可變功能機械系統概念設計的相似模型構建研究論文

　　引 言

一般的機械系統通常只具有一個或多個固定的功能，但這種系統在某些特定的情況下不能滿足應用需要，如佔地面積有限、資源有限以及要求使系統升級方便的情況。本研究的可變功能機械系統是指一種通過改變系統中結構的連接或組成的方式進而獲得新功能的特定的機械系統。該系統的可變是基於某些固件不變的基礎上的，也就是説改變局部構件獲得的新系統和之前的系統之間必定存在一定的相似性。研究可變功能機械系統的相似性，建立概念設計系統模型，為以後進行可變功能設計並將具有一定相似性的功能進行耦合提供了基礎。

機械系統的概念設計是產品設計的初步也是關鍵階段，可以理解為在設計約束條件下，以客户產品功能需求為輸入，設計結構方案為輸出的映射過程。對於概念設計模型，文獻[1-2]提出了一種設計知識的表達形式，將功能、行為和結構作為設計的3個層次，基於“功能-行為-結構(functional-behavior-struc?ture，FBS)”模型解決設計問題。功能表達的是設計目的即“做什麼”，行為表達系統“如何去做”，結構説明設計系統“用什麼構件或元件去做以及他們之間的連接關係”。鄒光明等、金熙哲等應用了功能行為的不同表達方式，提出了行為集合的表示方法，建立了行為集合分組的規則及分組評價規則和應用功能基來表達設計問題。鄧益民等將機電產品功能和行為的幾種表達方法進行了總結，並按照語義表達和句法表達兩個方面對其進行了分類，據此提出了研究功能與行為表達方法的`發展方向。

　　1 可變功能機械系統概念設計模型

可變功能機械系統由不同的分功能組成，且功能間會發生耦合。筆者基於FBS概念設計模型對可變功能機械系統進行研究，先將各分功能獨立，分別建立自頂向下的設計模型，即先對功能進行分解，由功能-行為映射求解得到相應的行為層級結構，分析相應的行為模型，得出映射層結構方案。

　　2 相似模型構建

2.1 功能序結構和行為序結構模型

相似包括功能相似以及行為相似，功能具有相同的效果不代表行為也具有相似性。研究系統相似度時需要衡量功能相似度和行為相似度不同的權重值，建立相似模型，從系統的角度將不同的功能及其行為映射用序結構表達出來，用系統要素的方式進行模型構建。

2.2 基於序結構的相似模型構建

由相似第一定律即序結構定律可知，不同類型、不同層次系統存在一定的序結構，當系統序結構存在共同性時，系統之間出現相似特性，相似性大小隨序結構的共同性程度增大而上升，反之則下降。上節已將可變功能機械系統概念設計中的功能層和行為層用序結構進行表達來探索功能和行為的相似性，本節在此基礎之上運用數學建模對相似度進行計算。可變功能機械系統具有一定的相似性，即相似度大於零，某些功能或行為能通過改變一些系統組成就能形成新的功能系統，若是沒有相似性即相似度為零，那麼整個分功能系統就轉變成了多功能的單個系統的集合，不在本研究的研究範圍之內。

　　3 實例分析

筆者選取典型的可變功能機械系統進行研究，選取如圖6所示的機牀作為研究對象，通過更換不同的刀具執行機構可以獲得鑽孔，擴孔和鉸孔3個不同的功能。可以看出，這是一種通過改變系統執行機構達到改變功能的情況。

　　4 結束語

機械系統往往有很多複雜的功能系統組成，通過系統間的協調和配合完成一定功能，從而實現機械能變化，代替人類勞動的作用。可變功能機械系統正是為了更好地利用環境資源、增加設備利用率而產生，以適應勞動過程中不同的需求。相似性是存在於大自然中最普遍的特性，在對可變功能系統研究中，研究者通過探索系統相似性，建立概念設計相似模型，可以從定量角度描述系統間的共性，進而基於一定的相似度進行可變功能創新設計。

為此，本研究提出了將FBS模型與經典相似理論相結合的方法構建概念設計相似系統模型，建立了基於輸入/輸出流的序結構模型，對序的概念做了進一步的闡述，通過序結構建立相似序，得出了構建相似系統模型的具體步驟，並通過數學模型計算獲得具體的相似度數值。

前文的分析和案例均表明，該模型符合設計過程中設計人員的認知過程，對相似性進行了可靠地描述，有利於機械系統的創新設計，為可變功能機械系統的相似度研究提供了方法和依據。