楊 波，高常青，王 偉，李海濤

(濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250022）

0 引言

作為整個(gè)設(shè)計(jì)過程中最為重要的階段，概念設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)活動中關(guān)鍵的一步，而多方案設(shè)計(jì)是概念設(shè)計(jì)階段的核心問題。從宏觀上講，機(jī)械產(chǎn)品是個(gè)功能耦合系統(tǒng)，包括若干子系統(tǒng)功能，顯然，不同層次的問題要用不同層次的理論及技術(shù)解決，這就決定了方案設(shè)計(jì)的復(fù)雜性與不可預(yù)知性。

在以往的研究中解決多方案設(shè)計(jì)時(shí)，基本上采用一種原理綜合方法，常采用的方案設(shè)計(jì)方法有圖論法［1］、實(shí)例推理法［2］、功能與符號映射法［3］等。圖論法解決原理方案設(shè)計(jì)問題，得到滿足功能要求的概念解;實(shí)例推理法用于零件的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。由于原理方案過于抽象，而細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)又太過具體，因此兩者信息難以共享，造成方案設(shè)計(jì)與細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息傳遞的脫節(jié)。同時(shí)，這些方法一般從功能分析角度列舉并組合出可選方案，但這些組合方法的方案數(shù)太多，且難以進(jìn)行評價(jià)與優(yōu)化。

在智能機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)求解方法方面，許多研究人員也做了一些有益的嘗試，張向軍等人借鑒生物遺傳學(xué)的概念和原理，提出了智能概念設(shè)計(jì)中的基因模型，在概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了深入研究［4］;馮培恩等研究了復(fù)合功能原理方案設(shè)計(jì)特征模型及其求解過程［5］;曹東興等［6］提出了基于通口本體的概念設(shè)計(jì)方法，采用本體表示通口建造領(lǐng)域本體知識，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)概念創(chuàng)新;張建明等從能量轉(zhuǎn)換的角度提出了基于知識的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)啟發(fā)式求解［7］。

上述這些方法對概念設(shè)計(jì)求解進(jìn)行了一些有意義的探索工作，但是由于人腦中的求解方法具有計(jì)算機(jī)所無可比擬的廣泛性、自適應(yīng)性和更新速度，因此企圖以通過記錄人的求解方法、找出其中的規(guī)律并將它們賦予計(jì)算機(jī)的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到實(shí)用階段，也無法實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)的智能化。

基于預(yù)期性，系統(tǒng)之間才能有效地交換信息、反饋信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行模式的智能化，而同構(gòu)是系統(tǒng)之間交互作用產(chǎn)生預(yù)期反映的前提條件，因此多方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之一是建立產(chǎn)品基于功能單元的同構(gòu)描述模型。

1 產(chǎn)品系譜模型

生物進(jìn)化的方法主要有以孟德爾(G.J.Mendel）為代表的“基于遺傳基因的雜交實(shí)驗(yàn)”和以達(dá)爾文為代表的“比較生物學(xué)”。

模擬孟德爾生物繁育的基因交叉、變異過程，工程界提出了遺傳算法等進(jìn)化設(shè)計(jì)方法，較好的解決了方案選擇、變量設(shè)計(jì)等優(yōu)化問題，但自然生命體基因序列的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前計(jì)算機(jī)人工基因的數(shù)量級，加之CPU時(shí)間因素的限制，只能實(shí)現(xiàn)組合設(shè)計(jì)的篩選，根本達(dá)不到對設(shè)計(jì)進(jìn)化的連續(xù)描述水平，因此無法完全模擬自然界具有的無限時(shí)間和空間優(yōu)勢。

達(dá)爾文的進(jìn)化論表現(xiàn)為“進(jìn)化譜系”，其研究生物進(jìn)化的手段不是對其進(jìn)化的實(shí)驗(yàn)和仿真，而是通過比較物種的結(jié)構(gòu)而形成譜系。

模擬達(dá)爾文的進(jìn)化理論，將生命現(xiàn)象中的系譜理論引入到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，本文提出了基于系譜的產(chǎn)品多方案設(shè)計(jì)方法。由于組成產(chǎn)品系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)都存在著其相對獨(dú)立的功能機(jī)制，因此，通過建立其功能與結(jié)構(gòu)系譜并對其進(jìn)行分析，研究各類系統(tǒng)的基本要素，結(jié)構(gòu)與功能單元，原理與功能機(jī)制、功能層次，就有可能象基因重組一樣，組構(gòu)人類所需要的系統(tǒng)類型，獲取所需要的系統(tǒng)功能，并在此基礎(chǔ)上統(tǒng)一解決各個(gè)層次的問題，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的智能化。

1.1 產(chǎn)品系譜概念

系譜學(xué)來自拉丁文genealogia，原義指關(guān)于家族世系、血統(tǒng)關(guān)系的科學(xué)，側(cè)重于理解事物的起源及其演變過程。

物種之間的進(jìn)化相似性可以分為兩類:其一是同源的相似性，即不同物種具有與它們共同祖先相同的特征;其二是同功的相似或趨同的相似性，即不同物種的相似的特征是各自獨(dú)立進(jìn)化的結(jié)果。

如圖1所示，雖然存在著巨人的差別，但是產(chǎn)品與生物具有較大程度上的相似性，特別是和一切仿生物同樣，產(chǎn)品可以看作做由符形和符意組成的一個(gè)符號的存在，其外在的形態(tài)為符形，由形態(tài)所傳達(dá)出的意義為符意。因此可將產(chǎn)品同構(gòu)相似性分為兩類，即結(jié)構(gòu)同構(gòu)性，表現(xiàn)為外在的形態(tài)的符形相似性;以及功能同構(gòu)性，表現(xiàn)為符意相似性?；谶@種結(jié)構(gòu)同構(gòu)性以及功能同構(gòu)性則可建立產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的系譜模型。

圖1 生命體與產(chǎn)品的符號相似性

在進(jìn)行產(chǎn)品仿生概念設(shè)計(jì)時(shí)，系譜模型表現(xiàn)為一種聚合關(guān)系，在一定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的各功能要素與結(jié)構(gòu)要素自身存在著系譜性，構(gòu)成了一個(gè)潛在的符號庫，它與“不在場"的眾多符號形成可替換性的關(guān)聯(lián)，從而形成了產(chǎn)品的生長與進(jìn)化;而在一定結(jié)構(gòu)中，任何符號要素的變動都會形成一種新的符號重構(gòu)，從而形成了組成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的變異。

1.2 產(chǎn)品系譜描述模型

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，為表達(dá)產(chǎn)品的繼承與演變關(guān)系，建立產(chǎn)品基于系譜的同構(gòu)描述模型，可首先根據(jù)產(chǎn)品從定量到定性的進(jìn)化邏輯，得出不同概念結(jié)構(gòu)之間的結(jié)構(gòu)聯(lián)系，建立基于結(jié)構(gòu)進(jìn)化相似性的結(jié)構(gòu)系譜與基于功能進(jìn)化相似的功能系譜。

1.2.1 結(jié)構(gòu)系譜

定義 結(jié)構(gòu)系譜:所謂結(jié)構(gòu)系譜是指一組具有共同的形狀特征和功能、能夠被某一系列產(chǎn)品共享的、具有相對穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的可重用模塊的集合。

結(jié)構(gòu)系譜由功能結(jié)構(gòu)以一定的組合關(guān)系構(gòu)成可擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，通過對結(jié)構(gòu)系譜的任意結(jié)構(gòu)元施加空間布局約束和拼接約束可建立零件族模型，通過修改參數(shù)尺寸可以實(shí)現(xiàn)零件大小的變化，通過對功能結(jié)構(gòu)的修改或替換可達(dá)到零件實(shí)例結(jié)構(gòu)的變型和變異，通過提高零件變型對象的層次可實(shí)現(xiàn)零件功能結(jié)構(gòu)的變異。下面給出兩種典型結(jié)構(gòu)系譜的建立。

(1）幾何形狀結(jié)構(gòu)系譜

在產(chǎn)品生成的過程中，面的信息對于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造具有重要的意義，根據(jù)物體面的信息可以確定物體的真實(shí)形狀、物理特性(如體積、質(zhì)量等）、劃分有限元網(wǎng)格、定義數(shù)控程序中刀具的軌跡等，因此可以作為產(chǎn)品幾何造型的基本結(jié)構(gòu)單元。由于大多數(shù)零件的形狀是由平面、圓柱面、圓錐面、球面、漸開齒輪面、螺旋面等基本表面組成的，同時(shí)這些功能面表面具有可生長性，因此，可作為產(chǎn)品幾何造型設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)系譜模型，如圖2所示。

圖2 幾何形狀結(jié)構(gòu)系譜

(2）傳動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)系譜

常規(guī)的傳動機(jī)構(gòu)如果從功能和結(jié)構(gòu)上劃分，不僅數(shù)量多(可能達(dá)到上千種甚至更多），而且又各自具有具體固定的結(jié)構(gòu)形式，基本上不存在結(jié)構(gòu)上的可生長性，如果在概念設(shè)計(jì)階段使用這種常規(guī)機(jī)構(gòu)，將過早地限制住產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式，使產(chǎn)品失去大量的可實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的機(jī)遇。

借鑒功能機(jī)構(gòu)的定義特點(diǎn)，從機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)傳動的最基本作用原理出發(fā)，抽取出它們功能上的本質(zhì)特征，并保證所抽象出的機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)形式上具有可生長性及可擴(kuò)充性，可將傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)形式劃分為杠桿、斜面、摩擦以及杠桿、斜面作用的復(fù)合等四種傳動機(jī)構(gòu)，建立起如圖3結(jié)構(gòu)系譜。

圖3 傳動結(jié)構(gòu)系譜

例如，對于杠桿機(jī)構(gòu)，包含輸出面、輸入面用以完成運(yùn)動或力的傳遞功能，定位長圓柱面、兩斷面用以完成定位功能，輸入面和輸出面也承擔(dān)動態(tài)的定位功能。當(dāng)杠桿機(jī)構(gòu)中的每一個(gè)表面發(fā)生改變時(shí)，如輸出面的位置、方位的改變都將引起整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動性能的改變，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的變異設(shè)計(jì)

執(zhí)行、定位和傳動是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的最基本功能，它們概括了產(chǎn)品功能的全部內(nèi)涵，相同的方法可以建立執(zhí)行、定位機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)系譜。

1.2.2 功能系譜

定義 功能系譜:所謂功能系譜就是使用量變到質(zhì)變的進(jìn)化邏輯將不同的功能單元聯(lián)系成相互關(guān)聯(lián)的脈絡(luò)關(guān)系，其中包括了功能之間的包容、歸類和發(fā)展方向等信息。

例如，如圖4對于物體尺寸這一作用對象，可以包含改變物體的尺寸和測量物體尺寸兩種物理效應(yīng)，而針對兩種不同的物理效應(yīng)，如改變尺寸又可通過熱膨脹、形變記憶合金等功能單元實(shí)現(xiàn)，而測量物體尺寸又可通過起電、發(fā)光等功能單元實(shí)現(xiàn)，因此針對物體尺寸這一作用對象可建立如圖4所示的功能系譜。

圖4 物體尺寸功能系譜

功能系譜相對于結(jié)構(gòu)系譜而言往往具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，即便是不同的產(chǎn)品往往有著相同的功能系譜單元構(gòu)成。組成產(chǎn)品的每一個(gè)元素或獨(dú)立單元是能夠完成特定功能的功能單元。

2 基于系譜的概念多方案生成過程

產(chǎn)品系譜是建立在功能系譜與結(jié)構(gòu)系譜的基礎(chǔ)上的，基于功能同構(gòu)性可以建立功能系譜，而基于結(jié)構(gòu)同構(gòu)性，可以建立結(jié)構(gòu)系譜，在此基礎(chǔ)上即可進(jìn)行基于系譜的產(chǎn)品演化設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖5 基于系譜的產(chǎn)品多方案生成過程

當(dāng)設(shè)計(jì)某一特定類型的產(chǎn)品時(shí)，其產(chǎn)品多方案的生成過程如下:

(1）功能分解:將總功能分解為各獨(dú)立子功能

(2）建立子功能的功能系譜:如存在n(f1）個(gè)功能原理單元可實(shí)現(xiàn)子功能f1，則子功能f1的功能系譜即可建立如下。

(3）根據(jù)各子功能的功能系譜，建立總功能的功能系譜集:

(4）建立功能方案集:據(jù)相容性原則及其他設(shè)計(jì)準(zhǔn)則確定子功能的功能原理組合集，從而建立產(chǎn)品功能方案集;

如圖5中，其中的功能方案一fs1其各子功能的功能原理單元的組成模式為:

則為該類產(chǎn)品的一個(gè)原理方案解。

(5）建立組成方案的子功能的結(jié)構(gòu)系譜:如功能方案FS，其第一個(gè)可選方案fs1其各子功能的功能原理單元分別為，，…，而其中的結(jié)構(gòu)系譜可表述為:

(6）建立某一方案的結(jié)構(gòu)系譜矩陣:如方案fs1的結(jié)構(gòu)系譜矩陣為。

(7）建立結(jié)構(gòu)方案集:據(jù)相容性原則及其他設(shè)計(jì)準(zhǔn)則確定子結(jié)構(gòu)方案的組合集，從而建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案集;

如其中的功能方案fs1其各子功能的結(jié)構(gòu)系譜單元的組成模式為:

經(jīng)過上述過程即可完成某類產(chǎn)品多方案生成過程。

這種基于系譜的產(chǎn)品多方案具有可追溯性、同一功能單元的同源性以及結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)單元的可演化性及擴(kuò)展性等特點(diǎn)，因此，為實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)的智能化提供了統(tǒng)一的功能同構(gòu)模型。在此基礎(chǔ)上，即可建立基于同源性狀態(tài)轉(zhuǎn)換、狀態(tài)交換及狀態(tài)交互作用一體化的復(fù)雜功能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)概念結(jié)構(gòu)的進(jìn)化及變異設(shè)計(jì)。

3 基于功能系譜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)例

生物科學(xué)家所表達(dá)的進(jìn)化以時(shí)間為主線，進(jìn)化設(shè)計(jì)的譜系則是以進(jìn)化邏輯為主線關(guān)聯(lián)的脈絡(luò)關(guān)系，其中包括了方案之間的包容、歸類和發(fā)展方向等信息。下面以工業(yè)機(jī)械手多方案設(shè)計(jì)過程為例說明產(chǎn)品系譜的在設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用。

工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支，是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預(yù)定要求輸送工件或握持工具進(jìn)行操作的自動化技術(shù)裝備。它主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)以及位置檢測裝置等組成，其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案的選擇是機(jī)械手概念設(shè)計(jì)中的最主要的部分。

工業(yè)機(jī)械手的執(zhí)行動作可以分解為以下幾個(gè)子功能:夾取工件f1、調(diào)整工件的方位f2以及調(diào)整工件位置f3。因此其子功能集可表示為:

執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由手部完成夾放工件、腕部完成調(diào)整工件的空間方位和臂部完成調(diào)整工件的空間位置。因此工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)主要包括手部、腕部和臂部的設(shè)計(jì)。

(1）手部結(jié)構(gòu)系譜的建立

機(jī)器人手部是安裝于機(jī)器人手臂末端，直接作用于工作對象的裝置，其設(shè)計(jì)是機(jī)器人設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。手部結(jié)構(gòu)可選方案有夾鉗式、吸附式以及勾拖式，因此其結(jié)構(gòu)系譜為:

夾鉗式功能結(jié)構(gòu)由傳力裝置以及手指組成，其中，傳力機(jī)構(gòu)可由圖3所示的傳動結(jié)構(gòu)系譜演化而來，其演化體系如圖6所示。

圖6 傳動件類結(jié)構(gòu)演化體系

根據(jù)工業(yè)機(jī)械手傳力機(jī)構(gòu)的功能特點(diǎn)，選取齒輪齒條機(jī)構(gòu)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)、滑槽杠桿機(jī)構(gòu)、連桿杠桿機(jī)構(gòu)、斜楔杠桿機(jī)構(gòu)、彈簧杠桿機(jī)構(gòu)以及重力式機(jī)構(gòu)作為其基本功能機(jī)構(gòu)單元;選取V形指、細(xì)長尖指、平面指、內(nèi)卡指以及特型手指作為手指機(jī)構(gòu)的基本功能機(jī)構(gòu)單元，建立夾鉗式機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)系譜，如表1所示。

表1 夾鉗式機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)系譜

其結(jié)構(gòu)方案共有組合30種。

吸附式功能單元則可由負(fù)壓氣吸附、磁力吸附兩種模式實(shí)現(xiàn)，而負(fù)壓氣吸附又可分為氣流負(fù)壓、真空吸盤和擠氣負(fù)壓三種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式，其結(jié)構(gòu)系譜如表2所示。

表2 吸附式機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)系譜

勾拖式手部結(jié)構(gòu)主要包含有驅(qū)動裝置、無驅(qū)動裝置、彈簧式三種形式。其結(jié)構(gòu)系譜如表3所示。

表3 勾拖式手部的結(jié)構(gòu)系譜

因此X3f1的結(jié)構(gòu)系譜可表述為:

綜上，手部的結(jié)構(gòu)系譜集為:

(2）腕部結(jié)構(gòu)系譜的建立

腕部主要用于連接手部和臂部，其功能是調(diào)整工件的空間方位，這種空間方位的調(diào)整主要包括，繞x軸回轉(zhuǎn)、繞y軸回轉(zhuǎn)、繞z軸回轉(zhuǎn)、繞y軸橫移。據(jù)此可建立其功能系譜:

其中，X1f2，X2f2，X3f2，X4f2分別代表上述四種功能要素。

根據(jù)腕部結(jié)構(gòu)的功能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可建立各功能單元的結(jié)構(gòu)系譜如下:

其中，G(X1f2）1，G(X1f2）2，…，G(X1f2）7分別為回轉(zhuǎn)液壓缸、齒輪齒條缸、軸線相互垂直的雙回轉(zhuǎn)液壓缸、齒輪齒條與單作用活塞缸的組合、兩自由度鏈輪錐齒傳動機(jī)構(gòu)、三自由度鏈輪錐齒傳動機(jī)構(gòu)、鏈輪回轉(zhuǎn)缸結(jié)構(gòu);

其中，G(X2f2）1，G(X2f2）2為兩自由度鏈輪錐齒傳動機(jī)構(gòu)、鏈輪回轉(zhuǎn)缸結(jié)構(gòu);

其中，G(X3f2）1，G(X3f2）2為軸線相互垂直的雙回轉(zhuǎn)液壓缸、三自由度鏈輪錐齒傳動機(jī)構(gòu);

為活塞油缸、齒輪齒條與單作用活塞缸的組合;

在此基礎(chǔ)上即可建立腕部結(jié)構(gòu)系譜。以此類推可建立臂部的結(jié)構(gòu)系譜。

(3）基于結(jié)構(gòu)系譜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)

當(dāng)建立了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)系譜后即可實(shí)現(xiàn)基于系譜的產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)，下面以手部的設(shè)計(jì)為例說明設(shè)計(jì)過程。手部設(shè)計(jì)與被夾持工件的結(jié)構(gòu)、重量、尺寸以及易損壞性有直接、顯著的關(guān)系，因此其基本功能需求可從工件的物理性質(zhì)抽象得出，如表4所示。

表4 手部單元的功能需求系譜

在此基礎(chǔ)上可建立從功能需求到結(jié)構(gòu)系譜的映射。例如當(dāng)功能需求為:夾取工件重量重、形狀為圓柱形、尺寸大，且為表面粗糙的金屬材料時(shí)，則手部的方案為:

從而建立了手部結(jié)構(gòu)的方案，在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步進(jìn)行基于設(shè)計(jì)參數(shù)、作用場以及作用物質(zhì)的變異設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的演化。

4 結(jié)束語

本文將生命現(xiàn)象中的系譜理論引入到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，提出了基于系譜的概念結(jié)構(gòu)演化設(shè)計(jì)方法，并在此基礎(chǔ)上對基于系譜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與概念設(shè)計(jì)方案演化方法進(jìn)行研究?；谙底V的產(chǎn)品多方案具有可追溯性、同一功能單元的同源性以及結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)單元的可演化性及擴(kuò)展性等特點(diǎn)，因此，為實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)的智能化提供了統(tǒng)一的功能同構(gòu)模型。在此基礎(chǔ)上，即可建立基于同源性狀態(tài)轉(zhuǎn)換、狀態(tài)交換及狀態(tài)交互作用一體化的復(fù)雜功能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)概念結(jié)構(gòu)的進(jìn)化及變異設(shè)計(jì)。

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