計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案自動(dòng)化設(shè)計(jì)原理及動(dòng)態(tài)模擬分析

計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案

設(shè)計(jì)原理及動(dòng)態(tài)模擬研究

摘要

機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)的優(yōu)劣對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的TQC〔時(shí)間質(zhì)量、成本）

以及市場(chǎng)起著相當(dāng)大的影響然而目前對(duì)方案設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)支持的研

究工作還開展得不足建立一個(gè)功能齊備的計(jì)算機(jī)輔助方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)

（CASDS）還存在許多困難但建立一個(gè)基本滿足設(shè)計(jì)需求具有一定使

用價(jià)值的CASDS還是可能的本文在全面分析綜合了機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案

設(shè)計(jì)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀后提出了建立機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案自動(dòng)化設(shè)計(jì)支持平

臺(tái)過(guò)程中的5個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，并針對(duì)這些關(guān)鍵問(wèn)題從設(shè)計(jì)理論實(shí)現(xiàn)方法

和應(yīng)用等方面進(jìn)行了系統(tǒng)，深入的研究全文共分9章取得如下成果

1機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案領(lǐng)域汨識(shí)庫(kù)的建立.,,.

界定了機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)研究對(duì)象的范圍，明確了方案設(shè)計(jì)

的研究目標(biāo)提出了“同構(gòu)異功”和“異構(gòu)同功”兩個(gè)概念來(lái)辨識(shí)機(jī)構(gòu)

與運(yùn)動(dòng)功能之間的多對(duì)多映射關(guān)系，為解決多對(duì)多映射問(wèn)題理清了思

路；通過(guò)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)和組合分類法對(duì)方案設(shè)計(jì)階段的領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行

合理分類，提出了采用傳動(dòng)比變化類型和范圍、輸入/輸出相互位置關(guān)

系,輸入/輸出間定性距離三者來(lái)表達(dá)機(jī)構(gòu)的輸入/輸出運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系同

時(shí)建立了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)編碼和存儲(chǔ)原則?既利于知識(shí)庫(kù)知識(shí)的擴(kuò)充，

又便于計(jì)算機(jī)在求解的初期快速高效地構(gòu)建滿足基本運(yùn)動(dòng)功能屬性的

初步解集合、該知識(shí)庫(kù)模型著眼于解決機(jī)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)功能之間的多對(duì)多映

射和方案設(shè)計(jì)過(guò)程的推理效率問(wèn)題，是真正適合于機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)的

知識(shí)庫(kù)模型、

在此基礎(chǔ)上開發(fā)了機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案自動(dòng)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)

2.機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案自動(dòng)化推理系統(tǒng)

提出了具有全新意義的知識(shí)驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)輔助的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案自

動(dòng)推理策略.在機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案知識(shí)庫(kù)支持下，采用啟發(fā)式運(yùn)動(dòng)功能屬性

匹配傳遞原理，沿著功能元機(jī)構(gòu)明細(xì)ID功能元ID運(yùn)劭行為ID（輸入/

輸出）運(yùn)動(dòng)類型代碼/運(yùn)動(dòng)連續(xù)性代碼/運(yùn)動(dòng)速率特性代碼/運(yùn)動(dòng)方向

代碼的順序?qū)?fù)雜運(yùn)動(dòng)需求分解為簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)屬性需求，按自頂向下

的設(shè)計(jì)流程在4個(gè)層次上進(jìn)行匹配，符合設(shè)計(jì)者創(chuàng)新思維的規(guī)律3如果

較高一級(jí)的匹配不成功，則自動(dòng)轉(zhuǎn)向下一級(jí)K設(shè)計(jì)過(guò)程自動(dòng)化程度高，

但設(shè)計(jì)流程的若干關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)又留有人機(jī)接口，可通過(guò)人工干預(yù)真正體現(xiàn)

設(shè)計(jì)者的智慧和理念?為避免機(jī)構(gòu)組合爆炸,采用有界深度優(yōu)先搜索策

略，用深度約束來(lái)限制搜索樹的展開層數(shù)3在機(jī)構(gòu)型綜合中提出了兼容

性原則，確保了機(jī)構(gòu)組合的兼容性.該方法邏輯性和可操作性強(qiáng)，有利

于計(jì)算機(jī)輔助自動(dòng)化求解過(guò)程的實(shí)現(xiàn)b搭建了機(jī)構(gòu)系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的框

架，闡述了單輸入多輸出機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)原理，由最復(fù)雜的工藝

動(dòng)作開始，求解滿足設(shè)計(jì)要求的機(jī)構(gòu)（組合）方案，在黑板中保存運(yùn)動(dòng)功

能屬性匹配傳遞和繼承的中間結(jié)果,并向其它工藝動(dòng)作傳遞直至滿足

要求為止，為方案設(shè)計(jì)走向?qū)嵱眠~出了堅(jiān)實(shí)的一步口

3.機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案布局的定量分析與計(jì)算模型

明確指出機(jī)構(gòu)布局的定量分析與綜合是方案設(shè)計(jì)的一個(gè)主要階段，

用于解決系統(tǒng)與其輸入輸出端以及系統(tǒng)內(nèi)部各機(jī)構(gòu)之間的連接和布置

問(wèn)題，擴(kuò)充了方案設(shè)計(jì)的內(nèi)涵并搭建了機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案布局的定量分析

與計(jì)算模型?給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)流程B在該模型中,提出了采用機(jī)構(gòu)輸

入輸出運(yùn)動(dòng)表達(dá)機(jī)構(gòu)的思想，因此要考慮輸入輸出運(yùn)動(dòng)的可逆性：采用

對(duì)偶矩陣?yán)碚摻⒘藱C(jī)構(gòu)的拓?fù)淠Ｐ?模型中包含了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)類型和

運(yùn)動(dòng)位置、方向的信息.給出了機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案布局的定量分析過(guò)程與計(jì)

算方法，并通過(guò)對(duì)偶坐標(biāo)變換和對(duì)偶線性變換來(lái)確定系統(tǒng)內(nèi)各機(jī)構(gòu)的軸

線方位.

4,機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案，，運(yùn)動(dòng)模型，，的可視化動(dòng)態(tài)模擬提出了機(jī)械運(yùn)

3方案運(yùn)動(dòng)模型的概念以解決實(shí)體裝配模型的研究

與可視化動(dòng)態(tài)模擬的研究相分離的問(wèn)題.明確提出了方案運(yùn)動(dòng)模型的可

視化動(dòng)態(tài)模擬是方案設(shè)計(jì)的一個(gè)必要階段,給出了運(yùn)動(dòng)模型的建模方法

和可視化動(dòng)態(tài)模擬的設(shè)計(jì)流程，闡述了運(yùn)動(dòng)模型建模的關(guān)鍵技術(shù)及其所

具備的運(yùn)動(dòng)學(xué)和簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)分析功能，使得方案設(shè)計(jì)過(guò)程更加充實(shí)，

方案設(shè)計(jì)結(jié)果更加合理、科學(xué)“

5,多算子分層二階綜合評(píng)判模型

提出了方案應(yīng)采用多級(jí)評(píng)價(jià)，分階段進(jìn)行，既能表達(dá)定性信息，又

能表達(dá)定量信息"提出了旨在反映機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案總體性能的多指標(biāo)評(píng)價(jià)

II

體系?采用層次分析法確定各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，將評(píng)價(jià)指標(biāo)集合分為四類.

然后建立了機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案的多算子分層二階綜合評(píng)判模型，在第一階段

先對(duì)每一類評(píng)價(jià)指標(biāo)做模糊評(píng)判，然后采用五種模糊算子對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)

行類之間的高層次的綜合，在多個(gè)算子之間進(jìn)行優(yōu)劣比較最后對(duì)模糊

評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行二階綜合評(píng)價(jià)，多個(gè)模糊評(píng)價(jià)模型的使用，使得評(píng)價(jià)結(jié)果

更加客觀、科學(xué)3

利用本文的方法，在機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)化方案設(shè)計(jì)平臺(tái)的原型系統(tǒng)

支持下，完成了上海上工股份有限公司多功能高速無(wú)油潤(rùn)滑平縫機(jī)的參

數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)模擬測(cè)試，

最后對(duì)計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)化方案設(shè)計(jì)的進(jìn)一步研究提

出了參考性建議"

關(guān)鍵詞.方案設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，運(yùn)動(dòng)功能匹配傳遞，有界深度優(yōu)先搜

索，對(duì)偶變換，可視化動(dòng)態(tài)模擬

3

RESEARCHONTHEPRINCIPLEOFMECHANICAL

MOVEMENTSCHEMEOFCOMPUTERAIDEDDESIGN

ANDITSDYNAMICSIMULATION

ABSTRACT

Itiswellacceptedthatschemedesignplaysaveryimportantroleinthewholeproduct

developmentprocess.However,Itisthestageforwhichthereislittlecomputationalsupport

currently.Forthebroadnessandcomplexityofschemedesignitself,it'stoodifficulttodevelopa

completeComputer-aidedSchemeDesignSystem(CASDS)presently.However,developinga

basiconeisfeasible.Havingcomprehensiveanalyzedandsynthesizedthedevelopmenthistoiy

andpresentstatusofschemedesignofmechanismsystem,fivekeyproblems,whichareneeded

toresearchonintheprocessofestablishingthecomputer-aideddesignplatform,arepointedout.

Focusingonthetheories,implementationmethodsandtheirapplication,thesefivekeyproblems

areresearchedsystematicallyanddeeply.Thisthesisconsistsofninechaptersandhemain

contributionsaresummarizedasfollow:

1.TheEstablishmentofDomainKnowledgeBaseofMechanicalMovement

Scheme

Therangeofresearchobjectforthedomainknowledgebaseofmechanicalmovement

schemeisdefinedfirstly.Twoconceptsas44samestructuredifferentfunctiorf,and"different

structuresamefunctiorf,aresuggestedtoillustratemoretomorecorrespondencerelations

betweenmechanismsandtheirmovementfunctions.Datastandardizationtechnologyand

combinedclassificationmethodhavebeenappliedtocarryoutclassificationofdomain

knowledgeintheprocessofschemedesign,ppesandrangeoftransmissionratio,typesof

spatialrelationshipandqualitativedistancebetweentheinputandoutputaxesaresuggestedto

representtherelationsbetweeninputandoutputmovements.Atthesametimetheprincipleof

computercodingandstoringhavebeenbuilttogiveafastandbroadselectionofmechanisms

thatmeetstherequirementsofbasicmovementfunctionattributes.

Basedonwhatmentionedabove,thedomainknowledgebasesystemofmechanical

movementschemeisdevelopedfinally.

2.IntelligentReasoningSystemofMechanicalMovementScheme

Supportedbythedomainknowledgebase,Theheuristicmatchingpropagationprinciple

(HMPP)ofmovementfunctionsanditstruthtableservesasaguidetoperformmechanismtypes

4

synthesis.Bymeansofbounddepth-firstsearchstrategy,themovementrequirementsare

matchedagainstobjectsintheknowledgebasealongtheorientationoffunctionunit-mechanism

listIDTUnctionunitIDMovementbehaviorID(output/input)—?movementtypecoding/

continuitycoding/velocitycharactercoding/directionalitycodingatdiflerentfourlevelsof

abstraction.Theapplicationofboundeddepthinseaivhingprocesshasbeenusedtoavoid

mechanismschemescombinationexplosion.Thecompatibilityprincipleofmechanisms

connectionisputforwardtoensuretheircompatibility.Automaticdesigntheoryofmechanism

systemwithsingleinputandmultipleoutputsisrepresented.Beginningfromthemostcomplex

actionofmechanismsystem,mechanismtypessynthesisisperformed,andtheintermediate

resultsarestoredintheblackboard,thenreadyforpropagationtoanotheractions.

3.ModelofQuantitativeAnalysisandCalculationforMechanicalMovement

SchemeLayout

Theideathatinputmovementandoutputmovementareusedtorepresentmechanismis

suggested.Therecognitionproblemaboutsame-structure-different-functionanddifferent-

structure-same-functioninrepresentingmechanismknowledgehasbeensolvedbymeansof

mechanismtopologicalmodelusingdualmatrixtheory.Informationaboutmovementtypesand

orientation,positionofinputandoutputaxesofmechanismsisavailableinthemodel.In

addition,quantitativeanalysisprocessandcalculationmethodsofmechanismmovement

schemeareprovided.Finallytwodualtransformationsareproposedtodeterminethespatial

orientationofmechanisms5axesinthemechanicalmovementscheme.

4.VisualDynamicSimulationof"MovementModel”forMechanismSystem

Theconceptofmovementmodelisproposedtosolvetheproblemthatresearchon

solidassemblymodelisseparatedfromthatofmovementmodel.Modelingmethodanddesign

proceduresofvisualizationdynamicsimulationformechanismmovementschemesisintroduced.

Keytechniquesofmovementmodelmodelinganditsfunctionofkinematic

analysisandsimpledynamicanalysisarealsogivenwithsamples.

5.Multi-operatorMulti-layerTwo-levelFuzzyEvaluationModel

Thefour-layercomprehensiveevaluationindexessystemproposedherecanhelpdesigners

evaluateandjudgeinamorescientificway.AnalyticHierairhyProcess(AHP)isusedtoobtain

theweightofeachindex.Asaresult,multi-operatormulti-indexmulti-layertwo-levelfuzzy

evaluationmodelissetup.Inthefirststage,theAHPandfuzzymathematicsmethodareusedto

5

evaluateclassificationoffourcombinedindexes,thenfivedifferentfuzzyoperatorsai*eintegrated

toperformsystematicevaluationinhighlevels.Finallytwo-levelfuzzyevaluationisperformedon

theaboveresultofevaluation.

UnderthesupportoftheIntelligentMechanismSchemeDesignPlatformandthepresented

methodinthisdissertation,theoptimumdesignofpammetersandvisualdynamicsimulationof

multifunctionhighspeedoilfreeindustrialsewingmachineofShanghaiShangGongLtd.were

completed.

Atlast,somesuggestionsoffutureresearchworksinthisfieldarepointedout.

KEYWORDS:schemedesign,datastandardization,movementfunctionmatchingpropagation,

bounddepth-firstsearch,dualtransformation,visualizationdynamicsimulation

6

上海交通大學(xué)

學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明

本人鄭重聲明，所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下秋立進(jìn)行研究

工作所取得的成果除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外本論文不包含任何其

■I

他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的作品成果對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)

的個(gè)人和集體均已在文中以明確方式標(biāo)明本人完全意識(shí)到本聲明的法律

結(jié)果由本人承擔(dān)‘"

學(xué)位論文作者簽名，

日期,年月日

上海交通大學(xué)

學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書

本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留使用學(xué)位論文的規(guī)定同意學(xué)校

保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版允許論文被查

I

閱和借閱本人授權(quán)上海交通大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編

入有關(guān)數(shù)融庫(kù)進(jìn)行檢索可以采用影印縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯

編本學(xué)位論文',

保密□,在年解密后適用本授權(quán)書

本學(xué)位論文屬于

不保密口

(,請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打

學(xué)位論文作者簽名，指導(dǎo)教師簽名

日期,年月日日期.年月日

第一章緒論

第一章緒論

1.1引言

機(jī)械設(shè)計(jì)可劃分為產(chǎn)品規(guī)劃、概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和改進(jìn)設(shè)計(jì)等4個(gè)階段［"(見圖1-1)

概括的說(shuō)設(shè)計(jì)主要分兩步前者是概念設(shè)計(jì)(ConceptualDesign)為的是構(gòu)思出方案后者是

構(gòu)型設(shè)計(jì).(ConfigurationDesign)為的是設(shè)計(jì)出具體構(gòu)型從各種占有的設(shè)計(jì)過(guò)程劃分的述中可

以看出概念設(shè)計(jì)應(yīng)包括產(chǎn)品規(guī)劃功能設(shè)計(jì)和定性設(shè)計(jì)等內(nèi)容“川

Figure1-1Themodelofproductdesign

概念設(shè)計(jì)不同于常規(guī)設(shè)計(jì),常規(guī)設(shè)計(jì)的任務(wù)可按一定的概念層次組織,設(shè)計(jì)解的空間有限，

概念設(shè)計(jì)具有大的求解空間和試探性推理特征，且創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)知識(shí)不易總結(jié)，而這些正是開發(fā)

自動(dòng)化概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)的最大難度所在因而它的內(nèi)涵是十分廣泛和深刻的體現(xiàn)了設(shè)計(jì)者對(duì)概念

設(shè)計(jì)本質(zhì)的理解和設(shè)計(jì)者的理念"0

Pahl&Beitz于1984年唬其(EngineeringDesign>一書中提出了概念設(shè)計(jì)這一名詞

■并認(rèn)

為概念設(shè)計(jì)是在原理方面確定一個(gè)解1231

French認(rèn)為.■概念設(shè)計(jì)首先是要弄清設(shè)計(jì)要求和條件然后生成框架式的廣泛意義

上的

解在這里框架式的解喔指設(shè)計(jì)問(wèn)題的一個(gè)輪廓，每個(gè)主要的功能都可以對(duì)應(yīng)于其上，通

過(guò)原理部件之間的空間或結(jié)構(gòu)上的關(guān)系使它們有機(jī)地結(jié)合起來(lái)我們從這個(gè)框架中得到產(chǎn)品大

致的成本重量或總體尺寸以及在目施的環(huán)境下的可行性等送個(gè)框架只需對(duì)一些特征或部件

有一個(gè)相對(duì)明確的描述但'并不要求詳細(xì).151,

1;11811111

在隨后的十幾年,‘Hundal⑹、UmedaLTomiyamakSharpe⑼、Sturges""：Qian,鄒

1

上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文

慧君［12\王玉新1131等國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼探討了?概念設(shè)計(jì)?本身的深刻內(nèi)涵,并由此提出概念

設(shè)計(jì)的各種方法和模型

概念設(shè)計(jì)發(fā)展到岑天如果給其下一個(gè)較完整的定乂我們認(rèn)為?概念設(shè)計(jì)是根據(jù)產(chǎn)品生

命周期各個(gè)階段的要求進(jìn)行產(chǎn)品功能創(chuàng)造功能分解以及功能和子功能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行滿足

功能和結(jié)構(gòu)要求的工作■原理求解和進(jìn)行實(shí)琬功能結(jié)構(gòu)的工作原理載體方案的構(gòu)思和索統(tǒng)化設(shè)計(jì)

,,41,機(jī)械設(shè)備是通過(guò)工藝動(dòng)作實(shí)現(xiàn)其功能的概念設(shè)計(jì)的過(guò)程是一個(gè)發(fā)散思維和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過(guò)

程要■求能夠得到實(shí)現(xiàn)功能的滿足各種技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的可能存在的各種方案并最終確定

綜合最優(yōu)方案''

與機(jī)械設(shè)計(jì)的其它階段不同，概念設(shè)計(jì)具有其自身的特性.

*創(chuàng)新性創(chuàng)新是概念設(shè)計(jì)的靈魂只有創(chuàng)新才有可能得到結(jié)構(gòu)新穎、性能優(yōu)良、價(jià)格低

廉富有競(jìng)爭(zhēng)力的機(jī)械產(chǎn)品這里的創(chuàng)新司以是多層次的如從結(jié)構(gòu)修改結(jié)構(gòu)替換等低層次創(chuàng)

新工作到工作原理更改功能修改或增加等高層次的創(chuàng)新活動(dòng)都屬于概念'設(shè)計(jì)的范疇在眾多設(shè)

計(jì)路徑所產(chǎn)生的設(shè)計(jì)結(jié)巢中將產(chǎn)生一組可行的“新.方案"

女多樣性概念設(shè)計(jì)的多樣性主要體現(xiàn)在其設(shè)計(jì)路徑的多樣化和設(shè)計(jì)結(jié)果的多樣化不同

的功能定義功能分解和工作原理等會(huì)產(chǎn)生完全不同的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法從而在功能載體

的設(shè)計(jì)上產(chǎn)生完全不同的解決方案初如■計(jì)時(shí)■功能如果用單擺和石英振射兩種不同的工作

原理來(lái)實(shí)現(xiàn)則產(chǎn)生用機(jī)械原理和用電子原理兩種設(shè)計(jì)'思路與方法從而產(chǎn)生了機(jī)械式手表和石

英手表這兩種完全不同的設(shè)計(jì)結(jié)果,

A層次性概念設(shè)計(jì)的層次性體現(xiàn)在兩方面一方面，概念設(shè)計(jì)分別作用于功能層和結(jié)構(gòu)

層并完成由功能層向結(jié)構(gòu)層的映射如功能定義功能分解作用于功能層上而結(jié)構(gòu)修改結(jié)

構(gòu)永異則作用于結(jié)構(gòu)層由映射關(guān)系落兩層連接起策另一方面在功能層和焦構(gòu)層中也有自身

的層次關(guān)系例如功能分解就是將功能從一個(gè)層次向下一層次推進(jìn)功能的層次性也就決定了結(jié)

構(gòu)的層次性?不同層次的功能對(duì)應(yīng)不同層次的結(jié)構(gòu)例如結(jié)構(gòu)彈簧秤的功能是秤重而彈簧

秤的子功能之一受力變形則由子結(jié)構(gòu)彈簧完成""?

*病態(tài)性概念設(shè)計(jì)褶息的不完整、冬一成、不精確甚至是模糊的特性,使得難以對(duì)該階

段進(jìn)行準(zhǔn)確定量的描述導(dǎo)致了從問(wèn)題空間到解空間映射求解的過(guò)程變成了不良的病態(tài)結(jié)構(gòu)問(wèn)

題，

”?迭代性方案求解的各子過(guò)程大都是由多個(gè)子循環(huán)溫合、分析和評(píng)價(jià)組成，各個(gè)子循

環(huán)多次迭代最終得到一個(gè)全局滿意解

概念設(shè)％?既是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的先導(dǎo),又是產(chǎn)品構(gòu)型設(shè)計(jì)的前提探念設(shè)計(jì)做得好產(chǎn)品設(shè)計(jì)才有

可能達(dá)到高水平概念設(shè)計(jì)作為工程設(shè)計(jì)中一個(gè)重要并極富創(chuàng)矗性的階段岡正受到國(guó)內(nèi)外研

究學(xué)者越來(lái)越多的堇視卬MW目前計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已經(jīng)深入發(fā)展并得到廣疾應(yīng)用這就要

求我們大力開展機(jī)械產(chǎn)品計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)理論和方法的研究開發(fā)具有實(shí)用價(jià)值的并算機(jī)

輔助概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)為提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平縮短產(chǎn)品開發(fā)周期增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力做出貢獻(xiàn)

機(jī)械產(chǎn)品的犬部分運(yùn)動(dòng)功能是靠機(jī)械運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的發(fā)展決定了

機(jī)械產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)水平.是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新的關(guān)鍵環(huán)節(jié).機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案的優(yōu)劣對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的TQC

（時(shí)間.質(zhì)量成本）起著相當(dāng)大的影響長(zhǎng)期以來(lái)機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)一直僅由設(shè)計(jì)者的

大腦完成出現(xiàn)了許多不適應(yīng)的地方■一方面隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題

已日益變得復(fù)雜化,涉及到的專業(yè)領(lǐng)域也逐漸增多.設(shè)計(jì)者不僅需要有基本的機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí),而

且還可能需要電子、信息處理或控制等多方面的知識(shí),只有這樣才能設(shè)計(jì)出有競(jìng)爭(zhēng)力的機(jī)械產(chǎn)品.

2

第一章緒論

但設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí),由于知識(shí)面、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)知識(shí)等方面的限制，產(chǎn)生這樣的設(shè)計(jì)方

案十分棘手更難進(jìn)行方案選優(yōu)而且現(xiàn)代產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的加快也必然要求大幅度縮短概

念設(shè)計(jì)的時(shí)荷增加了設(shè)計(jì)者的飽難另一方面計(jì)算機(jī)有著強(qiáng)大的存括與檢索能力特別是近年

來(lái)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)'和人工智能技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展使機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)化概念設(shè)計(jì)平臺(tái)的開發(fā)不僅亟

需同時(shí)也成為可能?

,目前，國(guó)內(nèi)外有不少學(xué)者對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案概念設(shè)計(jì)進(jìn)行了有益的研究和探討.導(dǎo)師鄒慧君

教授是國(guó)內(nèi)資深機(jī)構(gòu)學(xué)專家,在機(jī)構(gòu)學(xué)領(lǐng)域有很深造詣,編寫了《機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)手冊(cè)》'I、

《機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，附等專著,并帶領(lǐng)若干名博士研究生在相關(guān)領(lǐng)域已進(jìn)行了十?dāng)?shù)年的研究,積

累了大量的寶貴經(jīng)驗(yàn)但總的說(shuō)來(lái)，將計(jì)算機(jī)引入概念設(shè)計(jì)的研究并不深入在機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的方案

設(shè)計(jì)中會(huì)遇到諸如知i■只的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)與管理表達(dá)與推理方案創(chuàng)新方案希局的定量分析與計(jì)

算方案評(píng)價(jià)以及方案的可視化動(dòng)態(tài)模擬等辱難題本論丈將以機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象著重

研究在計(jì)算機(jī)支持的環(huán)境中進(jìn)行概念設(shè)計(jì)的知識(shí)存輔與管理表達(dá)與推理機(jī)構(gòu)組合與機(jī)構(gòu)系統(tǒng)

的方案設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)布局的定量分析方案評(píng)價(jià)以及可視化動(dòng)態(tài)模擬等.

本課題.機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)原理及動(dòng)態(tài)模擬研究,來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目"機(jī)

械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)自動(dòng)化平臺(tái)的研究.（批準(zhǔn)號(hào)，59875058）、上海上工股份有限公司的“多功

能高速無(wú)油潤(rùn)滑工業(yè)平縫機(jī)性能研究及改進(jìn)設(shè)計(jì)?項(xiàng)目.

1.2相關(guān)領(lǐng)域文獻(xiàn)綜述

從智能系統(tǒng)的角度來(lái)看創(chuàng)造性的概念設(shè)計(jì)可視為在大的設(shè)計(jì)空間內(nèi)基于知識(shí)的搜索-

旦設(shè)計(jì)信息被表示且作為知識(shí)與規(guī)則分別寫入知識(shí)庫(kù)與規(guī)則庫(kù)擁有大量知識(shí)的智能系統(tǒng)可在大

的設(shè)計(jì)解空間進(jìn)行系統(tǒng)化地搜索求優(yōu)使用智能化CAD系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)從開始研究

至今已有十幾年的歷史了一些研究成果已能夠減輕設(shè)計(jì)人員的一部分工作固但總的看來(lái)還

遠(yuǎn)未達(dá)到可操作可實(shí)用的,目的因而概念設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)平臺(tái)仍沒有在工程設(shè)計(jì)中得到廣泛的

應(yīng)用究其主要原因有以下兩個(gè)方面一方面概念設(shè)計(jì)的復(fù)雜性創(chuàng)新性和大量的人機(jī)交互性（這

種交互大多發(fā)生在抽象的概念上）使計(jì)算機(jī)支持的系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜另一方面概念設(shè)計(jì)

具有極強(qiáng)的領(lǐng)域相關(guān)性影響了計(jì)算機(jī)支持的概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)的通用性和可再用性,

目前，要建立一個(gè)功能完備的計(jì)算機(jī)輔助方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)（CASDSComputerAidedScheme

DesignSystem）還存在捽多困難31但是要建立一個(gè)基本滿足設(shè)計(jì)需求具有二定使用價(jià)值的

CASD系統(tǒng)還是可能的概念設(shè)計(jì)的猿終結(jié)果是設(shè)計(jì)方案概念設(shè)計(jì)借鑒客種設(shè)計(jì)理論采用各

種數(shù)學(xué)工具和計(jì)算機(jī)技■術(shù)其最終目的也是落實(shí)到一個(gè)滿足設(shè)計(jì)要求的最優(yōu)可行方案概念設(shè)計(jì)

的創(chuàng)新性智能性也要由方案的形成過(guò)程和方案的內(nèi)容來(lái)體現(xiàn)所以我們以設(shè)計(jì)方案為線索

對(duì)近十幾年來(lái)概念設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展和取得的成果進(jìn)行綜述和歸納總的看來(lái)關(guān)于機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

概念設(shè)計(jì)需要掌握的關(guān)鍵技術(shù)也是需要解決的主要問(wèn)題歸結(jié)起來(lái)有以下.5個(gè)方面

★知識(shí)的表示與分類結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)階段的知識(shí)包括設(shè)計(jì)過(guò)程知識(shí)和設(shè)計(jì)對(duì)象知識(shí).知識(shí)

劃分的合理與否,知識(shí)的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的智能性和完整性都直接影響后續(xù)的知識(shí)推理效率和設(shè)

計(jì)方案的創(chuàng)新性.

★知識(shí)的推理策略知識(shí)的推理分為定性推理和定量推理兩種?二者結(jié)合是概念設(shè)計(jì)的未

來(lái)發(fā)展方向,知識(shí)推理的啟發(fā)能力、自適應(yīng)度和搜索路線、搜索深度的控制策略先進(jìn)程度決定了

CASDS的價(jià)值.

3

上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文

★機(jī)構(gòu)組合與機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)單一機(jī)構(gòu)無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，需要考慮

機(jī)構(gòu)組合的方法現(xiàn)代工業(yè)中的機(jī)械設(shè)備絕大多數(shù)屬于機(jī)構(gòu)系統(tǒng)具有多個(gè)輸出相互協(xié)調(diào)完成

多個(gè)工藝動(dòng)作講究機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)原理更具有‘實(shí)際意義’

支方案的評(píng)價(jià)和決策計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新往往會(huì)產(chǎn)生大量方案,而這些方案通常又是具體方

案的抽象表達(dá)所以進(jìn)行人工評(píng)價(jià)時(shí)需先進(jìn)行理解和轉(zhuǎn)化工作量大且煩瑣乏味故計(jì)算機(jī)輔助

評(píng)價(jià)必不可少'’?

★方案的動(dòng)態(tài)模擬概念設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是方案，方案究竟合理與否，工作情況如何，動(dòng)

力性能的優(yōu)劣可通過(guò)可視化動(dòng)態(tài)模擬直接由計(jì)算機(jī)屏幕獲得而不必一定經(jīng)過(guò)煩瑣的詳細(xì)設(shè)計(jì)

樣機(jī)試制和實(shí)峪驗(yàn)證省時(shí)省力''

接下來(lái),就這?個(gè)方面我們?cè)敿?xì)展開論述，

1.2.1設(shè)計(jì)對(duì)象知識(shí)的表示與分類結(jié)構(gòu)

ProcessofDesign

圖1-2機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的功能-行為-結(jié)構(gòu)過(guò)程模型

Figure1-2Conceptualdesignprocess,sfunction-behavior-structuremodelofmechanismSystem

設(shè)計(jì)對(duì)象的知識(shí)模型歷來(lái)是概念設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)儂一361對(duì)于功能行為結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)過(guò)

程模型而言⑺設(shè)計(jì)對(duì)象即指的是功能行為和結(jié)構(gòu)3個(gè)層次及其層次結(jié)構(gòu)因?yàn)楸疚牡难芯繉?duì)

象為機(jī)械運(yùn)動(dòng)系境功能也即運(yùn)動(dòng)功能其指一個(gè)結(jié)構(gòu)的功用是行為的抽象表示目的是對(duì)

應(yīng)出新的行為對(duì)象行為是指功能的具體化'即通常所說(shuō)的藝動(dòng)作叱對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)而

言行為即指運(yùn)動(dòng)行為2結(jié)構(gòu)指為實(shí)現(xiàn)某些（某一）行為而采用的一組構(gòu)件元件以及它們

之■間的組成關(guān)掾在機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)中我們所說(shuō)的結(jié)構(gòu)是指在方案設(shè)計(jì)時(shí)需要了解和

表達(dá)的結(jié)構(gòu)信息團(tuán).

4

第一章緒論

功能層因接近設(shè)計(jì)的最初階段市場(chǎng)需求和產(chǎn)品規(guī)劃，本現(xiàn)了設(shè)計(jì)者的意圖困而其知識(shí)模

型較抽象結(jié)構(gòu)層是方案表達(dá)的載體直接表現(xiàn)為選用的機(jī)構(gòu)種類和相互關(guān)系其知識(shí)模型更

為具體行為層處于功能層和結(jié)構(gòu)層的市間向上映射為功能結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系向下映射為產(chǎn)品

結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)關(guān)系起著承上啟下的作用（見圖1-2）.

1.設(shè)計(jì)對(duì)象知識(shí)的表示方法*

機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)包含的內(nèi)容很多.采用何種方法來(lái)表達(dá)機(jī)構(gòu).決定了概念設(shè)計(jì)的風(fēng)格和設(shè)

計(jì)方案的使用范圍和價(jià)值.概念設(shè)計(jì)發(fā)展到今天.出現(xiàn)了許多知識(shí)模型的表達(dá)方法，如語(yǔ)言.兒

何模型.圖和數(shù).對(duì)象、知識(shí)以及圖像等639仙⑵/22].按照它們表達(dá)方法的側(cè)重點(diǎn)不同.可以

分為兩大類，面向機(jī)器的知識(shí)表達(dá)方法和面向人類的表達(dá)方法網(wǎng)前者主要著眼于如何便于計(jì)

算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的推理.后者力圖為設(shè)計(jì)者提供一種直觀的設(shè)計(jì)標(biāo)境，幫助設(shè)計(jì)者進(jìn)行思維創(chuàng)

新（見圖1-3）''

,面向計(jì)算機(jī)

T語(yǔ)言幾何

模型圖和

樹對(duì)象

知識(shí)模型

簡(jiǎn)圖、示意圖

面向人類

V

圖1-3知識(shí)表達(dá)方法

Figure1-3Spectrumofknowledgemethod

接下來(lái)，分別介紹這些知識(shí)表示方法

（1）語(yǔ)言"

計(jì)算機(jī)最初是為解決數(shù)值運(yùn)算而設(shè)計(jì)的,而語(yǔ)言屬于非數(shù)值符號(hào)毋一般以長(zhǎng)度不等的語(yǔ)流形

式出現(xiàn),有著自身的句法和語(yǔ)義體系,其數(shù)據(jù)表達(dá)、語(yǔ)義表達(dá)、運(yùn)算規(guī)則與數(shù)值信息有著很大差

別■然而由于語(yǔ)言具有離散性、序列性和鄰接性等特征,對(duì)語(yǔ)言的處理具有很大的可行性.Rinderle

網(wǎng)利用圖式語(yǔ)言描述設(shè)計(jì)行為"NeviUe和Joskowicz皿提出一種語(yǔ)言用于固定軸裝置的行為描

述中（見圖1-4）,這種語(yǔ)言用零件.運(yùn)動(dòng)類型、軸和初始狀態(tài).終止?fàn)顟B(tài)5部分描述一個(gè)構(gòu)件的

運(yùn)動(dòng)行為,可較精確地描述輸入輸出為定軸的機(jī)構(gòu)中構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),Tyugu⑼提出了基于語(yǔ)法

的屬性模型表示設(shè)計(jì)對(duì)象的實(shí)現(xiàn)知識(shí).這些努力集中在針對(duì)某一應(yīng)用開發(fā)不同的語(yǔ)言,如何使得

語(yǔ)言能夠重用和共享己經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)|421.

（2）幾何模型

幾何模型是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)中的實(shí)現(xiàn),CAD技術(shù)提出的二維幾何模型、三維幾何模型（含

線框,曲面、實(shí)體）和特征模型等經(jīng)多年研究已趨于成熟.且得到了廣泛應(yīng)用.但這些模型都無(wú)

法支持自上而下的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程.為此.人們提出了許多新的產(chǎn)品模型.大致分為3類，

5

上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文

圖1-4機(jī)構(gòu)行為的表達(dá)語(yǔ)言

Fig.1-4Representationlanguageofmechanismbehaviors

1)基于裝配的產(chǎn)品模型|43-471

通過(guò)記錄零件之間的裝配層次關(guān)系和裝配結(jié)構(gòu)關(guān)系等裝配信息.表達(dá)產(chǎn)品功能信息和設(shè)計(jì)

者的設(shè)計(jì)意圖，從而支持從概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)整個(gè)過(guò)程

2)集成產(chǎn)品模型"

其建?；舅悸肥?在一個(gè)集成產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中，建立一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)模型來(lái)集成產(chǎn)

品的所有信息,使之適用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不同階段.基于STEP標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品模型屬于此類,48-501.

目前這方面研究較多.

3)智能產(chǎn)品模型[52-54-6"

產(chǎn)品模型不僅要完整地描述產(chǎn)品的狀態(tài)信息.而且要表達(dá)產(chǎn)品的形成過(guò)程信息.這樣的產(chǎn)

品模型不僅可以記錄設(shè)計(jì)制造的結(jié)果,而且可以幫助設(shè)計(jì)制造人員了解產(chǎn)生這些結(jié)果的原因,為

產(chǎn)品模型的重用和正確修改奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).通過(guò)記錄產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程信息和產(chǎn)品本身狀態(tài)信息而

形成的產(chǎn)品模型就是智能產(chǎn)品模型實(shí)現(xiàn)智能產(chǎn)品模型必須有人工智能技術(shù)的有力支持，如基于

規(guī)則的推理技術(shù)約束及真值維持素統(tǒng)的建立等智能產(chǎn)品模型為設(shè)計(jì)自動(dòng)化提供了許多有用的

信息大大加強(qiáng)？產(chǎn)品模型對(duì)建模過(guò)程的支持特征模型裝配模型和集成產(chǎn)品模型都是智能產(chǎn)

品模型的基礎(chǔ)-'

(3)圖和樹

七十年代中期,圖論引入運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)抽象表示研究領(lǐng)域1621.借助于圖論工具,機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案

的抽象表示與設(shè)計(jì)處理過(guò)程研究開始得到進(jìn)一步發(fā)展.從此用圖論表示運(yùn)動(dòng)鏈的特征結(jié)構(gòu)以及表

示特定的機(jī)器,開始在機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)過(guò)程中得到廣泛的應(yīng)用儂-651.

圖和樹在概念設(shè)計(jì)階段中經(jīng)常用到.可描述產(chǎn)品的功能、行為和結(jié)構(gòu)等屬性，而且可以對(duì)設(shè)

計(jì)需求和約束建模(見圖1-5[651)運(yùn)用圖論表達(dá)方案的主要優(yōu)點(diǎn)是圖論有成熟的理論和算法

且易于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)這是因?yàn)閳D可以表示成為關(guān)聯(lián)矩陣的數(shù)學(xué)模型(incidencematrix)但它缺殳

分類和繼承的概念."

(4)對(duì)象,

對(duì)象具有抽象性、封裝性、多態(tài)性、繼承性等特點(diǎn),在產(chǎn)品建模方面具有一定靈活性.Yoshioka

等人用對(duì)象表示輪船設(shè)計(jì)中的實(shí)例和過(guò)程知識(shí)以利于知識(shí)的重用1661Kolb和Bailey利用面向

對(duì)象技術(shù)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的概念設(shè)計(jì)進(jìn)行建模劭Kusiak1681Martin169f等也利用對(duì)象技術(shù)表達(dá)設(shè)

計(jì)方案沈陽(yáng)工學(xué)院的舒啟林利用面向?qū)ο蟮姆椒▽⒏鱾€(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行封裝形成機(jī)構(gòu)類通過(guò)把機(jī)

械方案設(shè)計(jì)過(guò)程看作是一個(gè)狀態(tài)空間的求解問(wèn)題用遺傳算法控制其搜索過(guò)程利用復(fù)制

6

第一章緒論

需求空間

R1：設(shè)計(jì)聯(lián)軸器R2:剛性

聯(lián)接R3:傳遞扭矩R4:

柔性聯(lián)接

F1:傳遞能量F2:補(bǔ)償兩

軸間的偏移F3:剛性聯(lián)接

兩軸P4：用滑動(dòng)件補(bǔ)償偏

移

F5:不采用滑動(dòng)件補(bǔ)償偏移

圖1-5聯(lián)軸器的樹圖

Figure1-5Graphmodelofashaftcoupling

交換和變異等操作進(jìn)行一次次迭代，最終自動(dòng)生成一組最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案1701

(5)知識(shí)模型

常用知識(shí)模型有語(yǔ)義網(wǎng)線框架、謂詞邏輯終生式規(guī)則等171741Rao建立了一個(gè)基于規(guī)則

的軸承設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)并用規(guī)則表達(dá)軸承設(shè)計(jì)方案1751Tong和Gomory在其小機(jī)電設(shè)備概念設(shè)

計(jì)支持系統(tǒng)中為廚房委備建立了基于框架的標(biāo)準(zhǔn)零件模型1761Navinchandra”提出用實(shí)例

(case)支持概念設(shè)計(jì)實(shí)例由索引和內(nèi)容兩部分組成索引用來(lái)檢索實(shí)例內(nèi)容中包含具體方案

細(xì)節(jié)用知識(shí)模型表達(dá)(如框架規(guī)則謂詞邏輯等)Hsu在其面向裝配的概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)中也用

了實(shí)例四日本東京大學(xué)Tomiyama(富山哲男)領(lǐng)導(dǎo)的研究小組提出一種新的知識(shí)模型

"Metamodd，并建立了設(shè)計(jì)支撐環(huán)境FBSModeler附..

知識(shí)模型較適合設(shè)計(jì)初期的知識(shí)推理目前已有許多成功實(shí)例ICADMedusaengin

Connex、CADET等1砌.但它也存在諸如模型正確性的檢驗(yàn).知識(shí)獲取的問(wèn)題以及知識(shí)庫(kù)管理

等問(wèn)題.

(6)簡(jiǎn)圖、示意圖

這種方法形象、直觀■比較常見?便于設(shè)計(jì)者集中精力進(jìn)行思考和創(chuàng)新?但其過(guò)于簡(jiǎn)化抽

象非邏輯性使得計(jì)算機(jī)很難實(shí)現(xiàn)J969年Amheim⑻1提出來(lái)可視化思維(VisualThinking)

的概念.認(rèn)為草圖便于比較設(shè)計(jì)結(jié)果，易于形成三維方案，可提高工作效率.Radcliffe和Lee

提出一個(gè)可視化思維模型|821.Won通過(guò)對(duì)比說(shuō)明采用可視化思維提高計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)的設(shè)

計(jì)效率1831.

Li提出了機(jī)構(gòu)行為的定性描述方法””并用于計(jì)算機(jī)輔助的機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì)中.該方法的表

示是完全層次性的.

Chiou和Kota提出了行為的矩陣表示法1電2叫該模型有3個(gè)層次(Q第一層體現(xiàn)兩方面的

信息即輸入/輸出運(yùn)動(dòng)關(guān)系及輸入/輸出的軸線之間的關(guān)系,用MTM1(MotionTransformation

Matrices)表示?⑵第二層主要體現(xiàn)輸入/輸出軸線方向之間具體的方向關(guān)系以及作用約束的情

況.用MTM，及OCV(OperationalconstraintVector)描述.(3)模型的第三層用4Ml的參數(shù)矩陣

描述輸入/輸出軸線相對(duì)于全局參考坐標(biāo)系的幾何關(guān)系以及用一個(gè)運(yùn)動(dòng)方程給出輸入/輸出參數(shù)之

7

上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文

間的數(shù)學(xué)關(guān)系

汪利提出包克斯范式（BNF）和產(chǎn)生式規(guī)則相結(jié)合的計(jì)算機(jī)輔助運(yùn)動(dòng)行為表示方法BNF表

達(dá)使運(yùn)動(dòng)行為的表示具有規(guī)范性適合于比較分類產(chǎn)生式規(guī)則使表達(dá)具有一定的靈;舌性適

應(yīng)運(yùn)動(dòng)行為的多樣化該表達(dá)方法不僅可以將近構(gòu)庫(kù)年的機(jī)構(gòu)分門別類也可以對(duì)設(shè)計(jì)要求'予以

表達(dá)網(wǎng)■,

2.設(shè)計(jì)對(duì)象知識(shí)的分類結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)對(duì)象知識(shí)的表示方法確定以后.它的3個(gè)層次?運(yùn)動(dòng)功能、運(yùn)動(dòng)行為和機(jī)構(gòu)在知識(shí)模

型中的分類結(jié)構(gòu)和屬性則成為設(shè)計(jì)者關(guān)注的主要方面.

Kannapan和Markek⑼首先在這方面進(jìn)行了嘗試，他們采用代數(shù)和邏輯謂詞的方法表示運(yùn)動(dòng)

行為知識(shí)和機(jī)構(gòu)知識(shí)

Freudenstein和首次提出了基于圖論的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)知識(shí)模駕根據(jù)基于功能結(jié)構(gòu)分離

的概念著眼于以構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副回路或者單開鏈為單元的結(jié)構(gòu)類型綜合方法有助于建立具有

相同類如和數(shù)量的自由度和連桿'的機(jī)構(gòu)總數(shù)"

Joskowicz網(wǎng)描述定軸機(jī)構(gòu)行為時(shí)采用巴克斯范式（BNF）機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)行為由若干運(yùn)動(dòng)序

列組成一個(gè)運(yùn)動(dòng)序列又包括運(yùn)動(dòng)種類和運(yùn)動(dòng)關(guān)系運(yùn)動(dòng)種類可分為單一運(yùn)動(dòng)串聯(lián)組合運(yùn)動(dòng)和

并聯(lián)組占運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)種類包含運(yùn)動(dòng)類型和運(yùn)動(dòng)參數(shù)等特性項(xiàng)由此形成一棵運(yùn)動(dòng)行為屬性樹處

于最頂部的根節(jié)點(diǎn)為行為要求中間子節(jié)點(diǎn)為子特征項(xiàng)葉節(jié)點(diǎn)為屬性并且運(yùn)動(dòng)類型分為移

動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋運(yùn)動(dòng)（移動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)但不相連）移動(dòng)兼轉(zhuǎn)動(dòng)（同時(shí)但不相連）'靜止和維持原狀

'在匕"的定性描述方法中,一個(gè)機(jī)構(gòu)用輸入、輸出.輸入/輸出關(guān)系以及控制4部分描述：

其中輸入部分又分為類型、速度;速度方向和輸入構(gòu)件數(shù)目4個(gè)屬性,輸出、輸入/輸出關(guān)系以

及控制等部分也由相應(yīng)的屬性組成.

Chiou和KotaU828I將運(yùn)動(dòng)功能劃分為運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換類型和空間方位要求，運(yùn)動(dòng)行為劃分為方向、

連續(xù)性、速率特性和可逆性.這些特征向下又包括若干屬性.如運(yùn)動(dòng)連續(xù)性包括連續(xù)和間歇兩種

屬性.

汪利卬幽采用BNF范式描述機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)行為，用產(chǎn)生式規(guī)則描述運(yùn)動(dòng)行為的相互關(guān)系和

設(shè)計(jì)約束.

鄒慧君附根據(jù)“運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換功能,將機(jī)構(gòu)進(jìn)行分類，并用代碼描述功能元和機(jī)構(gòu)類別，由

此建立了?機(jī)構(gòu)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，知識(shí)庫(kù)

唐林川提出了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)功能的規(guī)范化表達(dá)“方式.力圖使運(yùn)動(dòng)功能的表達(dá)具有唯一性，將

機(jī)構(gòu)解知識(shí)歸納成運(yùn)動(dòng)功能結(jié)構(gòu)特征和功能質(zhì)量3個(gè)部分

于秋則⑶采用功能屬［生、運(yùn)動(dòng)屬性、性能屬性和適用性屬性來(lái)表達(dá)機(jī)構(gòu)元知識(shí).

此外國(guó)內(nèi)許多學(xué)者田一3句都在設(shè)計(jì)對(duì)象知識(shí)的分類結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了有益的嘗試

I?

1.2.2知識(shí)的推理策略

確定了知識(shí)的表達(dá)方法和內(nèi)容結(jié)構(gòu)之卮接著就需要考慮采用何種合適的方法將用戶需求

映射到相應(yīng)的物理空間在實(shí)際的推理過(guò)程中存在知識(shí)驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)兩種方式知識(shí)驅(qū)動(dòng)應(yīng)

用在存在大量領(lǐng)域知識(shí)的情況下典型技術(shù)如盤于搜索的方法基于約束滿足的方法基于A1的

方法和基于設(shè)計(jì)目錄的方法等而數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)指撥棄規(guī)則倚賴大量領(lǐng)域?qū)嶋H數(shù)據(jù)參與推理如基

于實(shí)例的方法基于原型的方怯等''

8

第一章緒論

1.知識(shí)驅(qū)動(dòng)的推理策略

(1)基于搜索的方法|,9-!

這種方法認(rèn)為設(shè)計(jì)是從功能空間向結(jié)構(gòu)空間的一種映射.它將設(shè)計(jì)的各種可能的方案組

合成為設(shè)計(jì)空間.將設(shè)計(jì)看成是在設(shè)計(jì)空間中的解的搜索，設(shè)計(jì)的結(jié)果對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)空間的某個(gè)點(diǎn)

(一種設(shè)計(jì)方案).搜索是人工智能的基本問(wèn)題,搜索的方法有盲目搜索和啟發(fā)式搜索.設(shè)計(jì)是一

種創(chuàng)新活動(dòng),是一種在知識(shí)指導(dǎo)下的啟發(fā)式搜索過(guò)程.

(2)基于約束滿足的方法U&28.37.38g

設(shè)計(jì)可以看成是一個(gè)約束滿足求解問(wèn)題即所有的設(shè)計(jì)要求與限制都被看成對(duì)變量的約束

而設(shè)計(jì)則要使結(jié)果滿足所有的約束條件.約束集限制下的子空間為設(shè)計(jì)的解空間，而求解的過(guò)程

則是基于約束來(lái)進(jìn)行的.約束往往從抽象到具體，分層次地滿足.

(3)基于AI(ArtificialIntelligence)的方法|76,84,861871

方案的形成可以看成一個(gè)知識(shí)推理的過(guò)程它的輸入是已有的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)知識(shí)其中

設(shè)計(jì)知識(shí)由各種方法來(lái)表示,如形狀文法.規(guī)則、框架、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)、對(duì)象描述等方法.借助于推

理.如正向推理、逆向推理、混合推理等，類似于專家，由計(jì)算機(jī)得出方案.

(4)基于設(shè)計(jì)目錄的方法⑵3匹到

以系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，著重研究設(shè)計(jì)的一般進(jìn)程模式及設(shè)計(jì)工作的條理化進(jìn)行總體設(shè)計(jì)步

驟程式原則技巧以及需求與技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)之間轉(zhuǎn)化方法的探索利用或元組合的原理提

出功能分搟組合'設(shè)計(jì)思想編制大量的含有功能要求原理解約束'評(píng)價(jià)和約束和備注等場(chǎng)目

的設(shè)計(jì)目錄作為原理方案設(shè)計(jì)的輔助工具供設(shè)計(jì)者選用''

2.數(shù)據(jù)驅(qū)荀的推理策略"

(1)基于實(shí)例的方法

CBR(CaseBasedReason)是近年來(lái)AI的一個(gè)重要的發(fā)展方向.現(xiàn)已開始用于智能CAD系統(tǒng)

U7&S.它最初是從類比問(wèn)題求解開始的早期的研究有Kolodner等