第20卷第10期機械設(shè)計Vol. 20 No. 102003年10月JOURNAL OF MACHINE DESIGNOet.2003基于設(shè)計目錄的運動方案設(shè)計刁培松1,2,儀垂杰',吳文權(quán)”,魏修亭1(1. 山東理工大學,山東獵博255012;2. ⊥:海理工大學,上海20093)摘要:闡述了設(shè)計目錄基本進程,依據(jù)功能和機構(gòu)的特點定義了功能和機構(gòu)編碼方式,在此基礎(chǔ)上,建立了功能元表和包括評價指標的機構(gòu)解表。由于不同的用戶對功能各評價指標的重要程度所需要求不同,因此建立了用戶功能表,一方面描述用戶功能,另一方面通過層次分析方法獲得每個評價指標對不同功能的權(quán)重,用戶功能搜索機構(gòu)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，在上述思想下開發(fā)了基于設(shè)計目錄的運動方業(yè)設(shè)計的軟件系統(tǒng)kintic.關(guān)鍵詞:設(shè)計目錄;運動方案設(shè)計中文分類號: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(shè)計思維規(guī)律和原理方案設(shè)計本質(zhì)認識還不到設(shè)計日錄是否能有效地工作。在編碼過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化,而是重點研能的正確表達,不會出現(xiàn)二義性,又要考慮到編碼生成方便,便兗人機協(xié)同解決設(shè)計問題[。又由于機械是由有限數(shù)量的不于計算機管理和查詢。同構(gòu)件組成，因此人們可以通過合成與組合的方式產(chǎn)生功能不由于機械運動的多種性,如何提取其具有代表性的共有特同的機械系統(tǒng)[2]。因此基于設(shè)計日錄的產(chǎn)品方案設(shè)計應運而征,并用這些特征來描述每一個具體的功能,是功能編碼應該生,它既可以通過人機有效地協(xié)同工作.又可以通過組合的方研究的問題。功能編碼應形式規(guī)范、桶蓋所有功能。在J泛研式生成不同的機械系統(tǒng),是方案設(shè)計的有效方法之一。究機構(gòu)實現(xiàn)的功能基礎(chǔ)上,借鑒文獻[3,4]提出了12位編碼，設(shè)計日錄是形式化了的知識庫,設(shè)計者可以從中實時地獲應用于功能編碼。取所需信息,并應用于設(shè)計之中。設(shè)計目錄主要包括功能元日在編碼之前對功能進行合理的歸類,以利于編碼和計算機錄、機構(gòu)解目錄以及圍繞這兩個0錄的輔助目錄。運動方案設(shè)實現(xiàn)把文獻[5]所闡述的功能進行了重新分類,即:(1)實現(xiàn)運計的最終目標是在功能分解的基礎(chǔ)上獲得機構(gòu)解。機構(gòu)包含動形式變換的功能;(2)實現(xiàn)運功軸線位置變換.轉(zhuǎn)數(shù)變換、運兩個屬性，-是運動特性,二是實現(xiàn)運動特性優(yōu)劣的評價特:動分支、連接、離合和過載保護等的功能;(3)實現(xiàn)運動合成與性[3]。機構(gòu)的運動特性是實現(xiàn)功能的基本需求,從功能到構(gòu)件分解運動增減和運動換向的功能。其中功能(3)中的運動增的映射過程中必須完全滿足。滿足功能需求的機構(gòu)解集稱為減只考慮力和轉(zhuǎn)矩的增減，轉(zhuǎn)速的增減在功能(2)的轉(zhuǎn)速變換行解集,而評價特性是在滿足運動特性基礎(chǔ)上的進-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(gòu)的還功能分解機構(gòu)解表}1總體思路魔元機構(gòu)的功能ID-出機構(gòu)創(chuàng)}研究思路為:首先對用戶的功能進行分解直到產(chǎn)生功能元用戶功能D。為址,給每個功能元進行編碼,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(gòu)實現(xiàn)是否橫足用戶的功能編碼相匹配為判別原則,搜索機構(gòu)解表,牛成初始可行功能特殊要求解,對初始可行解進行急回特性、傳動比、傳遞功率和軸線位置能表四項特殊要求進行判別,最后得到可行解。利用評價指標對可行解進行模糊評判,獲得問題的最優(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(shè)計目錄中一項十分關(guān)鍵的工作，它直接影響對于功能(1)可以使用運動形式、運動軸線、運動往復性、收稿日期:2003 - 03 - 07;修訂日期:2003 -06-12基金項目:山東省重點基金項目(299F04)作者簡介:刁培松(1962 - ),男.山東煙臺人山東理工大學輕工與農(nóng)業(yè)工程學中國煤化工要從事CAD與概念設(shè)計的研究。THCNMHG8機械設(shè)計第20;卷第10期.速率特性和運動連續(xù)性5個特性來描述.再考慮到輸入、輸出,錄,生成一個可行解集。機構(gòu)解應實現(xiàn)用戶的功能，這是機構(gòu)因此實現(xiàn)運動形式變換的功能只需要10 位。但對于功能(2).的基本要求,必須無條件地滿足這些要求.在滿足基本要求的(3)只用10位就會出現(xiàn)二義性,為了與功能(1)相區(qū)別,增加廠情況下,再對可行解進行篩選擇優(yōu)。篩選和撣優(yōu)需要一套 指標第11位和12位編碼。當?shù)?1位和12位都為0時,表示功能體系來進行評價.該評價指標包括20個指標，從經(jīng)濟性、工作(1),當?shù)?1位為非0時，12位必須為0,此時表示功能(2)。性能和社會性三個方面對機構(gòu)的優(yōu)劣程度進行評價。當?shù)?2位為非0,第11位必須為0時,表示功能(3)。無論哪表2機構(gòu)編碼方式 .類功能前10位都是必霞的,所以稱為功能編碼的基本位,后兩機構(gòu)組編號|機構(gòu)分類編號位稱為附加位。圖2所示了功能編碼各位的含義。表1列出機構(gòu)維名(第1,2位)機構(gòu)分類名稱(第3位)了功能編碼方式。平帶傳動帶傳咖機構(gòu)0三角帶傳動第第20第了物第年的第位第8時輔9確1011612何套筒滾子鏈鏈傳動機構(gòu)齒形鏈傳動.輸送鏈浙開線圓柱齒輪機構(gòu)齒輪機構(gòu)漸開線圓錐齒輪機構(gòu)四柱渦桿傳動機構(gòu)潤輪潤桿機構(gòu)圓弧面渦桿傳動機構(gòu)圈2功能編碼各 位的含義錐渦桿傳動機構(gòu)表1功能編碼方式2K- H行星齒輪機構(gòu)期碼1i2|3|45|6|7|8|行星齒輪機構(gòu)05_3K行星齒輪機構(gòu)標K-H- V行星齒輪機構(gòu)I名粉螺旋機構(gòu)靜壓螺旋機構(gòu)運動直線特定軌痕珠螺旋機構(gòu)形式轉(zhuǎn)動運動擺動跡運動運動.凸輪機構(gòu)平板凸輪空間凸輪r軸|x軸z軸曲柄搖桿機構(gòu)運動單向雙向兩種雙曲柄機構(gòu)往復性.運動」運動|均可雙搖桿機構(gòu)平面連桿機構(gòu)08速率e曲柄滑塊機構(gòu)特性非勻速勻速導桿機構(gòu)正旋機構(gòu)l 連續(xù)性問歇|連續(xù)棘輪機構(gòu)功能2屏蔽運動軸運動軸運動運動運動過載有級尤級定比槽輪機構(gòu)標記位功能2找變向我平穆分支聯(lián)結(jié)離合|保護調(diào)速調(diào)速傳間歇機構(gòu)0S不完全齒輪機構(gòu)功能3屏蔽.增力增轉(zhuǎn)矩臧力味轉(zhuǎn)運動運動運動其它形式的間歌運動機構(gòu)標記位功能矩合成分解換向斜楔夾緊機構(gòu)該編碼易于計算機生成、存儲和檢索，在面向?qū)ο蟮木幊搪菪龏A緊機構(gòu)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(gòu)表達功能的含義。1(端面凸輪夾緊機構(gòu)餃鏈夾緊機構(gòu)聯(lián)動夾緊機構(gòu)3機構(gòu)編碼與評價指標定心夾緊機構(gòu)離合器無止動器與定位器13.1機構(gòu)編碼塊式制動器功能編碼是唯-的，而實現(xiàn)功能元的機構(gòu)常常是多個的,帶式制動器制動裝置13即功能與機構(gòu)的映射是--對多的關(guān)系.這使得機構(gòu)組合生成更盤式制動器多的產(chǎn)品成為可能;另外-方面,一個機構(gòu)具有多種功能，在建錐面制動器立機構(gòu)解表時,一個機構(gòu)可以出現(xiàn)多次,但它們實現(xiàn)的功能各由于不同的機構(gòu)之間實現(xiàn)的功能不同，結(jié)構(gòu)也有很大的差不相同,即機構(gòu)解表中允許機構(gòu)有冗余。異。如果直接給出評價指標具體最化數(shù)據(jù),則實現(xiàn)同- -功能的機構(gòu)用5位數(shù)字來表示機構(gòu)的編碼,第1位和第2位為該不同機構(gòu)之問難以比較和衡量。通常情況下,人們評價- -項指機構(gòu)所屬機構(gòu)組名編號,第3位為該機構(gòu)內(nèi)的分類編號,4~5標用很好好.中、差等模糊概念來進行。因此,對每一項評價位為相同分類名稱下的編號。表2列出了機構(gòu)前3位機構(gòu)編指標都用5個可能的取值,即優(yōu)、良、中、及格和差,在評價時，碼方式。給出每個取值的隸屬度。評價指標的5個取值的隸屬度值,直3.2 機構(gòu)評價指標體系接影響設(shè)計結(jié)果的優(yōu)良程度,為了保證機構(gòu)解目錄數(shù)據(jù)的正確可行解的產(chǎn)生是用每-一個用戶功能,遂個搜索機構(gòu)解日性,應請多名資深的專家對隸屬度取值,然后通過加權(quán)平均獲錄,在用戶功能與機構(gòu)實現(xiàn)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(gòu)解法目錄是一項繁瑣和復朵的基礎(chǔ)解,然后對基本可行解集中刪除不滿足用戶功能特殊要求的記中國煤化工示了機構(gòu)解月錄對話框。YHCNMHG2003年10月刁培松，等:基于設(shè)計目錄的運動方案設(shè)計1S1C HE-1圈4便戶功贛對話杷■3機構(gòu)鉅目錄對話枉4用戶功能與評價指標的權(quán)重5模糊評價采用模糊評判的方法對可行解集進行評價。其步驟如下:用戶功能就是滿足用戶需求的功能，用戶功能的編碼是在(1)評價目標Y = lyvy.*.*.mn = |制造成本,加工工用戶總功能分解的基礎(chǔ)上進行的.分解的目的是為了降低問題藝,,結(jié)構(gòu)緊湊性}。的復雜程度,分解不能太粗,使得子功能無法映射到一具體機加權(quán)系數(shù)集A = }a,a,",axo| ,即用戶功能對評價指標構(gòu)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(quán)重要求。連層分解到功能元為止,然后對功能元進行編碼。所謂功能元評價標準值(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具體的機構(gòu)或構(gòu)件時,此格,差}時的子功能稱為功能兒。另外,因為不同的設(shè)計問題對評價指(2)方案對20個評價目標的模糊評價隸屬度矩陣。標的重要程度是不同的,例如實現(xiàn)轉(zhuǎn)動-轉(zhuǎn)動的功能，有的功「R能要求遠距離傳輸,而另-個要求傳動精度高,因此盡管它們.R實現(xiàn)的功能相同,但對評價指標的重要程度卻不同。為了使決策更趨合理，每個設(shè)計功能都應確定評價指標重要程度的權(quán)”R,|=重,權(quán)重的獲得是逝過層次分析法進行兩兩比較,最后通過計算而得到。.在設(shè)計過程的某-階段,可能需要多個功能來滿足需求，12 T13 T14 1]-制造成本對評價集的隸屬度但此時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,又要求實現(xiàn)多個功能來滿足需求。其實這是由于機rgy rq2 rg3 r94 ros←工作壽命對評價集的隸屬度構(gòu)功能的多樣性決定的。在編碼過程中不應該在-個編碼號←結(jié)構(gòu)緊湊性對評價樂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。比如平帶開口傳動,既有送動軸平移的功能，又有定(3)綜合模糊評價隸屬度矩陣:比傳動的功能,在描述這個過程中,是以運動軸平移作為功能B= A°R= [b; b2 by bs bs]編碼,還是以定比傳動位編碼,這要取決于主要功能,如果以軸-般可選用模糊數(shù)學中以下兩種方法之-進行模糊矩陣線平移作為主要功能,其編碼為022010220120,如果以定比傳合成,乘加法和取小取大法運算。乘加法適合評價因素多的情動為主要功能,編碼為022010220190,因此在建立機構(gòu)解目錄況，選用該方法。時，必須把機構(gòu)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。用戶功能中增添了急回要求、傳動比、傳遞功率和輸入輸出軸線位置4個字段。當輸出運動為擺動或直線運動時有急回或6結(jié)論無急回的要求。當輸人和輸出運動都為轉(zhuǎn)動時，有傳動比需求。當輸人和輸出軸平行時,使用功能編碼能夠恰當描述,但在建立功能元通用機構(gòu)解法目錄基礎(chǔ)上,依據(jù)用戶功能和當輸人輸出軸線垂直相交或垂直交錯時,使用功能編碼無法區(qū)用戶功能對機構(gòu)評價指標的權(quán)重,使用模糊評價的方法獲得運別,因此引入輸人和輸出軸特殊要求。圖4為用戶功能對話動方案最優(yōu)機構(gòu)解。該方法有效地解決了方案設(shè)計中信息殘框。(下轉(zhuǎn)第25頁)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(shè)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.一種改進的遺傳算法一 領(lǐng)城真空[J]機械科學與技個基本遺傳算子,繼承了傳統(tǒng)遺傳算法的精髓:首次提出并設(shè).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(shè)計[M].北京:科學出版斂。引入混沌移民操作的主要意圖是克服傳統(tǒng)遺傳算法中的早[7]劉勇,康立山，陳玉屏. 非數(shù)值并行算法(第二冊)-遺傳算法社.2000.熟問題,數(shù)值計算實例表明，這種新算子的引入是有效的，而且效果顯著。同時,混沌移民操作具有混純優(yōu)化算法的特點，即[M].北京:科學出版社.19989生成混沌移民群體后,對其進行評價的過程實質(zhì)上就是- - 種混[8]趙正佳， 黃洪鐘.陳新.優(yōu)化設(shè)計求解的遺傳-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)新算法研究[J].西南交通大學學報2000.35(1):65 - 68.沌優(yōu)化的搜索過程。因此,混沌遺傳優(yōu)化算法可以認為是傳統(tǒng)[9] 孫國正.優(yōu)化設(shè)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性約束和無約束優(yōu)化設(shè)計問題,具有穩(wěn)健的全局收斂性,在Chaos - genetic optimal algorithm and application in me-機械優(yōu)化設(shè)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(shè)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(guī)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(zhèn)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(shù)學基礎(chǔ)[M].西安:西安交通大學出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(shè)計中的應用[].機械設(shè)valuation in engineering application.計.2001. 18(專集):148- 150.Key words: chac x;migration;genetic algorithm;chacs - genet-[4]張春慨， 徐立云,邵惠鶴.改進混沌優(yōu)化及其在非線性約柬優(yōu)化問ic algorithm;optimal design題中的應用[J].上海交通大學學報200.30(5):5953 - 595.Fig0 Tab 1 Ref 9“Jixie Sheji" 3009(上接第19頁)(1. Shandong University of Science & Techology, Zibo 255012,缺難以量化評價的問題,開發(fā)的基于設(shè)計目錄的運動方案設(shè)計China;2. Shanhai University of Science and Texchnologxy. Shanghai的原型系統(tǒng)kinetie,可作為運動方案設(shè)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(shè)計日錄原理方案及其求解過程的特征建this as a base, the functional unit table and mechanism solution模[J].機械工程學報, 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(gòu)選型的實現(xiàn)[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(gòu)系統(tǒng)方案設(shè)計專家系統(tǒng)”初探(一)-一 -知weight of different function upon every evaluation target. The us-識庫管理系統(tǒng)的建立[J].機被設(shè)計, 1996.(5):26 - 28.er' s functional searching mechanism solution table acquired feasible5] 鄒慧君.機械運動方案設(shè)計手冊[S]. 上海:上海交通大學出版社，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