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从概念设计到虚拟实体设计的快速创新设计方法王宇新机械工程系，同济大学，上海200092 ，中华人民共和国摘要：随着产品制造全球化的发展和市场竞争的激烈化，迫切需要企业能够开发自己的产品，以满足市场的要求。因此，设计工程师需要解决两个关键问题：提高产品的竞争力和降低产品的设计生命周期。由于大多数3D软件是以参数和功能为基础，根据三维设计平台，在设计过程中，可以很容易地对产品的技术特性、装配和制造的合理性进行评价和修改，并且通过虚拟实体模拟和干涉检测，可以尽快完善产品的各要素和设计方案。然而，三维软件不可以支持机械设备的概念设计。基于再生概念设计方法，本文提出了一种系统化和自动化设计方法，用于机械设备从概念设计到虚拟实体设计。使用此方法，可以自动完成产品从概念设计到结构设计，虚拟装配和仿真，并到虚拟实体原型所有设计过程。关键词：创新设计，虚拟设计1、导言随着产品制造全球化和市场竞争的激烈化，首先迫切需要企业能够开发自己的产品，以满足市场的要求。参数技术和基于特征的设计已经应用于大多数商业CAD软件中。在三维设计环境下开发产品的主要优势是可以非常方便地对产品的技术特性，装配和制造的合理化进行评价和修改。在3D软件装配工具的支持下，可以生产出虚拟产品。通过模拟虚拟产品和干涉检查，可以尽快完善产品的各要素和设计方法。通过API技术和数据转换接口，使CAD/CAM/CAE和CAPP处在统一的设计平台，加快产品的设计和制造进程。然而，三维软件不能支持机械设备的概念设计。考虑到三维软件在加快产品设计和制造的优势，介于我们以前一系列的研究工作，在本文提出了一种概念设计，支持机械设备的虚拟产品设计方法。在此方法中，机械设备的创造概念包含了再生方法，用字符串表示。结构方案确定后，能够自动连接到运动学分析。另一方面，结构要素建立在虚拟实体形式。选择3D软件所提供的API技术的类型，运用背景预置安装方法，可将虚拟实体自动装配成机械设备。因此，本文介绍了该方法。所有设计流程：从概念设计到结构设计、仿真、虚拟装配和虚拟实体原型设计，都可以自动进行。2、方法2.1 方法论图1是机械系统快速创新设计系统的流程图。该系统包括概念设计过程，字符识别过程，运动学分析过程，三维虚拟实体设计（或三维结构设计）过程，自动装配过程，虚拟仿真过程，修改和产品空间布局设计。概念设计完成后，产生一系列的概念设计的结果，用字符串表示，例如GCBKHEZIF（36）。这些字符串，可以分解为若干基本机构，如齿轮，低副连接副，凸轮，以及它们之间的连接。在完成基本机构的运动学分析和虚拟结构设计之后，基于基本机构的结构和预装配技术的联结，可以计算出相应机械系统的空间布局。将平面运动学分析数据转换为空间运动学分析数据，最后，我们可以得机械系统的虚拟实体相对的以字符串表示的概念设计的结果。 由于所有的设计过程可以自动进行，包括设计结果和数据。该系统可自动、高效、系统地完成从概念设计到虚拟实体原型设计的总体设计。通过这一系统，可以评价虚拟实体形式的概念设计运动特性，而不仅仅以经济价值角度来评价。同时，在概念设计阶段写下来的设计规则，可以得到广泛运用。通过这种方式，在整个概念设计结果中可以发现一些创新的概念设计方法。因此，借助这个系统，我们不仅可以获得创新设计，而且也减少了产品的设计时间和成本。2.2 再生概念再生过程主要是由三部分组成：设计问题的定义、创新设计拓扑形式的选择和再生。在设计问题的定义过程中，通过分析现有设计或新的设计要求，设计人员做出某些机械和设计要求的拓扑特征，并为设计问题写下再生方案和评价规则。设计规则格式如下： A (B)C/D/!E/F再生规则和评价规则可以说明设计要求的特性，如运动功能，机械的拓扑特性，例如自由度/机械的机构等，如果能够找到设计问题的解决方案，再生规则只需包含运动功能的要求;如果想更详细的选择和优化解决方案以满足特定的设计要求，除上述所有规则，还应包含评价规则。评价规则越多，解决方案越细微，更能满足特殊的设计要求。对于一个设计问题，再生规则和评价规则可以互换。为了方便起见，我们倡导设计方案中包含再生方案和设计规则。再生程序是用一系列字符串来表示设计规则的。如：GE000KBC(1)(P12),0EGCBK00(3)(P23)等，这些字符串称为再生规则，或象征规则。2.3 识别码在基本概念设计法的概念设计之后，概念设计的结果用一系列的象征规则表示，例如，GC=CE000ZGDF（9） 。由于这种形式会有重复，为区别每一个杆件，矩阵形式如下：Gn=1,2,3,4,5,6,7n在确定的基本机构时，如果一个基本机制是确定的，在Gn中各要素与杆件链接，其中基本机制可记为-1。基本机构确定后，可写成以下形式： Gn=-1，-1，-1，-1，-1，-1，-1-1如果某些内容在此阵列无法设置为-1，这表明，象征规则不能被分为相联结的基本机构。确定基本机构需有三个步骤：确定基本机构;传动杆件的确定；其他基本杆件的确定。其基本机构有凸轮机构，齿轮机构，蜗轮蜗杆机构，四杆机构及其演变机构，五连杆机构，串联连接II和串联连接III。传动机构一般包含一个或多个驱动电机。在阵列Gn不能设置为-1. 举例来说，字符串NKJHFBCGZ（29）是一个两自由度的机构。矩阵是：G9=1,2,3,4,5,6,7,8,9最后鉴定结果是DataStr=“B8912B8765W58234G8C79” (1)结果(1)被称为基本机构字符串。它可分为两部分：主要部分和次要部分。在这里，主要部分是B8912B8765W58234 ，次要部分是G8C79 。基本机构及其连线包含于主要部分。在这个例子中，该机构是由两个凸轮机构组成：B8912和B8765 ，和五连杆机构W58234 。传动链和支撑杆包含于次要部分。在次要部分中，大写字母G,C,P代表功能。大写字母G和C右侧的数字为接地连接或者驱动联结。字母P右侧的两个数字表示两个机构之间有一个滑块。例如，在G2C1P21表示杆件2和杆件1包括一个滑块。识别符号的第二个目标是确定基本机构之间的联结。识别方法如下：估算两传动机构的联结（标记为Ai）。机构为串联联结，后置机构应该是一个差速器，并且只有一个传动链。两个驱动机构为并联联结，如果第二个机构是一个差速器，必须存在两个传动链。估计所有驱动基本机构和推动机构的联结。两个基本机构串联，后置机构应该是一个单一的输入基本机构。然而，两个基本机构串联或串联，后置机构应该是一个差动机构。但是，两个基本机构的反馈联结，后置机构不应该是一个差动机构。鉴定驱动机构的联结驱动机构的联结可以是并联连接，并联联结，并联联结，串联联结和复合联结。该方法与确定连接是相同的步骤。应当提及的是，在目前的组合机构，鉴定规则所依据的假设是至少有一个传动机构。显然，不能满足上面的假设。为满足假设，在基本机构鉴定过程更换驱动机构。更换方法如下：在步骤中让联结杆件Bi和Ai转化为操作杆件，Bi作为驱动杆件，然后判断所有与Bi相连的杆件。将Bi换为Ai，重复下一周期。Count+1通过鉴定过程，例如，字符串GCBKHEZIF（36）转化为基本杆件，其关系如图2。2.4 运动学分析为了估计动态特性和模拟分析，运动学分析过程是必要的。运动学分析方法适用于该系统的运动链方法和基本原理方法。在这里，以运动链方法作为一个例子。在机构中如果确定输入链接与地面联系为 1自由度，该机构将成为一个0自由度的刚性结构。这种结构大致可分为巴氏衍架。当确定输入链与输出链接为1自由度并与N个杆件联系（N=8），参考4中提到五种巴氏衍架中。这些巴氏桁架的位移函数可以成立的条件是：两个节点的链接必须保持一个固定的距离。巴氏衍架运动学分析已被用VC+语言编程并具备一系列功能。如果我们可以自动将机构转化为一系列巴氏衍架，将很容易解决自由度为一的平面机构的位移分析。建模过程可以分解为以下步骤： (1)输入生成代码Gc; (2)输入运动学参数;(3)形成一个严格的组织结构:(4)匹配巴氏衍架。2.5 自动装配由复杂机械设备组成的可能结构已被存储在系统的数据库中。在数据库中，结构在3D环境中仿造。随着API辅助工具在3D软件中运用，这些三维结构通过基于特性的接口用VC + +语言封装。这些结构可以是两副杆，三副杆，四副杆，凸轮，齿轮，涡轮蜗杆，甚至是机械设备的特定机构。当运动分析过程已经结束，该系统可根据Rm、Jsm和Slm矩阵自动识别机械设备的结构。根据该模型的结构界面，输入适当的参数后，系统将自动完成结构的三维模型。3D虚拟实体的组装和复杂机械设备装配的方法是：通过软件所提供的辅助装配工具手动完成。如果机械设备的组成太复杂，在装配过程将花费更多的时间。为了满足新一代机构的自动化装配，可以采用“背景预先安装”技术。这种方法是一种数据驱动安装，这些数据说明了三维虚拟实体所占据的空间。随着API辅助工具的开发，我们计划将3D虚拟实体置于所需空间。例如，我们试图把3D虚拟实体设置在AutoDesk 3D环境中，我们可以通过以下命令：ads_ command(RTSTR,” MOVE”,RTENAME,ent1,RTSTR,”,RT3DPOINT,p1,RT3DPOINT,p2,0); /Virtual entity moves along the reference point form p1to p2.ads_command(RTSTR,”UCS”,RTSTR,”ZA”,RT3DPOINT,p2,RT3DPOINT,normal,0); ads_command(RTSTR,”rotae”,RTENAME,ent1,RTSTR,”,TSTR,”0,0,0”,RTREAL,angnorm,0);/Virtual entity rotates angnorm angle along the cross axis of last reference axis and current axis. ads_ command(RTSTR,”UCS”,RTSTR,”ZA”,RT3DPOINT,p2, RT3DPOINT,cur _axil_point,0);通过VC + +语言 ，可以在适当的位置做出所有的虚拟三维实体。由于虚拟实体的位置是在运动学分析过程中预先计算的，通过背景预先安置的技术方法，能够自动完成制造机构的装配。这种自动装配方法对修改空间布局和机械设备的完善是非常有效的。2.6 空间布局作为机械系统中快速创新设计的重要组成部分，空间布局的目标是占据较小空间和满足工业美学要求。空间布局的工业美学标准是在将来考虑的。因此，布局问题的重点是占据最小空间。为了实现这一目标，首先，在复杂机械系统中，有三种联结方式：串行连接，并行连接，封闭连接。基于转化矩阵，通过这些联结可以创建约束方程。然后，利用矩阵模型表达基本机构占据的空间位置，并处理机械系统的约束和干涉问题。自适应遗传算法可以算出复杂机械系统的空间布局问题。3 范例对于复杂的机械系统，如自动高速固件套组装设备，可以说明该算法的有效性。根据功能要求，借助图-1中所提的自动概念设计过程，我们可以得到142个概念设计方案。下面的字符串是其中之一。表-1 中列有字符串的意义。AcbrdArcef BegchPgkjc AcdslIscmn AmopcAokcrGcCb (2)表一：基本机构的字符串序列名称字符串序列名称字符串0齿轮Acbrd4齿轮Acdsl1齿轮Arcef5槽Iscmn2凸轮Begch6齿轮Amopc3连杆Pgkjc7齿轮Aokcr如图-1，随着自动识别过程，这些基本机构之间的联结关系可以用矩阵形式表示 (3) 在此，S1表示串联连接，P1表示并联连接，P3表示并联连接，“0”表示不联结，“1”表示基本机构 图-1中虚拟过程表现的设计结构，每个机构的布局参数列于表-2.基于在表-2中的每个基本机构的布局参数，通过本文所提到的自适应遗传算法，空间位置列于表-3中，其空间位置如图-3. 表2：基本构件的布局参数齿轮蜗杆凸轮滑动键锥齿轮轮槽齿轮内齿轮sk1687166970849025i09018027090180180180Lk370105110115138218218207Bk301608030122303718Hk21060105110127128128207ak15501521.545101510bk802660960524555ck100262510160526095 表3：空间位置齿轮蜗杆凸轮滑动键锥齿轮槽齿轮内齿轮k（0）09027000180180270dk（mm）01825.935.746.57.515.5264 结论本文提出一种自动虚拟实体设计方法。基于创新设计理论，在确定设