基于產品系譜的概念結構多方案設計方法*

楊 波，高常青，王 偉，李海濤

(濟南大學機械工程學院，濟南 250022）

0 引言

作為整個設計過程中最為重要的階段，概念設計是產品設計活動中關鍵的一步，而多方案設計是概念設計階段的核心問題。從宏觀上講，機械產品是個功能耦合系統，包括若干子系統功能，顯然，不同層次的問題要用不同層次的理論及技術解決，這就決定了方案設計的復雜性與不可預知性。

在以往的研究中解決多方案設計時，基本上采用一種原理綜合方法，常采用的方案設計方法有圖論法［1］、實例推理法［2］、功能與符號映射法［3］等。圖論法解決原理方案設計問題，得到滿足功能要求的概念解;實例推理法用于零件的細節設計。由于原理方案過于抽象，而細節設計又太過具體，因此兩者信息難以共享，造成方案設計與細節結構設計信息傳遞的脫節。同時，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太多，且難以進行評價與優化。

在智能機械產品概念設計求解方法方面，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的概念和原理，提出了智能概念設計中的基因模型，在概念創新設計等方面進行了深入研究［4］;馮培恩等研究了復合功能原理方案設計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計方法，采用本體表示通口建造領域本體知識，從而實現設計概念創新;張建明等從能量轉換的角度提出了基于知識的產品概念設計啟發式求解［7］。

上述這些方法對概念設計求解進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算機所無可比擬的廣泛性、自適應性和更新速度，因此企圖以通過記錄人的求解方法、找出其中的規律并將它們賦予計算機的研究還遠遠沒有達到實用階段，也無法實現概念設計的智能化。

基于預期性，系統之間才能有效地交換信息、反饋信息，實現系統運行模式的智能化，而同構是系統之間交互作用產生預期反映的前提條件，因此多方案設計的基礎之一是建立產品基于功能單元的同構描述模型。

1 產品系譜模型

生物進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驗”和以達爾文為代表的“比較生物學”。

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化設計方法，較好的解決了方案選擇、變量設計等優化問題，但自然生命體基因序列的長度遠遠高于目前計算機人工基因的數量級，加之CPU時間因素的限制，只能實現組合設計的篩選，根本達不到對設計進化的連續描述水平，因此無法完全模擬自然界具有的無限時間和空間優勢。

達爾文的進化論表現為“進化譜系”，其研究生物進化的手段不是對其進化的實驗和仿真，而是通過比較物種的結構而形成譜系。

模擬達爾文的進化理論，將生命現象中的系譜理論引入到產品的設計中，本文提出了基于系譜的產品多方案設計方法。由于組成產品系統的各個子系統都存在著其相對獨立的功能機制，因此，通過建立其功能與結構系譜并對其進行分析，研究各類系統的基本要素，結構與功能單元，原理與功能機制、功能層次，就有可能象基因重組一樣，組構人類所需要的系統類型，獲取所需要的系統功能，并在此基礎上統一解決各個層次的問題，實現設計過程的智能化。

1.1 產品系譜概念

系譜學來自拉丁文genealogia，原義指關于家族世系、血統關系的科學，側重于理解事物的起源及其演變過程。

物種之間的進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立進化的結果。

如圖1所示，雖然存在著巨人的差別，但是產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，產品可以看作做由符形和符意組成的一個符號的存在，其外在的形態為符形，由形態所傳達出的意義為符意。因此可將產品同構相似性分為兩類，即結構同構性，表現為外在的形態的符形相似性;以及功能同構性，表現為符意相似性。基于這種結構同構性以及功能同構性則可建立產品概念設計的系譜模型。

圖1 生命體與產品的符號相似性

在進行產品仿生概念設計時，系譜模型表現為一種聚合關系，在一定產品結構中的各功能要素與結構要素自身存在著系譜性，構成了一個潛在的符號庫，它與“不在場"的眾多符號形成可替換性的關聯，從而形成了產品的生長與進化;而在一定結構中，任何符號要素的變動都會形成一種新的符號重構，從而形成了組成產品結構的變異。

1.2 產品系譜描述模型

在產品設計過程中，為表達產品的繼承與演變關系，建立產品基于系譜的同構描述模型，可首先根據產品從定量到定性的進化邏輯，得出不同概念結構之間的結構聯系，建立基于結構進化相似性的結構系譜與基于功能進化相似的功能系譜。

1.2.1 結構系譜

定義 結構系譜:所謂結構系譜是指一組具有共同的形狀特征和功能、能夠被某一系列產品共享的、具有相對穩定結構的可重用模塊的集合。

結構系譜由功能結構以一定的組合關系構成可擴展網絡，通過對結構系譜的任意結構元施加空間布局約束和拼接約束可建立零件族模型，通過修改參數尺寸可以實現零件大小的變化，通過對功能結構的修改或替換可達到零件實例結構的變型和變異，通過提高零件變型對象的層次可實現零件功能結構的變異。下面給出兩種典型結構系譜的建立。

(1）幾何形狀結構系譜

在產品生成的過程中，面的信息對于產品的設計和制造具有重要的意義，根據物體面的信息可以確定物體的真實形狀、物理特性(如體積、質量等）、劃分有限元網格、定義數控程序中刀具的軌跡等，因此可以作為產品幾何造型的基本結構單元。由于大多數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，同時這些功能面表面具有可生長性，因此，可作為產品幾何造型設計的基本結構系譜模型，如圖2所示。

圖2 幾何形狀結構系譜

(2）傳動機構結構系譜

常規的傳動機構如果從功能和結構上劃分，不僅數量多(可能達到上千種甚至更多），而且又各自具有具體固定的結構形式，基本上不存在結構上的可生長性，如果在概念設計階段使用這種常規機構，將過早地限制住產品結構形式，使產品失去大量的可實現創新的機遇。

借鑒功能機構的定義特點，從機構實現傳動的最基本作用原理出發，抽取出它們功能上的本質特征，并保證所抽象出的機構在結構形式上具有可生長性及可擴充性，可將傳統的機構形式劃分為杠桿、斜面、摩擦以及杠桿、斜面作用的復合等四種傳動機構，建立起如圖3結構系譜。

圖3 傳動結構系譜

例如，對于杠桿機構，包含輸出面、輸入面用以完成運動或力的傳遞功能，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動態的定位功能。當杠桿機構中的每一個表面發生改變時，如輸出面的位置、方位的改變都將引起整個機構運動性能的改變，從而實現結構的變異設計

執行、定位和傳動是產品結構的最基本功能，它們概括了產品功能的全部內涵，相同的方法可以建立執行、定位機構的結構系譜。

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變的進化邏輯將不同的功能單元聯系成相互關聯的脈絡關系，其中包括了功能之間的包容、歸類和發展方向等信息。

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，而針對兩種不同的物理效應，如改變尺寸又可通過熱膨脹、形變記憶合金等功能單元實現，而測量物體尺寸又可通過起電、發光等功能單元實現，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

功能系譜相對于結構系譜而言往往具有很強的穩定性，即便是不同的產品往往有著相同的功能系譜單元構成。組成產品的每一個元素或獨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

產品系譜是建立在功能系譜與結構系譜的基礎上的，基于功能同構性可以建立功能系譜，而基于結構同構性，可以建立結構系譜，在此基礎上即可進行基于系譜的產品演化設計，如圖5所示。

圖5 基于系譜的產品多方案生成過程

當設計某一特定類型的產品時，其產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立子功能

(2）建立子功能的功能系譜:如存在n(f1）個功能原理單元可實現子功能f1，則子功能f1的功能系譜即可建立如下。

(3）根據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:據相容性原則及其他設計準則確定子功能的功能原理組合集，從而建立產品功能方案集;

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:

則為該類產品的一個原理方案解。

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

(6）建立某一方案的結構系譜矩陣:如方案fs1的結構系譜矩陣為。

(7）建立結構方案集:據相容性原則及其他設計準則確定子結構方案的組合集，從而建立產品結構方案集;

如其中的功能方案fs1其各子功能的結構系譜單元的組成模式為:

經過上述過程即可完成某類產品多方案生成過程。

這種基于系譜的產品多方案具有可追溯性、同一功能單元的同源性以及結構實現單元的可演化性及擴展性等特點，因此，為實現概念設計的智能化提供了統一的功能同構模型。在此基礎上，即可建立基于同源性狀態轉換、狀態交換及狀態交互作用一體化的復雜功能網絡系統，實現概念結構的進化及變異設計。

3 基于功能系譜的產品設計實例

生物科學家所表達的進化以時間為主線，進化設計的譜系則是以進化邏輯為主線關聯的脈絡關系，其中包括了方案之間的包容、歸類和發展方向等信息。下面以工業機械手多方案設計過程為例說明產品系譜的在設計過程中的應用。

工業機械手是工業機器人的一個重要分支，是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預定要求輸送工件或握持工具進行操作的自動化技術裝備。它主要由執行機構、驅動機構、控制機構以及位置檢測裝置等組成，其中執行機構方案的選擇是機械手概念設計中的最主要的部分。

工業機械手的執行動作可以分解為以下幾個子功能:夾取工件f1、調整工件的方位f2以及調整工件位置f3。因此其子功能集可表示為:

執行機構主要由手部完成夾放工件、腕部完成調整工件的空間方位和臂部完成調整工件的空間位置。因此工業機械手的設計主要包括手部、腕部和臂部的設計。

(1）手部結構系譜的建立

機器人手部是安裝于機器人手臂末端，直接作用于工作對象的裝置，其設計是機器人設計中的一個重要環節。手部結構可選方案有夾鉗式、吸附式以及勾拖式，因此其結構系譜為:

夾鉗式功能結構由傳力裝置以及手指組成，其中，傳力機構可由圖3所示的傳動結構系譜演化而來，其演化體系如圖6所示。

圖6 傳動件類結構演化體系

根據工業機械手傳力機構的功能特點，選取齒輪齒條機構、絲杠螺母機構、滑槽杠桿機構、連桿杠桿機構、斜楔杠桿機構、彈簧杠桿機構以及重力式機構作為其基本功能機構單元;選取V形指、細長尖指、平面指、內卡指以及特型手指作為手指機構的基本功能機構單元，建立夾鉗式機構的結構系譜，如表1所示。

表1 夾鉗式機構的結構系譜

其結構方案共有組合30種。

吸附式功能單元則可由負壓氣吸附、磁力吸附兩種模式實現，而負壓氣吸附又可分為氣流負壓、真空吸盤和擠氣負壓三種結構實現方式，其結構系譜如表2所示。

表2 吸附式機構的結構系譜

勾拖式手部結構主要包含有驅動裝置、無驅動裝置、彈簧式三種形式。其結構系譜如表3所示。

表3 勾拖式手部的結構系譜

因此X3f1的結構系譜可表述為:

綜上，手部的結構系譜集為:

(2）腕部結構系譜的建立

腕部主要用于連接手部和臂部，其功能是調整工件的空間方位，這種空間方位的調整主要包括，繞x軸回轉、繞y軸回轉、繞z軸回轉、繞y軸橫移。據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。

根據腕部結構的功能結構特點，可建立各功能單元的結構系譜如下:

其中，G(X1f2）1，G(X1f2）2，…，G(X1f2）7分別為回轉液壓缸、齒輪齒條缸、軸線相互垂直的雙回轉液壓缸、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構、三自由度鏈輪錐齒傳動機構、鏈輪回轉缸結構;

其中，G(X2f2）1，G(X2f2）2為兩自由度鏈輪錐齒傳動機構、鏈輪回轉缸結構;

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

為活塞油缸、齒輪齒條與單作用活塞缸的組合;

在此基礎上即可建立腕部結構系譜。以此類推可建立臂部的結構系譜。

(3）基于結構系譜的產品設計

當建立了產品的結構系譜后即可實現基于系譜的產品方案設計，下面以手部的設計為例說明設計過程。手部設計與被夾持工件的結構、重量、尺寸以及易損壞性有直接、顯著的關系，因此其基本功能需求可從工件的物理性質抽象得出，如表4所示。

表4 手部單元的功能需求系譜

在此基礎上可建立從功能需求到結構系譜的映射。例如當功能需求為: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，則手部的方案為:

從而建立了手部結構的方案，在此基礎上可進一步進行基于設計參數、作用場以及作用物質的變異設計，從而實現產品設計方案的演化。

4 結束語

本文將生命現象中的系譜理論引入到產品的設計中，提出了基于系譜的概念結構演化設計方法，并在此基礎上對基于系譜的產品結構與概念設計方案演化方法進行研究。基于系譜的產品多方案具有可追溯性、同一功能單元的同源性以及結構實現單元的可演化性及擴展性等特點，因此，為實現概念設計的智能化提供了統一的功能同構模型。在此基礎上，即可建立基于同源性狀態轉換、狀態交換及狀態交互作用一體化的復雜功能網絡系統，實現概念結構的進化及變異設計。

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