機(jī)電產(chǎn)品中廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案自動(dòng)生成原理及應(yīng)用研究.pdf

1、機(jī)電一體化產(chǎn)品的應(yīng)用面極其廣泛，既與人們的日常生活聯(lián)系緊密，又對(duì)一個(gè)國(guó)家的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著不可估量的作用。在機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，概念設(shè)計(jì)階段是一個(gè)極富創(chuàng)造性的重要階段，據(jù)調(diào)查，只占成本5﹪的概念設(shè)計(jì)階段決定了產(chǎn)品全生命周期成本的85﹪，產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的70﹪以上。概念設(shè)計(jì)一般涉及到設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)、靈感、情緒和想象力等，因此深入研究概念設(shè)計(jì)的理論和開發(fā)有效的計(jì)算機(jī)輔助工具，將有利于消除設(shè)計(jì)者的情緒、偏見等因素，加大概念設(shè)計(jì)方案搜

2、索的深度和廣度，提高概念設(shè)計(jì)的效率。 機(jī)電一體化系統(tǒng)通常是由多領(lǐng)域成分組成的復(fù)雜系統(tǒng)，因而機(jī)電一體化系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)并不同于傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)，需要更多領(lǐng)域的技術(shù)支持、知識(shí)支持和計(jì)算機(jī)軟件支持。當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，為概念設(shè)計(jì)方案的自動(dòng)化獲取提供了重要的支持工具，但是如何合理運(yùn)用相關(guān)技術(shù)，以及充分融合各種設(shè)計(jì)方法，仍然十分具有挑戰(zhàn)性。另一方面，機(jī)電一體化系統(tǒng)組成的復(fù)雜性和多領(lǐng)域性，決定了機(jī)電一體化產(chǎn)品應(yīng)用知識(shí)的多

3、學(xué)科性，也決定了概念設(shè)計(jì)方案輸出的多樣性和不確定性，因此有必要建立機(jī)電一體化系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)階段的動(dòng)態(tài)仿真模型，利用計(jì)算機(jī)仿真來驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的新方案是否能夠完成功能以及功能所附帶的約束條件。 針對(duì)以上研究目的，本文研究了計(jì)算機(jī)輔助機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)對(duì)機(jī)電產(chǎn)品中廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案自動(dòng)生成過程中所涉及到的相關(guān)原理、技術(shù)進(jìn)行了研究，具體包括對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)組成劃分方法、機(jī)電產(chǎn)品中廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì)階段的知識(shí)建模、廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)

4、方案自動(dòng)求解過程理論及計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)、廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)建模及方案仿真、以及方案自動(dòng)生成軟件平臺(tái)的構(gòu)建技術(shù)等問題作了研究，主要內(nèi)容如下： 1.對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)組成進(jìn)行了合理而明確的劃分和細(xì)化，并就機(jī)電一體化系統(tǒng)各個(gè)組成部分的設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了討論，有助于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化和條理化 從機(jī)電一體化產(chǎn)品的不同類型出發(fā)深化對(duì)機(jī)電一體化這一概念的認(rèn)識(shí)，比較其與傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品的異同之處。從物理組成和邏輯構(gòu)成兩個(gè)方面認(rèn)識(shí)機(jī)電

5、一體化產(chǎn)品的組成特征，并從邏輯構(gòu)成層面上劃分了機(jī)電一體化系統(tǒng)組成的三個(gè)子系統(tǒng)：廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)、信息處理及控制子系統(tǒng)、傳感檢測(cè)子系統(tǒng)。隨后對(duì)這一組成劃分進(jìn)行了解釋，并詳細(xì)討論了三個(gè)子系統(tǒng)的組成內(nèi)容，討論了三個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)、設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)步驟等相關(guān)內(nèi)容，這些討論為機(jī)電一體化產(chǎn)品中三個(gè)子系統(tǒng)單元的設(shè)計(jì)及三個(gè)子系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)提供了系統(tǒng)的指導(dǎo)。 2.研究了機(jī)電產(chǎn)品中廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì)階段的知識(shí)建模內(nèi)容，討論了適用于廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)概

6、念設(shè)計(jì)的知識(shí)描述方法和組織方法，為實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)的自動(dòng)推理建立了基礎(chǔ)以機(jī)電一體化系統(tǒng)組成的三個(gè)子系統(tǒng)為研究對(duì)象，重點(diǎn)對(duì)廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)的表示方法進(jìn)行了研究，從輸出功能、運(yùn)動(dòng)特性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)編碼、仿真模型等方面全方位描述了廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)特性和功能屬性。針對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品組成復(fù)雜、輸出多樣化的特性，考慮將方案描述與仿真模型相結(jié)合，以定性描述和定量仿真方案的獲取為目標(biāo)對(duì)機(jī)電產(chǎn)品中廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)的知識(shí)描述進(jìn)行了分析。在三個(gè)子系統(tǒng)對(duì)象性知識(shí)描

7、述之后，為實(shí)現(xiàn)高效的計(jì)算機(jī)識(shí)別和推理，還研究了這些對(duì)象性知識(shí)的組織方式，將面向?qū)ο?、框架、產(chǎn)生式規(guī)則、一階謂詞邏輯等知識(shí)組織方法結(jié)合起來，建立了廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)知識(shí)組織的混合式方法，這種混合式方法完整的表示了廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)象并易于用Prolog語言描述，使計(jì)算機(jī)輔助生成的廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案解的集合更加完備，是廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案自動(dòng)生成計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的重要基礎(chǔ)。 3.對(duì)廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案的自動(dòng)生成進(jìn)行了研究，建立基于DPAM-F(即Device

8、ProcessActionMechanism-Function)過程模型的廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案智能匹配平臺(tái)，為計(jì)算機(jī)輔助機(jī)電一體化系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)提供更合理的實(shí)現(xiàn)步驟 概括機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整個(gè)過程，分析實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的瓶頸所在，建立了基于DPAM-F的廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)方案智能匹配求解過程模型。DPAM-F模型從更具體的設(shè)備分類出發(fā)，D-P的映射過程可以應(yīng)用已有的案例作為工藝子過程的解集，避免了FPAM(功能

9、-柔性工藝動(dòng)作過程-可控執(zhí)行動(dòng)作-廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu))模型中F-P映射過程難以計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)的缺點(diǎn)，同時(shí)又具備了FPAM模型的優(yōu)點(diǎn)，將功能屬性具體關(guān)聯(lián)到工藝子過程、執(zhí)行動(dòng)作、執(zhí)行機(jī)構(gòu)三個(gè)層次。將人工智能語言SICStusProlog對(duì)功能-行為-機(jī)構(gòu)的自動(dòng)推理結(jié)合到這一過程模型中，通過自頂向下的DPAM分解映射和自底向上M-F-A-F-P-F-D的回溯匹配與創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了局部方案自動(dòng)生成和整體方案輔助設(shè)計(jì)。在廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案生成后，以三個(gè)子系統(tǒng)的

10、集成設(shè)計(jì)為目標(biāo)，以伺服控制和調(diào)節(jié)控制為原型，研究了機(jī)電集成單元控制方案參數(shù)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。同時(shí)就機(jī)電集成單元方案組合過程中機(jī)器工作循環(huán)圖的作用進(jìn)行了討論。這些研究?jī)?nèi)容建立了廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)及機(jī)電集成單元方案生成的實(shí)現(xiàn)過程，對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。 4.以三個(gè)子系統(tǒng)組成為基礎(chǔ)模塊，以廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)建模為主要內(nèi)容建立了機(jī)電產(chǎn)品中廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)仿真模型知識(shí)庫(kù)，有效的支持了廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案生成后的仿真分析 方

11、案生成后的計(jì)算機(jī)虛擬仿真是機(jī)電一體化系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)階段的一個(gè)重要內(nèi)容，它為概念設(shè)計(jì)方案的初步評(píng)估提供了形象的支持。分析了多個(gè)仿真軟件的建模和仿真功能，針對(duì)現(xiàn)有仿真工具對(duì)機(jī)電產(chǎn)品中廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案仿真支持不足的缺點(diǎn)，利用Matlab軟件既可以支持電子系統(tǒng)又可以支持機(jī)構(gòu)系統(tǒng)仿真分析的新特點(diǎn)，建立了基于Matlab軟件Simulink及SimMechanics工具箱的廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及傳感器和控制器仿真模型知識(shí)庫(kù)，為機(jī)電集成單元方案生成后的仿真分

12、析提供了快速有效的支持。仿真分析平臺(tái)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)其它運(yùn)動(dòng)學(xué)分析功能和初步的尺寸綜合功能的支持，為廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案的取舍提供了更進(jìn)一步的定性及定量分析指標(biāo)。 5.討論了機(jī)電產(chǎn)品中廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)開發(fā)的層次化分析方法，并以這一方法為指導(dǎo)，開發(fā)了廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案生成軟件平臺(tái)ICDPMS(IntelligentConceptualDesignPlatformforMechatronicSystems)。 分析了基于TR

13、IZ理論的TechOptimizer創(chuàng)新設(shè)計(jì)軟件、基于公理化設(shè)計(jì)理論的Acclaro軟件、基于知識(shí)的計(jì)算機(jī)輔助機(jī)電一體化系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)軟件Schemebuilder這些軟件工具對(duì)機(jī)械及機(jī)電一體化系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的支持現(xiàn)狀以及存在的問題，針對(duì)機(jī)電產(chǎn)品中廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì)方案生成類型的特點(diǎn)，討論了廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)構(gòu)建的層次化分析方法，并使用層次化分析方法全面的捕獲構(gòu)建廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)所需的基礎(chǔ)知識(shí)和軟件資源，開發(fā)了ICD