基于信息加工的機構設計原理與過程CAD

張曉鐘 楊 哲 羅 丹

西安建筑科技大學,西安,710055

基于信息加工的機構設計原理與過程CAD

張曉鐘 楊 哲 羅 丹

西安建筑科技大學,西安,710055

依據信息加工觀,研究了機構設計過程的基本思想、方法與技術。通過分析機構設計過程在人腦與計算機中的表征形式、演變過程與相應的信息處理方法,提出信息加工觀下的機構設計原理及其CAD技術框架,并就參數化技術下的機構行為分析、基于實例與仿真的性能分析CAD方法進行了探討。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換方法、基于輔助基準裝配的機構方案與性能設計方法。以連桿機構方案創新設計為例,實現了人機交互環境下的智能化、自動化設計過程。

機構設計;信息表征;信息加工;過程CAD

0 引言

基于信息加工的機構設計原理與過程CAD研究,旨在探討人腦與計算機交互作用下,給定需求而獲得機構方案的過程。其基本原理是:將機構方案的形成視為一個信息的連續處理過程,該過程由兩個基本要素構成,一是機構形成過程中的表征形式,二是與表征形式相對應的處理過程。表征形式主要由抽象的語言文字形式和具體的圖式構造形式表達,而處理方式則對應著邏輯推理和圖式生成與變換等,兩種方式之間由屬性、特征關聯來做變換處理。

1 功能目標下的機構設計過程與方法

一般說來,機構的功能需求是機構設計的目標。機構設計的成敗直接影響產品的功能與性能,機構設計在現代機械產品的設計中占有特別重要的地位。機構設計是人的造物過程,造物的過程及其創新、機械產品的創新,與人的大腦智慧密不可分。人的大腦智慧主要體現在人對客體的認知、理解、記憶及其再應用;體現在對需求的特征與屬性的識別與提取;體現在對需求信息的抽象與聚縮過程;體現在對需求的逐級抽象而形成概念的過程;體現在人們對最終形成的概念的透徹理解,而這種理解表現為對需求目標的最終而準確的結果表達與呈現形式,表現為結果表達與呈現形式的具體可評價、可實現、可操作方面。

作為基于功能的設計方法[1-4],機械機構的構造是以機構的功能設計為基準目標的,也就是說由功能決定構造形式。功能是人們對機構構造行為結果的理解與抽象表達。機構構造作為功能的載體,成為機械產品概念與方案設計的核心。機構構造的行為是機構達到與實現所設計目標功能的過程序列。這個行為過程的多樣性、行為實現功能的可行性成為人們大腦思維與計算機輔助設計的難點。機構的性能,也就是功能實現的滿足程度,或說達到需求功能目標的理想化程度,它是機構的構造確定之后設計工作中的重點。性能表達從本質上說來,是一個多屬性組成的數據結構,性能表征的屬性所涉及的學科特點及其多樣性,使得這一步工作的展開具有極大的離散性、多學科關聯性、矛盾與沖突的難以決策等特點,經驗在此占據重要的地位。通過模型的運動學或動力學研究,可獲得性能的最本質問題及屬性。計算機虛擬技術為此提供了堅實的基礎,使得實體模型檢驗、樣機的實驗室試驗、機構的工程試驗與檢驗等更加接近理想的功能要求。

傳統的機構設計過程[5]是用人腦對各種信息進行加工處理,在腦外用紙、筆等作為輔助工具以表達思維結果。在這里,信息載體由大腦的心理表征轉向了紙上的圖形與文字符號,也可以是實體模型等。但思維結果的表現形式由活動的、復雜的形式轉變為靜止的、簡約的特定形態,也就是所思考機構呈現形式的瞬態。這些信息載體的特性、所能呈現的形式與這些信息的處理方式會相互適應,大腦有這種適應能力或說轉換能力。另一方面,載體表現形式還在于人感官的信息獲取特點所造成的心理表征形式,或說心理影像的表現形式,尤其是視覺信息獲取;還在于人們對客體的理解所產生的記憶形式;還在于人們對思維結果的信息輸出方式,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)的特點與人的行為方式(繪圖能力與表現形式)等。

在機構設計過程中,大腦會將自身各種感官獲得的信息進行融合,以便形成可理解的心理影像而進行記憶。在這里,“理解”是至關重要的,一般說來,人們的理解是建立在信息處理結果的心理表征上的,也就是說,人的理解是對信息處理過程結束(階段性的)之后的結果的把握與了解,與已有記憶的對比、同化與評價。被理解的思維結果會以適當的形式進行心理表征,也就是以人們已經感知的影像而心理再現;以人們可以便利地輸出的形式(言語、繪圖行為等)表征轉換;以人們心理與生理習慣的形式進行處理,如語言文字的邏輯推理或圖形的變換、圖形重構等。另一方面,對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),對于難以形成明確影像的信息,對于將影像聚類以表達抽象概念的信息等,會使用借代等形式轉換為形象的形式;會使用概念的內涵與外延,會使用屬性特征的變換等轉換為易于理解的表征形式。這些特點為計算機輔助提供了技術目標和應表達的基本要求,尤其是基于計算機圖形學技術的可視化的表達形式。

傳統的基于規則的方法[6]、基于實例的方法[7-8],利用知識庫、規則庫等工具,降低了在構造確定之前的設計難度,提高了設計效率及準確性。由于缺乏對機構功能需求與性能分析階段的處理功能,不能在機構實例與機構需求之間建立科學的聯系,限制了計算機及其機構設計者的創新能力。基于圖形處理技術的CAD應用,尤其是三維圖形CAD技術,大大提升了機構設計水平,但由于沒能有效地解決機構演變中思維所特有的語義學、文本與圖式表征的頻繁轉換等功能,阻礙了計算機技術的更深層次應用。

本文的思想是從信息加工觀出發,依據信息加工對象和相應的處理過程兩個要素進行設計活動。信息表征是第一要素,處理(加工)過程是第二要素。其中的信息處理對象是機構設計過程中各個階段所特有狀態的表征(心理表征與計算機表征),也就是該表征內容的屬性關聯與構造或該表征內容的數據結構形式;處理過程就是對各種表征的處理與轉換的動作序列,也可稱之為數據操作[9-10]。文中通過研究人腦思維過程[11]、機械創新設計方法[12-13]、機械系統設計方法[4,14]、基于實例的設計方法等,依據信息加工觀,給出基于信息加工的機構設計方法。其基本原理是:機構設計思維的全過程由需求分析到概念形成,由概念的語義表達到概念的構造圖式表達,從機構的功能載體到機構的性能確認的過程,如圖1所示。該過程中始終要解決兩個基本要素問題,一個是信息處理對象,也就是處理過程的結果的表征,即機構設計的各個階段性思維成果的表達方式,該表達方式要被用于記憶、呈現、評價、決策與信息交換。另一個是在各個階段表達結果之間的處理,包括前處理、中間處理、后處理等。前處理是指對該階段之前生成某個思維結果的處理,以便適應本階段的處理目標與形式。中間處理是對前后兩種表達形式所要求的目標的一致性的加工處理,這是創新的關鍵。后處理是指對思維結果的各種表征形式的轉換,以適應人們的理解與評價方式。通過文本與圖式這兩種基本處理方法與相應的處理技術實現了上述思想。具體做法借鑒了功能-構造與實例的過程設計方法。

圖1 機構表征、設計演變與轉換過程

2 信息加工觀下的機構設計過程架構

就機構設計過程而言,本質上是大腦連續的信息處理過程。由于大腦的生理與心理機制和特性、機構形成過程中的表征形式、設計過程中的階段性評價等,此連續的過程需要由若干個階段來實現。依據前述思想,將信息表征與信息加工(處理)置于人機交互系統中,獲得信息加工觀下的機構設計過程架構。基于功能的設計思想,結合人思維的生理與心理特點,可將該過程用圖2、圖3所示的階段性思維結果、連續思維中的若干個斷面(階段性表征)及其結構來表達。計算機作為腦外信息處理的輔助工具,作為腦內心理表征的可視化再現工具,需要人們給予必要的模型與處理方法的指令(軟件)預置。這些以軟件形式預置的表征與處理方法,都來源于大腦的思維過程與方式,也就是對大腦思維的模擬。通過簡要探討大腦思維問題,再探討計算機“思維”問題,可獲得設計過程中的方法與技術的計算機支持。這種探討也集中在表征形式與處理方式兩個方面,據此而獲得計算機輔助的技術實現要點。

圖2 機械機構的設計過程與內容

圖3 機械機構設計過程的表征與處理架構

對于機構設計,需要大腦理解與表達的形式有:需求表達、功能表達、構造表達、行為表達、性能表達等。同時需要有與此相應的信息加工方式與過程,即思維過程,這個過程的腦外輔助就是計算機輔助的動因。

圖2與圖3所示的處理過程可以被描述為:根據使用要求,確定機構應該具備的功能,再“構想”出功能載體——構造,通過構造的圖式變化——心理影像處理,判斷其工作原理、運動方式、力和能量的傳遞等。這里的構想是由一系列的操作完成的,而操作對象、操作方式等的提取、選擇、決策是智慧的結晶。其后,通過對結構形狀及材料等事項的選擇與評價,轉化為具體的描述輸出。以大腦的信息輸出方式,在適當的載體上實現表征,如設計文檔、工程圖、實體模型等,接著以輸出結果為依據進行生產加工。

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

圖4 機構設計過程的腦內外表達方式示例

概念設計能決定機構最基本的問題,其后只是滿足其要求的條件搜尋與沖突消解,這就是概念設計帶來的缺陷,也是其后很難變更或基本不可變更的本質原因。依照上述說明,結合圖1,針對大腦思維在機構演變過程中的特點,在機構概念確定之前,主要采用語言文字的邏輯推理、模式識別、模式聚類等方法,經過語言文字與幾何屬性的功能載體之構造表征的轉換,在機構概念及其構造載體確定之后,主要是對幾何構造的性能進行分析處理,而所有的處理結果都將歸結為構造的屬性分析、細化與確認問題。

在大腦內外,基于人的認知理解和表征工具與方法,機構設計所經歷的過程通常可有圖4所示的表達方式,這表明了人對機構演變中不同階段的理解、評價與確認,表明人可借助表達載體(紙與筆等),通過自身的行為方式來輸出大腦所思的結果。這些表征形式均可用計算機來進行。

3 設計過程的CAD技術要點

前面說到,按流行的現代設計方法,計算機輔助主要體現在機構概念被轉換為構造形式的設計方案之后,也就是在機構的圖式表征下的性能分析階段、沖突消解、技術與制造可行性環節中。大量的商業軟件就是如此。

通過對思維過程的分析,基于信息加工原理,則可以通過以下兩方面提升大腦與計算機交互下的全過程設計:一方面,在需求分析、功能定義、機構概念確認階段,利用數據預處理、特征提取、特征降維、特征空間向量模型、關聯度計算、二次特征降維等技術,實現對需求描述進行文本處理,包括知識獲取、知識融合等邏輯推理處理;另一方面,在行為分析、性能設計、沖突消解與制造可行性環節與過程中,借助參數化設計思想、自動建模與自動裝配等技術,利用機械設計軟件進行性能分析,實現對產品概念的圖式形態下的性能處理及其優化。

本文采用的具體方法與技術是:首先利用Visual Basic.NET語言,在M icrosoft Visual Studio 2008平臺上,實現對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,采用參數化技術、函數操縱的自動建模及裝配技術,實現三維構造建模及視覺呈現;再利用ANSYS、ADMAS等進行靜力和動力學等非可視感官下的產品性能分析,使CAD在這兩方面趨于整體化。在整個設計過程中,大腦與計算機作為一個整體的信息處理系統,進行人機交互下的信息處理。通過人機交互,實現CAD將人的創造性思維、專業知識及實踐經驗與計算機高速運算功能、大量信息存儲及邏輯判斷能力、圖形處理技術與可視化表征能力有機結合,尤其是將大腦中心理影像用虛擬技術表現出來,更有利于人的再思維、知識重用、信息交換與共享,提高可理解性,尤其是對構造性問題的抽象表征的整體理解與把握。

選用VB平臺的主要原因在于:VB具有簡單易學、通用和開發效率高等特點,更適合有經驗的或無經驗的、計算機知識弱項的機械設計工程師們發揮機械設計特長,保護非專利技術。尤其是通過商業軟件的利用,能獲得適宜的專用機構設計CAD系統。

4 連桿機構的設計實現

語言文字和圖式的表征、處理在大腦與計算機中具有各異的本質區分,這里重點介紹圖式表征與處理問題。語言文字表征處理的重點是描述數據預處理、特征提取、特征降維、特征空間向量模型、灰色關聯度算法、二次特征降維等知識,借助ICTCLAS中文分詞系統、Visual Basic.NET、Microsoft Visual Studio 2008、Visual Basic等軟件 ,在計算機上實現文本處理及文本-圖形轉換過程。

按照計算機的工作原理、計算機圖形學原理、當前三維軟件的工作原理等,從底層數據向上層展開是便利的,也就是從零件向部件或整個機械機構組合是合適的。機構設計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。在利用計算機進行信息處理時,采用實例的方法可以實現這一順序。本文使用基于輔助基準的裝配方法來生成或說構造實例,并以此來建立實例庫,既可以獲得大量樣例,又可省去大量存儲空間,也就是說,盡量使用函數操作而少用數據結構存儲。而形成實例構造的零件基礎則通過參數化技術來實現按需求的變更,通過生成實例的行為分析與性能分析評判對需求的滿足程度。對于不適合的情形,通過改變其基礎零件、組件參數,通過再裝配來獲得解決。

4.1 實例模式與生成方法

基于實例的設計方法是推理方法在設計領域中的應用,其思想來源于知識重用的思維方式。在面對新的設計要求時,設計者腦海中首先浮現出以往工作中出現過的類似設計,并進行對比,找出異同點,再參考設計標準及準則,確定新的設計方案。要利用計算機再現這一過程,關鍵在于根據用戶對設計條件的描述,抽象出實例特征并建立篩選條件。據此條件建立抽象概念與具體構造的對應與關聯關系,也就是大腦中的構造實例檢索、評價、變形、重構等思維操作,也就是浮現。

實例模式是一個實例的模板樣式,通過參數化技術對其構成零件進行修改,可獲得在其基礎上的各種變型體,以適應實際問題的需求目標。具體的實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,分析用戶需求,描述機構定義,隨后進行機構概念生成,經過表征轉換,再進行性能設計,包括技術設計、施工設計等。將文本描述與功能建立的對應關系通過關聯轉換實現圖式表征,再利用VB與Solidworks軟件進行建模、裝配、性能分析,完成后續設計。根據需求,在現有設計方案中尋求最佳方案進行改進。把機構按功能分類,形成不同的模板,實現從功能到結構快速有效的映射,采用知識推理模塊進行推理,實現機構從功能到結構的自動化設計。基于功能-構造與實例的設計流程如圖5所示。

圖5 基于功能-構造與實例的設計流程圖

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

(2)實例檢索。遵照一定的原則或算法(如屬性、特征組合、匹配與關聯等),從實例庫的設計實例中檢索出和新設計實例最接近的設計方案。

(3)構造重組或生成。根據檢索到的實例,利用參數化思想、編程技術及基于輔助基準的裝配方法,利用Solidworks的二次開發技術,自動建模及裝配,并對其整體進行性能分析、沖突消解,獲得性能評價。

(4)實例修正。根據上述分析結果、新舊設計要求之間的差異及相關設計知識,對舊的設計方案進行修改,以便形成讓用戶滿意的新方案。

(5)實例評價。通過設置一系列的幾何、性能約束,檢查新的設計方案是否違反約束,以決定新的設計方案對新設計要求的有效性。

(6)新實例保存。將新問題及其設計方案添加到實例庫,以備下次重用。

4.3 連桿機構的設計實現

圖6 軟件實現局部

連桿機構是傳遞與變換機械運動的主要部件,經過組合,它幾乎可以實現現今生產條件下的所有機械運動功能。連桿機構是功能的承載體,有大量的歷史積淀,又是抽象表征與形象表征轉換的成熟案例,其基本構造簡單,易于自動建模及自動裝配而建立案例庫。本文在建立連桿機構案例庫的基礎上,根據用戶需求,利用參數化技術及基于輔助基準的裝配技術自動生成新案例構造模型,并以四連桿機構為實例進行軟件實現,其基本流程和主要人機交互界面適用于其他形式的連桿機構,如圖6所示。基本工作流程為:選擇并打開用戶需求文本,調用文本分析系統進行處理,將處理結果反饋給需求文本框進行顯示,經過人機交互修正評價,轉入功能分析模塊,通過知識融合與屬性關聯性分析而獲得基本功能。利用功能對應下的屬性特征等分析評價、關聯度分析等環節,用機構的屬性、特征組合對應獲得圖式表征的設計案例。分析設計案例的裝配關系,確定裝配順序及裝配特征等。利用參數化思想、編程技術及基于輔助基準的裝配方法,利用Solidworks的二次開發技術,自動建立裝配案例,并對機構進行性能分析、沖突消解,如此循環,直到確定設計方案為止。

部分程序如下:

5 結語

提出一個基于信息加工的機構設計CAD架構,該架構的兩個基本要素是機構的各階段表征形式、各表征的處理技術與各表征之間的轉換技術。實踐證明,利用文本數據挖掘、特征提取、灰色關聯度計算方法、參數化技術、基于輔助基準的裝配技術等,在計算機上實現從文字符號的抽象思維模式到對應圖式的形象思維模式的連續處理與轉換,實現構造體的自動建模、裝配與性能分析是可行的。

基于信息加工的機構設計原理與過程CAD方法符合人們實際的設計過程和思路,符合人的理解方式與計算機的信息處理方法,便于構造和實現自學習功能,便于計算機進行連續的、整體的處理設計問題。

產品概念的產生是一個抽象思維的過程,是信息聚縮的過程,面對復雜多變的產品市場,對于初涉及該領域的工程師是個極大的難點。本文采用計算機的文本處理技術、人工智能技術等來做概念設計的前處理,可以大大提高信息的收集處理能力與水平,再通過案例圖式轉換來獲得概念的構造表達,可以極大地降低設計者的勞動強度,提高設計效率。

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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專項(09JK 562);西安建筑科技大學基礎研究基金資助項目(JC0708)

(編輯 蘇衛國)

張曉鐘,男,1953年生。西安建筑科技大學機電工程學院教授。主要研究方向為機械CAD/CAE、信息化機械產品設計、機械產品設計的軟件化開發、機械振動理論與應用等。楊 哲,男,1985年生。西安建筑科技大學機電工程學院碩士研究生。羅 丹,女,1973年生。西安建筑科技大學機電工程學院副教授。