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机电系统虚实一体化的创新设计自动化理论与技术研究

霍志璞  
【摘要】: 20世纪60年代涌现的虚拟现实技术曾引起各国技术界、产业界以及用户的广泛关注并迅速渗透至人们生活的方方面面。近年来,随着虚拟现实理论与技术研究的逐步深入,虚拟现实系统的应用也日趋成熟,围绕如何有效利用虚拟现实技术进行产品设计以及如何科学的进行虚拟现实系统的设计,成为需要着力研究的课题。 事实上,人类诉求设计理论和设计技术的历程由来已久,终极目标是根据设计思维行为规律实现产品设计全过程的自动化,使设计人员真正从繁琐的手工设计中解脱出来,提高设计效率和设计质量,进而增强产品的市场竞争能力。国内外众多学者在设计自动化领域取得了一些令人鼓舞的成就,然而现有成熟的CAD系统仍未彻底解决长期困扰学术界的需求分析、概念设计、功构映射等难题,对符合设计人员正常设计思维的Top-down设计风范和并行设计等问题的考虑仍显不足,因而导致在人机协同、创新能力等方面的支持依旧有限。作为一种行之有效的设计方法,虚拟设计丰富了设计行为方式,提供了崭新的设计表达形式和设计评价理论,能够在产品设计完成之前形成对产品的具体印象和感受,这些均有助于弥补现有CAD系统的缺陷,但从总体上讲,虚拟设计对设计全过程、特别是对设计过程的早期阶段、对待设计机电系统可能具有的虚实结合功能以及对人在待设计机电系统中的功能体现等问题缺乏考虑,产品设计或使用的体验多是主观的、感性的。 兼及众多先进的设计哲理和方法,并结合对传统设计过程的深刻领悟,基于已取得的分解重构原理和概念产品生长型设计过程模型等研究成果,本文从虚实一体化角度立论,提出了面向机电系统设计自动化的虚实一体化概念创新设计理论,在此基础上,针对计算机描述和处理问题的特点,构建了机电系统虚实一体化概念创新设计平台,在此平台下,进行了棉花打包机、数控车削中心、车辆驾驶和腹腔镜手术训练等虚实结合系统的设计实例验证,其中,棉花打包机和数控车削中心虚拟系统已得到济南星科经贸有限公司面向全国职业技术培训的推广应用,腹腔镜手术虚拟训练系统已获得国家专利并已着手开展临床应用。 机电系统虚实一体化概念创新设计理论是对虚拟设计理论的继承和创新。较之虚拟设计,虚实一体化设计理念更能够诠释产品设计自动化全过程,虚实一体化设计理念从哲学的高度回答设计思维本身的虚实结合、人、机协同设计或应用系统的虚实结合、设计或应用系统自身功能上的虚实结合3方面问题,将产品设计理论概括为设计过程的虚实一体化、产品信息的虚实一体化和系统实现的虚实一体化3方面内容。 在虚实一体化设计过程模型的研究工作中:首先提出以质、能、信息一体化设计信息流有序流动的观点剖析虚实一体化的设计过程,即认知领域关于物质的质、能的信息化描述连同信息本身一体化为设计领域的设计信息并在产品设计的过程中有序流动,从而将产品设计自动化全过程中的认知与设计(实践)、人、机协同决策以及设计自身的进化等问题有机结合起来,使虚实一体化设计理念中“虚”的含义得到进一步具体化。然后以虚实一体化设计过程的需求分析阶段作为研究重点,从需求获取、需求理解、协商和评判、需求管理等3个实现环节展开虚实一体化需求分析的研究:(1)定义了机电系统需求分析模型和感知思维模型,并从两者虚实结合的意义上给出了作为机电系统虚实一体化需求分析出发点和基础的机电系统虚实一体化需求分析模型的定义,即满足感知思维模型与机电系统需求分析模型间虚实结合的需求分析模式,形成虚实结合的结构化信息,表达具有虚实结合行为的系统需求。(2)提出了需求链概念,并详细分析了完整产业链对应的需求链构成,将需求链上的4类用户抽象为3类需求源及视点,给出了用户需求,包括用户特征、需求源特征、用户需求信息模型的BNF范式定义,其中,用户需求信息模型以视觉、听觉、触觉和作业需求作为用户公共的需求定义模板,具备针对机电系统虚实结合行为的表达能力,使用户驱动的需求抽取具有良好的启发性和发散性。(3)提出了设计者进行用户需求校验的定性校验项,结合给出的用户元、设备元、对象元、环境元四元组的设计需求拓扑结构定义,从广度和深度上形成设计需求拓扑结构的BNF范式定义和映射规则;采用改进的层次分析法进行需求可行性的定量化分析,具体包括需求的重要性排序、合理范围划定、效益风险评估等;定义了基于分解重构原理的设计需求进化过程中涉及的需求分解重构、间接递归、需求变更等问题的解决规则。 在虚实一体化产品信息模型的研究工作中:首先定义了与机电系统虚实一体化需求分析模型表述一致的机电系统虚实一体化功构设计模型,具体分析了设计空间中概念产品的质、能、信息的信息化表达形式,给出了设计方案、结构和参数等设计信息熵量度量的一般形式。然后确立了基于具有广阔重构空间的功能表面的功构设计信息表达方式,功能表面具有几何、功能双重属性,既描述产品功能又传递结构信息,从而使设计概念迅速过渡到设计结构、设计参数,能够从根本上解决设计自动化领域中棘手的功构映射问题;进一步将功能表面的功能信息扩展至包含电气信息,从而满足产品功能电气化实现的设计趋势,增强对机电系统概念设计的支持能力;建立了适用于基于功能表面分解重构原理的结构创成的产品信息模型,增强产品设计的创新和综合能力。最后就机、电表现出的认识规律上的参照性、设计过程中的相关性以及功能信息表达的一致性等提出了广义机电一体化的设计思想,全面分析了机、电在原理、功能设计上的相似性,给出了机电系统动力学方程统一性的初步证明,一方面使得功构映射更加丰富,设计推理更加灵活,有助于机电系统设计多方案的产生,另一方面能够针对机、电相似性的设计方案建立统一的物理仿真模型;详细划分了系统级、模块级、器件级3级机电系统设计知识体系,基于机电系统设计知识体系实例的推理有助于降低设计后期的重构难度;进一步建立了人、机、环境大系统观下,适用于概念创新设计的广义执行机构子系统、传感检测子系统、信息处理与控制子系统设计模式功能元的知识表达,其中,广义执行机构子系统归纳为4类设计模式,传感检测子系统归纳为3种设计模式,人、机、环境大系统观下的机电系统设计充分体现了虚实一体化的设计理念,虚实结合的表达方式能够支持具有虚实结合行为的机电系统设计。 在虚实一体化设计系统模型的研究工作中:本文虚实一体化设计系统模型的研究侧重点是,在机电系统虚实一体化概念创新设计理论基础上构建机电系统虚实一体化概念创新设计平台,实现对机电系统虚实结合功能的设计支持。 分析了机电系统用户元、设备元、对象元、环境元等功能四元组中用户元与设备元间以及设备元、对象元、环境元间虚实结合功能的设计表现,给出了虚实结合机电系统虚拟功能引入的判据;提出了用户元与设备元间的虚实结合,即人、机功能合理分配的设计依据,将人的功能纳入待设计机电系统统一考虑;系统归纳了人机界面虚实一体化设计元素,定义了人机界面柔性化设计的基本步骤;结合上述规则,拟定了机电系统虚实结合功能设计方案的评价要素集,采用二级模糊综合评价方法进行设计方案的定量化评价。 构建了支持虚实结合机电系统设计实现的机电系统虚实一体化创新设计平台,设计平台由DARFAD设计环境和Web设计环境组成。DARFAD设计环境采用基于接口的方法进行复杂机电系统的多领域建模,包括:基于Pro/Engineer ECAD的PCB设计,建立了9类电子元件定制库,解决MCAD与ECAD间的设计转换;基于Matlab/Simulink的行为性能仿真,尝试基于VRML接口进行虚拟系统动态特性仿真。Web设计环境为基于VRML和Java的Web嵌入式可组态机电系统虚拟平台,实现了机电系统电气控制的三维组态。


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