李 丹，劉 桂

(大連大學機械工程學院，遼寧 大連 116622)

1 引言

隨著國際競爭與國內發(fā)展需要，高端裝備制造業(yè)得到越來越多的重視，對機械設備產品在功能、性能、穩(wěn)定性、造型，以及人機交互方面都提出了更新、更高的要求，機械產品行業(yè)面對著新一輪的挑戰(zhàn)。機械產品不僅需要在傳統(tǒng)意義的產品性能方面進行改進，在參與到國際產品競爭過程中，機械產品的外觀及人機交互更應得到足夠的重視[1]。諸如外觀設計與機械加工工藝、制造成本等方面的矛盾，機械結構設計與特定功能下人機交互的矛盾，在生活中很常見，在設計產品中也很常見，但卻沒有得到妥當的處理。

可拓論作為一種分析矛盾問題的方法，可以將不相容問題轉化為相容問題[2]。自提出以來便在實際應用中不斷地應用、檢驗、完善，至今為止可拓學已經發(fā)展近40年，在可拓設計、可拓信息、可拓控制、可拓檢驗，特別是在人工智能和計算機技術領域得到應用。機械產品設計過程中包含的定位、外觀、結構等多層次綜合屬性決定了其設計過程中會遇到大量的不相容問題，利用可拓學方法可以有效的幫助設計以及推導出最優(yōu)方案[3-4]。

AGV(Automated Guided Vehicle)，通常也稱為AGV自動導引車、AGV機器人。這種機械產品可以無需人員駕駛，能夠按設定的路線獨自行駛、作業(yè)。機場AGV是設置在安檢通道處，具有從安檢始末兩端運輸機場提供的承物盒的功能。承物盒的使用場景是在安檢時，旅客將隨身物品等放到承物盒后，物品通過安檢機器進行檢查。機場航站樓人口流動大、功能需求多，同時又是最能體現一個城市公共形象的場所，因此機場AGV機器人，在整體設計上要同時兼顧功能要求及審美要求。

2 產品方案設計

2.1 產品定位分析

產品的使用區(qū)域為機場的安檢區(qū)域，該區(qū)域的特征為人流的聚集與高效流動、整體空間具有嚴肅安靜感。設備類產品在設計中要考慮穩(wěn)重嚴肅、安全可靠，具有一定的親和力。通過大量的設計調研與市場調研，產品造型定位應力求簡潔干脆，具有一定的科技感。在產品的造型語義和功能語義方面進行分析研究，提取描述產品的語義因子，以關鍵詞及權重可將產品設計理念表示為簡潔感40%、穩(wěn)重35%、科技感15%、律動5%、低調5%等比例分配。

2.2 建立物元模型

可拓理論分析矛盾問題的工具是多維物元模型，應用的是物元的可拓性[2]。物元是可拓論的一個重要概念，描述了事物具有可拓展、分散的性質，它是以事物N、特征c、量值v所組成的三元組，記作R=(N，c，v)，利用到了物元的“一物多征”、“一征多值”的特點，其中物元N為AGV及其設計理念，事元c為設計模塊及設計特征，對于該機器人建立物元模型如下。

其中設計特征可發(fā)散的量值分別為：

V1={升 降平臺式,固定平臺式,分層存儲式……}

V2={觸 控式,按鈕式,語音控制……}

V3={橡 膠輪胎,充氣輪胎,履帶式,滑軌式……}

V4={鋁 合金,不銹鋼,塑料……}

V5={拉 絲,電鍍,貼紙,印刷,咬花……}

V6={急 停,防撞,語音提醒……}

V7={方 艙形,圓筒形……}

V8={速 度顯示,電量顯示,裝載計數……}

2.3 可拓變換

可拓理論解決矛盾問題的工具是可拓變換，可拓變換是在上述物元拓展分析的基礎上，對某些對象進行變換，從而為矛盾問題提出多種解決方案[4]?？赏刈儞Q包括置換變換、分解變換、擴大變換、刪減變換、增加變換、復制變換等變換[2]。對上述多維物元模型進行拓展可得到如下解決方案。

式中：⊕—可拓變換增刪算子中的增算子[5]；

±—表示可拓變換擴縮算子中的擴算子[5]。

以上是通過可拓變換計算出的4個方案示例，但不限于此，根據每個方案的特征要求均可設計出一種產品。

2.4 優(yōu)度評價

可拓理論選擇最佳解決方案的工具是優(yōu)度評價法[6]。優(yōu)度評價是對可拓變換提出的各個方案進行評估，最終選擇出最符合設計初衷及設計要求的方案。從多維物元模型中可以看出設計特征包括機械結構、材料、控制系統(tǒng)、工業(yè)設計等各個方面。因此，要求評價采樣的數據庫應足夠全面，參與者應分布于特定的專業(yè)領域，這樣得到評價樣本才有可信度和有效度，才更有價值，才會得到設計方案的最優(yōu)解。這種評價方式可以有效排除個人低價值評價在整體評價數據庫中的干擾，更加具有普適性。本次采樣調查過程分別在涉及的領域中邀請30位參與者進行評估。

傾向值調查統(tǒng)計結果，如表1所示。通過對參與者的集中調查，對不同設計特征的實現形式進行傾向性調查，并進行量值分布，統(tǒng)計匯總結果，如表1所示。調查取值：最傾向值為1—最不傾向值為0。設各設計特征V的實現形式T對應的量值為TV，其V∈［1，8］，T∈［0，1］。

表1 傾向值調查統(tǒng)計表Tab.1 Statistical Table of Inclination Value Survey

基于對5名具有4年工作經驗的職業(yè)設計師的調查，對該產品各分配單元的權重分配，權重分配表，如表2所示。

表2 產品各分配單元權重分配Tab.2 Weight Distribution of Product Distribution Units

設各設計特征對應的權重為Wv，其中Wv1+Wv2+…+Wv8=1。則根據取值方程

式中：Q1—基于權重和調查傾向值得出的各構件取值，經過計算，如表3所示。

表3 各構件設計取值Tab.3 Design Value of Each Component

對各個特征量值權重及各個方案進行評價，選擇權重最高的方案作為全局的最優(yōu)解，最終得到的方案如下。

根據上述方案并結合設計理念在設計范圍之內提出6個可行方案，如圖1所示。

圖1 擬定方案圖Fig.1 The Draft Plan

表4 SD語義分析量表Tab.4 SD Semantic Analysis Scale

運用語義差分法設計SD語義分析量表，選取30名對AGV產品有較深了解、且具有一定相關產品設計經驗的參與者，將其分為10組，每組3人。參與者被要求對6個擬定方案對于M方案在設計理念表達的契合程度進行評估，最高分為5分，最低分為1分，統(tǒng)計結果，如表4所示。

定義Q2為擬定方案與設計理念的關聯度值，Q2越大表示擬定方案與設計理念的關聯度越高。設每個擬定方案所得分數N的頻次為FN，N∈［1，5］，FN∈［1，10］。

計算后得到各個擬定方案與設計理念的關聯度值：

由上式分析可知C-2方案的關聯度值最高，即C-2方案更能準確地表達出設計理念，是符合產品定位的最佳造型設計方案。

3 結構優(yōu)化

C-2方案的各部分造型風格及功能需求已經滿足設計的要求，但該產品要投產使用還需要對其結構和工藝進行進一步研究。經與甲方探討后，決定對產品的支撐部分結構進行優(yōu)化調整，以滿足性能上的要求。應用Ansys Workbench進行多目標優(yōu)化分析時通常先定義設計變量和目標參數，查看響應分析、優(yōu)化分析、求解并驗證的步驟[7]。

圖2 參數化建模Fig.2 Parametric Modeling

圖3 邊界條件Fig.3 Boundary Conditions

(1)優(yōu)化設計的三要素為設計變量(DV)、約束條件(SV)、優(yōu)化目標(OBJ)。對C-2方案中的支撐結構進行參數化建模，指定設計變量，如圖2所示。P1為立柱的厚度、P2為支撐板的厚度、P3和P4分別為筋板的長度以及厚度。目標參數為P5-Total Deformation Maximum、P6-Equivalent Stress Maximum、P7-Geometry Mass。支撐結構料定義為鋁合金，彈性模量為7.1E+10MPa、泊松比為0.33。定義邊界條件根據實際工況可將載荷條件定義為承物盒與支撐板接觸的四個角點上，垂直于板面向下的400N的集中載荷，立柱下端進行固定約束，如圖3所示。優(yōu)化設計的優(yōu)化目標如(1)所示，約束條件如(2)所示。

(2)利用最佳填充空間設計法(OSF)生成實驗數據表格，該方法可使整個設計空間均勻分配設計參數，以最小的數量獲得對設計點的最大洞察。建立Kringing響應面模型，以獲得較高的擬合優(yōu)度[8]，目標參數P6對于參數P1、P2的響應圖，如圖4(a)所示。目標參數P6對于參數P3、P4的響應圖，如圖4(b)所示。

圖4 響應面模型Fig.4 Response Surface Model

圖5 候選點Fig.5 Candidate Points

(3)利用多目標遺傳算法(MOGA)進行響應面優(yōu)化，該方法是一種針對離散變量全局快速的非支配排序法[9-10]，利用多目標遺傳算法對Kringing模型進行優(yōu)化求解可以提高優(yōu)化結果的收斂性同時保證計算效率[11]。最終得到3個Candidate Points，如圖5所示。

(4)由圖4知Candidate Points 2為最佳設計點，將該點參數作為當前分析參數可得到分析結果，如圖6所示。優(yōu)化后Total Deformation云圖，如圖6(a)所示。優(yōu)化后Equivalent Stress云圖，如圖6(b)所示。設計參數的初始值及優(yōu)化后的對比結果，如表6所示。優(yōu)化后支撐結構的質量減小了21.76%，應力值與應變值雖然有所增大但是在設計允許范圍之內。

圖6 優(yōu)化后分析結果Fig.6 Analysis Results After Optimization

表5 各參數前后對比Tab.5 Comparison of Various Parameters before and after

4 結語

應用可拓理論以及基于響應面理論的多目標優(yōu)化方法，對AGV產品進行優(yōu)化設計，最終得到同時滿足造型需求以及性能要求的AGV產品。(1)在擬定方案初期通過建立物元模型、可拓變換及優(yōu)度評價等方法，篩選出符合設計理念及設計要求的最佳方案。(2)通過定義設計變量和目標參數，查看響應分析、優(yōu)化分析、求解并驗證，對進一步對支撐結構進行優(yōu)化，優(yōu)化后在滿足結構設計要求的前提下質量減少了21.76%，使得整體的性能有較大的提升。經過驗證本方法切實可行，為設計AGV產品及其他有相似設計要求的產品提供了設計模型。