基于產(chǎn)品基因的概念設(shè)計(jì)理論及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、概念設(shè)計(jì)是機(jī)械產(chǎn)品生命周期中決定產(chǎn)品質(zhì)量、成本和創(chuàng)新性的重要階段。本文在系統(tǒng)綜述計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)、產(chǎn)品基因以及生長型設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展的基礎(chǔ)上，為解決機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)過程中存在的問題，借鑒生物基因工程的思想，利用產(chǎn)品基因在設(shè)計(jì)知識(shí)表示和進(jìn)化方面的潛力，探索概念設(shè)計(jì)建模方法和設(shè)計(jì)知識(shí)轉(zhuǎn)換規(guī)律，研究概念設(shè)計(jì)自動(dòng)化理論和關(guān)鍵技術(shù)，為計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)平臺(tái)的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。本文研究內(nèi)容和進(jìn)展如下： 在詳細(xì)論述分解重構(gòu)原理和廣義定位原理的

2、基礎(chǔ)上，分析了概念設(shè)計(jì)建模、概念設(shè)計(jì)自動(dòng)化和產(chǎn)品基因逆向求解等關(guān)鍵技術(shù)，提出了機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)知識(shí)轉(zhuǎn)換模型和理論框架。功能表面作為具有明確功能概念的最小幾何單位，是產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)的信息載體，是產(chǎn)品基因形式化表達(dá)的媒介。在采用數(shù)學(xué)方法描述功能表面和功能模式的基礎(chǔ)上，提出了功能單元的概念，提高了概念產(chǎn)品功能描述和結(jié)構(gòu)表達(dá)的能力。根據(jù)產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和信息需求，建立了產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)知識(shí)轉(zhuǎn)換模型。模型包括知識(shí)表示、知識(shí)轉(zhuǎn)換和知識(shí)獲取三個(gè)部分，分

3、為設(shè)計(jì)信息轉(zhuǎn)換和設(shè)計(jì)過程轉(zhuǎn)換兩個(gè)環(huán)節(jié)。以分解重構(gòu)原理和廣義定位原理為理論基礎(chǔ)，以概念設(shè)計(jì)建模、概念設(shè)計(jì)自動(dòng)化和產(chǎn)品基因逆向求解等為關(guān)鍵技術(shù)，以設(shè)計(jì)知識(shí)庫和CAD平臺(tái)為支撐環(huán)境，構(gòu)建了概念設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)并提出了計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架。 建立了產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)功能模型、產(chǎn)品信息模型和產(chǎn)品映射模型。產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)模型是關(guān)于設(shè)計(jì)對象和設(shè)計(jì)過程的計(jì)算機(jī)抽象描述和表達(dá)，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)。提出了產(chǎn)品功能模型；采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)建

4、立了功能表面、零件和產(chǎn)品信息模型，采用多層次產(chǎn)品信息組織方式，從而使設(shè)計(jì)信息容易理解和處理；以功能表面為媒介，采用數(shù)學(xué)方法構(gòu)建了產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)產(chǎn)品映射模型(功能一功能表面一結(jié)構(gòu))，實(shí)現(xiàn)了功能到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定映射關(guān)系；為使設(shè)計(jì)者能夠考慮多種方案，并且在功能分解、功能表面表示以及物理實(shí)現(xiàn)的同時(shí)能夠捕獲設(shè)計(jì)意圖，提出了三層概念設(shè)計(jì)過程模型，較好地解決了概念設(shè)計(jì)過程中功能向結(jié)構(gòu)映射問題。 概念設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

5、借鑒生物基因工程的思想，類比生物基因，提出了產(chǎn)品基因的概念，建立了產(chǎn)品基因模型，來表達(dá)概念設(shè)計(jì)過程中涉及的復(fù)雜的異構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)。給出了產(chǎn)品基因面向?qū)ο蠖x，描述了產(chǎn)品基因的變長度編碼體系。采用功能表面作為物理載體，在更深的層次上實(shí)現(xiàn)功能到結(jié)構(gòu)的信息傳遞，提出了產(chǎn)品基因的形式化表達(dá)方法和產(chǎn)品基因進(jìn)化策略。構(gòu)建了基于產(chǎn)品基因的概念設(shè)計(jì)過程模型和系統(tǒng)框架，有效解決了設(shè)計(jì)知識(shí)表示和轉(zhuǎn)換問題，有利于計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)工具的開發(fā)。 提出了產(chǎn)品

6、基因逆向求解和產(chǎn)品基因庫建模方法。獲取信息組合優(yōu)良的產(chǎn)品基因并建立產(chǎn)品基因庫是通過基因進(jìn)化生成新產(chǎn)品的前提和基礎(chǔ)。采用IDEF方法描述了產(chǎn)品基因庫管理系統(tǒng)功能信息模型，并提出了產(chǎn)品基因逆向求解方法。產(chǎn)品基因逆向求解主要功能包括STEP信息轉(zhuǎn)換、ACIS產(chǎn)品建模、概念結(jié)構(gòu)創(chuàng)成、設(shè)計(jì)過程重構(gòu)和產(chǎn)品基因表達(dá)。為充分利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)在數(shù)據(jù)操作和處理方面以及成熟的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理方面的優(yōu)勢，提出了基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理面向?qū)ο?/p>

7、層次模型，構(gòu)建了產(chǎn)品基因庫及其管理工具實(shí)現(xiàn)方法。較好地解決了設(shè)計(jì)知識(shí)獲取和管理問題，對設(shè)計(jì)知識(shí)重用和產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了有力的支持。 在上述設(shè)計(jì)理論和關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于產(chǎn)品基因的計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)-PGBDARFAD。該系統(tǒng)是在ACIS幾何建模平臺(tái)上采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)開發(fā)的，包括產(chǎn)品基因逆向求解、產(chǎn)品基因進(jìn)化、設(shè)計(jì)方案創(chuàng)成、基因庫管理和系統(tǒng)管理等功能模塊。以數(shù)控銑床機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)描述了功能分解和產(chǎn)品進(jìn)化過程。P