張曉鐘 楊 哲 羅 丹

西安建筑科技大學(xué),西安,710055

基于信息加工的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理與過程CAD

張曉鐘 楊 哲 羅 丹

西安建筑科技大學(xué),西安,710055

依據(jù)信息加工觀,研究了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程的基本思想、方法與技術(shù)。通過分析機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程在人腦與計(jì)算機(jī)中的表征形式、演變過程與相應(yīng)的信息處理方法,提出信息加工觀下的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理及其CAD技術(shù)框架,并就參數(shù)化技術(shù)下的機(jī)構(gòu)行為分析、基于實(shí)例與仿真的性能分析CAD方法進(jìn)行了探討。給出了基于語言文字的抽象概念信息處理方法、基于屬性特征匹配的抽象與形象表征形式轉(zhuǎn)換方法、基于輔助基準(zhǔn)裝配的機(jī)構(gòu)方案與性能設(shè)計(jì)方法。以連桿機(jī)構(gòu)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)為例,實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互環(huán)境下的智能化、自動(dòng)化設(shè)計(jì)過程。

機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì);信息表征;信息加工;過程CAD

0 引言

基于信息加工的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理與過程CAD研究,旨在探討人腦與計(jì)算機(jī)交互作用下,給定需求而獲得機(jī)構(gòu)方案的過程。其基本原理是:將機(jī)構(gòu)方案的形成視為一個(gè)信息的連續(xù)處理過程,該過程由兩個(gè)基本要素構(gòu)成,一是機(jī)構(gòu)形成過程中的表征形式,二是與表征形式相對(duì)應(yīng)的處理過程。表征形式主要由抽象的語言文字形式和具體的圖式構(gòu)造形式表達(dá),而處理方式則對(duì)應(yīng)著邏輯推理和圖式生成與變換等,兩種方式之間由屬性、特征關(guān)聯(lián)來做變換處理。

1 功能目標(biāo)下的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程與方法

一般說來,機(jī)構(gòu)的功能需求是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的成敗直接影響產(chǎn)品的功能與性能,機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中占有特別重要的地位。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是人的造物過程,造物的過程及其創(chuàng)新、機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新,與人的大腦智慧密不可分。人的大腦智慧主要體現(xiàn)在人對(duì)客體的認(rèn)知、理解、記憶及其再應(yīng)用;體現(xiàn)在對(duì)需求的特征與屬性的識(shí)別與提取;體現(xiàn)在對(duì)需求信息的抽象與聚縮過程;體現(xiàn)在對(duì)需求的逐級(jí)抽象而形成概念的過程;體現(xiàn)在人們對(duì)最終形成的概念的透徹理解,而這種理解表現(xiàn)為對(duì)需求目標(biāo)的最終而準(zhǔn)確的結(jié)果表達(dá)與呈現(xiàn)形式,表現(xiàn)為結(jié)果表達(dá)與呈現(xiàn)形式的具體可評(píng)價(jià)、可實(shí)現(xiàn)、可操作方面。

作為基于功能的設(shè)計(jì)方法[1-4],機(jī)械機(jī)構(gòu)的構(gòu)造是以機(jī)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)為基準(zhǔn)目標(biāo)的,也就是說由功能決定構(gòu)造形式。功能是人們對(duì)機(jī)構(gòu)構(gòu)造行為結(jié)果的理解與抽象表達(dá)。機(jī)構(gòu)構(gòu)造作為功能的載體,成為機(jī)械產(chǎn)品概念與方案設(shè)計(jì)的核心。機(jī)構(gòu)構(gòu)造的行為是機(jī)構(gòu)達(dá)到與實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)目標(biāo)功能的過程序列。這個(gè)行為過程的多樣性、行為實(shí)現(xiàn)功能的可行性成為人們大腦思維與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。機(jī)構(gòu)的性能,也就是功能實(shí)現(xiàn)的滿足程度,或說達(dá)到需求功能目標(biāo)的理想化程度,它是機(jī)構(gòu)的構(gòu)造確定之后設(shè)計(jì)工作中的重點(diǎn)。性能表達(dá)從本質(zhì)上說來,是一個(gè)多屬性組成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),性能表征的屬性所涉及的學(xué)科特點(diǎn)及其多樣性,使得這一步工作的展開具有極大的離散性、多學(xué)科關(guān)聯(lián)性、矛盾與沖突的難以決策等特點(diǎn),經(jīng)驗(yàn)在此占據(jù)重要的地位。通過模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)研究,可獲得性能的最本質(zhì)問題及屬性。計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)為此提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),使得實(shí)體模型檢驗(yàn)、樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、機(jī)構(gòu)的工程試驗(yàn)與檢驗(yàn)等更加接近理想的功能要求。

傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程[5]是用人腦對(duì)各種信息進(jìn)行加工處理,在腦外用紙、筆等作為輔助工具以表達(dá)思維結(jié)果。在這里,信息載體由大腦的心理表征轉(zhuǎn)向了紙上的圖形與文字符號(hào),也可以是實(shí)體模型等。但思維結(jié)果的表現(xiàn)形式由活動(dòng)的、復(fù)雜的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止的、簡約的特定形態(tài),也就是所思考機(jī)構(gòu)呈現(xiàn)形式的瞬態(tài)。這些信息載體的特性、所能呈現(xiàn)的形式與這些信息的處理方式會(huì)相互適應(yīng),大腦有這種適應(yīng)能力或說轉(zhuǎn)換能力。另一方面,載體表現(xiàn)形式還在于人感官的信息獲取特點(diǎn)所造成的心理表征形式,或說心理影像的表現(xiàn)形式,尤其是視覺信息獲取;還在于人們對(duì)客體的理解所產(chǎn)生的記憶形式;還在于人們對(duì)思維結(jié)果的信息輸出方式,尤其是語言文字的口頭輸出形式(特別是其便利性);還在于信息輸出的承載工具(紙、筆等)的特點(diǎn)與人的行為方式(繪圖能力與表現(xiàn)形式)等。

在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中,大腦會(huì)將自身各種感官獲得的信息進(jìn)行融合,以便形成可理解的心理影像而進(jìn)行記憶。在這里,“理解”是至關(guān)重要的,一般說來,人們的理解是建立在信息處理結(jié)果的心理表征上的,也就是說,人的理解是對(duì)信息處理過程結(jié)束(階段性的)之后的結(jié)果的把握與了解,與已有記憶的對(duì)比、同化與評(píng)價(jià)。被理解的思維結(jié)果會(huì)以適當(dāng)?shù)男问竭M(jìn)行心理表征,也就是以人們已經(jīng)感知的影像而心理再現(xiàn);以人們可以便利地輸出的形式(言語、繪圖行為等)表征轉(zhuǎn)換;以人們心理與生理習(xí)慣的形式進(jìn)行處理,如語言文字的邏輯推理或圖形的變換、圖形重構(gòu)等。另一方面,對(duì)于難以通過感官感知的信息(如形而上的信息、感情上的、精神上的等),對(duì)于難以形成明確影像的信息,對(duì)于將影像聚類以表達(dá)抽象概念的信息等,會(huì)使用借代等形式轉(zhuǎn)換為形象的形式;會(huì)使用概念的內(nèi)涵與外延,會(huì)使用屬性特征的變換等轉(zhuǎn)換為易于理解的表征形式。這些特點(diǎn)為計(jì)算機(jī)輔助提供了技術(shù)目標(biāo)和應(yīng)表達(dá)的基本要求,尤其是基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)的可視化的表達(dá)形式。

傳統(tǒng)的基于規(guī)則的方法[6]、基于實(shí)例的方法[7-8],利用知識(shí)庫、規(guī)則庫等工具,降低了在構(gòu)造確定之前的設(shè)計(jì)難度,提高了設(shè)計(jì)效率及準(zhǔn)確性。由于缺乏對(duì)機(jī)構(gòu)功能需求與性能分析階段的處理功能,不能在機(jī)構(gòu)實(shí)例與機(jī)構(gòu)需求之間建立科學(xué)的聯(lián)系,限制了計(jì)算機(jī)及其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)者的創(chuàng)新能力?；趫D形處理技術(shù)的CAD應(yīng)用,尤其是三維圖形CAD技術(shù),大大提升了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)水平,但由于沒能有效地解決機(jī)構(gòu)演變中思維所特有的語義學(xué)、文本與圖式表征的頻繁轉(zhuǎn)換等功能,阻礙了計(jì)算機(jī)技術(shù)的更深層次應(yīng)用。

本文的思想是從信息加工觀出發(fā),依據(jù)信息加工對(duì)象和相應(yīng)的處理過程兩個(gè)要素進(jìn)行設(shè)計(jì)活動(dòng)。信息表征是第一要素,處理(加工)過程是第二要素。其中的信息處理對(duì)象是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中各個(gè)階段所特有狀態(tài)的表征(心理表征與計(jì)算機(jī)表征),也就是該表征內(nèi)容的屬性關(guān)聯(lián)與構(gòu)造或該表征內(nèi)容的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式;處理過程就是對(duì)各種表征的處理與轉(zhuǎn)換的動(dòng)作序列,也可稱之為數(shù)據(jù)操作[9-10]。文中通過研究人腦思維過程[11]、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法[12-13]、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法[4,14]、基于實(shí)例的設(shè)計(jì)方法等,依據(jù)信息加工觀,給出基于信息加工的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。其基本原理是:機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思維的全過程由需求分析到概念形成,由概念的語義表達(dá)到概念的構(gòu)造圖式表達(dá),從機(jī)構(gòu)的功能載體到機(jī)構(gòu)的性能確認(rèn)的過程,如圖1所示。該過程中始終要解決兩個(gè)基本要素問題,一個(gè)是信息處理對(duì)象,也就是處理過程的結(jié)果的表征,即機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的各個(gè)階段性思維成果的表達(dá)方式,該表達(dá)方式要被用于記憶、呈現(xiàn)、評(píng)價(jià)、決策與信息交換。另一個(gè)是在各個(gè)階段表達(dá)結(jié)果之間的處理,包括前處理、中間處理、后處理等。前處理是指對(duì)該階段之前生成某個(gè)思維結(jié)果的處理,以便適應(yīng)本階段的處理目標(biāo)與形式。中間處理是對(duì)前后兩種表達(dá)形式所要求的目標(biāo)的一致性的加工處理,這是創(chuàng)新的關(guān)鍵。后處理是指對(duì)思維結(jié)果的各種表征形式的轉(zhuǎn)換,以適應(yīng)人們的理解與評(píng)價(jià)方式。通過文本與圖式這兩種基本處理方法與相應(yīng)的處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了上述思想。具體做法借鑒了功能-構(gòu)造與實(shí)例的過程設(shè)計(jì)方法。

圖1 機(jī)構(gòu)表征、設(shè)計(jì)演變與轉(zhuǎn)換過程

2 信息加工觀下的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程架構(gòu)

就機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程而言,本質(zhì)上是大腦連續(xù)的信息處理過程。由于大腦的生理與心理機(jī)制和特性、機(jī)構(gòu)形成過程中的表征形式、設(shè)計(jì)過程中的階段性評(píng)價(jià)等,此連續(xù)的過程需要由若干個(gè)階段來實(shí)現(xiàn)。依據(jù)前述思想,將信息表征與信息加工(處理)置于人機(jī)交互系統(tǒng)中,獲得信息加工觀下的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程架構(gòu)?；诠δ艿脑O(shè)計(jì)思想,結(jié)合人思維的生理與心理特點(diǎn),可將該過程用圖2、圖3所示的階段性思維結(jié)果、連續(xù)思維中的若干個(gè)斷面(階段性表征)及其結(jié)構(gòu)來表達(dá)。計(jì)算機(jī)作為腦外信息處理的輔助工具,作為腦內(nèi)心理表征的可視化再現(xiàn)工具,需要人們給予必要的模型與處理方法的指令(軟件)預(yù)置。這些以軟件形式預(yù)置的表征與處理方法,都來源于大腦的思維過程與方式,也就是對(duì)大腦思維的模擬。通過簡要探討大腦思維問題,再探討計(jì)算機(jī)“思維”問題,可獲得設(shè)計(jì)過程中的方法與技術(shù)的計(jì)算機(jī)支持。這種探討也集中在表征形式與處理方式兩個(gè)方面,據(jù)此而獲得計(jì)算機(jī)輔助的技術(shù)實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)。

圖2 機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程與內(nèi)容

圖3 機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程的表征與處理架構(gòu)

對(duì)于機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),需要大腦理解與表達(dá)的形式有:需求表達(dá)、功能表達(dá)、構(gòu)造表達(dá)、行為表達(dá)、性能表達(dá)等。同時(shí)需要有與此相應(yīng)的信息加工方式與過程,即思維過程,這個(gè)過程的腦外輔助就是計(jì)算機(jī)輔助的動(dòng)因。

圖2與圖3所示的處理過程可以被描述為:根據(jù)使用要求,確定機(jī)構(gòu)應(yīng)該具備的功能,再“構(gòu)想”出功能載體——構(gòu)造,通過構(gòu)造的圖式變化——心理影像處理,判斷其工作原理、運(yùn)動(dòng)方式、力和能量的傳遞等。這里的構(gòu)想是由一系列的操作完成的,而操作對(duì)象、操作方式等的提取、選擇、決策是智慧的結(jié)晶。其后,通過對(duì)結(jié)構(gòu)形狀及材料等事項(xiàng)的選擇與評(píng)價(jià),轉(zhuǎn)化為具體的描述輸出。以大腦的信息輸出方式,在適當(dāng)?shù)妮d體上實(shí)現(xiàn)表征,如設(shè)計(jì)文檔、工程圖、實(shí)體模型等,接著以輸出結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)加工。

按照表達(dá)形式,通常是以環(huán)境、圖像、活動(dòng)、語言、文字等多種形式進(jìn)行歸納,歸納的原因在于大腦能判斷其可處理的信息量總和(7±2個(gè)信息塊)[9-11],也就是大腦的理解力與表征形式。機(jī)構(gòu)概念確定后,就要進(jìn)行對(duì)應(yīng)功能的載體設(shè)計(jì)。這實(shí)際上是一個(gè)選擇、映射、對(duì)應(yīng)、評(píng)判的信息處理過程,本質(zhì)上是一個(gè)抽象的概念表征向形象的圖式表征的轉(zhuǎn)換過程,目的是要找到適合的功能載體,在信息表達(dá)形式轉(zhuǎn)化中是應(yīng)用所指與能指來進(jìn)行的。例如(參見圖4),“曲柄滑塊機(jī)構(gòu)”六個(gè)漢字所指稱的是圖4所示的曲柄滑塊物理實(shí)體或原理圖;或者相反,圖4所示的曲柄滑塊物理實(shí)體能用原理圖或“曲柄滑塊機(jī)構(gòu)”六個(gè)漢字指稱。這就為計(jì)算機(jī)輔助帶來了具有可計(jì)算性、可操作性的方法與技術(shù)支撐,這也保證了各種表征及其轉(zhuǎn)換的等價(jià)性。

圖4 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程的腦內(nèi)外表達(dá)方式示例

概念設(shè)計(jì)能決定機(jī)構(gòu)最基本的問題,其后只是滿足其要求的條件搜尋與沖突消解,這就是概念設(shè)計(jì)帶來的缺陷,也是其后很難變更或基本不可變更的本質(zhì)原因。依照上述說明,結(jié)合圖1,針對(duì)大腦思維在機(jī)構(gòu)演變過程中的特點(diǎn),在機(jī)構(gòu)概念確定之前,主要采用語言文字的邏輯推理、模式識(shí)別、模式聚類等方法,經(jīng)過語言文字與幾何屬性的功能載體之構(gòu)造表征的轉(zhuǎn)換,在機(jī)構(gòu)概念及其構(gòu)造載體確定之后,主要是對(duì)幾何構(gòu)造的性能進(jìn)行分析處理,而所有的處理結(jié)果都將歸結(jié)為構(gòu)造的屬性分析、細(xì)化與確認(rèn)問題。

在大腦內(nèi)外,基于人的認(rèn)知理解和表征工具與方法,機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)所經(jīng)歷的過程通常可有圖4所示的表達(dá)方式,這表明了人對(duì)機(jī)構(gòu)演變中不同階段的理解、評(píng)價(jià)與確認(rèn),表明人可借助表達(dá)載體(紙與筆等),通過自身的行為方式來輸出大腦所思的結(jié)果。這些表征形式均可用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行。

3 設(shè)計(jì)過程的CAD技術(shù)要點(diǎn)

前面說到,按流行的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法,計(jì)算機(jī)輔助主要體現(xiàn)在機(jī)構(gòu)概念被轉(zhuǎn)換為構(gòu)造形式的設(shè)計(jì)方案之后,也就是在機(jī)構(gòu)的圖式表征下的性能分析階段、沖突消解、技術(shù)與制造可行性環(huán)節(jié)中。大量的商業(yè)軟件就是如此。

通過對(duì)思維過程的分析,基于信息加工原理,則可以通過以下兩方面提升大腦與計(jì)算機(jī)交互下的全過程設(shè)計(jì):一方面,在需求分析、功能定義、機(jī)構(gòu)概念確認(rèn)階段,利用數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取、特征降維、特征空間向量模型、關(guān)聯(lián)度計(jì)算、二次特征降維等技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)需求描述進(jìn)行文本處理,包括知識(shí)獲取、知識(shí)融合等邏輯推理處理;另一方面,在行為分析、性能設(shè)計(jì)、沖突消解與制造可行性環(huán)節(jié)與過程中,借助參數(shù)化設(shè)計(jì)思想、自動(dòng)建模與自動(dòng)裝配等技術(shù),利用機(jī)械設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行性能分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品概念的圖式形態(tài)下的性能處理及其優(yōu)化。

本文采用的具體方法與技術(shù)是:首先利用Visual Basic.NET語言,在M icrosoft Visual Studio 2008平臺(tái)上,實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶需求的文本處理,再利用VB等語言作工具,以Solidworks等三維軟件作平臺(tái),采用參數(shù)化技術(shù)、函數(shù)操縱的自動(dòng)建模及裝配技術(shù),實(shí)現(xiàn)三維構(gòu)造建模及視覺呈現(xiàn);再利用ANSYS、ADMAS等進(jìn)行靜力和動(dòng)力學(xué)等非可視感官下的產(chǎn)品性能分析,使CAD在這兩方面趨于整體化。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中,大腦與計(jì)算機(jī)作為一個(gè)整體的信息處理系統(tǒng),進(jìn)行人機(jī)交互下的信息處理。通過人機(jī)交互,實(shí)現(xiàn)CAD將人的創(chuàng)造性思維、專業(yè)知識(shí)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)高速運(yùn)算功能、大量信息存儲(chǔ)及邏輯判斷能力、圖形處理技術(shù)與可視化表征能力有機(jī)結(jié)合,尤其是將大腦中心理影像用虛擬技術(shù)表現(xiàn)出來,更有利于人的再思維、知識(shí)重用、信息交換與共享,提高可理解性,尤其是對(duì)構(gòu)造性問題的抽象表征的整體理解與把握。

選用VB平臺(tái)的主要原因在于:VB具有簡單易學(xué)、通用和開發(fā)效率高等特點(diǎn),更適合有經(jīng)驗(yàn)的或無經(jīng)驗(yàn)的、計(jì)算機(jī)知識(shí)弱項(xiàng)的機(jī)械設(shè)計(jì)工程師們發(fā)揮機(jī)械設(shè)計(jì)特長,保護(hù)非專利技術(shù)。尤其是通過商業(yè)軟件的利用,能獲得適宜的專用機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)。

4 連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

語言文字和圖式的表征、處理在大腦與計(jì)算機(jī)中具有各異的本質(zhì)區(qū)分,這里重點(diǎn)介紹圖式表征與處理問題。語言文字表征處理的重點(diǎn)是描述數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取、特征降維、特征空間向量模型、灰色關(guān)聯(lián)度算法、二次特征降維等知識(shí),借助ICTCLAS中文分詞系統(tǒng)、Visual Basic.NET、Microsoft Visual Studio 2008、Visual Basic等軟件 ,在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)文本處理及文本-圖形轉(zhuǎn)換過程。

按照計(jì)算機(jī)的工作原理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理、當(dāng)前三維軟件的工作原理等,從底層數(shù)據(jù)向上層展開是便利的,也就是從零件向部件或整個(gè)機(jī)械機(jī)構(gòu)組合是合適的。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的思維一般說來是從上到下的,也就是從整體到零件的過程。在利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理時(shí),采用實(shí)例的方法可以實(shí)現(xiàn)這一順序。本文使用基于輔助基準(zhǔn)的裝配方法來生成或說構(gòu)造實(shí)例,并以此來建立實(shí)例庫,既可以獲得大量樣例,又可省去大量存儲(chǔ)空間,也就是說,盡量使用函數(shù)操作而少用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)。而形成實(shí)例構(gòu)造的零件基礎(chǔ)則通過參數(shù)化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)按需求的變更,通過生成實(shí)例的行為分析與性能分析評(píng)判對(duì)需求的滿足程度。對(duì)于不適合的情形,通過改變其基礎(chǔ)零件、組件參數(shù),通過再裝配來獲得解決。

4.1 實(shí)例模式與生成方法

基于實(shí)例的設(shè)計(jì)方法是推理方法在設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用,其思想來源于知識(shí)重用的思維方式。在面對(duì)新的設(shè)計(jì)要求時(shí),設(shè)計(jì)者腦海中首先浮現(xiàn)出以往工作中出現(xiàn)過的類似設(shè)計(jì),并進(jìn)行對(duì)比,找出異同點(diǎn),再參考設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及準(zhǔn)則,確定新的設(shè)計(jì)方案。要利用計(jì)算機(jī)再現(xiàn)這一過程,關(guān)鍵在于根據(jù)用戶對(duì)設(shè)計(jì)條件的描述,抽象出實(shí)例特征并建立篩選條件。據(jù)此條件建立抽象概念與具體構(gòu)造的對(duì)應(yīng)與關(guān)聯(lián)關(guān)系,也就是大腦中的構(gòu)造實(shí)例檢索、評(píng)價(jià)、變形、重構(gòu)等思維操作,也就是浮現(xiàn)。

實(shí)例模式是一個(gè)實(shí)例的模板樣式,通過參數(shù)化技術(shù)對(duì)其構(gòu)成零件進(jìn)行修改,可獲得在其基礎(chǔ)上的各種變型體,以適應(yīng)實(shí)際問題的需求目標(biāo)。具體的實(shí)例模式與生成方法將另文敘述。

4.2 信息表征與信息加工過程

基于上述思想,首先利用文本處理技術(shù),分析用戶需求,描述機(jī)構(gòu)定義,隨后進(jìn)行機(jī)構(gòu)概念生成,經(jīng)過表征轉(zhuǎn)換,再進(jìn)行性能設(shè)計(jì),包括技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)等。將文本描述與功能建立的對(duì)應(yīng)關(guān)系通過關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)圖式表征,再利用VB與Solidworks軟件進(jìn)行建模、裝配、性能分析,完成后續(xù)設(shè)計(jì)。根據(jù)需求,在現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案中尋求最佳方案進(jìn)行改進(jìn)。把機(jī)構(gòu)按功能分類,形成不同的模板,實(shí)現(xiàn)從功能到結(jié)構(gòu)快速有效的映射,采用知識(shí)推理模塊進(jìn)行推理,實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)從功能到結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)?；诠δ?構(gòu)造與實(shí)例的設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 基于功能-構(gòu)造與實(shí)例的設(shè)計(jì)流程圖

(1)功能描述。通過對(duì)文本信息的檢索、提取、分析、歸納等邏輯推理,確定其對(duì)應(yīng)功能。

(2)實(shí)例檢索。遵照一定的原則或算法(如屬性、特征組合、匹配與關(guān)聯(lián)等),從實(shí)例庫的設(shè)計(jì)實(shí)例中檢索出和新設(shè)計(jì)實(shí)例最接近的設(shè)計(jì)方案。

(3)構(gòu)造重組或生成。根據(jù)檢索到的實(shí)例,利用參數(shù)化思想、編程技術(shù)及基于輔助基準(zhǔn)的裝配方法,利用Solidworks的二次開發(fā)技術(shù),自動(dòng)建模及裝配,并對(duì)其整體進(jìn)行性能分析、沖突消解,獲得性能評(píng)價(jià)。

(4)實(shí)例修正。根據(jù)上述分析結(jié)果、新舊設(shè)計(jì)要求之間的差異及相關(guān)設(shè)計(jì)知識(shí),對(duì)舊的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改,以便形成讓用戶滿意的新方案。

(5)實(shí)例評(píng)價(jià)。通過設(shè)置一系列的幾何、性能約束,檢查新的設(shè)計(jì)方案是否違反約束,以決定新的設(shè)計(jì)方案對(duì)新設(shè)計(jì)要求的有效性。

(6)新實(shí)例保存。將新問題及其設(shè)計(jì)方案添加到實(shí)例庫,以備下次重用。

4.3 連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

圖6 軟件實(shí)現(xiàn)局部

連桿機(jī)構(gòu)是傳遞與變換機(jī)械運(yùn)動(dòng)的主要部件,經(jīng)過組合,它幾乎可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)今生產(chǎn)條件下的所有機(jī)械運(yùn)動(dòng)功能。連桿機(jī)構(gòu)是功能的承載體,有大量的歷史積淀,又是抽象表征與形象表征轉(zhuǎn)換的成熟案例,其基本構(gòu)造簡單,易于自動(dòng)建模及自動(dòng)裝配而建立案例庫。本文在建立連桿機(jī)構(gòu)案例庫的基礎(chǔ)上,根據(jù)用戶需求,利用參數(shù)化技術(shù)及基于輔助基準(zhǔn)的裝配技術(shù)自動(dòng)生成新案例構(gòu)造模型,并以四連桿機(jī)構(gòu)為實(shí)例進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn),其基本流程和主要人機(jī)交互界面適用于其他形式的連桿機(jī)構(gòu),如圖6所示?；竟ぷ髁鞒虨?選擇并打開用戶需求文本,調(diào)用文本分析系統(tǒng)進(jìn)行處理,將處理結(jié)果反饋給需求文本框進(jìn)行顯示,經(jīng)過人機(jī)交互修正評(píng)價(jià),轉(zhuǎn)入功能分析模塊,通過知識(shí)融合與屬性關(guān)聯(lián)性分析而獲得基本功能。利用功能對(duì)應(yīng)下的屬性特征等分析評(píng)價(jià)、關(guān)聯(lián)度分析等環(huán)節(jié),用機(jī)構(gòu)的屬性、特征組合對(duì)應(yīng)獲得圖式表征的設(shè)計(jì)案例。分析設(shè)計(jì)案例的裝配關(guān)系,確定裝配順序及裝配特征等。利用參數(shù)化思想、編程技術(shù)及基于輔助基準(zhǔn)的裝配方法,利用Solidworks的二次開發(fā)技術(shù),自動(dòng)建立裝配案例,并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能分析、沖突消解,如此循環(huán),直到確定設(shè)計(jì)方案為止。

部分程序如下:

5 結(jié)語

提出一個(gè)基于信息加工的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)CAD架構(gòu),該架構(gòu)的兩個(gè)基本要素是機(jī)構(gòu)的各階段表征形式、各表征的處理技術(shù)與各表征之間的轉(zhuǎn)換技術(shù)。實(shí)踐證明,利用文本數(shù)據(jù)挖掘、特征提取、灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算方法、參數(shù)化技術(shù)、基于輔助基準(zhǔn)的裝配技術(shù)等,在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)從文字符號(hào)的抽象思維模式到對(duì)應(yīng)圖式的形象思維模式的連續(xù)處理與轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)構(gòu)造體的自動(dòng)建模、裝配與性能分析是可行的。

基于信息加工的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理與過程CAD方法符合人們實(shí)際的設(shè)計(jì)過程和思路,符合人的理解方式與計(jì)算機(jī)的信息處理方法,便于構(gòu)造和實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)功能,便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行連續(xù)的、整體的處理設(shè)計(jì)問題。

產(chǎn)品概念的產(chǎn)生是一個(gè)抽象思維的過程,是信息聚縮的過程,面對(duì)復(fù)雜多變的產(chǎn)品市場,對(duì)于初涉及該領(lǐng)域的工程師是個(gè)極大的難點(diǎn)。本文采用計(jì)算機(jī)的文本處理技術(shù)、人工智能技術(shù)等來做概念設(shè)計(jì)的前處理,可以大大提高信息的收集處理能力與水平,再通過案例圖式轉(zhuǎn)換來獲得概念的構(gòu)造表達(dá),可以極大地降低設(shè)計(jì)者的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高設(shè)計(jì)效率。

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Mechanism Design Principle and Process CAD Based on In formation Processing

Zhang Xiaozhong Yang Zhe Luo Dan
Xi'an University of A rchitecture and Technology,Xi'an,710055

Based on view of information processing,the basic ideas,methods and techniques of mechanism design process were researched.Through the analysisof representational form s,evolution and methods of inform ation p rocessing onm echanism design p rocess in the brain and on the com puter,the design principle and CAD technology framework of mechanism design on view of inform ation processing were put forward.Themechanism behavior analysis by parametric technology,and CAD methods about performance analysis based on samp le and simulation were discussed.Meanwhile,the processing methods of abstract concept based on linguistic reasoning,the methods of transforming abstract exp ression to be visualized based on attributes m atching,the agency p rograms and performance design methods based on auxiliary reference assemb ly w ere given.A t last,an examp le of innovative design on link mechanism w as given,which achieved the intelligent and automatic design process under human-com puter interaction environment.

mechanism design;information representation;information processing;process CAD

TH 122;TP311

1004—132X(2011)06—0675—07

2010—05—28

陜西省教育廳自然科學(xué)專項(xiàng)(09JK 562);西安建筑科技大學(xué)基礎(chǔ)研究基金資助項(xiàng)目(JC0708)

(編輯 蘇衛(wèi)國)

張曉鐘,男,1953年生。西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD/CAE、信息化機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)、機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的軟件化開發(fā)、機(jī)械振動(dòng)理論與應(yīng)用等。楊 哲,男,1985年生。西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生。羅 丹,女,1973年生。西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授。