關於機械方案創新設計管理論文

0引言

機械方案設計是一個創造性很強的活動，其思維過程是形象思維和抽象思維綜合作用的結果。目前計算機輔助設計（CAD）主要解決了在計算和繪圖等設計後續階段對設計者的支持。而對於極富創造性的早期方案設計階段的計算機支持至今沒有取得實質性的進展。即使是智能CAD系統，所採用的方法的理論基礎仍是基於傳統的人工智能的知識表示與推理方法，即邏輯思維為基礎，其中多以知識工程和專家系統的方法實現。這種CAD與AI的簡單組合，沒有也不可能從真正意義上實現方案設計自動化。創造性如何在方案設計過程中體現一直是困擾設計理論研究工作者的棘手問題，也一直沒有很好地解決，本文將就這一問題作一探討。

1機械方案設計的一般過程

一般認為，方案設計階段主要有兩個任務：首先是建立技術系統的功能結構。然後通過選擇相應於功能結構中的每個功能的功能載體，並組合這些被選擇的功能載體形成整個技術系統的設計方案。

通用設計理論認為，方案設計過程可表述為兩個映射過程（圖1）：即用户需求域到功能域的映射以及功能域到結構域的映射。由需求域到功能域的映射過程最能體現設計者的`創造能力，這一過程涉及到對設計思維規律以及創造性機理認識水平，涉及到自然語言到專業技術語言的轉化。儘管有些學者提出通過對設計要求進行層次分解來建立功能結構圖的討論，但一般還要通過人工干預進行。從功能到結構的映射，實際上是功能結構圖中的每一個分功能與能實現該分功能的結構進行匹配，一般情況下，總體功能往往包含着許多分功能。而每一功能可以由不同的結構來實現，因此存在組合、協調和評價篩選的問題。具體的機械方案設計過程如圖2所示。

圖2所示的機械方案設計過程還可通過數學形式進行描述。設總體功能為U，它可分解為一些子功能，分解過程可形式化為：

U＝（U1，U2，…Um）（1）

即總體功能是有m個子功能UI（I＝1，2，…m）組成的。

任何一個子功能UI（I＝1，2，…，m）對應着能夠完成該分功能的子結構的集合TI，即TI＝（tI1，tI2，…，tin）（I＝1，2，…，m）（2）

式中tij（j＝1，2，…，n）對應於能完成子功能UI的所有子結構，n為完成該子功能的子結構總數。如果用UI定義行，tij為元素構成矩陣，即得到功能與結構相聯繫的“功能—結構技術矩陣”：

（3）當然能夠實現各子功能的子結構數並不相等，可以將能夠實現某一子功能的最多子結構數定為n，少於這個數的子功能元素項用零表示。圖2所描述的機械方設計的一般過程，看起來很簡單，但計算機實現有許多問題需要解決。如總功能如何分解為子功能、功能如何表達（因為從不同的角度提出的功能表達詞彙是不相同的）以及如何有效根據功能索引子結構等問題有待進一步探討和研究。

2基於機構結構類型變異綜合方法

自60年代圖論理論首次被應用於機構設計以來，它在機構分析與綜合方面的應用得到深入的研究。在圖論中，封閉的圖代表機構，頂點代表連桿，邊代表運動副。圖可以用矩陣（如鄰接矩陣和關聯矩陣）表示、分析和計算。1979年，Freudenstein和Maki提出“功能與結構分離”的方法用於機構綜合，隨後許多學者對這一方法進行研究和深化。該方法包括如下幾個環節：

2．1根據用户的需求，提出機構創新設計任務與技術要求：

（1）拓撲結構要求

如運動性質（平面運動或空間運動）、基本回路數（或獨立環數目）、運動副類型及數目、構件類型及數目、主動副類型及其位置以及機架的構件類型及其位置；

（2）功能性要求

如輸出構件數目及其位置、每一輸出構件的任務（如軌跡生成、函數生成、導引以及其它要求、滿足對預定的速度及加速度要求、滿足對機構整體的動力學性能要求；

（3）約束條件

如運動精度、結構緊湊性、剛度、機械效益、軸銷作用反力以及製造、裝配、成本等方面的約束。

2．2結構類型綜合

通過結構類型綜合列出滿足設計任務要求的全部結構類型並以適當形式表示。

2．3優選結構類型

根據功能要求和約束條件，篩選出好的結構類型。

該方法目前研究侷限在平面連桿機構的結構類型綜合，且一般集中在運動鏈同構識別、自由度識別方法以及平面運動鏈自動生成等理論方法研究階段。儘管有一些應用的研究報道，但都是針對簡單機構（如變衝程發動機活塞機構、車門開啟機構等）通過人工方式實現。計算機實現還有一些關鍵技術沒有很有效的方法，如運動鏈同構識別問題，主動副位置確定、機架位置的確定、杆組的自動劃分以及對運動鏈進行評價篩選等問題。

3集成功能推理及結構推理的方案創新設計過程模型

如果用人工智能語言描述，在上述第1小節中討論的機械方案設計的一般過程是基於功能推理方式，而第2小節中所討論的機構結構類型變異綜合方法是基於結構推理方式。這兩種方式有其內在的聯繫，如何將這兩種方式有機地聯繫在一起對於機械方案創新設計是一件很有意義的工作。功能推理主要解決功能到結構之間的映射，通過結構部件組合途徑形成機械方案。而結構推理是從結構部件的拓撲結構上通過機構演繹（機架變換，主動件位置變換以及運動副類型變換）途徑對機構進行變異創新，儘管目前結構推理侷限在平面連桿機構結構類型綜合，但通過本文的研究，該方法可以擴展到一般剛體機械方案創新設計。有鑑於此，作者提出如圖3所示的集成功能推理和結構推理的機械方案創新設計過程模型。

該設計過程模型由以下主要步驟組成：

Step1：功能結構圖的建立。根據設計要求，建立功能結構圖。

Step2：根據建立的功能結構圖，尋找滿足各子功能要求的功能載體並組合成為原始機械方案。

Step3：將原始機械方案進行抽象化為表達機械方案連接信息的運動鏈表示。並記錄原始方案一些約束信息，如自由度數、杆數、原動件必須是幾副杆、輸出構件是否必須與機架相連等等。

Step4：運動鏈發散。列舉所有與抽象化表示的運動鏈具有相同自由度、杆副類型以及杆數的非同構運動鏈，並進行篩選。

Step5：機械方案元型集的生成。對篩選的運動鏈進行機架識別、原動件識別、杆組識別，形成用連桿和轉動副表達的機械方案元型。

Step6：候選方案集的生成。將以上生成的機械方案元型通過類型替代，形成候選方案集。

Step7：方案的評價決策。得到最優方案。

Step8：方案的尺度綜合。

4機械方案創新設計智能支持系統

根據以上的過程模型，我們開發了機械方案創新設計智能支持系統MCIDISS。系統的結構如圖4所示。該系統由五大模塊組成：

（1）基於實例功能推理的原始機械方案生成模塊：該模塊採用兩級實例推理的模型，完成從設計任務到功能結構圖的建立以及裝置提取與組合協調設計生成原始機械方案的任務。

（2）基於結構推理的方案設計創新模塊：該模塊在上面模塊產生的原始機械方案的基礎上，通過抽象化表示，將原始機械方案表達為一般化運動鏈，從機械方案拓撲聯接上進行變異創新。

（3）評價決策模塊：該模塊主要任務是對各階段的設計解進行評價決策。系統主要採用模糊綜合評價決策方法。

（4）機構尺度綜合模塊：該模塊主要任務是對組成機械方案的機構參數進行綜合，以便從尺度上論證方案的可行性。

（5）運動分析及仿真模塊：該模塊是在完成機構尺度綜合後，對其進行運動分析和仿真，以便使設計者對所設計的方案有一個清晰直觀的認識。

5結束語

本文先簡要分析了機械方案設計一般過程和機構結構類型綜合的一般過程，在此基礎上，研究並提出了集成功能推理和結構推理的機械方案創新設計過程模型。基於所提出的過程模型，作者開發了機械方案創新設計智能支持原型系統MCIDISS。MCIDISS開發和運行表明，其具有合理的知識庫結構，運行情況穩定，用户界面友好，推理控制策略靈活，因此具有很好的實用性和較高的開發效率。