基于設計目錄的運動(dòng)方案設計

第20卷第10期機械設計Vol. 20 No. 102003年10月JOURNAL OF MACHINE DESIGNOet.2003基于設計目錄的運動(dòng)方案設計刁培松1,2,儀垂杰',吳文權”,魏修亭1(1. 山東理工大學(xué),山東獵博255012;2. ⊥:海理工大學(xué),上海20093)摘要:闡述了設計目錄基本進(jìn)程,依據功能和機構的特點(diǎn)定義了功能和機構編碼方式,在此基礎上,建立了功能元表和包括評價(jià)指標的機構解表。由于不同的用戶(hù)對功能各評價(jià)指標的重要程度所需要求不同,因此建立了用戶(hù)功能表,一方面描述用戶(hù)功能,另一方面通過(guò)層次分析方法獲得每個(gè)評價(jià)指標對不同功能的權重,用戶(hù)功能搜索機構解表獲得可行解集，最后使用模糊評判的方法獲得最優(yōu)解，在上述思想下開(kāi)發(fā)了基于設計目錄的運動(dòng)方業(yè)設計的軟件系統kintic.關(guān)鍵詞:設計目錄;運動(dòng)方案設計中文分類(lèi)號:TP391.72;TH11文獻標識碼:A文章編號:1001 - 2354(2003)10 - 0017-03由于人們對設計思維規律和原理方案設計本質(zhì)認識還不到設計日錄是否能有效地工作。在編碼過(guò)程中既要考慮到功充分,所以人們不再追求原理方案的完全自動(dòng)化,而是重點(diǎn)研能的正確表達,不會(huì )出現二義性,又要考慮到編碼生成方便,便兗人機協(xié)同解決設計問(wèn)題[。又由于機械是由有限數量的不于計算機管理和查詢(xún)。同構件組成，因此人們可以通過(guò)合成與組合的方式產(chǎn)生功能不由于機械運動(dòng)的多種性,如何提取其具有代表性的共有特同的機械系統[2]。因此基于設計日錄的產(chǎn)品方案設計應運而征,并用這些特征來(lái)描述每一個(gè)具體的功能,是功能編碼應該生,它既可以通過(guò)人機有效地協(xié)同工作.又可以通過(guò)組合的方研究的問(wèn)題。功能編碼應形式規范、桶蓋所有功能。在J泛研式生成不同的機械系統,是方案設計的有效方法之一。究機構實(shí)現的功能基礎上,借鑒文獻[3,4]提出了12位編碼，設計日錄是形式化了的知識庫,設計者可以從中實(shí)時(shí)地獲應用于功能編碼。取所需信息,并應用于設計之中。設計目錄主要包括功能元日在編碼之前對功能進(jìn)行合理的歸類(lèi),以利于編碼和計算機錄、機構解目錄以及圍繞這兩個(gè)0錄的輔助目錄。運動(dòng)方案設實(shí)現把文獻[5]所闡述的功能進(jìn)行了重新分類(lèi),即:(1)實(shí)現運計的最終目標是在功能分解的基礎上獲得機構解。機構包含動(dòng)形式變換的功能;(2)實(shí)現運功軸線(xiàn)位置變換.轉數變換、運兩個(gè)屬性，-是運動(dòng)特性,二是實(shí)現運動(dòng)特性?xún)?yōu)劣的評價(jià)特:動(dòng)分支、連接、離合和過(guò)載保護等的功能;(3)實(shí)現運動(dòng)合成與性[3]。機構的運動(dòng)特性是實(shí)現功能的基本需求,從功能到構件分解運動(dòng)增減和運動(dòng)換向的功能。其中功能(3)中的運動(dòng)增的映射過(guò)程中必須完全滿(mǎn)足。滿(mǎn)足功能需求的機構解集稱(chēng)為減只考慮力和轉矩的增減，轉速的增減在功能(2)的轉速變換行解集,而評價(jià)特性是在滿(mǎn)足運動(dòng)特性基礎上的進(jìn)-步完中考慮。善,是從可行解集中選擇最優(yōu)解的評判標準。機構的還功能分解機構解表}1總體思路魔元機構的功能ID-出機構創(chuàng )}研究思路為:首先對用戶(hù)的功能進(jìn)行分解直到產(chǎn)生功能元用戶(hù)功能D。為址,給每個(gè)功能元進(jìn)行編碼,功能元搜索通用功能表以保證通用功能表的完整性,然后功能元以其白身的編碼與機構實(shí)現是否橫足用戶(hù)的功能編碼相匹配為判別原則,搜索機構解表,牛成初始可行功能特殊要求解,對初始可行解進(jìn)行急回特性、傳動(dòng)比、傳遞功率和軸線(xiàn)位置能表四項特殊要求進(jìn)行判別,最后得到可行解。利用評價(jià)指標對可行解進(jìn)行模糊評判,獲得問(wèn)題的最優(yōu)解。研究思路如圖1所功量的添加，薛改與利障是否存在2功能編碼飛圖1 總體研究思路功能編碼是設計目錄中一項十分關(guān)鍵的工作，它直接影響對于功能(1)可以使用運動(dòng)形式、運動(dòng)軸線(xiàn)、運動(dòng)往復性、收稿日期:2003 - 03 - 07;修訂日期:2003 -06-12基金項目:山東省重點(diǎn)基金項目(299F04)作者簡(jiǎn)介:刁培松(1962 - ),男.山東煙臺人山東理工大學(xué)輕工與農業(yè)工程學(xué)中國煤化工要從事CAD與概念設計的研究。THCNMHG8機械設計第20;卷第10期.速率特性和運動(dòng)連續性5個(gè)特性來(lái)描述.再考慮到輸入、輸出,錄,生成一個(gè)可行解集。機構解應實(shí)現用戶(hù)的功能，這是機構因此實(shí)現運動(dòng)形式變換的功能只需要10 位。但對于功能(2).的基本要求,必須無(wú)條件地滿(mǎn)足這些要求.在滿(mǎn)足基本要求的(3)只用10位就會(huì )出現二義性,為了與功能(1)相區別,增加廠(chǎng)情況下,再對可行解進(jìn)行篩選擇優(yōu)。篩選和撣優(yōu)需要一套 指標第11位和12位編碼。當第11位和12位都為0時(shí),表示功能體系來(lái)進(jìn)行評價(jià).該評價(jià)指標包括20個(gè)指標，從經(jīng)濟性、工作(1),當第11位為非0時(shí)，12位必須為0,此時(shí)表示功能(2)。性能和社會(huì )性三個(gè)方面對機構的優(yōu)劣程度進(jìn)行評價(jià)。當第12位為非0,第11位必須為0時(shí),表示功能(3)。無(wú)論哪表2機構編碼方式 .類(lèi)功能前10位都是必霞的,所以稱(chēng)為功能編碼的基本位,后兩機構組編號|機構分類(lèi)編號位稱(chēng)為附加位。圖2所示了功能編碼各位的含義。表1列出機構維名(第1,2位)機構分類(lèi)名稱(chēng)(第3位)了功能編碼方式。平帶傳動(dòng)帶傳咖機構0三角帶傳動(dòng)第第20第了物第年的第位第8時(shí)輔9確1011612何套筒滾子鏈鏈傳動(dòng)機構齒形鏈傳動(dòng).輸送鏈浙開(kāi)線(xiàn)圓柱齒輪機構齒輪機構漸開(kāi)線(xiàn)圓錐齒輪機構四柱渦桿傳動(dòng)機構潤輪潤桿機構圓弧面渦桿傳動(dòng)機構圈2功能編碼各 位的含義錐渦桿傳動(dòng)機構表1功能編碼方式2K- H行星齒輪機構期碼1i2|3|45|6|7|8|行星齒輪機構05_3K行星齒輪機構標K-H- V行星齒輪機構I名粉螺旋機構靜壓螺旋機構運動(dòng)直線(xiàn)特定軌痕珠螺旋機構形式轉動(dòng)運動(dòng)擺動(dòng)跡運動(dòng)運動(dòng).凸輪機構平板凸輪空間凸輪r軸|x軸z軸曲柄搖桿機構運動(dòng)單向雙向兩種雙曲柄機構往復性.運動(dòng)」運動(dòng)|均可雙搖桿機構平面連桿機構08速率e曲柄滑塊機構特性非勻速勻速導桿機構正旋機構l 連續性問(wèn)歇|連續棘輪機構功能2屏蔽運動(dòng)軸運動(dòng)軸運動(dòng)運動(dòng)運動(dòng)過(guò)載有級尤級定比槽輪機構標記位功能2找變向我平穆分支聯(lián)結離合|保護調速調速傳間歇機構0S不完全齒輪機構功能3屏蔽.增力增轉矩臧力味轉運動(dòng)運動(dòng)運動(dòng)其它形式的間歌運動(dòng)機構標記位功能矩合成分解換向斜楔夾緊機構該編碼易于計算機生成、存儲和檢索，在面向對象的編程螺旋夾緊機構中,使用多選- -按鈕或組合框，可以方便生成功能代碼，清楚地偏心夾緊機構表達功能的含義。1(端面凸輪夾緊機構餃鏈夾緊機構聯(lián)動(dòng)夾緊機構3機構編碼與評價(jià)指標定心夾緊機構離合器無(wú)止動(dòng)器與定位器13.1機構編碼塊式制動(dòng)器功能編碼是唯-的，而實(shí)現功能元的機構常常是多個(gè)的,帶式制動(dòng)器制動(dòng)裝置13即功能與機構的映射是--對多的關(guān)系.這使得機構組合生成更盤(pán)式制動(dòng)器多的產(chǎn)品成為可能;另外-方面,一個(gè)機構具有多種功能，在建錐面制動(dòng)器立機構解表時(shí),一個(gè)機構可以出現多次,但它們實(shí)現的功能各由于不同的機構之間實(shí)現的功能不同，結構也有很大的差不相同,即機構解表中允許機構有冗余。異。如果直接給出評價(jià)指標具體最化數據,則實(shí)現同- -功能的機構用5位數字來(lái)表示機構的編碼,第1位和第2位為該不同機構之問(wèn)難以比較和衡量。通常情況下,人們評價(jià)- -項指機構所屬機構組名編號,第3位為該機構內的分類(lèi)編號,4~5標用很好好.中、差等模糊概念來(lái)進(jìn)行。因此,對每一項評價(jià)位為相同分類(lèi)名稱(chēng)下的編號。表2列出了機構前3位機構編指標都用5個(gè)可能的取值,即優(yōu)、良、中、及格和差,在評價(jià)時(shí)，碼方式。給出每個(gè)取值的隸屬度。評價(jià)指標的5個(gè)取值的隸屬度值,直3.2 機構評價(jià)指標體系接影響設計結果的優(yōu)良程度,為了保證機構解目錄數據的正確可行解的產(chǎn)生是用每-一個(gè)用戶(hù)功能,遂個(gè)搜索機構解日性,應請多名資深的專(zhuān)家對隸屬度取值,然后通過(guò)加權平均獲錄,在用戶(hù)功能與機構實(shí)現功能相匹配的情況下生成基本可行得隸屬度的平均值。機構解法目錄是一項繁瑣和復朵的基礎解,然后對基本可行解集中刪除不滿(mǎn)足用戶(hù)功能特殊要求的記中國煤化工示了機構解月錄對話(huà)框。YHCNMHG2003年10月刁培松，等:基于設計目錄的運動(dòng)方案設計1S1C HE-1圈4便戶(hù)功贛對話(huà)杷■3機構鉅目錄對話(huà)枉4用戶(hù)功能與評價(jià)指標的權重5模糊評價(jià)采用模糊評判的方法對可行解集進(jìn)行評價(jià)。其步驟如下:用戶(hù)功能就是滿(mǎn)足用戶(hù)需求的功能，用戶(hù)功能的編碼是在(1)評價(jià)目標Y = lyvy.*.*.mn = |制造成本,加工工用戶(hù)總功能分解的基礎上進(jìn)行的.分解的目的是為了降低問(wèn)題藝,,結構緊湊性}。的復雜程度,分解不能太粗,使得子功能無(wú)法映射到一具體機加權系數集A = }a,a,",axo| ,即用戶(hù)功能對評價(jià)指標構或部件,也不能太細,使得原理解極易產(chǎn)生組合爆炸。通常的權重要求。連層分解到功能元為止,然后對功能元進(jìn)行編碼。所謂功能元評價(jià)標準值(論城)X = }zwz.,as = {優(yōu),良,中,及就是當功能逐層分解到可以映射一個(gè)具體的機構或構件時(shí),此格,差}時(shí)的子功能稱(chēng)為功能兒。另外,因為不同的設計問(wèn)題對評價(jià)指(2)方案對20個(gè)評價(jià)目標的模糊評價(jià)隸屬度矩陣。標的重要程度是不同的,例如實(shí)現轉動(dòng)-轉動(dòng)的功能，有的功「R能要求遠距離傳輸,而另-個(gè)要求傳動(dòng)精度高,因此盡管它們.R實(shí)現的功能相同,但對評價(jià)指標的重要程度卻不同。為了使決策更趨合理，每個(gè)設計功能都應確定評價(jià)指標重要程度的權”R,|=重,權重的獲得是逝過(guò)層次分析法進(jìn)行兩兩比較,最后通過(guò)計算而得到。.在設計過(guò)程的某-階段,可能需要多個(gè)功能來(lái)滿(mǎn)足需求，12 T13 T14 1]-制造成本對評價(jià)集的隸屬度但此時(shí)使用功能編碼只能表示--種功能,既要求編碼能夠表示唯一功能,又要求實(shí)現多個(gè)功能來(lái)滿(mǎn)足需求。其實(shí)這是由于機rgy rq2 rg3 r94 ros←工作壽命對評價(jià)集的隸屬度構功能的多樣性決定的。在編碼過(guò)程中不應該在-個(gè)編碼號←結構緊湊性對評價(jià)樂(lè )的隸屬度中表示多種功能,為此應抓住主要功能特性,輔助功能在字段中描述。比如平帶開(kāi)口傳動(dòng),既有送動(dòng)軸平移的功能，又有定(3)綜合模糊評價(jià)隸屬度矩陣:比傳動(dòng)的功能,在描述這個(gè)過(guò)程中,是以運動(dòng)軸平移作為功能B= A°R= [b; b2 by bs bs]編碼,還是以定比傳動(dòng)位編碼,這要取決于主要功能,如果以軸-般可選用模糊數學(xué)中以下兩種方法之-進(jìn)行模糊矩陣線(xiàn)平移作為主要功能,其編碼為022010220120,如果以定比傳合成,乘加法和取小取大法運算。乘加法適合評價(jià)因素多的情動(dòng)為主要功能,編碼為022010220190,因此在建立機構解目錄況，選用該方法。時(shí)，必須把機構所有可能的功能都考慮到,以利于在不同的功乘加法:6;= anrn, +a2r2; +.-. + uamrmn,j= 1.2.3.4.5能下產(chǎn)生盡可能多的叮行解。為了彌補功能編碼信息不足,在(4)撣優(yōu)。利用最大隸屬度原則判斷方案優(yōu)劣順序。用戶(hù)功能中增添了急回要求、傳動(dòng)比、傳遞功率和輸入輸出軸線(xiàn)位置4個(gè)字段。當輸出運動(dòng)為擺動(dòng)或直線(xiàn)運動(dòng)時(shí)有急回或6結論無(wú)急回的要求。當輸人和輸出運動(dòng)都為轉動(dòng)時(shí)，有傳動(dòng)比需求。當輸人和輸出軸平行時(shí),使用功能編碼能夠恰當描述,但在建立功能元通用機構解法目錄基礎上,依據用戶(hù)功能和當輸人輸出軸線(xiàn)垂直相交或垂直交錯時(shí),使用功能編碼無(wú)法區用戶(hù)功能對機構評價(jià)指標的權重,使用模糊評價(jià)的方法獲得運別,因此引入輸人和輸出軸特殊要求。圖4為用戶(hù)功能對話(huà)動(dòng)方案最優(yōu)機構解。該方法有效地解決了方案設計中信息殘框。(下轉第25頁(yè))中國煤化工MHCNMHG2003年 10月郭惠昕,等:混沌遺傳優(yōu)化算法及其在機械優(yōu)化設計中的應用混沌遺傳優(yōu)化算法充分利用了基本遺傳算法中公認的3[s] 劉康.一種改進(jìn)的遺傳算法一 領(lǐng)城真空[J]機械科學(xué)與技個(gè)基本遺傳算子,繼承了傳統遺傳算法的精髓:首次提出并設.術(shù),2002,21(2): 207 ~ 209.計了混純移民算子,保持群體的多樣性,抑制和克服未成熟收[6] (日)玄光男 ,程潤偉.遺傳算法與工程設計[M].北京:科學(xué)出版斂。引入混沌移民操作的主要意圖是克服傳統遺傳算法中的早[7]劉勇,康立山，陳玉屏. 非數值并行算法(第二冊)-遺傳算法社.2000.熟問(wèn)題,數值計算實(shí)例表明，這種新算子的引入是有效的，而且效果顯著(zhù)。同時(shí),混沌移民操作具有混純優(yōu)化算法的特點(diǎn)，即[M].北京:科學(xué)出版社.19989生成混沌移民群體后,對其進(jìn)行評價(jià)的過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是- - 種混[8]趙正佳， 黃洪鐘.陳新.優(yōu)化設計求解的遺傳-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )新算法研究[J].西南交通大學(xué)學(xué)報2000.35(1):65 - 68.沌優(yōu)化的搜索過(guò)程。因此,混沌遺傳優(yōu)化算法可以認為是傳統[9] 孫國正.優(yōu)化設計及其應用[M].北京:人民交通出版社.1992.遺傳算法和混沌優(yōu)化算法的有機融合。該算法可有效的求解非線(xiàn)性約束和無(wú)約束優(yōu)化設計問(wèn)題,具有穩健的全局收斂性,在Chaos - genetic optimal algorithm and application in me-機械優(yōu)化設計等領(lǐng)城具有廣闊的工程應用前景,并為遺傳算法chanical optimal design的改建提供了新的思路和途徑。GUO Hui-xin,CHE Xlao-yI,XIAO Wel-yue表1箱形果優(yōu)化 設計的混沌遺傳優(yōu)化解及其比較(Department of Mechanical Engineering, Hunan University of混沌遺傳算法運行10次神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )遺傳一神經(jīng)常規優(yōu)|項目最差解最好解 方法測 網(wǎng)絡(luò )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參考文獻seftware of chaos- genetic optimization has been developed byMATLAB language. Numeric calculation shows that this algorithm[1] 陳國良.王煦法,莊鎮泉,等.遺傳算法及其應用[M!.北京:人民郵電出版社，1996.has god global counvergence and running robustness and is suitable2]張文修，梁怡.遺傳算法的數學(xué)基礎[M].西安:西安交通大學(xué)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及其在機械優(yōu)化設計中的應用[].機械設valuation in engineering application.計.2001. 18(專(zhuān)集):148- 150.Key words: chac x;migration;genetic algorithm;chacs - genet-[4]張春慨， 徐立云,邵惠鶴.改進(jìn)混沌優(yōu)化及其在非線(xiàn)性約柬優(yōu)化問(wèn)ic algorithm;optimal design題中的應用[J].上海交通大學(xué)學(xué)報200.30(5):5953 - 595.Fig0 Tab 1 Ref 9“Jixie Sheji" 3009(上接第19頁(yè))(1. Shandong University of Science & Techology, Zibo 255012,缺難以量化評價(jià)的問(wèn)題,開(kāi)發(fā)的基于設計目錄的運動(dòng)方案設計China;2. Shanhai University of Science and Texchnologxy. Shanghai的原型系統kinetie,可作為運動(dòng)方案設計有效工具。.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] 馮培恩,徐國榮.基于設計日錄原理方案及其求解過(guò)程的特征建this as a base, the functional unit table and mechanism solution模[J].機械工程學(xué)報, 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,鄒慧君.計算機輔助機構選型的實(shí)現[J].中國機械工程,200,12<8):918 -921the orther hand by means of stratified analytic method to obtain4] 鄒慧君,顧明敏.“機構系統方案設計專(zhuān)家系統”初探(一)-一 -知weight of different function upon every evaluation target. The us-識庫管理系統的建立[J].機被設計, 1996.(5):26 - 28.er' s functional searching mechanism solution table acquired feasible5] 鄒慧君.機械運動(dòng)方案設計手冊[S]. 上海:上海交通大學(xué)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'中國煤化工“Jixie Sheji"3192fYHCNMHG