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基于知识的计算机辅助机构设计支持技术研究

王冬梅  
【摘要】: 现代机构设计包括功能原理设计、方案设计、尺寸综合、运动、动力学分析及评价决策等阶段,具有复杂性、不确定性、创造性、高精度性、综合性、跨学科性等特点,这个过程是个基于经验的设计过程,现有的计算机辅助机构设计一般局限于机构的尺寸综合阶段,仅能满足机构的计算、绘图、三维建模等方面的工作,并且设计精度有待于提高,设计者还需要具备大量的、全面的经验和创新设计方法。如何运用现代设计方法,面向机构整个设计过程,将设计经验、知识形式化、数字化并以显示的方式保存下来并且采用符合设计思维的知识模型和知识处理技术以延伸、启发和提高设计者的设计能力,进行计算机辅助机构设计,是现代机构设计研究的重要内容。 本文针对现代机构设计技术研究存在的问题,将现代设计方法融入机构设计过程进行计算机辅助机构设计技术研究,重点研究了机构知识资源的分类、描述、知识资源库的构建、层次结构、应用技术以及功能原理求解、方案设计求解及尺寸综合求解的关键技术,开发了基于知识的计算机辅助机构设计支持系统,本文的研究成果和特色如下: (1)分析了基于知识的计算机辅助机构设计支持系统的功能需求,提出了由知识资源应用分系统、知识管理分系统、机构设计过程分系统、设计过程管理分系统、信息交换分系统所组成的计算机辅助机构设计支持系统的软件功能模型,建立了面向机构设计过程的智能化设计平台。 (2)对机构知识按照设计过程、精确性、表现形式、描述方式进行多维度的分类,提出了多维机构知识分类模型,并分析了机构设计知识的特点,提出了基于知识元的设计知识统一描述方法和面向机构设计过程的知识资源库的构成方案,并研究了基于MOP和TOPS方式的实例库组织方式及基于多层次的抽象实例库组织模型的实例聚类算法、规则库的组织形式和形式化描述、模型库组成和存储的层次结构,建立了知识资源库的管理模型,探讨了知识资源的应用技术。 (3)提出了在功能原理设计阶段用自然语言描述法进行功能描述的方法,在知识推理阶段用基于功能基的功能信息模型精确描述功能的方法,并且建立了功能及行为信息模型,综合了几种功能原理设计方法,提出了以功能-行为-结构方式为主,功能-工艺动作过程-动作-执行机构为辅的功能原理求解方式。此外,建立了功能抽象和功能分解的求解过程模型,建立了功能分析工具库以支持功能原理设计,并对机构输入、输出运动约束、及运动特性进行了编码。 (4)机构选型和构型是机构方案设计的两个阶段,机构选型设计大都依赖于设计实例和基本机构类型,因此本文研究了基于实例的推理技术原理,提出了三级检索选型流程的方法。研究了基本机构功能载体库的信息模型和实例的信息模型建立方法,探讨了实例的推理步骤、冲突消解策略及基于归纳法和最邻近法的实例检索机制,研究了基于选型方案设计的重用层次、设计需求语义元符号串表达、设计方案的树形结构及符号化表达、方案结构树重建等重构技术。 (5)机构的参数化设计是方案设计确定了基本型式后,对于结构型式相对固定的机构进行精确、具体的参数设计,本文分析了传统的参数化设计的不足及知识融合的参数化设计技术的特点,研究了基于知识融合参数化技术进行机构参数设计的关键技术:知识约束模型的建立方法,并应用于滑动螺旋机构进行了软件的开发。 (6)平面连杆机构的尺度综合问题可归结为满足给定轨迹要求与满足给定位置或运动规律的要求,目前计算机辅助连杆尺寸综合的关键问题是优化算法的确定,本文分析了平面连杆机构的特点和几种优化算法的特点,提出了运用遗传算法进行优化综合的求解策略,并以可调五杆机构轨迹综合问题为例,建立了优化模型,运用遗传算法进行尺寸优化综合,最后给出了优化综合实例。


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