基于设计目录的运动方案设计

第20卷第10期机械设计Vol. 20 No. 102003年10月JOURNAL OF MACHINE DESIGNOet.2003基于设计目录的运动方案设计刁培松1,2,仪垂杰',吴文权”,魏修亭1(1. 山东理工大学,山东獵博255012;2. ⊥:海理工大学,上海20093)摘要:阐述了设计目录基本进程,依据功能和机构的特点定义了功能和机构编码方式,在此基础上,建立了功能元表和包括评价指标的机构解表。由于不同的用户对功能各评价指标的重要程度所需要求不同,因此建立了用户功能表,一方面描述用户功能,另一方面通过层次分析方法获得每个评价指标对不同功能的权重,用户功能搜索机构解表获得可行解集，最后使用模糊评判的方法获得最优解，在上述思想下开发了基于设计目录的运动方業设计的软件系统kintic.关键词:设计目录;运动方案设计中文分类号:TP391.72;TH11文献标识码:A文章编号:1001 - 2354(2003)10 - 0017-03由于人们对设计思维规律和原理方案设计本质认识还不到设计日录是否能有效地工作。在编码过程中既要考虑到功充分,所以人们不再追求原理方案的完全自动化,而是重点研能的正确表达,不会出现二义性,又要考虑到编码生成方便,便兖人机协同解决设计问题[。又由于机械是由有限数量的不于计算机管理和查询。同构件组成，因此人们可以通过合成与组合的方式产生功能不由于机械运动的多种性,如何提取其具有代表性的共有特同的机械系统[2]。因此基于设计日录的产品方案设计应运而征,并用这些特征来描述每一个具体的功能,是功能编码应该生,它既可以通过人机有效地协同工作.又可以通过组合的方研究的问题。功能编码应形式规范、桶盖所有功能。在J泛研式生成不同的机械系统,是方案设计的有效方法之一。究机构实现的功能基础上,借鉴文献[3,4]提出了12位编码，设计日录是形式化了的知识库,设计者可以从中实时地获应用于功能编码。取所需信息,并应用于设计之中。设计目录主要包括功能元日在编码之前对功能进行合理的归类,以利于编码和计算机录、机构解目录以及围绕这两个0录的辅助目录。运动方案设实现把文献[5]所阐述的功能进行了重新分类,即:(1)实现运计的最终目标是在功能分解的基础上获得机构解。机构包含动形式变换的功能;(2)实现运功轴线位置变换.转数变换、运两个属性，-是运动特性,二是实现运动特性优劣的评价特:动分支、连接、离合和过载保护等的功能;(3)实现运动合成与性[3]。机构的运动特性是实现功能的基本需求,从功能到构件分解运动增减和运动换向的功能。其中功能(3)中的运动增的映射过程中必须完全满足。满足功能需求的机构解集称为减只考虑力和转矩的增减，转速的增减在功能(2)的转速变换行解集,而评价特性是在满足运动特性基础上的进-步完中考虑。善,是从可行解集中选择最优解的评判标准。机构的还功能分解机构解表}1总体思路魔元机构的功能ID-出机构创}研究思路为:首先对用户的功能进行分解直到产生功能元用户功能D。为址,给每个功能元进行编码,功能元搜索通用功能表以保证通用功能表的完整性,然后功能元以其白身的编码与机构实现是否横足用户的功能编码相匹配为判别原则,搜索机构解表,牛成初始可行功能特殊要求解,对初始可行解进行急回特性、传动比、传递功率和轴线位置能表四项特殊要求进行判别,最后得到可行解。利用评价指标对可行解进行模糊评判,获得问题的最优解。研究思路如图1所功量的添加，薛改与利障是否存在2功能编码飞图1 总体研究思路功能编码是设计目录中一项十分关键的工作，它直接影响对于功能(1)可以使用运动形式、运动轴线、运动往复性、收稿日期:2003 - 03 - 07;修订日期:2003 -06-12基金项目:山东省重点基金项目(299F04)作者简介:刁培松(1962 - ),男.山东烟台人山东理工大学轻工与农业工程学中国煤化工要从事CAD与概念设计的研究。THCNMHG8机械设计第20;卷第10期.速率特性和运动连续性5个特性来描述.再考虑到输入、输出,录,生成一个可行解集。机构解应实现用户的功能，这是机构因此实现运动形式变换的功能只需要10 位。但对于功能(2).的基本要求,必须无条件地满足这些要求.在满足基本要求的(3)只用10位就会出现二义性,为了与功能(1)相区别,增加厂情况下,再对可行解进行筛选择优。筛选和掸优需要一套 指标第11位和12位编码。当第11位和12位都为0时,表示功能体系来进行评价.该评价指标包括20个指标，从经济性、工作(1),当第11位为非0时，12位必须为0,此时表示功能(2)。性能和社会性三个方面对机构的优劣程度进行评价。当第12位为非0,第11位必须为0时,表示功能(3)。无论哪表2机构编码方式 .类功能前10位都是必霞的,所以称为功能编码的基本位,后两机构组编号|机构分类编号位称为附加位。图2所示了功能编码各位的含义。表1列出机构维名(第1,2位)机构分类名称(第3位)了功能编码方式。平带传动带传咖机构0三角带传动第第20第了物第年的第位第8时辅9确1011612何套筒滚子链链传动机构齿形链传动.输送链浙开线圆柱齿轮机构齿轮机构渐开线圆锥齿轮机构四柱涡杆传动机构润轮润杆机构圆弧面涡杆传动机构圈2功能编码各 位的含义锥涡杆传动机构表1功能编码方式2K- H行星齿轮机构期码1i2|3|45|6|7|8|行星齿轮机构05_3K行星齿轮机构标K-H- V行星齿轮机构I名粉螺旋机构静压螺旋机构运动直线特定轨痕珠螺旋机构形式转动运动摆动迹运动运动.凸轮机构平板凸轮空间凸轮r轴|x轴z轴曲柄摇杆机构运动单向双向两种双曲柄机构往复性.运动」运动|均可双摇杆机构平面连杆机构08速率e曲柄滑块机构特性非匀速匀速导杆机构正旋机构l 连续性问歇|连续棘轮机构功能2屏蔽运动轴运动轴运动运动运动过载有级尤级定比槽轮机构标记位功能2找变向我平穆分支联结离合|保护调速调速传间歇机构0S不完全齿轮机构功能3屏蔽.增力增转矩臧力味转运动运动运动其它形式的间歌运动机构标记位功能矩合成分解换向斜楔夹紧机构该编码易于计算机生成、存储和检索，在面向对象的编程螺旋夹紧机构中,使用多选- -按钮或组合框，可以方便生成功能代码，清楚地偏心夹紧机构表达功能的含义。1(端面凸轮夹紧机构饺链夹紧机构联动夹紧机构3机构编码与评价指标定心夹紧机构离合器无止动器与定位器13.1机构编码块式制动器功能编码是唯-的，而实现功能元的机构常常是多个的,带式制动器制动装置13即功能与机构的映射是--对多的关系.这使得机构组合生成更盘式制动器多的产品成为可能;另外-方面,一个机构具有多种功能，在建锥面制动器立机构解表时,一个机构可以出现多次,但它们实现的功能各由于不同的机构之间实现的功能不同，结构也有很大的差不相同,即机构解表中允许机构有冗余。异。如果直接给出评价指标具体最化数据,则实现同- -功能的机构用5位数字来表示机构的编码,第1位和第2位为该不同机构之问难以比较和衡量。通常情况下,人们评价- -项指机构所属机构组名编号,第3位为该机构内的分类编号,4~5标用很好好.中、差等模糊概念来进行。因此,对每一项评价位为相同分类名称下的编号。表2列出了机构前3位机构编指标都用5个可能的取值,即优、良、中、及格和差,在评价时，码方式。给出每个取值的隶属度。评价指标的5个取值的隶属度值,直3.2 机构评价指标体系接影响设计结果的优良程度,为了保证机构解目录数据的正确可行解的产生是用每-一个用户功能,遂个搜索机构解日性,应请多名资深的专家对隶属度取值,然后通过加权平均获录,在用户功能与机构实现功能相匹配的情况下生成基本可行得隶属度的平均值。机构解法目录是一项繁琐和复朵的基础解,然后对基本可行解集中删除不满足用户功能特殊要求的记中国煤化工示了机构解月录对话框。YHCNMHG2003年10月刁培松，等:基于设计目录的运动方案设计1S1C HE-1圈4便户功赣对话杷■3机构钜目录对话枉4用户功能与评价指标的权重5模糊评价采用模糊评判的方法对可行解集进行评价。其步骤如下:用户功能就是满足用户需求的功能，用户功能的编码是在(1)评价目标Y = lyvy.*.*.mn = |制造成本,加工工用户总功能分解的基础上进行的.分解的目的是为了降低问题艺,,结构紧凑性}。的复杂程度,分解不能太粗,使得子功能无法映射到一具体机加权系数集A = }a,a,",axo| ,即用户功能对评价指标构或部件,也不能太细,使得原理解极易产生组合爆炸。通常的权重要求。连层分解到功能元为止,然后对功能元进行编码。所谓功能元评价标准值(论城)X = }zwz.,as = {优,良,中,及就是当功能逐层分解到可以映射一个具体的机构或构件时,此格,差}时的子功能称为功能儿。另外,因为不同的设计问题对评价指(2)方案对20个评价目标的模糊评价隶属度矩阵。标的重要程度是不同的,例如实现转动-转动的功能，有的功「R能要求远距离传输,而另-个要求传动精度高,因此尽管它们.R实现的功能相同,但对评价指标的重要程度却不同。为了使决策更趋合理，每个设计功能都应确定评价指标重要程度的权”R,|=重,权重的获得是逝过层次分析法进行两两比较,最后通过计算而得到。.在设计过程的某-阶段,可能需要多个功能来满足需求，12 T13 T14 1]-制造成本对评价集的隶属度但此时使用功能编码只能表示--种功能,既要求编码能够表示唯一功能,又要求实现多个功能来满足需求。其实这是由于机rgy rq2 rg3 r94 ros←工作寿命对评价集的隶属度构功能的多样性决定的。在编码过程中不应该在-个编码号←结构紧凑性对评价樂的隶属度中表示多种功能,为此应抓住主要功能特性,辅助功能在字段中描述。比如平带开口传动,既有送动轴平移的功能，又有定(3)综合模糊评价隶属度矩阵:比传动的功能,在描述这个过程中,是以运动轴平移作为功能B= A°R= [b; b2 by bs bs]编码,还是以定比传动位编码,这要取决于主要功能,如果以轴-般可选用模糊数学中以下两种方法之-进行模糊矩阵线平移作为主要功能,其编码为022010220120,如果以定比传合成,乘加法和取小取大法运算。乘加法适合评价因素多的情动为主要功能,编码为022010220190,因此在建立机构解目录况，选用该方法。时，必须把机构所有可能的功能都考虑到,以利于在不同的功乘加法:6;= anrn, +a2r2; +.-. + uamrmn,j= 1.2.3.4.5能下产生尽可能多的叮行解。为了弥补功能编码信息不足,在(4)撣优。利用最大隶属度原则判断方案优劣顺序。用户功能中增添了急回要求、传动比、传递功率和输入输出轴线位置4个字段。当输出运动为摆动或直线运动时有急回或6结论无急回的要求。当输人和输出运动都为转动时，有传动比需求。当输人和输出轴平行时,使用功能编码能够恰当描述,但在建立功能元通用机构解法目录基础上,依据用户功能和当输人输出轴线垂直相交或垂直交错时,使用功能编码无法区用户功能对机构评价指标的权重,使用模糊评价的方法获得运别,因此引入输人和输出轴特殊要求。图4为用户功能对话动方案最优机构解。该方法有效地解决了方案设计中信息残框。(下转第25页)中国煤化工MHCNMHG2003年 10月郭惠昕,等:混沌遗传优化算法及其在机械优化设计中的应用混沌遗传优化算法充分利用了基本遗传算法中公认的3[s] 刘康.一种改进的遗传算法一 领城真空[J]机械科学与技个基本遗传算子,继承了传统遗传算法的精髓:首次提出并设.术,2002,21(2): 207 ~ 209.计了混纯移民算子,保持群体的多样性,抑制和克服未成熟收[6] (日)玄光男 ,程润伟.遗传算法与工程设计[M].北京:科学出版敛。引入混沌移民操作的主要意图是克服传统遗传算法中的早[7]刘勇,康立山，陈玉屏. 非数值并行算法(第二册)-遗传算法社.2000.熟问题,数值计算实例表明，这种新算子的引入是有效的，而且效果显著。同时,混沌移民操作具有混纯优化算法的特点，即[M].北京:科学出版社.19989生成混沌移民群体后,对其进行评价的过程实质上就是- - 种混[8]赵正佳， 黄洪钟.陈新.优化设计求解的遗传-神经网络新算法研究[J].西南交通大学学报2000.35(1):65 - 68.沌优化的搜索过程。因此,混沌遗传优化算法可以认为是传统[9] 孙国正.优化设计及其应用[M].北京:人民交通出版社.1992.遗传算法和混沌优化算法的有机融合。该算法可有效的求解非线性约束和无约束优化设计问题,具有稳健的全局收敛性,在Chaos - genetic optimal algorithm and application in me-机械优化设计等领城具有广阔的工程应用前景,并为遗传算法chanical optimal design的改建提供了新的思路和途径。GUO Hui-xin,CHE Xlao-yI,XIAO Wel-yue表1箱形果优化 设计的混沌遗传优化解及其比较(Department of Mechanical Engineering, Hunan University of混沌遗传算法运行10次神经网络遗传一神经常规优|项目最差解最好解 方法测 网络方法[81化方法(9)Arts and Science,Changde 415003 ,China)F(x)6076.61956071.61276220.566113.3966430 _Abstract:Chaxs - migration operator was put forward for the工I 789. 7071| 799.0784 692.000_ 797. 968790 .first time in order to solve the problem of premature convergence ofL 350.0624 350.2652] 383. 410320. 440310genetic algorithm. Uilzing the ergodicity and inberent randonness3 5.0053」.. 5.0210 5.0005.0005of chaos- iteration and by means of chaos - migratory operation[ 6.0567 5.879 67. 2006.627the inbreeding problem can be overcame in genetic algorithm andensured an overall convergence of the ulgorithm. The algrithnic参考文献seftware of chaos- genetic optimization has been developed byMATLAB language. Numeric calculation shows that this algorithm[1] 陈国良.王煦法,庄镇泉,等.遗传算法及其应用[M!.北京:人民邮电出版社，1996.has god global counvergence and running robustness and is suitable2]张文修，梁怡.遗传算法的数学基础[M].西安:西安交通大学出for solving mechanical optimization deigning problens with ∞n-版社.2001.straints and no constrints of cuntinuous variables and possesses3] 王四彪. CE:OOOPM及其在机械优化设计中的应用[].机械设valuation in engineering application.计.2001. 18(专集):148- 150.Key words: chac x;migration;genetic algorithm;chacs - genet-[4]张春慨， 徐立云,邵惠鹤.改进混沌优化及其在非线性约柬优化问ic algorithm;optimal design题中的应用[J].上海交通大学学报200.30(5):5953 - 595.Fig0 Tab 1 Ref 9“Jixie Sheji" 3009(上接第19页)(1. Shandong University of Science & Techology, Zibo 255012,缺难以量化评价的问题,开发的基于设计目录的运动方案设计China;2. Shanhai University of Science and Texchnologxy. Shanghai的原型系统kinetie,可作为运动方案设计有效工具。.200093,China)Abstract: The basic course of designing catalogue is expound-ed,and the coding nodes of function and mechanism are definedacxrding to the characteristics of function and mechanism. Taking[1] 冯培恩,徐国荣.基于设计日录原理方案及其求解过程的特征建this as a base, the functional unit table and mechanism solution模[J].机械工程学报, 198,34<2):79- 86.table including evaluation criterion are estabished. Owing to dffer-2] Shean- Juin Chiou, Sridhar Kote. Automated conceptuadl design ofent users are not alike to the requirement on important degree ofmechanisns[J]. Mechnismn and Machine Theory 199 34:467each functional evaluation target, therefore the user' s functional495.table is established,it deseribes user functions on one hand and on3] 唐林,邹慧君.计算机辅助机构选型的实现[J].中国机械工程,200,12<8):918 -921the orther hand by means of stratified analytic method to obtain4] 邹慧君,顾明敏.“机构系统方案设计专家系统”初探(一)-一 -知weight of different function upon every evaluation target. The us-识库管理系统的建立[J].机被设计, 1996.(5):26 - 28.er' s functional searching mechanism solution table acquired feasible5] 邹慧君.机械运动方案设计手册[S]. 上海:上海交通大学出版社，solution set, and finally the optimal sdution is obtained by employ-1994.ing the method of fuzzy evaluation. In accordance with the abovestalcd thought a software systemn kinetic of motion scheme designMotion scheme design based on design catalogueis developed bescd on designing catalogue.DIAO Pei-songt.2 , YI Chui-jie' , WU Wen-quan? , WEI XiuKey words:design catalogue;motion sxchene designting'中国煤化工“Jixie Sheji"3192fYHCNMHG