復雜機械系統(tǒng)快速創(chuàng)新設計

　　本書創(chuàng)建了基于三維平臺的復雜機械系統(tǒng)創(chuàng)新設計自動化理論體系，并構建了相應的自動化平臺，實現(xiàn)了復雜機械系統(tǒng)自創(chuàng)新性方案的創(chuàng)成到運動分析、結構設計、布局設計以及三維虛擬仿真等設計過程的自動化，解決了產(chǎn)品開發(fā)過程創(chuàng)新性與快速性統(tǒng)一的問題。本書主要內容為：基于設計規(guī)則的創(chuàng)新設計方法和改良的功能分解與重組創(chuàng)新設計方法，符號方案的分解與識別，復雜機械系統(tǒng)運動分析，面向對象的基本機構虛擬結構設計，復雜機械系統(tǒng)的布局設計，以及"后臺預置"裝配等自動化方法。 本書對于提升設計人員的產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)能力具有重要的參考價值，可以作為機械類本科生和研究生教學改革、培養(yǎng)其創(chuàng)新能力的教材，還可以作為工程設計人員等建立特定產(chǎn)品的創(chuàng)新設計自動化平臺的參考資料。 序 古代中國是個有創(chuàng)意的國家，是工藝技術的先驅者，東漢張衡的候風地動儀及北宋蘇頌的水運儀象臺皆是很好的佐證，而《周禮·考千汜》亦云："知者創(chuàng)物，巧者述之，守之世謂之工；百工之事，皆圣人之作也。"然而，自從工業(yè)革命以來的兩百多年，我們的機械工業(yè)始終未能全面趕上先進國家。當今發(fā)達國家依靠其深厚的技術根基及龐大的研發(fā)資源，不斷且快速地推出新產(chǎn)品，并相當重視知識產(chǎn)權的保護，我們唯有加速產(chǎn)品升級，才能在競爭劇烈的國際舞臺上健康地生存與發(fā)展。機械產(chǎn)品升級的關鍵在于設計能力的自主創(chuàng)新，而設計能力的提高，則有賴于不斷創(chuàng)新的研發(fā)能力及創(chuàng)意人才的培養(yǎng)。 我于1993年首次應邀到天津大學講學時認識作者王玉新教授，兩年后王教授向我展示了他基于我所提出的運動鏈再生機構創(chuàng)新設計方法發(fā)明的"連桿式子午線輪胎成型鼓"產(chǎn)品，及其獲得的國家發(fā)明四等獎獎勵證書，使我感到非常高興。當時，王教授提出應該實現(xiàn)運動鏈再生機構創(chuàng)新設計方法的計算機化問題。 多年來，作者勤奮扎實工作，先后解決了運動鏈再生過程的同構結果的判定、設計規(guī)則的推理、符號方案的自動識別、基本機構運動分析的自動化建模、基本機構的三維虛擬自動建模、復雜機械系統(tǒng)的布局，以及復雜機械系統(tǒng)虛擬裝配等問題。在產(chǎn)品創(chuàng)新設計的自動化方法研究方面，作者提出的基于設計規(guī)則的機構方案創(chuàng)新設計自動化方法，發(fā)展了我提出的運動鏈再生機構創(chuàng)新設計方法。通過對圖形載體進行符合設計規(guī)則的邏輯操作，使方案解集中既包括符合組合創(chuàng)新原理的機構設計方案，又包括相當數(shù)量且更具新穎性的機構設計方案。針對功能分解與重組概念設計方法創(chuàng)新性不高的特點，通過采取降低功能元粒度、考慮結構多功能屬性、動態(tài)劃分基本行為子集，以及基本機構行為集與基本行為子集動態(tài)最優(yōu)匹配等措施，使功能分解與重組方法具有變異創(chuàng)新能力。在此基礎上，考慮三維平臺的參數(shù)化設計特征，基于面向對象技術和數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了基本機構的自動化三維建模，并根據(jù)所提出的后臺預制裝配技術和復雜機械系統(tǒng)布局方法，實現(xiàn)了概念設計方法對應的復雜機械系統(tǒng)的自動化造型、裝配、及虛擬仿真。使在三維虛擬樣機的層面上，從眾多的創(chuàng)成設計方案中快速遴選出最具有創(chuàng)新性的設計方案成為可能，從而大大地提高了產(chǎn)品的創(chuàng)新性和產(chǎn)品開發(fā)的效率。這一系列的研究，在國際上率先實現(xiàn)了復雜機械系統(tǒng)由方案創(chuàng)成到方案虛擬仿真等產(chǎn)品開發(fā)過程的自動化，使復雜機械系統(tǒng)創(chuàng)新設計及其自動化研究，取得了重要的理論和應用進展，得到了國際學術界的肯定和贊賞。 本書反映了作者近十年來在復雜機械系統(tǒng)創(chuàng)新設計及其自動化研究領域所取得的研究成果，可為培養(yǎng)機械領域學生創(chuàng)意設計能力的教材，可為業(yè)界專家開發(fā)創(chuàng)新產(chǎn)品的工具，亦可為工程學者研究創(chuàng)意設計理論的參考。相信本書的出版，對于提升設計人員的產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)能力將發(fā)揮積極的作用，對于建立特定產(chǎn)品的創(chuàng)新設計自動化平臺將具有一定的指導價值，對機械工業(yè)設計人才的培養(yǎng)與系統(tǒng)產(chǎn)品的升級亦將有所貢獻。 前言 增強產(chǎn)品的創(chuàng)新設計能力，以自有知識產(chǎn)權參加國際市場競爭，已成為國內學術界和政府部門的共識。美國工程設計委員會在制定未來25年工程設汁優(yōu)先資助領域時，將創(chuàng)新設計作為三個重點資助方向之一，并認為創(chuàng)新設計是關系到未來美國企業(yè)核心競爭能力，增加就業(yè)機會的戰(zhàn)略性問題。另一方面，個性化發(fā)展趨勢和快速多變的市場，要求企業(yè)能夠準確地把握市場脈搏，有能力在第一時間內開發(fā)出能夠滿足市場需求的產(chǎn)品，從而贏得豐厚的利潤。因此，產(chǎn)品開發(fā)的快速創(chuàng)新能力是決定未來企業(yè)生存的關鍵，而創(chuàng)新性和快速性將是21世紀工程設計學科的重要發(fā)展前沿方向。 產(chǎn)品的個性化、柔性化、智能化是未來產(chǎn)品的重要特征。機電一體化產(chǎn)品是能夠滿足這些特征需求的產(chǎn)品的代表。機電產(chǎn)品設計方案的新穎性和創(chuàng)新性是影響我國機電產(chǎn)品在國際市場競爭力的關鍵因素。研究機電產(chǎn)品創(chuàng)新設計理論、方法及其創(chuàng)新設計的自動化，是關系到我國能否以自有知識產(chǎn)權的產(chǎn)品跨人世界制造業(yè)先進行列的關鍵，也是徹底解決我國目前出口產(chǎn)品利潤低、市場競爭力弱的關鍵。因此，有必要從系統(tǒng)的角度出發(fā)，提出一種先進的機電產(chǎn)品創(chuàng)新設計理論及其自動化方法，以提升企業(yè)的機電產(chǎn)品快速創(chuàng)新能力。 產(chǎn)品的概念設計階段，也即產(chǎn)品的原理方案設計階段，是決定產(chǎn)品創(chuàng)新性的主要環(huán)節(jié)。美國國家發(fā)展戰(zhàn)略研究中心的研究表明，產(chǎn)品綜合性能的70％是由概念設計階段決定的。從國內外機電產(chǎn)品研發(fā)的總體情況上來看，產(chǎn)品的概念設計多采用基于功能分解與重組設計方法的功能需求檢索方法，或者基于實例推理的方法。 功能分解與重組設計方法的主要缺陷在于：在設計方案的篩選方面，現(xiàn)有的價值評價只能解決功能與成本的評價問題，而對定量的性能評價則無能為力。因為機電產(chǎn)品的性能與參數(shù)有著密切的關系，而且是非線性關系，在方案的具體參數(shù)確定之前，其性能具有非量化性；形態(tài)矩陣方法容易造成解爆炸問題；方案的創(chuàng)新性不高。研究創(chuàng)新設計方法的學者普遍認為，由組合創(chuàng)新設計方法得到的方案一般都缺少創(chuàng)新性，屬于大眾性產(chǎn)品，即用常規(guī)思維能夠獲得的設計方案。 基于實例推理的產(chǎn)品設計方法，其主要問題在于怎樣在原有的方案基礎上生成具有新穎性與創(chuàng)新性的產(chǎn)品設計方案。如果實例是受知識產(chǎn)權保護的產(chǎn)品，則基于實例的產(chǎn)品開發(fā)，很難跨越知識產(chǎn)權的保護范圍。也有學者提出基于特征矩陣（或者基于基因）變異的基于實例的產(chǎn)品開發(fā)方法，以解決知識產(chǎn)權的保護問-了產(chǎn)品開發(fā)的效率。 2）在方案設計階段，提出了兩種能夠獲得創(chuàng)新性設計方案的自動化方法：基于設計規(guī)則的機構創(chuàng)新設計自動方法和改良的功能分解與重組創(chuàng)新設計方法。因采用了定向發(fā)散創(chuàng)新方法，前者本身具備獲得創(chuàng)新設計方案的能力。通過降低功能分解的粒度空間，采用基本行為子集的動態(tài)匹配，以及考慮一機構多功能等，使后者具備獲得創(chuàng)新性設計方案的能力。 3）將布局設計引入到產(chǎn)品的設計環(huán)節(jié)，使基本機構組成的復雜機械系統(tǒng)，既可以滿足產(chǎn)品的工業(yè)美學設計要求，又可以滿足產(chǎn)品的壽命與可靠性的要求。 4）提出了一種支持符號方案虛擬裝配的"后臺預置"裝配方法，實現(xiàn)了符號方案對應的復雜機械系統(tǒng)的自動裝配與仿真。 作者希望該書的出版能夠在提升我國機電產(chǎn)品的創(chuàng)新設計能力等方面發(fā)揮積極的作用。同時，作者還希望基于本書建立的復雜機械系統(tǒng)創(chuàng)新設計自動化平臺，對于培養(yǎng)本科生的創(chuàng)新設計能力有所幫助。 作者的部分研究生對"復雜機械系統(tǒng)創(chuàng)新設計及其自動化理論體系"的形成做出了一定的貢獻。他們的具體貢獻分別為：構件的相似性判定方法（蹇軍）；基于設計規(guī)則的邏輯推理方法（邰曉梅）；基于功能分解與重組的創(chuàng)新設計方法（朱殿華）；面向對象的結構設計（顧毅）；復雜機械系統(tǒng)布局算法（楊麗艷）。作者在此對他們的工作表示感謝。 最后，作者感謝教育部首屆優(yōu)秀青年教師獎勵基金對本書研究的支持，感謝科學出版社鞠麗娜女士對本書的厚愛。受作者學術水平的限制，一些學術觀點的不妥之處懇請專家、學者指正。本書難免存在欠妥之處，懇請讀者批評指正。 作者聯(lián)系方式：wang-yuxin@eyou．com。 王玉新 2005年12月18日

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