楊琳琳

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)械設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且逐漸形成立足于信息集成系統(tǒng)和專家系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)，最終迎合市場(chǎng)的需求。

1 復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)挖掘的應(yīng)用

信息知識(shí)社會(huì)的來(lái)臨，使得創(chuàng)新成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步的不竭動(dòng)力。復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的創(chuàng)新，就是基于知識(shí)作為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行創(chuàng)造，所以，知識(shí)的獲取，就是創(chuàng)新的基礎(chǔ)條件，同時(shí)也是對(duì)復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新產(chǎn)生影響的關(guān)鍵因素。

通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，主要包含：基于規(guī)則的設(shè)計(jì)方法和基于實(shí)例的設(shè)計(jì)方法。第一，基于規(guī)則的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)之前需要描述專有的理論知識(shí)以及功能，在設(shè)計(jì)中，基于已經(jīng)建立的規(guī)則，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)加以訪問(wèn)，從而獲取有用的信息進(jìn)行后續(xù)的指導(dǎo)設(shè)計(jì)，最終將產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成。第二，基于實(shí)例的設(shè)計(jì)，針對(duì)給定的設(shè)計(jì)問(wèn)題，將設(shè)計(jì)問(wèn)題直接轉(zhuǎn)化成為功能表示的方法，利用實(shí)例知識(shí)庫(kù)信息，直接將功能模型轉(zhuǎn)化成為需要的設(shè)計(jì)結(jié)果。設(shè)計(jì)者按照設(shè)計(jì)的需求以及構(gòu)件特征，就通過(guò)規(guī)則庫(kù)的反復(fù)使用，從而對(duì)設(shè)計(jì)工作進(jìn)行指導(dǎo)，最終獲取設(shè)計(jì)方案。這一種方法的思想簡(jiǎn)單，并且相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，能夠克服知識(shí)的難題，因此也可以得到廣泛的使用。基于實(shí)例的設(shè)計(jì)，能夠在已知信息較少的前提下，依舊可以獲取滿意的解決方案?；谶@一種分析，在方案要求得以滿足的前提下，基于規(guī)則設(shè)計(jì)，就可以將知識(shí)獲取的難題克服[1]。

基于規(guī)則知識(shí)挖掘與獲取工作，才是數(shù)據(jù)挖掘需要的研究問(wèn)題，并且還能夠獲取不錯(cuò)的研究成果。為了能夠?qū)?fù)雜機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新的問(wèn)題解決，直接利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)來(lái)獲取關(guān)聯(lián)規(guī)則知識(shí)，這樣就可以對(duì)復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)加以輔助，從而解決瓶頸問(wèn)題。

2 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)例分析

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)例的分析，首先就應(yīng)該對(duì)其需求與功能進(jìn)行分析，然后基于功能-結(jié)構(gòu)的包裝機(jī)設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行建模，最后，基于測(cè)試結(jié)果的包裝機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)分析，這樣就可以了解數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)途徑。

2.1 需求與功能分析

（1）需求分析。在進(jìn)入市場(chǎng)之前，包裝是需要進(jìn)行的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)包裝，需要利用包裝機(jī)械。不難看出，市場(chǎng)對(duì)于包裝機(jī)械有著龐大的需求。目前，物品形狀外觀有所差異，利用包裝，就可以做好相對(duì)應(yīng)的改變，這對(duì)于包裝機(jī)械就提出了更高的要求。目前，包裝機(jī)的需求特點(diǎn)在于：

第一，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、模組化。相同的包裝機(jī)，在經(jīng)過(guò)調(diào)整之后，就可以實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品的包裝，只需要改變?cè)械幕A(chǔ)，就可以得到另外一種包裝機(jī)[2]。

第二，包裝速度快。包裝機(jī)可以從原本的單列包裝朝著多列包裝過(guò)渡，可以增強(qiáng)包裝的速度。

第三，運(yùn)行精度高。通過(guò)全新技術(shù)，利用編碼器、伺服電機(jī)、可編程控制器PLC等，就可以執(zhí)行各種動(dòng)作，最終提升包裝機(jī)的運(yùn)行精度。

第四，控制智能化、彈性化。通過(guò)智能型儀器、觸摸屏顯示各種應(yīng)用軟件，就能夠?qū)崟r(shí)的跟蹤各種運(yùn)行參數(shù)。在電子屏幕上，也可以隨時(shí)的顯示包裝溫度、包裝速度以及包裝產(chǎn)量等情況。

第五，包裝類型多樣化?；谑袌?chǎng)對(duì)于包裝類型的實(shí)際需求來(lái)調(diào)整包裝機(jī)，從而生成多樣類型的包裝。

（2）功能分析?；谛枨蠓治觯瑥亩M(jìn)行功能的分析。包裝機(jī)一般是由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)等共同來(lái)組成，其中，每一個(gè)部分的功能都有不一樣的要求。

第一，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系數(shù)能夠?yàn)榘b機(jī)械提供一定的動(dòng)力，這樣就可以滿足系統(tǒng)之間能量轉(zhuǎn)換。針對(duì)包裝機(jī)械，不僅僅需要對(duì)各種尺寸的產(chǎn)品加以包裝，同時(shí)也需要確保包裝尺寸的精度。所以，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要合理的選擇電機(jī)。

第二，傳動(dòng)系統(tǒng)。傳動(dòng)系統(tǒng)屬于執(zhí)行元件和動(dòng)力元件之間的傳動(dòng)裝置。對(duì)于產(chǎn)品包裝而言，每一天包裝數(shù)量使用較多，這就需要確保包裝機(jī)的生產(chǎn)效率，從而來(lái)針對(duì)性的選擇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

第三，檢測(cè)系統(tǒng)。檢測(cè)系統(tǒng)主要是確保包裝機(jī)的位移、旋轉(zhuǎn)、速度的精度裝置。隨著產(chǎn)品多樣化，產(chǎn)品形狀與大小的改變，其各種要求也在不斷的增多，這就要求我們能夠生產(chǎn)出尺寸不一的包裝，并且還需要實(shí)現(xiàn)溫度與精度的合理控制，最終來(lái)選擇檢測(cè)機(jī)構(gòu)。

第四，控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)是為了滿足系統(tǒng)之間的穩(wěn)定，并且讓包裝機(jī)可以將功能任務(wù)完成。智能時(shí)代的來(lái)臨，對(duì)于包裝機(jī)控制系統(tǒng)要求越來(lái)越嚴(yán)格，所以就需要選擇合適的控制裝置來(lái)加以實(shí)現(xiàn)[3]。

第五，輔助系統(tǒng)。除開上述系統(tǒng)之外，能夠確保包裝機(jī)順利運(yùn)行的其他裝置。如做好包裝機(jī)的潤(rùn)滑保養(yǎng)、滿足環(huán)境條件的需求，這樣才可以合理的選擇輔助裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 基于功能-結(jié)構(gòu)的包裝機(jī)設(shè)計(jì)知識(shí)建模

針對(duì)包裝機(jī)的設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行建模。在包裝機(jī)機(jī)械之中主要包含了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)?；诠δ?結(jié)構(gòu)映射模型，從而分解包裝機(jī)的歐洲那個(gè)功能，這樣就可以獲取相對(duì)應(yīng)的子功能，針對(duì)每一組成分功能進(jìn)行分解，直至分解可以獲取關(guān)聯(lián)規(guī)則知識(shí)表所對(duì)應(yīng)的子功能為止，然后通過(guò)獲取的功能與結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)知識(shí)，就能直接獲取結(jié)構(gòu)解，最終獲取能夠滿足包裝機(jī)子功能需求的結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)的組合，將包裝機(jī)的設(shè)計(jì)完成。

（1）驅(qū)動(dòng)功能?；谛枨笈c功能分析，包裝機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠同時(shí)生產(chǎn)不同尺寸包裝，能夠滿足不同規(guī)格產(chǎn)品的需求，在包裝生產(chǎn)中，能夠滿足尺寸最大值與最小值之差。所以，包裝機(jī)產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)功能包含：第一，確保包裝機(jī)包裝尺寸不一，第二，確保包裝尺寸的精度，也就是包裝機(jī)產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)動(dòng)能能夠分解成為確保包裝尺寸不一和保證包裝尺寸精度的子功能。

通過(guò)驅(qū)動(dòng)功能子功能的查找，確保包裝尺寸不一以及包裝精度能夠建立關(guān)聯(lián)規(guī)則指示表當(dāng)中找到對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)。通過(guò)查找，結(jié)果是不能找到相對(duì)應(yīng)的結(jié)果，就需要做好子功能進(jìn)一步的分解，見圖1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)功能子功能分解圖Fig.1 Driver function subfunction decomposition diagram

之后，再分別的查找子功能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速可調(diào)驅(qū)動(dòng)以及精度高的驅(qū)動(dòng)能否建立關(guān)聯(lián)規(guī)則指示表之中找到相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)。通過(guò)查找，結(jié)果是相對(duì)應(yīng)的，從而完成分解。

（2）傳動(dòng)功能。由于傳動(dòng)系統(tǒng)是為了滿足快速的運(yùn)輸包裝。所以，包裝機(jī)產(chǎn)品傳動(dòng)功能包含了一個(gè)子功能，就是確保生產(chǎn)的效率，也就是包裝機(jī)產(chǎn)品的傳動(dòng)功能可以直接分解成為滿足生產(chǎn)效率的子功能[4]。

之后查找傳動(dòng)功能子功能滿足包裝生產(chǎn)效率是否能夠建立關(guān)聯(lián)規(guī)則指示表之中找到對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)，如果查找之后的結(jié)果與其無(wú)法相互的對(duì)應(yīng)，就需要繼續(xù)分解子功能，具體見圖2所示。

圖2 傳動(dòng)功能子功能分解圖Fig.2 Functional decomposition diagram of transmission functions

之后通過(guò)查找子功能提供較高效率傳動(dòng)能否建立關(guān)聯(lián)規(guī)則指示表，就可以找到相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)。通過(guò)查找，結(jié)果是相對(duì)應(yīng)的，從而完成分解。

（3）檢測(cè)功能。基于前面的需求與功能分析，包裝機(jī)產(chǎn)品的檢測(cè)功能主要包含：第一，包裝尺寸精度；第二，包裝尺寸不一；第三，包裝溫度。也就是在檢測(cè)功能之中需要將其劃分成為包裝尺寸精度、尺寸不一、包裝溫度。

之后，對(duì)于三個(gè)子功能進(jìn)行查找，從而在能否建立關(guān)聯(lián)方規(guī)則指示表之中找到相對(duì)應(yīng)的結(jié)果。經(jīng)過(guò)查找之后找不到對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)，還需要再進(jìn)一步進(jìn)行分解處理，具體見圖3所示。

圖3 檢測(cè)功能子功能分解圖Fig.3 Detection sub-function decomposition diagram

通過(guò)三個(gè)子功能的查找，就可以確保速度穩(wěn)定、位置精準(zhǔn)以及溫度測(cè)量是否能夠在關(guān)聯(lián)規(guī)則指示表之中找到對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)。通過(guò)查找，結(jié)果是相對(duì)應(yīng)的，從而完成分解。

（4）控制功能。在包裝機(jī)產(chǎn)品控制之中只包含了一個(gè)子功能，也就是包裝機(jī)系統(tǒng)的控制，也就是其控制功能需要分解成為系統(tǒng)控制[5]。

通過(guò)控制功能子功能的查找，確保系統(tǒng)控制能否建立關(guān)聯(lián)規(guī)則指示表之中找到相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)，如果無(wú)法找到相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)，還需要繼續(xù)的分解，具體見圖4所示。

圖4 控制功能子功能分解圖Fig.4 Control function subfunction decomposition diagram

經(jīng)過(guò)查找，子功能實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制要求能否在建立關(guān)聯(lián)規(guī)則指示表之中找到相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)。通過(guò)查找，結(jié)果是相對(duì)應(yīng)的，從而完成分解。

2.3 基于測(cè)試結(jié)果的包裝機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)包裝設(shè)計(jì)知識(shí)功能-結(jié)構(gòu)映射模型，基于已經(jīng)獲取的知識(shí)結(jié)構(gòu)來(lái)針對(duì)包裝機(jī)做好相應(yīng)的創(chuàng)設(shè)設(shè)計(jì)。通過(guò)子功能與結(jié)構(gòu)的相互對(duì)應(yīng)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，進(jìn)而滿足包裝機(jī)各個(gè)功能需求，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，從而對(duì)方法的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證，具體見圖5所示。

圖5 包裝機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)Fig.5 Innovative design of packaging machine

3 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，隨著科技不斷的發(fā)展與進(jìn)步，新型產(chǎn)品逐漸增多，復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的出現(xiàn)，使得創(chuàng)新就成為其焦點(diǎn)所在。復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不再局限于變形設(shè)計(jì)或者是適應(yīng)性設(shè)計(jì)，更多的是需要進(jìn)行創(chuàng)新，這才是復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的重難點(diǎn)。因此，為了能夠增強(qiáng)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，就需要提升產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，最終實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。