品设 计的具体手段，包括功能一结果方法、并行设计、可靠性设计、智能设计等。 各国的理论工作者一直从事研究，提出了多种设计理论。尽管人们在设计理 论、方法、程序和规律等方面进行了大量的研究，但是从计算机应用的角度 来看，设计方法学的水平还没有能够形成适合于计算机程序系统的设计理论 和有效的设计处理模型。 目前的概念设计研究中应用了产品设计方法学的许多理论和方法，所以 在此先简单介绍一下目日u 有代表性的应用较多的几种产品设计理论和方法。 ( 1 ) p a h l 和b e i t z 的普适设计方法学”( c o m p r e h e n s i v ed e s i g n m e t h o d o l o g y ) ：德国学者p a h l 和b e i t z 于2 0 世纪7 0 年代提出的具有相当 代表性、权威性和系统性的产品设计方法学。目前全世界发表的许多学术论 文、研究报告都引用了p a h l 和b e i t z 的理论。有些学者认为他们的理论是设 计理论的经典理论。该理论中将设计过程主要分为四个阶段：明确任务阶段、 概念设计阶段、具体化设计阶段和详细设计阶段。该设计方法学建立了每个 设计阶段的策略、规则和原理，形成了一个完整的设计过程模型。该理论认 为问题求解是有步骤地分析与综合，不断从定性到定量的过程；把产品设计 看作是信息演变的过程，其中每个新阶段都是对上一阶段结果的具体化和改 进，直至获得最后要求的结果。这个设计过程很典型的代表了串行的产品设 计开发模式，符合自然的思维模式，但是在各阶段之间缺乏有效的信息反馈 13 哈尔滨工程大学硕十学位论文 机制的支持。 ( 2 ) 通用设计理论( g e n e r a ld e s i g nt h e o r y ，简称g d t ) 与泛设计理论 ( u n i v e r s a ld e s i g nt h e o r y ，简称u d t ) ：日本东京大学人造物工程研究中 心( r e s e a r c hi n t oa r t i f a c t sc e n t e rf o re n g i n e e r i n g ) 吉川弘之等自2 0 世纪7 0 年代起研究提出g d t ，主要通过用数学形式化来表达设计过程，处理 人类思维活动领域内设计表示为知识处理的概念模型。 一震薹嚣白上由一澄涪任务l jr o 。 一需求结构l 。一 l，i ， 1 一薹燃蒸白上白 一总体功能结构l _ j ，j l - j 一子功自2 结构l 。一 、 。1 i 、 有效几何体建梗 l 一有效几何结构 口口 一物理作用 j j 星体化设计f 实韩设计 口口 一指定材丰斗i 厂 i - j 覆异豢的 图2 1 应用于计算机的机械工程中的设计过程 基于g d t ，德国k a r s l r u h e 大学“计算机应用于设计和生产研究所”( r p k ) 于1 9 8 8 年提出泛设计理论，简称u d t ，是一种以一致的、连贯的且紧凑的形 式从不同科学准则角度来阐述设计的设计理论“。它主要作为在效率和可靠 1 4 哈尔滨_ l 程大学硕士学位论文 性方面，使多学科产品开发合理化的科学基础在发挥着作用。u d t 考虑了不 同科学领域的所有共同特征，以便寻找关于看待事物的解释性说明和方法的 有效性阐述。与一般设计理论不同的是，u d t 不仅包括通用的、独立于学科 的知识，而且也包括关于设计的特定学科的知识。它同时也描述了具有不同 设计准则的接口。关于u d t 的应用，这些学者们研究了结构化表达设计过程 的方法，采用了几位德国设计方法学家提出的应用于计算机的机械工程中的 设计过程，即分为四层的设计方法：需求建模、功能建模、有效几何建模和 具体化设计四个层次( 如图2 1 所示) ”，探求设计过程是如何组织的，计算 机如何能用于支持设计的全过程。并以奠定实现新一代计算机辅助设计技术 系统的理论为前提，开发了一个原理性的演示系统。 ( 3 ) 公理化设计理论”“( a x i o m a t i cd e s i g n ，简称a d ) ：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 年来对设计的理论系统进行了系 统研究，提出了设计公理体系。a d 建立了以科学公理、法则为基础的公理体 系，其核心内容是提出了两个基本公理：独立性公理( t h ei n d e p e n d e n c e a x i o m ) 和信息公理( t h ei n f o r m a t i o na x i o m ) ，其余的公理、法则均由两个 基本公理衍生而成。独立性公理是指保持功能需求的独立性，功能需求数目 是满足设计目标的独立性功能需求的最小数目。当存在多个功能需求时，设 计方案在满足某个功能需求的同时不能影响其它的功能需求。信息公理是使 信息内容最小化。 用户域功能域 物理域 过程域 图2 2 设计过程的问题域概念模型 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 公理化设计理论采用了将设计的问题域视为用户需求域 c a s 、功能域 f r s 、物理域 d p s 和过程域 p v s 四个依次通过映射机制相联系的问题域的 概念模型( 并非a d 所提出) ，如图2 2 所示，要求相邻域之间的映射过程中 应当满足其独立性和最小信息这两条基本公理。公理化设计理论虽然仍不是 完善的理论体系，但是已经在很多实际的产品设计和学术论文中得到了应用。 ( 4 ) t r i z ( t h e o r yo fi n v e n t i v ep r o b l e ms o l v i n g ) ”：创造性问题 求解理论。该理论是前苏联的g s a l t s h u l e r 等人，自1 9 4 6 年开始，在分析 研究世界各国2 5 0 万件专利的基础上，总结出了人类进行发明创造过程中所 遵循的4 0 个原理和法则以及实现创新丌发和解决技术问题的原理和法则，建 立了一个由解决技术问题，实现创新开发的各种方法、算法组成的综合理论 体系，其俄文词头为t r i z 。在俄罗斯，t r i z 方法一直被作为大学专业技术必 修科目，且已广泛应用于工程领域中。苏联解体后，t r i g 流传于西方，受到 极大重视。西北欧、美国、日本、台湾等地出现了以t r i z 为基础的研究、咨 询机构和公司，一些大学将t r i z 列为工程设计方法学课程。t r i z 方法工程 实用性强，其方法核心系经验的集合，所以可视为一种知识库的方法。如今 它己在全世界广泛应