基于功能-构造与实例的机构方案创新设计CAD

第 3期 2 0 1 1年 3月 机 械 设 计 与制 造 Ma c hi ne r y De s i g n Ma n u f a c t ur e 2 5 7 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 0 3 0 2 5 7 0 3 基 于功能一 构造与 实例的机构方案创新设计 C A D 术 杨 哲张晓钟张西仲 西安建筑科技大学 机电工程学院 西安 7 1 0 0 5 5 Cr e a t i v e d e s i g n me t h o d o l o g y f o r me c h a n i s m CAD b a s e d o n f u n c t i o n s t r u c t u r e a n d c a s e YANG Z he ZHANG Xi a o z h o n g ZHANG Xi z ho n g S c h o o l o f Me c h E l e c E n g Xi a n Un i v o f Ar c h T e c h Xi a n 7 1 0 0 5 5 C h i n a 0 一 摘要 研究了机构设计的思维过程及机构表征的双重性 依据机构在大脑中的演变 计算机的信 息处理特点和基于实例的设计方法 提出通过功能一 构造的关联 参数化技术以及实例仿真等进行机构方 l i 案设计与创新的C A D方法 以连杆机构方案创新设计为例 实现了在人机交互环境下的智能化设计过 I 程 对机构方案创新设计和计算机智能化设计过程研究有重要意义 l 关键词 功能与构造 创新设计 C A D 设计过程 l A b s t r a c t T h e th i n k i n g p r o c e s s o f m e c h a n i c a l d e s i g n a n d th e d u a l n a t u r e of m e c h a n is m r e p r e s e n tat i o n l a r e s t u d ie d a c c o r d e d t o t h e e v o l u t i o n of m e c h a n i s m i n t h e b r a i n t h e c o m p u t e r in f o r m a t i o n p r o c e s s i n g c h a r 一 8 act e r is t i c s a n d c a s e b as e d d e s i gn m e t h o d t h r o u g h f u n c t i o n s t r u e t u r e as s o c iat i o n p a r a m e t e r s t e c h n o l o g y and l c 傩 P sim 2 n fh e C A D m e th d f o r m e c 帆 m d e s a n d in n o v at i n ad v an c e d A 1s h e n 22 n e l d e s i gn p r o c e s s of l i n k m e c h ani s r n i n n o v a t iv e d e s i gn W as a c h i e v e d w h i c h i n h u m a n c o m p u te r i n t e r act io n e n 一 中图分类号 T H1 2 2 T P 3 1 1 文献标识码 A 1 引言 在机构设计m 中 传统方法是用人脑对各种信息进行加工处 理 这种处理方法的 信息表征基础 在于人的感官的信息获取特点 人还会据此进行思维 理解与记忆 也就是对形形色色的信 表征 形式进行处理 教科书与参考文献中的表述也就基于此原理 在机构设计时 针对需求 目标 通过反复思考和脑外辅助 如笔和纸 最终获得图式表征的设计结果 这里说的反复思考 要涉及很多领域的相关知识 表达形式和求解技巧 所谓的求解 技巧 就是对大脑理解记忆信息的处理技巧 因此 这些知识和技 巧随设计者的经验 习惯及设计条件的差异而不同 随学科内容 知识内容 经验积累等表达形式而不同 经过训练的大脑会采用 各自适当的表征形式进行处理 这样一来 该方法对设计者的知 识积累与经验要求很高 尤其还需要进行信息检索 特征提取与 聚缩 语言文字形式的生成与转换等 大脑在进行处理时 需要进 行逻辑推理 图式架构与变换 图形构造的动态行为分析等等 这 些活动都需要在特定的信息表征上进行操作 该方法很难形成统 一 的设计程式与形式化表达 也就难于进行计算机处理 本文通过研究大脑思维过程 机械创新设计方法I 3 机械系 统设计方法 基于实例的设计方法日 等 依据机构方案设计由需 求到概念 由概念的语义表达到概念的图式表达 也就是功能载 体实现的对应关系 提出基于功能一 构造与实例的设计方法 该方 法利用机械专业知识 文本分词技术与知识融合 功能融合与图 式转换等技术 建立了需求描述 概念生成 功能表征 构造实例 之问的关系 应用特定设计环境下的专业经验 提高了设计过程 中计算机辅助的智能化程度及设计过程的自 动化程度 2 大脑思维过程 机构设计方法与表征 所谓机构设计过程 实质上是大脑的连续信息处理过程 要 根据使用要求 确定机构应该具备的功能 再构想出功能载体一 构 造 通过构造的图式变化 心理影像 判断其工作原理 运动方 式 力和能量的传递等 通过对结构形状以及所用材料等事项的 选择与评价 转化为具体的描述 如图纸和设计文件等 以此作为 依据进行生产加工 这样的设计过程可用 如图 1 所示 图 1机械机构的设计过程与内容 按照思维与信息表征方式 如图 1 所示 机构设计过程的前期 阶段 即需求 机构定义 机构概念设计阶段 主要目标是为了获得可 以满足需求的功能概念 这是一个思维的抽象过程 大脑通过对信息 的检索 提取 评判 归纳 抽象 决策等方式进行思维操作 以获得大 脑可以处理的信息块组合 获得较准确的概念内涵及其必要的外延 这就需要信息 聚缩 以便大恼可以把握与理解 这种过程是计算机当 前难于进行信息处理的 按照表达形式 通常是以环境 图像 活动 语言 文字等多种形式进行归纳 归纳的原因在于大脑能判断其可处 理的信息量总和 7 2 个 息块 也就是大脑的理解力 机构概念 确定后 就要进行对应功能的载体没汁 这实际 E 是 个选择 映射 对应 评判的信息处理过程 本质上是 个抽象的概念蕃 向形象的 来稿 日 期 2 0 1 0 0 5 1 9 基金项 目 陕西省教育厅自 然科学专项 0 9 J K 5 6 2 西安建筑科技大学基础研究基金 J C 0 7 0 8 枷 咖唑 如 咖 砌 l 苦l 2 5 8 杨 哲等 基 于功能一 构造与实例的机构方案创新设计 C A D 第 3期 图式表征的转换过程 目的是要找到适合的功能载体 概念设计能决定机构最基本的问题 其后只是满足其要求 的条件搜寻与冲突消解 这就是概念设计带来的缺陷 其后很难 变更或说基本不可变更的原因 针对大脑思维在机构演变过程中 的特点 图 1 所示机构设计问题 可用图2来说明 用户 市场 技术 环境 经济 特征 聚集 属性 杰 技术 施 工 成本 安全 冲突 处理 图 2机构设计演变与概念的表征转换 机构 十 所经历的过程 在大脑之外 基于人的认知理解和表 征工具与方法 通常可用如图 3 所示的表达方式 这表明了人对机 构演变中不同阶段的理解 评价与确认 表明了人可借助表达载体 纸与笔等 通过自 身的行为方式来输出大脑所思的结果 图3机构设计过程的脑外表达方式 3 机构设计过程的 C A D问题 通过对思维的分析 本文提出 可以通过以下两方面提升计 算机的全过程应用 1 在需求和机构定义阶段 利用文本处理技 术 如 分词 检索等技术 在计算机中对需求描述进行文本处理 包括需求分析 知识获取 知识融合等逻辑推理处理 2 在技术 设计和施工设计过程中 利用各种商业软件进行性能分析 即主 要进行各种图形所承载的机构性能处理 如利用 S o l i d w o r k s p r o E UG等进行三维构造建模与视觉呈现 A N S Y S A D MA S等进行 静力和动力学等非可视感官下的产品性能分析 使计算机辅助设 计 C A D 在这两方面将趋于整体化 在整个设计过程中 计算机作为一个信息处理工具 能进行 人工思维 即概念设计 基于功能一 构造与实例的设计方法 利 用关联所指实现由文本到图形的转换 将 C A D运用到机构设计 的整个过程中 实现C A D将人的创造性思维 专业知识及实践经 验与计算机高速运算功能 大量信息储存及逻辑判断能力 图形 处理技术有机结合 实现人机信息交流及交互工作 本文利用 V B进行资源整合 人机交互 利用 S o l i d w o r k s 参 数化技术进行图式变更 以便满足功能的性能需求 以连杆机构 方案设计为例 在人机交互环境下实现了智能化设计过程 选用 在 V B平台上实现 主要因为它具有简单易学 通用和开发效率 高等特点 更适合有经验的或无经验的 计算机知识弱项的机械 设计工程师们 发挥机械设计特长 保护非专利技术 尤其是通过 商业软件的利用 能获得适宜的专用机构设计 C A D系统 4 V i s u a l B a s i c 平台上的实现 4 1基于实例的设计方法 基于实例的设计方法 C a s e B a s e d D e s i g n C B D 是推理方法 在设计领域中的应用 其思想来源于人类的思维方式 在面对新 的设计要求时 设计者脑海中首先浮现出以往工作中出现过的类 似设计 并进行对比 找出异同点 再参考设计标准及准则 确定 新的设计方案 要利用计算机再现这一过程 关键在于根据用户 对设计条件的描述 抽象出实例特征并建立筛选条件 据此条件 建立抽象概念与具体构造的对应与关联 也就是大脑中的构造实 例检索 评价 变形 重构等思维操作 也就是浮现 这也是当前计 算机处理概念设计问题的难点与焦点 4 2功能一 构造与实例设计方法 基于上述思想 首先利用文本处理技术 分析用户需求 描 述机构定义 随后进行机构概念设计 将文本描述与功能建立对 应关系 通过关联转换实现图式表征 完成整个设计 这恰好与人 脑思维模式相吻合 将大脑思维过程 机械创新设计方法 机械系统设计方法 基于实例的设计方法等有机结合起来 并借助软件实现设计过程 计算机化的创新j生 设计方法 能够模拟设计师的设计过程 利用 已有的设计方案 根据新的需求找出最合适的方案进行改进 把 机构按功能分类 形成不同的模板 实现从功能到结构快速 有效 的映射 采用知识推理模块进行推理 实现机构从功能到结构的 自动化设计 基于功能一 构造与实例的设计流程图 如图4所示 实例图形库 规则知识库 满足要求 1 壅 生 实例修正 二 二 实例评价 结 果显示 算法 里 茎壁 垫 l 不符合要求 实例结构 模型库 图4基于功能一 构造与实例的设计流程图 其中 1 功能描述 通过对文本信息的检索 提取 分析 归 纳等逻辑判断处理 确定出其对应功能 2 实例检索 遵照一定 的原则或算法 从实例库的众多旧设计实例中检索出和新设计实 例最接近的设计方案 3 实例修正 根据新旧设计要求之间的差 异及相关设计知识 对旧的设计方案进行设计调整 以便形成让 用户满意的新方案 4 实例评价 通过设置一系列的几何 性能 约束 检查新的设计方案是否违反约束 以决定新的设计方案对 新设计要求的有效性 5 将新问题及其设计方案添加到实例库 4 3关键技术 4 3 1实例库的建立与表征 基于功能 卡 句 造与实例 十 方法的前提是建立 个已有问题和 解决方案的实例库 该库的建立要考虑实例内容 实例表达 实例组 织等问题 实例内容不仅应包含没计描述 方案记录 设 程 评价 信息等 还应考虑实例潜在信息的获取 实例通过其特征属性来表 达 实例组织主要考虑实例的存储结构 以便提高实例检索的速度 常用的存储结构有 线洼结构 网状结构 层次结构等 例如在连杆机 构设计中 建立实例库时 首先根据功能与构造对实例进行分类 再 No 3 Ma r 2 01 1 机 械设 计 与制 造 2 5 9 抽取有代表f 生 的典型实例存人 并用其特征屙胜 包括 功能 图形 自由度 杆长 压力角 传动角 行程速比 曲柄数 摇杆数 运动籽眭 综 耳 价等 作为索引 在A c c e s s 2 0 0 3中建立关系数据库 4 3 2实例检 索策略 在实例检索过程中 首先对需求描述进行分析 知识获取 知 识融合 功能融合 初步确定系统总功能 再从实例库中通过功能属 性索引 依靠检索策略 检索出与此功能对应的实例 组 实例的检 索开始于问题的描述 终止于查询到的最佳匹配实例 这一步涉及 的重要问题是检索策略的确定 常用的检索策略有 最邻近策略 归 纳推理策略 知识导引策略 模板检索策略 本文根据连杆机构方案 设计的特点 先通过功能分解 即系统总功能 功能域 功能元 构 件 确定出各构件的主要参数 再利用最邻近策略进行检索 如在连 杆机构设计中 通过连杆的功能分解树如图5 所示 构建索引 传递 变换机械运动 总功能 运动合成l I 运动形式l l 实现预定 l 特殊功能 与 分解J l转换f J 轨迹运动l I要求 国国 国国国I荔 f f荔 斜 双直 摆 电 曲 面 滑动 杆 风 柄 机 块滑 滑 扇 摇 构 机块 块 摆 块 构机 机 头 机 构 构 机 构 构 图 5功能树 a 专业需求分析表 等 双 腰 摇 梯 杆 形 机 机 构 构 b 非专业需求分析表 c 决策表 d 设计案例表 图 6软件实现 4 3 3 人机 交互下的信息处理 人机交互 H u ma n C o m p u t e r I n t e r a c t i o n 是指通过计算机输 入 输出设备 以有效的 方式实现人与计算机对话的技术 在检索完 成之后 将检索到的实例以图形 文字 表格等各种表达方式显示给 设计者 再进行评价选择 对非专利技术问题 尤其应该如此 本文 运用 V B与 S o l i d w o r k s 建立可视化信息交互界面 如图6 所示 4 3 4实例评价与修正 实例评价与修正是基于功能一 构造与实例设计方法的难点 通 过对实例的综合评价 确定实例与问题之间的区别 找出需要变更和 保留的苛盼 修正设计并使之有效 根据实例的特l生 常用的修正方 法有 1 直接转换 2 lJ 用实例设计方案的生成方法重新生成 3 带修正的转换 4 基于框架的方案变换 本文主要采用实例推理和 规则推理相结合自 方法 在进行修正时 利用广泛的行业知识和众多 设计师的共同经验构建规则库 对推理出来的实例进行规则化 让其 首先满 足 般设计需求 从而 减轻设计师手工修改的 工作量 本系统采用规则推理对实例推理进行补充 可以获得更强 的推理能力 使系统高效率高标准的完成设计任务 实例评价与 修正的目的在于确定符合要求的构造的性能 尤其是在概念与构 造设计和实例选择时 仍然会有需求信息缺失 会有后续信息的 补充 这主要表现在性能分析阶段的冲突消解对整体性能 乃至 功能构造的影响 通过构造的动态仿真 行为分析可以弥补这一 问题的缺陷 S o l i d w o r k s 可以初步解决这一问题 4 4方法案例实现 本文以连杆机构方案设计为例 进行了软件实现 其结果的基 本流程如图6 所示 其基本工作流程为 选择并打开用户需求文本 调用分析系统处理 将处理结果反馈给需求文本框显示 经过人为 修正评价 转入功能分 央 通过知识融合而获得基本功能 利用 功能对应下的屙性特征等分析评价 关联度分析等环节 用机构的 屙胜组合对应而获得图式表征的设计案例 对图式表征的行为分 析 如运动学等分析 评价其陛能而确定设计方案 如此循环 5 结论 基于功能一 构造与实例设计方法的主要创新点在于 将 C A D 运用到机构设计的概念设计环节 真正实现从文字符号的抽象思 维模式到对应图式的形象思维模式的转换 使计算机能模拟人脑 的两种思维模式进行机构设计 提高了C A D在机构设计中的智 能化与过程化 本文最后 以连杆机构方案设计为例 借助 V i s u a l B a s i c A c c e s s 2 0 0 3 S o l i d w o r k s 等软件 将整个设计过程实现计算机化 由 此可见 基于功能一 构造与实例的设计方法 更符合人们实际的 设计 过程和思路 便于构造和实现自学习功能 便于计算机连续处理 因 此具有较大的优越陛 在机械设计领域中有着广泛应用前景 参考文献 1 曹惟庆 徐曾荫 机构设计 M 北京 机械工业出版社 2 0 0 0