（机械设计及理论专业论文）机电产品概念设计方法及其应用的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 机电产品采用的是机械与电子的 体化技术 所谓一体化并不是机械和电子等的 简单组合 而是取其所长 有机融合 以实现系统的最佳化 机电产品主要山5 大要 素构成 机构 执行元件 动力源 传感器 计算机 其中机构设计 传感器技术是 机电产品设计中的关键技术 机电产品概念设计是设计过程中的关键阶段 由于设计过程的发敞性 为了构思 确定综合最优方案 其过程需要有创造性思维 机构设计及传感器选型设计 以及其 间的相互融合和信息交流 是机电产品概念设计的主要目标 近年来 国内外学者对 概念设计研究仅局限于单纯的机构概念设计 在机电产品概念设计阶段 还没有实用 的机电产品概念自动漫计系统出现 基于此 本论文对机电产品概念设计方法以及自动设计系统进行了探索及实用性 研究 本论文首先从机构学理论出发 构建机构元的定义 分类方法和完备描述 对机 构元运动属性及功能属性进行了知识表示 通过对知识表示的迸一步离散 实现了机 构元的计算机编码 按检测项目对传感器进行分类及知识表示 实现了传感器的计 算 机编码 其次 依据数据库的建立规则与关系数据库的基本理论构建了机构和传感器 知识库 根据机构设计以及传感器选型的特点 提出有效的推理机求解算法 4 通过编 程语言工具 实现了对机构选型评价 并依据机构选型的信息 实现了传感器的选型 及评价 在上述工作的基础上 开发了机电产品概念设计系统 最后 运用机电产品 概念设计方法对煤气管道切割机的方案设计进行研究与应用 关键词 机电产品概念设计机构元传感器方案设计 t 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t m e c h a t r o n i c s u s u a l l ye m p l o y s s o m e i n t e g r a t i o nt e c h n o l o g i e s w h i c h w i l lc o v e r t e c h n o l o g y o f m a c h i n e r y a n de l e c t r o n i c sf o r o p t i m i z i n gt h es y s t e m i n t e g r a t e dm e c h a t r o n i c s p r o d u c tg e n e r a l l yi n c l u d e sf i v es u b s y s t e m s w h i c ha g em e c h a n i s m m e c h a n i s m a c t u a t i n g c o m p o n e n t s p o w e r s o u r c e s e n s o ra n dc o n t r o l l i n gs y s t e m a m o n gt h e mm e c h a n i s m sd e s i g n s e n s o rt e c h n o l o g ya r et h ek e y t e c h n o l o g y i nm e c h a t r o n i c s p r o d u c td e s i g n t h ec o n c e p t u a ld e s i g no ft h em e c h a t r o n i c sp r o d u c ti st h ek e ys t a g ei nt h ed e s i g n p r o c e s s i no r d e rt oa c h i e v et h ec o m p r e h e n s i v eo p t i m u ms c h e m e t h ec r e a t i v et h i n k i n gi s d e m a n d e dd u et ot h er a d i a t i o no ft h ed e s i g np r o c e s s t h em a i nt a r g e to fac o n c e p t u a ld e s i g n i sm e c h a n i s m sd e s i g n s e l e c t i o no ft h es e n s o rt y p e a n dt h e i ri n t e g r a t i o na n di n f o r m a t i o n i n t e r c h a n g e i nr e c e n ty e a r s t h es t u d i e sm a d eb y d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls c h o l a r sm a i n l y f o c u so nt h es c h e m ed e s i g no fm e c h a n i s m p r a c t i c a la u t o m a t i cg e n e r a t i n gs y s t e m sh a v es t i l l n o ta p p r o a c h e di nt h ef i e l do ft h em e c h a t r o n i c sp r o d u c t d e s i g n a sar e s u l t i ti st h eg o a lo ft h ea u t h o rt om a k es o m ee x p l o r i n gs t u d yo nt h ec o n c e p t u a l d e s i g n sm e t h o d s a n dt h e i ra u t o m a t i cg e n e r a t i n gs y s t e m sf o rt h em e c h a t r o n i c sp r o d u c ti nt h e p r e s e n t t h e s i s b a s e do nm e c h a n i s mt h e o r y t h e p r e s e n t t h e s i sf i r s tp u t sf o t w a r dt h ed e f i n i t i o n c a t e g o r i z e dm e t h o da n dc o m p l e t ed e s c r i p t i o no fm e c h a n i s m u n i t ad e t a i l e dd e s c r i p t i o no f k n o w l e d g ei sa l s og i v e nt ot h em e c h a n i s m u n i to ft h em o v e m e n ta t t r i b u t ea n dt h ef u n c t i o n a t t r i b u t e t h ec o d eo fm e c h a n i s mu n i ti sa c h i e v e db yaf u r t h e rd i s c r e t i z a t i o n a f t e ra c l a s s i f i c a t i o na n dk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o no fs e n s o r si nt e r m so fm e a s u r ei t e r n s t h ec o d e o fs e n s o r sh a sb e e na p p r o a c h e d s e c o n d l y t h ek n o w l e d g eb a s ef o rm e c h a n i s ma n ds e n s o r s i ss e tu pb a s e do ns e t t i n g u pr u l e so ft h ed a t a b a s ea n db a s i ct h e o r i e so ft h er e l a t i o nd a t a b a s e a c c o r d i n g t om e c h a n i s m sd e s i g na n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h es e n s o r s t h ea u t h o rp u t sf o r w a r d t h ee f f e c t i v e r e a s o n i n ga n ds o l v i n g m e t h o d w i t ht i l e p r o g r a m m i n gl a n g u a g et o o l t h e e v a l u a t i o no fm e c h a n i s ms e l e c t i o nh a sb e e nr e a l i z e d a n da c c o r d i n gt ot h ei n f o r m a t i o no f m e c h a n i s m t y p e t h es e l e c t i o no f t h es e n s o r sa n de v a l u a t i o nh a v eb e e nf i n i s h e d f i n a l l y t h i s t h e s i sh a sd e v e l o p e dt h ec o n c e p t u a ld e s i g ns y s t e mo ft h em e c h a t r o n i c sp r o d u c t u s i n gt h e c o n c e p td e s i g nm e t h o do ft h em e c h a t r o n i c sp r o d u c t t h e a u t h o rh a ss t u d i e dt h es c h e m e d e s i g no f t h e c u t t i n gm a c h i n e o f g a sp i p e d e s i g nr e s u l t sh a sb e e na p p l i c a t e di n t h ep r o d u c t k e y w o r d s m e c h a t r o n i c sp r o d u c t c o n c e p t u a ld e s i g n m e c h a n i s mu n i ts e n s o r s c h e m ed e s i g n i i 独创性声明 本人声明所皇交的学位论文是我个人在导j j f l j 指导下进行的研究 工作及取得的研究成果 尽我所知 除文中已经标明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果 对 本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在文一 1 以明确方式标明 本 人完全意识到本声明的法律坌i i 果l 1 1 木人承担 学位论文作者签名 南州 日期 辨年i 月 o 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 即 学校有权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 本人授权华中科技大学可以将木学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行榆索 可以采用影印 编印 或扫描等复制手段保存和汇编木学位沦文 保密口 在年解密后适用木授权书 本论文属于 不保密团 请在以上方框内打 妒 学位论文作者签名 南如 日期 易蛑厂月 0 日誓翥瑟鬈 群曰期 扣l 年 7 月fu 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1概述 1 绪论 本课题来源 华中科技大学 机械系统创新设计项目 以及华中科技大学与武汉 钢铁公司燃气厂 联合开发研制煤气管道在线切割机 项目 在知识经济时代 一个国家的创新能力 包括知识创新和科技创新能力 是决定 该国在国际竞争和世界总格局中的地位的重要因素 面对二十一世纪产品竞争日益加 剧的挑战 世界各国普遍重视提高产品的设计水平 以增强产品竞争力 设计的本质是创新 设计与人类的生产活动密切相关 它是把各种先进技术成果 转化为生产力的一种手段和方法i 产品设计的根本目的就是要创新产品 满足市场 需求和占领更大市场 因此 创新设计是增加机械产品竞争力的根本途径 产品设计 本身是创造性的劳动 在机电产品的创新设计中 是否具有创新性 很大程度上取决 于机电产品的机构设计是否具有创新性 因而机构创新设计在现代机电产品创新设计 中起着关键作用 设计 d e s i g n 一词起源与拉丁语d e s i g n a r 意为将符号 记号 图形等记下的意 思 随着社会的进步及科学技术的飞速发展 设计的内涵不断向深度和广度发展 设 计的本质也发生了质的飞跃 由起初的记录而发展成为一种及其富有创造性的社会活 动 同时 随着人们对设计过程理解的不断深入 其研究方法也实现了经由1 7 世纪前 的 直觉设计阶段 1 7 世纪后的 经验设计阶段 及其后发展形成的 传统设计阶 段 向 现代设计阶段 的飞跃 到本世纪三四十年代 人们开始对新的设计思想 设计方法及创新设计进行了探索研究 如人机工程学 价值分析 智暴法等 但是直 到五十年代中期 尤其是六十年代初 才对现代设计方法的研究引起足够的重视 尤 其近年来 对现代设计理论研究进入高潮 不断深入 人们对设计本身及设计过程也 有了更深入的理解 设计由传统的偏重于技术过渡到面向功能 综合考虑技术 经济 社会环境等诸多因素 不仅重视设计内容 而且重视设计进程的管理 随着电子 计算机等现代科学技术的日益进步和广泛应用 现代机械正朝着机 电 液 信息一体化的方向发展 人们关于传统机械的观念已经大大改变 2 l l 3 1 但是 无论现代机械如何发展 作为传递和变换机械运动的机构和检测用的传感器 依旧是 大多数机电产品的最重要的组成部分 华中科技大学硕士学位论文 1 2 概念设计的定义 设计过程的模型国内外已有很多的论述 归纳起来主要有三种 一是p a h l 和b e i t z 认为 机械设计分为明确任务 概念设计 技术设计和施工设计等四个阶段1 4 i 二是 k o l l e r 认为 机械设计分为产品规划 功能设计 定性设计和定量设计等四个阶段 5 三是邹慧君教授提出 机械设计分为产品规划 方案设计 详细设计和改进设计等四 个阶段1 6 总之 产品设计过程中十分重视的步骤是功能设计 定性设计 m f r e n c h 在其著作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 中对概念设计作如下描述 概念设计就是确定设计任务和用简图形式表达的广义解 概念设计对设计师有很高 的要求 要求对产品各种性能有明显的改善 在这一阶段需要将工程科学 专业知识 加工方法及商业知识等各方面知识融合在一起 以作出最重要的决策 7 p a l h 和b e i t z 在专著 e n g i n e e r i n gd e s i g n 中 对概念设计表述为 在确定任务 之后 通过抽象化 拟定功能结构 寻求适当的作用原理及其组合等 确定出基本求 解途径 得出求解方案 这一部分设计工作叫做概念设计 1 4 综上所述 设计的主要步骤是两步 一是概念设计 c o n c e p t u a ld e s i g n 另一 是构型设计 c o n f i g u r a t i o nd e s i g n 前者的目的是制定出方案 后者的目的是设计出 具体构型 概念设计包括产品规划 功能设计和定性设计等内容 不能把概念设计简 单地等同于过去理解的方案设计 概念设计的内涵是十分广泛和深刻的 概念设计是 根据产品生命周期各个阶段的要求 进行产品功能创造 功能分解以及功能和子功能 的结构设计 进行满足功能和结构要求的工作原理求解和进行实现功能结构的工作原 理载体方案的构思和系统化设计 概念设计是方案全面创新的一个设计过程 它集成 了设计师的智慧和灵感 先进设计方法的应用 设计资料和数据库广泛采纳 相关的 专业知识的运用等等 8 1 概念设计的过程是一个发散思维和创新设计的过程 是一个 求解实现功能的 满足各种技术和经济指标的 可能存在的各种方案并最终确定综合 最优方案的过程 在世纪之交 世界各国都将产品开发的理论研究和工程实践的重点向需求设计和 概念设计转移 了解需求设计和概念设计的过程与特点 掌握设计的内在规律和机理 是实现计算机辅助概念设计系统的基础 9 i 机电一体化系统是现代机械系统 用以实现产品功能和工艺动作过程 它是充分 应用电子计算机的信息处理和控制功能 可控驱动元件特性的现代机械系统 体现了 机械系统的智能化 自动化 华中科技大学硕士学位论文 机电一体化系统主要由5 大要素构成 机构 包括机械传动与操作机构 在控制信息作用f 完成要求的动作 执行元件 驱动机械装置运动的部分 动力源 为系统提供能量的部分 传感器 提供运行控制所需的各种信息 实现计测功能 计算机 根据功能和性能要求及传感器的反馈信息 进行处理 运算和决策 t o l 尽管机电一体化系统是现代化的机械系统 但从本质上来说还是属于机械系统 因此它的概念设计的基本原理和步骤与机械系统的概念设计没有原则的区别 只不过 在机械系统的概念设计的基础上 增加了选择传感检测系统和信息处理及控制系统 即传感器和计算机 1 3 国内外现状 机械概念设计最终归结为机构的运动方案设计 也就是根据功能原理方案中所提 出的工艺动作过程及各工艺动作的运动规律要求 选择相应的若干执行机构的形式 按某种方式组成一个机构系统 在这一领域创新设计方法的研究中 国内国外都有比 较多的研究成果 1 3 1 概念设计过程模型研究 计算机辅助概念设计的过程模型一般都基于某种设计方法学的基本理论 大致有 系统设计法 设计目录法 实例法 运动链发散创新法 键合图法 功能一结构法 功能 行为 结构法 功能 约束 结构和功能一行为 结构 环境法等 l l 仅就其中几种作 简要介绍 1 1 系统设计法 又称功能分解法 该方法将概念 搜计分为功能分解 功能表示及功能综合三个阶段 认为其一般性 步骤为 从产品功能目标的抽象和总功能的分解开始 寻找各分功能的可行解 并加 以综合 然后作出方案的粗略草图 井分别进行综合评价 最后选择最佳方案 1 2 1 1 1 3 1 1 4 1 1 1 5 1 6 1 1 7 1 1 1 8 1 用该办法完成机械系统的创新设计技法是形态分析方法 其发明人是加利福尼皿 大学宇宙学教授韦克博士 形态分析法 就是把要解决的问题作为几个独立的构成要 素的组合加以捕捉 然后使之图形化 形态分析法最本质的特点就是探索一切可能的 华中科技大学硕士学位论文 组合 其功能就是要导出联想的飞跃 形态分析法是一个普遍适用的创造技法 然而 如何进行机械系统的总功能分解 如何求得实现分功能的机构 如何将实现分功能的 机构组合成 个机械系统 对这些特殊领域的特殊方法 许多学者做了大量的j l 作 并取得了一些成果 在构建机构库及机械系统搜索方法方面 c h i r o n i s a r t o b o l e v s k v 等分别取得了一些重要成果 这在概念设计阶段 为新的思想方法的产生提供了很好 的来源 以j o s k o w i c z 和a d d a n k i u l r i c h 和s e e r i n g 以及k a n n a p a n 和m a r s h e k 和t t o e l z e l d a 为代表的基于知识推理的创新设计方法 他们通过采用不同的知识表达方法及推 理方法 对设计要求进行匹配 9 7 年 s h e a n j u i n nc h i o u 和s r i d h a rk o t a 发明了 种新的功能分解方法 即用代数矩阵 通过对算子做线性变换自动的进行功能分解 这种分解技术 为计算机根据执行构件的运动规律自动生成机构系统运动方案奠定了 基础1 目前 基于这种方法的相关研究也有一些 国内学者叶军提出了一种基于机 构运动编码构思机械运动方案的方法 对如何基于机构运动编码法来建立机构数据 库 以及设计者应用机构运动编码构思机械运动方案的方法作了一定的研究和探索 但是其对机构知识的描述和编码还比较粗糙l 加1 余秋则对基于知识的机构设汁专家系 统进行了一定研究 但是其推理算法的理论基础都是基于机构串联组合的设计方法 对并联 混联组合没有作探讨 因此有时无法搜索出合适的解 或者所得机构组合虽 然能够满足运动要求 但是运动链太长 不适合实际使用 l 2 1 设计目录法 首先收集功能的作用原理 整理 抽象 分类以后 建立具有一定结陶的设计目 录 通过问题的分类和识别 由功能特征到作用原理特征的映射匹配 解的选择和评 价等 得出适当的方案解 2 2 j 2 3 j 3 实例设计法 首先根据设计要求和产品特征 建立产品的实例模型 并采用面向对象的技术描 述实例 建立产品实例库 基于设计要求和实例模型进行推理 从而获得产品设计的 相似实例 进而通过基于设计并n 制造的知识 对产品相似实例进行评价和修改 获得 产品概念设计的优化解f 2 4 j 4 1运动链发散创新法 将原始机构用机构运动简图表示新的机构类型 通过释放原动件 机架 将机构 运动简图转化为一般化运动链 然后按该机构的功能所赋予的约束条件 演化出众多 的再生运动链与相应的新机构 8 o 该方法可高效地获得能够达到现有专利技术要求 而不受专利法保护的技术方案 2 6 1 该方法成功地应用于越野摩托车后悬挂机构和铰 华中科技大学硕士学位论文 链夹紧机构的创新设计中 2 7 1 2 8 1 删 目前相关的研究已经不少 例如i l 夕i 有些学者运用囤论理论 在机构分析与综合 方面进行了深入研究f 3 0 学者a cr a o 借用通讯领域的 海明码 概念给出一种 对n l i n k f d o f n 杆 f 自由度 的平面连杆机构的综合方法 并运用 海明码 的概 念解决了如何判定数综合过程中两个运动链同构的问题1 3 2 1 1 j p 引 北京科技大学的魏 东 翁海珊研究了机构创新设计系统实现从机构简图到拓扑图 再提取机构特征的自 动过程 为了实现信息的自动转换 他们还研究了机构图 数转换和数 图转换的基本机 制 建立起了机构信息管理系统 在系统中实现了信息的自动传递和控制 3 5 采用运 动链发散这种创新思路进行创新设计 并取得突出成绩的有台湾成功大学的颜鸿森教 授 颜鸿森教授采用这种思路发明了颜氏创造性机构设计方法 3 6 1 3 7 f 3 8 j 1 3 9 f 删 天津大学 的张新华使用颜氏创造性机构设计方法 推导出了五杆机构和七杆机构的异构体方案 并从五杆机构的异构体方案中 找出了适用于混合驱动机构的结构方案 江苏理工 大学的陈瑞芳和蒯苏苏也应用该方法求解出了高位自卸汽车机构中举升装置的结构变 体1 4 2 j 运动链发散创新法 其局限性是显而易见的 有其先天不足 即需要一个初始 机构 而且所得到的系列方案都局限于单个运动特征 也就是机构的自由度 其应用 也主要集中于对原技术方案的变形和优化 1 3 2 人工智能 a i 在机械设计中应用的研究 人工智能 触 的诞生始于1 9 5 6 年 从计算机科学和计算机工程的观点看 人工 智能是计算机研究和应用发展到一定阶段的产物 人工智能的专家系统的根本目的是利用计算机模拟人的思维进行推理活动 尤其 是在人类专家如何解决领域内的一些难题方面 专家系统实际上是一套能在某特定领 域内利用知识和推理 以人类专家水平去解决该领域中困难问题的计算机程序t i 它 具有能在专家级水平上工作的知识 经验和能力 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以来 大量文献报告了方案 概念 设计及专家系统在机械设计各方面的应用成果 4 3 1 国内 对概念设计的研究与国外相比开始较晚 于1 9 8 6 年才发表了有关机械产品方案设计专 家系统的研究成果 在实用系统开发方面 华中理工大学 气d 中心先后实现了多个机 械方案设计专家系统 其中开发研制的设计专家系统通用工具d e s t 尤为突出1 4 上 海交通大学机械学与设计自动化研究所邹慧君等入自1 9 8 9 年开始进行机械运动方案设 计专家系统的研究 他们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 华中科技大学硕士学位论文 分类 建立相应的存储和编码规则 以二元逻辑推理和模糊综合评价相结合的方法建 立推理机制 得出可行的方案解 丌发了 机构系统方案设计专家系统 1 4 5 1 1 4 6 1 并 在此基础上提出了基于功能一行为一结构的机械运动系统概念设计方法1 4 7 1 等等 所 有这些都对机械运动方案设计的发展起到了很好的推动作用 综一卜所述 近年来 国内外学者对概念设计研究仅局限于单纯的机构概念设计方 面 在机电产品概念设计阶段 还没有实用的机电产品概念自动设计系统出现 机电 产品概念设计是设计过程中的关键阶段 是最终确定综合最优方案的过程 其过程要 求具有创造性思维 而且设计过程具有发散性 机构设计及传感器选型设计 以及其 问的相互融合和信息交流 是机电产品概念设计关键点 基于此 本论文对机电产品 概念设计进行了探索性及应用性研究 将人工智能与专家系统应用在产品的选型设计 过程中 开发出产品设计自动化与智能化的机电产品概念设计系统 1 4 本文的主要工作 本文的主要思想是 基于功能分解原理 构建机电产品概念设计模型 对基本机 构进行分析 找出用于设计的不可再分的机构元 建立数据库 根据机构学相关理论 总结出机构组合的算法 然后通过粘贴机构示意圈的方法将设计出来的机构方案绘制 给用户 并用编程语言将其实现 对传感器件进行知识编码 建立数据库 通过机构 选型的信息和数据库访问技术 实现对传感器的选型 主要工作总结如下 1 分析机构找出机构元 给出机构元的属性及相关含义 绘制机构元的轴向连接图 和结构示意图 总结出机构组合的算法 包括串连机构和并联机构的设计算法 f 2 分析串连机构和并联机构的设计 算法 用适合的编程语言将其实现 f 3 1 根据机构元的属性 建立机构元数据库 并编写出操作数据库的相关代码 包括 查找 输入 删除 以便对其进行动态更新 运用系统工程评价对所选机构运动方 案进行评价 h 对传感器进行知识编码 建立传感器数据库 通过机构选型的信息 运用数据访 问技术对传感器库进行管理 输入 查找 删除 并对传感器选型进行系统工程评 价 f 5 1 在前四项研究的基础上 开发出机电产品概念设计系统软件 r 6 运用机电产品概念设计原理对煤气管道切割机方案设计进行研究及应用 6 华中科技大学硕士学位论文 2 机电产品概念设计系统 2 1 机电产品概念设计模型 机电一体化是随着生产和技术的发展 在以机械 电子技术为主的多门学科相互 渗透 相互结合的过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴的边缘学科 它是建立在机 械技术 微电子技术 计算机和信息处理技术 传感器与测试技术 自动控制技术 伺服驱动技术 系统总体技术等现代高新技术群体基础上的一门高新技术 机电一体化产品与传统的机械产品相比 有一些显著的特点 1 机械结构简单化一台传统的机械设备往往需要采用机械传动系统来连接 各个执行机构 采用机电一体技术后 可以用多台电机分别驱动 用电子器件 微机 来控制和实现各执行机构的动作 完成工艺动作过程 2 提高了加工工艺精度由于机械传动部件的减少 机械磨损及间隙配合等所 引起的动作误差大为减少 通过微机控制系统可以精确地按照预先给定量 对间隙和 各种干扰因素造成的误差 进行校正 补偿 从而可以达到单纯机械方法所实现不了 的加工精度 3 工艺过程的柔性化由于机电一体化产品广泛采用微机控制 因此 只要改变 计算机程序 就可能改变设备的加工能力和加工工艺流程 以适应迅速改变被加工产 品结构 满足多品种小批量生产需要 4 操作自动化采用微机控制系统就可以实现一台机器各个相关传动机构的动 作及它们的功能协调关系 实现机器操作的全部自动化 机械产品的竞争力取决于各阶段设计工作 而提高产品生命力和竞争力的关键是 概念设计阶段 概念设计的目的就是以科学的现代设计思想 以整体系统的全局观念 从工程实际出发 进行总体方案的决策 不仅要满足市场需求 达到设计任务中规定 的设计目标 而且要选择一个整体最优的设计方案 即满足功能要求且性能优 成本 低 用户满意的总体方案 概念设计是产品设计过程中最富有创造性的阶段 在机电一体化产品设计中 概念设计阶段确定了产品的机械运动方案 利用计算 机强大的计算能力以及人工智能技术 辅助设计人员进行机电产品运动方案的创新设 计 实现概念设计的计算机化已经成为设计领域一个重要的发展方向1 4 华中科技大学硕士学位论文 为了提高机电一体化概念设计的水平 必须进行计算机辅助机电产品概念l 殳计 计算机辅助机电产品概念设计主要包括以下的j l 方面 1 按实现运动和动作对执行机构的进行分类 建立驱动元件库 传动及执行机构库 2 按被测物理量来建立传感器类型 特点的知识库 以便能按需要选择传感器 3 建立信息处理方法库和控制方法库 以便选择硬件 编制软件对可控机构子系统 进行有效的控制 4 建立机电一体化系统概念设计的推理方法库 f 5 1 建立机构子系统 检测传感子系统以及信息处理和控制子系统的评价体系 综上所述 从功能需求出发建立机电产品概念设计模型如图2 1 所示 图2 一l 机电产品概念设计 本文对 机电产品概念设计系统 进行了研究 由于机构设计 传感器选型设计 是机电一体化系统概念设计中的关键 因此 该系统将重点放在机构和传感器选型设 计上 实现机构和传感器的自动选型设计 并对机构 传感器选型后提出了评价解决 方案 8 华中科技大学硕士学位论文 2 2 系统开发环境 w i n d o w s 是基于图形的操作环境 提供给用户比较直接 有效的工作环境 尤其是 岜对用户的友好界面设计以及操作使用的方便性 使之成为当今比较流行的软件丌发 系统 而w i n d o w s2 0 0 0 提供了比w i n d o w s9 8 更好的性能和更高的稳定性和安全性 因而本系统在w i n d o w s2 0 0 0 系统上j r 发 能够运行在w i n d o w s9 8 m e 2 0 0 0 环境中 山于专家系统本身的特点 机电产品概念设计系统需要强大的数据库的支持 这 就需要在程序设计中对数据库进行访问和管理 目前 数据库软件有o r a c l e a c c e s s s q ls e r v e r 等等 其中专业软件o r a c l e s q ls e r v e r 等数据库虽然功能强大 管理严 密 但由于其要求配置高 而难以在p c 计算机上应用 因此本系统采用最简单的微软 数掘库制作软件 m i c r o s o f ta c c e s s2 0 0 0 来完成数据库的构建与管理 当前用于数据库丌发的软件有d e l p h i v s u a lb a s i c p o w e rb u l i d e r v i s u a lc 等等 都能够提供对数据库的支持 v i s u a lb a s i c6 0 中文版是m i c r o s o f t 公司推出 的可视化开发工具 是v i s u a lb a s i c 语言的较新版本i 1 v i s u a lb a s i c 是在原有 b a s i c 语言基础上的进一步发展 它包含了很广泛的内容 功能十分强大 简单易学 可视化的用户界面设计编程简单 对数据库应用的全方位支持的功能可以与d e l p h i v s u a lc 等相媲美 能够在较短的时间内就能开发出功能强大的应用程序 因此 本系 统的丌发环境选择了v i s u a lb a s i c6 o 中文版 2 3 系统实现的功能 机电产品概念设计系统实质上是专家系统 专家系统是一种计算机程序 这种程 序具有在专家级水平上工作的知识 经验和能力 能弥补人类专家在处理信息和采取 行动的速度慢 记忆和动作的准确性差 信息交流上的效率低 知识的继承上时间花 费太多等方面的不足 一般以求解那些需要人类专家才能求解的高难度问题为特征 传统的计算机程序主要进行大规模的数据处理 这种数据处理靠的是复杂的算 法 只要输入的数据j e 确 就能输出 i f 确的结果 所以 传统程序的结构可表达为 传统程序 数据 算法 专家系统不同于传统的计算机程序 它主要集中于在计 算机上完成大量的符号处 理 采用启发式的方法来模拟专家的推理过程 通过推理使用知识来解决问题 其结 构可表达为 9 华中科技大学硕士学位论文 专家系统 知i 推理 传统的计算机程序与专家系统的区别也正既明了其本身的局限性与不足 一般来 说 适合专家系统解决的问题具有如下方面的特点 1 问题集中于较狭窄的专业领域 且不包含大量的一般意义的知识 目前 人工智 能技术还没有发展到能让计算机进行常识性推理的程度 要建立一个同时包含几 个领域知识的专家系统还有一定的难度 2 问题领域应有丰富的经验存在 同时必须有专家存在 专家系统依掘专家丰富的 经验而不是严格的算法模仿专家进行工作 只有当有专家参与时 专家系统爿 有 可能建立 3 需要求解的问题对于领域专家来说既不太难也不是很简单 在现有的技术条仆f 太简单可能意味着只花几分钟就能解决 没必要建立专家系统 而太难可能意味 着有时连专家都无法解决 这样建立专家系统会变得很困难 甚至不可能 4 所需解决的问题必须能明确地定义 在建立专家系统之前 人们能对这个问题有 明确的描述 并能精确地描述输入 输出的性质 如果一个专家都说不明白的问 题用建立专家系统来解决显然是不可能的 鉴于专家系统本身的特点和机械运动方案设计的现状 建立机电产品概念设计系 统 该系统主要解决的问题及满足的功能主要有 1 建立较完整的机构库和传感器库 两数据库应具有可增加 删减 编辑和浏览及 可扩展性 以便于系统管理者进行管理 同时 为了在设计中能够直观v 清晰地 了解机构 机构数据库需要具备图形显示和动画功能 2 具备机械系统 执行系统或传动系统 要求的串联机构及并联机构方案选型功能 本模块选型基于s h e a n j u i n nc h i o u 和s r i d h a rk o t a 发明的功能分解 即代数矩阵 法 原理 通过评价策略 实现在初选后的多方案巾确定最终方案 3 具备对机电产品方案设计的功能要求 通过机构选型信息进行传感器的初步选型 并通过评价策略进行合理推理和评价 使设计者能够快速地选出符合功能要求的 传感器最优方案 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 4 系统总体模块结构设计 本系统在总体结构设计中遵循以下原则 a 机构库 传感器库构建时不贪大 留 有扩充接口 以便今后的知识库的扩展 同样 对功能的要求不贪多 留由后续开发 b 利用 模块化设计 技术 它将整个系统分解成若干个功能独立的模块 使系统结 构清晰 层次分明 加大程序设计的准确和清晰度 便干调试和纠错 一般来说 专家系统应包括图2 2 所示的几部分 知识库 用于存储和管理所获取的专家知识和经验 包括常识性的 书本的和经 验的 具有知识存储 检索 编排 增删 修改和扩充等功能 推理机 利用知识库里的知识和用户提供的事实进行推理 由已知推出未知 具 有启发推理 算法推理 正向 反向或双向推理 串行或并行推理等功能 用户接口 用户与专家系统交互的接口 能将用户输入的问题及有关事实 数据 和条件 转换为推理机可接受的信息 同时向用户输出推理的结论或答案 并根据用 户需要对推理过程进行解释 知识获取机制 专家与专家系统的接口 将从某个或某些知识源获得专家系统实 现问题求解所需要的专门化知识整理后输入专家系统的知识库 图2 2 常用专家系统结构图 专家系统的工作过程是专家工作过程的一种模拟 是推理机根据知识库的知识和 用户提供的事实 不断地由己知的前提推出未知的结论 并把这些未知的结论纳入工 作存储空间中 作为己知的新的事实继续进行推理 从而把被求解的问题由未知的状 态转换为己知的状态 对于一个完善的专家系统来说 它的组成并不一定要遵守某种固定的结构 而应 能满足求解问题的需要 尽管图2 2 所示的结构基本已满足了知识处理和使用的要求 但要解决某些非常复杂的实际问题 还可从增加专家系统的组成部分以及加强某一部 华中科技大学硕士学位论文 分的功能方面扩展 机电产品概念设计系统总体结构设计遵循一般的专家系统设讨 原则 主要由知识 库 推理机制 人机接口及知识获取机制组成 其系统的总体模块结构如图2 3 所示 人机界面 提供本系统的信息交互环境 是用户与系统的接口 用户提出的设计 要求 以及对设计过程的监督 干预都通过该模块实现 系统设计的结果也通过该模 块显示给用户 同时它还控制着整个系统的运行过程和数据流程 与其它各模块相连 在流程许可下可以调用任一模块 数据的输入采用交互输入方式 通过与用户 专家 的对话 得到专家的知识和用户的设计要求 系统的输出有两种方式 图形输出和文 件输出 图形以直观的方式给用户显示了系统设计的结果 并且通过列表 说明提供 了机构的详细情况 文件输出则为保存设计结果提供了必要的手段 数据库管理系统 选用m i c r o s o f ta c c e s s2 0 0 0 数据库管理系统 建立了各类机构的知 识库和传感器知识库 利用a c c e s s 的高效率和高可靠性 可以方便地管理和维护数据 库 在系统中 使用d a o 建立程序与知识库的接口 系统可以随时对知识库进行访问 图2 3 系统总体模块结构图 知识库 知识库 在本系统中称机构库和传感器库 是专家系统的核心 本系统 机构库和传感器库是按照特定的规则进行分类 编码 存储着以特定模式表示的机构 和传感器方面的知识 一 一 1 2 华中科技大学硕士学位论文 推理模块 推理模块也是系统的主要功能模块之 在本系统中 推理模式采用 确定性正向推理的方式 根据用户对机构特性或传感器的要求 选取符合要求的机构 或传感器 评价模块 该模块的建立有助于对机构 传感器选型后多种方案的进行评价 确 定最优解 本系统中的评价方法采用系统工程评价法 并建立了实用的评价指标体系 2 5 小结 机电一体化系统是现代化的机械系统 本章分析了机电产品概念设计的特点 构 建了机电产品概念设计模型 通过对机电产品方案设计的重要性进行论述 提出了开 发出计算机辅助机电产品方案设计系统是机械设计领域发展的必然 章节中对机电产 品概念设计系统的总体模块结构进行设计 并详细对系统总体模块结构中各功能模块 进行描述 一 一 1 3 华中科技大学硕士学位论文 3 1 知识库系统理论 3 i 1 知识的定义 3 系统知识库的构建 人工智能和专家系统技术把知识定义为人类专家在特定专业领域的经验性知识 包括规则与窍门 k n o w h o w 等 这种知识的特点是非结构化 无法用结构模型 数 学模型 来描述 4 4 1 知识与数据及信息三者既有区别又有联系 数据 信息 知识三者的关系如图3 1 所示 数据信息知识 d a t ai n f o r m a t j 0 1 3k n o w l e d g e 图3 1 数据 信息与知识关系 由图3 1 可知数据 信息 知识从抽象的角度是逐渐深化的 拥有数据与信息 并不一定拥有知识 必须经过特殊的加工 这种加工可通过知识工程师或专门的知识 获取程序 算法 来完成 本文讨论的知识是指在特定的机电一体化领域中进行问题求解所需要的知识 3 1 2 知识的表示方法 知识表示是人工智能研究和认知心理学等学科研究共同关心的问题 是知识处理 中最关键的环节 所谓表示是为描述世界客观对象所作的一组约定 是知识的符号化 进程 即把人类知识表示为计算机能处理的知识结构 知识表示是研究各种存储知识 的数据结构设计 并把问题领域的各种知识通过这些数据结构与计算机系统的程序设 计过程结合起来 使程序具备像专家求解问题时一样的推理和运用能力 知识表示的 一般方法 是一种数据结构与控制结构统一体 既考虑知识的存储又考虑知识的使用 因此 没有知识表示就根本谈不上知识运用 目前 典型的知识表示方法主要有四种 谓词逻辑 语义网络 规则 框架 一 个良好的表示方法应该具有以下几个性质 1 充分表达 具备确切表达有关领域中的各种知识的能力 2 有效推理 能够与高效率的推理功能密切结合起来 支持系统的控制策略 华中科技大学硕士学位论文 2 一 3 便于管理 便于实现模块化 便于检测矛盾的知i 沛 冗余的知识 便于知识 的更新 便于知识库的维护 4 易于理解 使知谚 的表示结构具有透明性 这个特性对于知识的输入 错误 的检测以及解释功能实现都是重要的 由f 以上所提到的知识表示方法都需要编制大量的程序 需要较大的存储空问 所以本系统采用现有的数据库管理软件进行知识数据结构设计 通过知识库与程序设 计语言接口将知识库与应用程序接合起来 节省了大量的时问 减小了存储难度 3 1 3 数据库 数据库是存储在一起的相关数据集合 数据被结构化 这些数据去除了有害的或 不必要的冗余 为多种应用服务 数据库技术是数据管理的最新技术 数据库技术所 研究的问题就是如何科学地进行数据管理 数据处理的中心问题是数据管理 数据库 系统是当代计算机系统的重要组成部分 数据库系统d b s d a t a b a s es y s t e m 是一个由 计算机硬件 操作系统 数据库管理系统 其他相关的软件 如编译系统等 数据库 和用户构成的系统p 1 数据模型 由于当今人们的计算机水平限制 对数据库中真正实现的模型做了严格的形式划 定 数据库的性质是由数据库采用的数据模型来决定的 数据模型的好坏直接影响数 据库的性能 数据模型的设计方法又决定着数据库的设计方法 当前 数据库系统应 用如表3 1 所示 表3 1 数据库系统及麻j h 数据模型数据库数掘库管理系统数据库系统应用前景 层次模型层次数据库层次数据库管理系统 逐渐退出了市场 网状模型网状数据库网状数据库管理系统 关系模型关系数据库关系数据库管理系统目前广泛应用 面向对象数据库管理系 面向对象模型面向对象数据库应用前景好 统 华申科技大学硕士学位论文 由于关系模型比网状模型 层次模型