復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)快速創(chuàng)新設(shè)計(jì)

　　本書(shū)創(chuàng)建了基于三維平臺(tái)的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)自動(dòng)化理論體系，并構(gòu)建了相應(yīng)的自動(dòng)化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)自創(chuàng)新性方案的創(chuàng)成到運(yùn)動(dòng)分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、布局設(shè)計(jì)以及三維虛擬仿真等設(shè)計(jì)過(guò)程的自動(dòng)化，解決了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程創(chuàng)新性與快速性統(tǒng)一的問(wèn)題。本書(shū)主要內(nèi)容為：基于設(shè)計(jì)規(guī)則的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法和改良的功能分解與重組創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，符號(hào)方案的分解與識(shí)別，復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析，面向?qū)ο蟮幕緳C(jī)構(gòu)虛擬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)，以及"后臺(tái)預(yù)置"裝配等自動(dòng)化方法。 本書(shū)對(duì)于提升設(shè)計(jì)人員的產(chǎn)品創(chuàng)新開(kāi)發(fā)能力具有重要的參考價(jià)值，可以作為機(jī)械類本科生和研究生教學(xué)改革、培養(yǎng)其創(chuàng)新能力的教材，還可以作為工程設(shè)計(jì)人員等建立特定產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)自動(dòng)化平臺(tái)的參考資料。 序 古代中國(guó)是個(gè)有創(chuàng)意的國(guó)家，是工藝技術(shù)的先驅(qū)者，東漢張衡的候風(fēng)地動(dòng)儀及北宋蘇頌的水運(yùn)儀象臺(tái)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(lái)的兩百多年，我們的機(jī)械工業(yè)始終未能全面趕上先進(jìn)國(guó)家。當(dāng)今發(fā)達(dá)國(guó)家依靠其深厚的技術(shù)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(dāng)重視知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，我們唯有加速產(chǎn)品升級(jí)，才能在競(jìng)爭(zhēng)劇烈的國(guó)際舞臺(tái)上健康地生存與發(fā)展。機(jī)械產(chǎn)品升級(jí)的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)能力的自主創(chuàng)新，而設(shè)計(jì)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(yīng)邀到天津大學(xué)講學(xué)時(shí)認(rèn)識(shí)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(yùn)動(dòng)鏈再生機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(guó)家發(fā)明四等獎(jiǎng)獎(jiǎng)勵(lì)證書(shū)，使我感到非常高興。當(dāng)時(shí)，王教授提出應(yīng)該實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)鏈再生機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的計(jì)算機(jī)化問(wèn)題。 多年來(lái)，作者勤奮扎實(shí)工作，先后解決了運(yùn)動(dòng)鏈再生過(guò)程的同構(gòu)結(jié)果的判定、設(shè)計(jì)規(guī)則的推理、符號(hào)方案的自動(dòng)識(shí)別、基本機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的自動(dòng)化建模、基本機(jī)構(gòu)的三維虛擬自動(dòng)建模、復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的布局，以及復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)虛擬裝配等問(wèn)題。在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的自動(dòng)化方法研究方面，作者提出的基于設(shè)計(jì)規(guī)則的機(jī)構(gòu)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)自動(dòng)化方法，發(fā)展了我提出的運(yùn)動(dòng)鏈再生機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。通過(guò)對(duì)圖形載體進(jìn)行符合設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，又包括相當(dāng)數(shù)量且更具新穎性的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。針對(duì)功能分解與重組概念設(shè)計(jì)方法創(chuàng)新性不高的特點(diǎn)，通過(guò)采取降低功能元粒度、考慮結(jié)構(gòu)多功能屬性、動(dòng)態(tài)劃分基本行為子集，以及基本機(jī)構(gòu)行為集與基本行為子集動(dòng)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(chǔ)上，考慮三維平臺(tái)的參數(shù)化設(shè)計(jì)特征，基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了基本機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化三維建模，并根據(jù)所提出的后臺(tái)預(yù)制裝配技術(shù)和復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)布局方法，實(shí)現(xiàn)了概念設(shè)計(jì)方法對(duì)應(yīng)的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的自動(dòng)化造型、裝配、及虛擬仿真。使在三維虛擬樣機(jī)的層面上，從眾多的創(chuàng)成設(shè)計(jì)方案中快速遴選出最具有創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)的效率。這一系列的研究，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)由方案創(chuàng)成到方案虛擬仿真等產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的自動(dòng)化，使復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化研究，取得了重要的理論和應(yīng)用進(jìn)展，得到了國(guó)際學(xué)術(shù)界的肯定和贊賞。 本書(shū)反映了作者近十年來(lái)在復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化研究領(lǐng)域所取得的研究成果，可為培養(yǎng)機(jī)械領(lǐng)域?qū)W生創(chuàng)意設(shè)計(jì)能力的教材，可為業(yè)界專家開(kāi)發(fā)創(chuàng)新產(chǎn)品的工具，亦可為工程學(xué)者研究創(chuàng)意設(shè)計(jì)理論的參考。相信本書(shū)的出版，對(duì)于提升設(shè)計(jì)人員的產(chǎn)品創(chuàng)新開(kāi)發(fā)能力將發(fā)揮積極的作用，對(duì)于建立特定產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)自動(dòng)化平臺(tái)將具有一定的指導(dǎo)價(jià)值，對(duì)機(jī)械工業(yè)設(shè)計(jì)人才的培養(yǎng)與系統(tǒng)產(chǎn)品的升級(jí)亦將有所貢獻(xiàn)。 前言 增強(qiáng)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，以自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)參加國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，已成為國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界和政府部門的共識(shí)。美國(guó)工程設(shè)計(jì)委員會(huì)在制定未來(lái)25年工程設(shè)汁優(yōu)先資助領(lǐng)域時(shí)，將創(chuàng)新設(shè)計(jì)作為三個(gè)重點(diǎn)資助方向之一，并認(rèn)為創(chuàng)新設(shè)計(jì)是關(guān)系到未來(lái)美國(guó)企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)能力，增加就業(yè)機(jī)會(huì)的戰(zhàn)略性問(wèn)題。另一方面，個(gè)性化發(fā)展趨勢(shì)和快速多變的市場(chǎng)，要求企業(yè)能夠準(zhǔn)確地把握市場(chǎng)脈搏，有能力在第一時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)出能夠滿足市場(chǎng)需求的產(chǎn)品，從而贏得豐厚的利潤(rùn)。因此，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的快速創(chuàng)新能力是決定未來(lái)企業(yè)生存的關(guān)鍵，而創(chuàng)新性和快速性將是21世紀(jì)工程設(shè)計(jì)學(xué)科的重要發(fā)展前沿方向。 產(chǎn)品的個(gè)性化、柔性化、智能化是未來(lái)產(chǎn)品的重要特征。機(jī)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(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的新穎性和創(chuàng)新性是影響我國(guó)機(jī)電產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素。研究機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論、方法及其創(chuàng)新設(shè)計(jì)的自動(dòng)化，是關(guān)系到我國(guó)能否以自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品跨人世界制造業(yè)先進(jìn)行列的關(guān)鍵，也是徹底解決我國(guó)目前出口產(chǎn)品利潤(rùn)低、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力弱的關(guān)鍵。因此，有必要從系統(tǒng)的角度出發(fā)，提出一種先進(jìn)的機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論及其自動(dòng)化方法，以提升企業(yè)的機(jī)電產(chǎn)品快速創(chuàng)新能力。 產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段，也即產(chǎn)品的原理方案設(shè)計(jì)階段，是決定產(chǎn)品創(chuàng)新性的主要環(huán)節(jié)。美國(guó)國(guó)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(shè)計(jì)階段決定的。從國(guó)內(nèi)外機(jī)電產(chǎn)品研發(fā)的總體情況上來(lái)看，產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)多采用基于功能分解與重組設(shè)計(jì)方法的功能需求檢索方法，或者基于實(shí)例推理的方法。 功能分解與重組設(shè)計(jì)方法的主要缺陷在于：在設(shè)計(jì)方案的篩選方面，現(xiàn)有的價(jià)值評(píng)價(jià)只能解決功能與成本的評(píng)價(jià)問(wèn)題，而對(duì)定量的性能評(píng)價(jià)則無(wú)能為力。因?yàn)闄C(jī)電產(chǎn)品的性能與參數(shù)有著密切的關(guān)系，而且是非線性關(guān)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(wèn)題；方案的創(chuàng)新性不高。研究創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的學(xué)者普遍認(rèn)為，由組合創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案。 基于實(shí)例推理的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，其主要問(wèn)題在于怎樣在原有的方案基礎(chǔ)上生成具有新穎性與創(chuàng)新性的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。如果實(shí)例是受知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的產(chǎn)品，則基于實(shí)例的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，很難跨越知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)范圍。也有學(xué)者提出基于特征矩陣（或者基于基因）變異的基于實(shí)例的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方法，以解決知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)問(wèn)-了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的效率。 2）在方案設(shè)計(jì)階段，提出了兩種能夠獲得創(chuàng)新性設(shè)計(jì)方案的自動(dòng)化方法：基于設(shè)計(jì)規(guī)則的機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)自動(dòng)方法和改良的功能分解與重組創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案的能力。通過(guò)降低功能分解的粒度空間，采用基本行為子集的動(dòng)態(tài)匹配，以及考慮一機(jī)構(gòu)多功能等，使后者具備獲得創(chuàng)新性設(shè)計(jì)方案的能力。 3）將布局設(shè)計(jì)引入到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，使基本機(jī)構(gòu)組成的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)，既可以滿足產(chǎn)品的工業(yè)美學(xué)設(shè)計(jì)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(hào)方案虛擬裝配的"后臺(tái)預(yù)置"裝配方法，實(shí)現(xiàn)了符號(hào)方案對(duì)應(yīng)的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的自動(dòng)裝配與仿真。 作者希望該書(shū)的出版能夠在提升我國(guó)機(jī)電產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力等方面發(fā)揮積極的作用。同時(shí)，作者還希望基于本書(shū)建立的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)自動(dòng)化平臺(tái)，對(duì)于培養(yǎng)本科生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力有所幫助。 作者的部分研究生對(duì)"復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化理論體系"的形成做出了一定的貢獻(xiàn)。他們的具體貢獻(xiàn)分別為：構(gòu)件的相似性判定方法（蹇軍）；基于設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方法（朱殿華）；面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（顧毅）；復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)布局算法（楊麗艷）。作者在此對(duì)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(jiǎng)勵(lì)基金對(duì)本書(shū)研究的支持，感謝科學(xué)出版社鞠麗娜女士對(duì)本書(shū)的厚愛(ài)。受作者學(xué)術(shù)水平的限制，一些學(xué)術(shù)觀點(diǎn)的不妥之處懇請(qǐng)專家、學(xué)者指正。本書(shū)難免存在欠妥之處，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。 作者聯(lián)系方式：wang-yuxin@eyou．com。 王玉新 2005年12月18日

暫缺《復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)快速創(chuàng)新設(shè)計(jì)》作者簡(jiǎn)介