基于产品基因模型的仿生概念设计.doc

基于产品基因模型的仿生概念设计摘要：为了从宏观上把握产品系统中各个零件的功能及其之间的约束关系，进而根据需求对产品系统进行设计和变异，通过分析生物系统与产品系统的相似性，借鉴生物学知识，将产品系统表达为产品功能基因、产品约束基因、产品功能蛋白质、产品约束蛋白质和产品细胞等。建立由产品功能基因团和约束基因组成的产品基因模型并提出基于此模型的设计方法。利用该方法对宝石加工中心5自由度机械手进行设计，获得良好效果，证明了该设计方法的有效性。关键词：产品基因；产品蛋白质；产品细胞；产品基因模型；宝石加工中心 Bionic Conceptual Design Based on Product Gene Model Abstract: In order to grasp the functions of each part and the constraint relation between two parts in product system in macroscopic view, furthermore, to design and vary the product system according to requirements, the product system was expressed as product function gene, product constraint gene, product function protein, product constraint protein and product cell by analyzing the similarity between biology system and product system and using biology knowledge for reference. The product gene model composed of product function gene groups and constraint genes was established and the design method based on it was proposed. The 5-DOF manipulator of gem machining center was designed using this method and a good effect was acquired that proved the effectiveness of it.Key words: product gene; product protein; product cell; product gene model; gem machining center0 引言机械产品概念设计是产品设计最具创新性的部分，许多学者对这方面进行了深入研究。齐从谦等指出产品结构变型的纵向和横向两种基本形式，并在装配模型层次化的基础上展示了产品变型设计过程1。王爱虎等在装配产品模型基础上识别出具有尺寸关联关系的零件组并对其进行优化设计2。Gupta S等从概念设计角度提出了一种集模块化、装配设计和变形设计原理于一体的计算机概念设计框架3，4。此外，有不少学者将仿生学应用于产品概念设计。冯培恩等将生物基因工程和产品原理方案设计进行系统类比，提出了基于产品基因遗传和重组的概念设计框架5。何斌等研究了生物工程和产品概念设计的相似性并提出了基于产品生态学的概念设计框架6。机械产品是由各个零件通过一定的约束关系装配而成的功能系统。自顶而下的产品设计将高层次的产品抽象设计信息逐层传递到底层的零件详细设计信息上，通过设计意图进行驱动设计。该设计理念适用于产品零件自身功能多样性和彼此约束关系复杂性不断提高的要求。复杂机电产品中零件之间的连接关系往往比较复杂，在具体零件设计时一般需要不断修改直至满足自身功能需求并保证不与其他零件产生冲突，这就延长了产品的设计周期。现有的产品概念设计模型大都忽略了零件之间的约束关系的整体考虑。针对这个问题，本文基于自顶而下的设计思想，通过研究产品零件的设计信息，借鉴生物学知识将这些信息进行抽象表达，使设计者能够在宏观上把握产品零件的整体设计，掌握零件的自身功能及与其他零件的所有约束关系，从而能够通过高层次的抽象设计语义驱动产品的整体设计。1 产品系统的仿生表达根据生物学知识，除病毒外的所有生物都由细胞构成，细胞是生命活动的基本单位；而蛋白质是构成组织和细胞的重要成分，是生命的物质基础；基因是生物的遗传因子，控制蛋白质的合成7，8。它们的关系如图1所示。产品是由各个零件通过一定的约束关系装配而成的功能系统。产品中零件结构的设计除了要考虑其在产品中的功能外，还要考虑其与产品中其他零件之间的约束关系。自顶向下的产品设计要求设计者不需花太多精力在产品零件的详细设计上，而要能灵活的掌控产品的顶层抽象信息，宏观把握产品的设计方向和思路。从这个目的出发，借鉴生物学的知识，将产品系统中各个零件及其之间的约束关系进行表达。零件的功能是实现产品整体功能的基础，将零件的功能信息命名为产品功能基因（），零件之间的约束关系在产品系统中控制着能量的传递方式和方向，包含丰富的设计信息，将其命名为产品约束基因（），产品功能基因和约束基因合称产品基因（）；零件是产品功能的基本单位，将其命名为产品细胞（）；零件实现功能的基本结构称为产品功能蛋白质（），具有直接约束关系（指两个零件不需要通过其他零件而直接形成的约束关系）的两个零件之间被约束部分分别称为构成这两个零件的产品约束蛋白质（），产品功能蛋白质和产品约束蛋白质合称产品蛋白质（）。产品功能基因控制产品功能蛋白质的合成，产品约束基因控制产品约束蛋白质的合成，若干产品功能蛋白质和产品约束蛋白质在空间上的有序组合形成产品细胞，产品细胞在空间的有序组合构成产品系统。产品系统及其与生物系统之间的相似性如图1所示。图1 产品系统与生物系统的相似性1.1 产品基因的定义产品功能基因和约束基因分别是零件功能和零件之间装配关系的抽象描述体，是驱动零件设计和装配的内在设计意图单元。产品基因由功能基因（）和约束基因（）组成，可表示为： （1）产品功能基因可表示为： （2）其中，为功能类型，如齿轮、轴、轴承、联轴器和机架等，可用于命名功能基因；为功能描述体，用于描述零件在产品中的基本功能，如传动、支撑、连接、输入和输出等。如齿轮功能基因可表示为 齿轮，传动 。产品约束基因可表示为： （3）其中，为约束类型，如铰制孔用螺栓连接、普通型半圆键连接和内啮合变位斜齿圆柱齿轮传动等，可用于命名约束基因，约束类型主要可归纳为连接、传动和配合三大类，各大类又可继续分出子类。为约束属性，定义了零件之间具体的约束关系，包括属性量集（）和属性值集（），属性量集表示零件之间约束关系的量的集合，是约束类型的数学描述，属性值集中的值与属性量集中的量一一对应。约束类型必须能被属性量集唯一描述，而同一个属性量集可描述多个约束类型，即约束类型与属性量集是多对一的映射关系。如普通螺纹螺钉连接基因、外啮合标准直齿圆柱齿轮传动基因和轴肩与轴上零件配合基因可分别表示为（为螺纹公称直径，为螺距）、（为模数，和分别为主动轮和从动轮的齿数）和（为轴颈直径，为轴肩工作面与轴颈之间的圆角半径）。 具有相同约束类型和约束属性量集的约束基因称为同种约束基因，将约束基因中由基因类型和基因属性量集组成的部分称为约束种基因（），表示为，则。在约束基因的定义过程中，设计者首先设计出约束种基因，然后对约束种基因中的属性量集进行赋值形成属性值集，从而定义了约束基因。由约束种基因设计约束基因的过程称为约束种基因的表达，设计约束种基因并将其表达为约束基因的过程称为约束基因的定义。由此可见，约束种基因的设计是约束基因定义的关键，可根据约束类型从粗到精、从大类到子类进行设计。1.2 产品蛋白质的合成产品基因通过控制产品蛋白质的合成对隐含在产品系统中的抽象设计信息进行表达。产品蛋白质包括功能蛋白质（）和约束蛋白质（），分别由产品功能基因和约束基因控制合成。产品蛋白质可表示为： （4）产品功能蛋白质可表示为： （5）其中，为控制合成的功能基因，可用的功能类型命名，为由组成的产品细胞。产品约束蛋白质可表示为： （6）其中，为控制合成的约束基因；为由组成的产品细胞；为与通过直接联系的产品细胞；可用来命名，如图2中，组成细胞2的约束蛋白质可命名为细胞2-细胞1蛋白质；为蛋白质约束属性，和分别为的属性量集和属性值集，其定义和产品约束基因的约束属性相同。如上面提到的普通螺纹螺钉连接基因，由基因约束属性知，则如图2所示，可推出螺纹孔深度，钻孔深度，螺栓轴线到被连接件边缘的距离，则图2中，组成细胞2的细胞2-细胞1蛋白质可表示为：，由此可见，蛋白质的约束属性是由控制合成它的约束基因的约束属性推导得到的，因此，约束蛋白质将约束基因内含的设计信息表达为组成产品细胞的具体尺寸信息。图2 产品约束基因控制产品约束蛋白质的合成产品约束蛋白质通常成对存在，由同一个产品约束基因控制合成，分别位于两个具有直接约束关系的产品细胞中。在图2中，细胞1中的细胞1-细胞2蛋白质和细胞2中的细胞2-细胞1蛋白质是同一个基因合成的一对蛋白质。由产品基因合成产品蛋白质的过程称为产品基因的表达。1.3 产品细胞的组成产品细胞是产品系统实现功能的基本单位，由若干产品功能蛋白质（至少一个）和产品约束蛋白质（至少一个）有序组合而成，是不成对的产品约束蛋白质之间联系的桥梁。产品细胞可表示为： （7）其中，为组成的功能蛋白质，描述了产品细胞存在的基本结构，可用的形式来命名，如齿轮、轴、齿轮-轴等；为约束蛋白质矩阵，包含了组成产品细胞的所有约束蛋白质及其组合顺序。1.齿轮轴细胞 2.齿轮细胞 3.轴细胞 4.轴套细胞. 齿轮-齿轮轴蛋白质 . 齿轮-轴套蛋白质 . 齿轮-轴蛋白质图3 产品蛋白质组成产品细胞由产品约束基因直接联系的产品细胞可通过成对的产品约束蛋白质进行能量传递。如图3所示，细胞2由约束蛋白质、约束蛋白质、约束蛋白质和齿轮蛋白质有序组合而成，这些蛋白质决定了细胞2的形状和尺寸。当细胞1工作时，能量由细胞1通过约束蛋白质传递到细胞2，再由细胞2通过约束蛋白质传递到细胞3，使细胞3工作，达到能量传递的目的。一个约束基因通常控制一对约束蛋白质的合成，有些复杂的约束蛋白质也可由若干个约束基因共同控制合成。而两个产品细胞最多可通过一对约束蛋白质直接联系。如图3中，蛋白质由轴肩与轴上零件配合基因和A型普通平键连接基因共同控制合成。2 产品基因模型 产品基因模型（）是设计者根据功能需求和约束关系对产品设计信息的整体布局，通过基因模型表达了产品系统中产品基因之间的联系和能量传递关系。为表达方便，将控制每个产品细胞中所有功能蛋白质合成的功能基因的集合称为功能基因团（），可表达为，可用组成功能基因团的基因类型来命名。则图3所示齿轮传动装置的基因模型可用图4的形式表示，其中，大圆圈表示功能基因团，大圆圈中的数字表示该功能基因团在产品系统中的序号，小圆圈表示约束基因，小圆圈中的数字表示该约束基因在产品系统中的序号，连接大小圆圈的直线表示它们控制同一个产品细胞，箭头表示能量的传递方向，大圆圈中的直线分别连接两条带箭头直线的终端和始端，表示能量从这两条带箭头直线所连接的约束基因之间传递。图4中的数字所对应的功能基因团和约束基因分别如表1和表2所示。图4 产品基因模型表1 功能基因团序号与名称对应表功能基因团序号1234名称齿轮-轴齿轮轴轴套表2 约束基因序号与名称对应表约束基因名称序号1标准直齿圆柱齿轮传动2A型普通平键连接3轴肩与轴上零件配合4轴套与轴上零件配合5轴套与轴配合产品基因模型可用矩阵表示为： （8）其中，（），n为产品系统的约束基因数，a表示和之间没有通过直接联系；b表示和之间通过直接联系，且能量由传递给（表示为）；c表示和之间通过直接联系，且能量由传递给（表示为）；d表示和之间通过直接联系，且没有能量传递关系；e表示当时，与联系的没与其他约束基因联系。图4所示产品基因模型可表示为：设计者根据产品基因模型能宏观把握产品的设计思路和方向，通过修改基因模型来调整产品的整体布局。3 设计方法在生物系统中，从基因到蛋白质到细胞到生物体是一个从低级到高级、从简单到复杂的过程；而在产品系统中，产品基因模型包含高层次的抽象设计信息，对产品细胞的详细设计起决定作用，设计者根据功能需求设计产品基因并组成产品基因模型，然后由产品基因合成产品蛋白质，由产品蛋白质组成产品细胞，由产品细胞构成产品系统。最终实现了设计信息从抽象到具体的自顶而下设计。图5 基于产品基因模型的仿生概念设计流程具体设计步骤如下：Step 1：定义各种通用的功能基因和约束种基因；Step 2：根据具体的产品设计需求选择功能基因组成功能基因团，选择约束种基因表达成约束基因（如果没有可以直接表达成约束基因的约束种基因，则将最接近的约束种基因变异后再对其进行表达）；Step 3：根据功能基因团和约束基因建立产品基因模型；Step 4：由功能基因合成功能蛋白质，由约束基因合成约束蛋白质；Step 5：根据产品基因模型由功能蛋白质和约束蛋白质合成产品细胞。Step 6：根据产品基因模型由产品细胞构成产品系统；Step 7：检查产品系统是否满足设计需求，不满足则转Step 2.具体设计流程如图5所示。4 设计实例以宝石加工中心机械手的设计为例说明该设计方法的可行性。宝石加工中心是一种用于加工宝石的集机械、电气和液压控制为一体的自动化机床，其机械手（如图6所示）为完成复杂的加工任务需要具备5个自由度（三个移动和两个转动）。根据设计需求定义产品功能基因团和约束基因分别如表3和4所示，建立产品基因模型如图7所示。图6 宝石加工中心5自由度机械手三维设计图如以设计X方向滑台（以下简称滑台）为例，由于与其连接的零件较多，如果没有充分考虑这些零件对滑台设计的影响，而采取对滑台进行单独设计再考虑与其他零件的连接关系，然后对滑台进行修改，或只考虑滑台与其中某几个零件的连接关系而遗漏了某一个甚至几个，当发现问题后再对滑台进行修改。这两种方法都很容易产生干涉，甚至有时多次反复修改后都无法解决问题，只能重新对滑台进行设计，最后往往事倍功半。如果采用本文提出的方法，由图7的基因模型可知，该滑台细胞是由约束基因8、10、24、25、26和功能基因团11等合成的蛋白质所组成的，由表4可知，约束基因8、10、24、25和26都是内六角圆柱头螺钉连接，分别连接功能基因团8（螺杆法兰）、10（滑座）、21（滑轨）、16（螺杆轴承座）和14（电机法兰），因此在设计滑台时，设计者就能根据基因模型充分考虑组成滑台的所有蛋白质，从整体上对滑台进行设计，此外，由机械手基因模型还可知能量的传递方向，图7中经过滑台的能量流为。再如以设计U方向夹具座为例，由表3、表4和图7可知，其功能蛋白质由功能基因团40控制合成，约束蛋白质分别由约束基因45（内六角圆柱头螺钉连接）、47（A型普通平键连接）、48（轴承-轴承座配合）和51（内六角圆柱头螺钉连接）合成，分别连接功能基因团41（夹具套）、38（转轴）、46（轴承）和43（电机法兰），经过夹具座的能量流为。该机械手其他零件的设计方法与X方向滑台和U方向夹具座的设计方法相同。由此可见，根据表3、表4和图7，设计者在设计机械手的每个零件时都能充分考虑该零件的功能及其与其他相关零件的连接关系，立足于整个机械手进行设计，当机械手零件或连接关系需要改变时，只要根据需求改变机械手的基因模型，再重新生成机械手零件细胞。同时，由基因模型可以容易知道，当某个零件或连接关系发生改变时，哪些零件或连接关系受到影响而需要做出相应改变，据此可以了解整个机械手受影响的程度，从而评价改变的优越性。表3 宝石加工中心5自由度机械手产品功能基因团序号与名称对应表X（移动）Y（移动）Z（移动）U（转动）V（转动）序号功能基因团序号功能基因团序号功能基因团序号功能基因团序号功能基因团1电机13电机24电机35电机42电机2电机法兰14电机法兰25电机法兰36电机法兰43电机法兰3联轴器15联轴器26联轴器37联轴器44联轴器4螺杆轴承座16螺杆轴承座27螺杆轴承座38转轴45蜗杆5轴承17轴承28轴承39轴承46轴承6滚珠螺杆18滚珠螺杆29滚珠螺杆40夹具座47夹具7螺杆螺母19螺杆螺母30螺杆螺母41夹具套8螺杆法兰20螺杆法兰31螺杆法兰9滑轨21滑轨32滑轨10滑座22滑座33滑座11滑台23滑台34滑台12工作台 表4 宝石加工中心5自由度机械手产品约束基因序号与名称对应表序号约束基因序号约束基因序号约束基因1轴-联轴器配合20内六角圆柱头螺钉连接39内六角圆柱头螺钉连接2内六角圆柱头螺钉连接21内六角圆柱头螺钉连接40内六角圆柱头螺钉连接3轴-联轴器配合22滑轨-滑座配合41内六角圆柱头螺钉连接4轴承-轴配合23内六角圆柱头螺钉连接42轴-联轴器配合5轴承-轴承座配合24内六角圆柱头螺钉连接43轴-联轴器配合6滚珠螺杆-螺母传动25内六角圆柱头螺钉连接44轴承-轴承座配合7内六角圆柱头螺钉连接26内六角圆柱头螺钉连接45内六角圆柱头螺钉连接8内六角圆柱头螺钉连接27轴-联轴器配合46轴承-轴配合9滑轨-滑座配合28内六角圆柱头螺钉连接47A型普通平键连接10内六角圆柱头螺钉连接29轴-联轴器配合48轴承-轴承座配合11内六角圆柱头螺钉连接30轴承-轴配合49普通圆柱蜗杆传动12内六角圆柱头螺钉连接31轴承-轴承座配合50轴承-轴配合13内六角圆柱头螺钉连接32滚珠螺杆-螺母传动51内六角圆柱头螺钉连接14轴-联轴器配合33内六角圆柱头螺钉连接52内六角圆柱头螺钉连接15内六角圆柱头螺钉连接34内六角圆柱头螺钉连接53轴-联轴器配合16轴-联轴器配合35滑轨-滑座配合54轴-联轴器配合17轴承-轴配合36内六角圆柱头螺钉连接55轴-孔间隙配合18轴承-轴承座配合37内六角圆柱头螺钉连接19滚珠螺杆-螺母传动38内六角圆柱头螺钉连接图7 宝石加工中心5自由度机械手基因模型5 结论本文提出了一种设计需求驱动的产品系统设计方法，该方法模仿生物系统将抽象的设计需求进行表达并据此建立产品基因模型，然后根据产品基因模型获得产品细胞，最后由产品细胞组成产品系统。该模型表达了产品系统中各个零件的功能及其彼此之间的约束关系，设计者根据该模型能从整体上把握产品的设计思路和方向，通过建立或修改产品基因模