基于形态演化的机械创新方法的研究及其实例应用.pdf
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1、北京交通大学硕士学位论文基于形态演化的机械创新方法的研究及其实例应用姓名:张伶艳申请学位级别:硕士专业:机械制造及其自动化指导教师:陆一平20061201中文摘要目前的机械创新设计方法大都按需求、功能、工艺这样一种多层自顶向下的思路展开,而本文以一种新的技术视角审视了机械创新过程,从底层的技术驱动思路出发,讨论了一种基于形态演化的机械创新设计方法,即根据机构的定量到定性的进化逻辑,推导和组织出不同机构之间的结构联系,表达为进化谱系,进而配合以特定的功能认定匹配对谱系进行分析和进一步的扩展,依据此过程完成机器的创新设计。本方法的特点是设计结果的发明度高,目标针对底层的硬创新,可为自顶向下创新技法
2、提供新颖的映射知识。目前的谱系演化方法,其梳理仅停留在概念上,无实际操作性,本文在此基础上尝试提出了可操作性的梳理方法,并通过试验给予验证。本文介绍的基于形态演化创新设计谱系方法的实施过程包括:设计的变量表达、基于设计变量的进化逻辑定义、基于进化逻辑的进化谱系的生成和应用。由于这种方法的可操作性,因此有被计算机软件化、自动化创新的可能性。文中将此创新方法应用到机器人手臂设计、容积泵设计和混合搅拌机械设计等研究过程中,对量变导致质变的进化逻辑原理及过程进行了进一步的诠释,并对基于形态演化的机械创新设计方法的计算机自动实现进行了初步的研究。本方法从体系层面上指出仿生研究的战略,为机械创新的研究提供
3、一种多维的新视角、新思路、新理念,是机械创新的一条有工程意义、实用可操作的方法。关键词:创新设计;形态演化设计;基于谱系的设计分类号:T H l 2 2A B S T R A C TA tp r e s e n t,m o s to ft h ec r e a t i v ed e s i g nm e t h o di sm a i n l yb a s e do nt h eu p-t o d o w nt h o u g h to fr e q u i r e m e n t,f u n c t i o na n dp r o c e s s i n g,w h i l ean e wm
4、 e c h a n i c a lc r e a t i v ed e s i g nm e t h o di sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r,w h i c hi sd i f f e r e n ta n dd e v e l o p e df r o mt h el o w e rl a y e ro f t e c h n i q u e s A c c o r d i n gt ot h ee v o l u t i o n a ll o g i co f q u a n t i t i e st oq u a l i t y,t h e
5、r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i f f e r e n tm e c h a n i s m si sd e d u c e da n do r d e r e d,a n dt h e nW a se x p r e s s e da sp e d i g r e e,t h ec r e a t i v ed e s i g nw o u l db ef i n i s h e db ya p p l y i n ga n a l y s i sa n dd e v e l o p m e mt Ot h ep e d i g r e ew
6、i t hs p e c i f i cf u n c t i o n F o rt h er e f e r e n te v o l u t i o n a lm e t h o d sb a s e d0 np e d i g r e ea tp r e s e n t,t h ep e e t i n a t i o ni sj u s tr e s to nc o n c e p ta n dw i t h o u tp r a c t i c a lm a n e u v e r a b i l i t y T h ea u t h o rt r i e st og i v eo
7、p e r a b l ec a r d i n gm e t h o da n dg e ti tp r o v e db yt e s t s,T h i sm e t h o di sb a s e do nc o n f i g u r a t i o ne v o l u t i o na n dm a i n l yc o n s i s t so ft h ef o l l o w i n gt h r e ep a r t s:v a r i a b l e se x p r e s s i o no f t h ed e s i g n,d e f i n i t i o n
8、o f t h ee v o l u t i o nl o g i cb a s e do nd e s i g nv a r i a b l e s,a n df i n a l l yt h ep r o d u c t i o na n da p p l i c a t i o no f t h ep e d i g r e eb a s e do ne v o l u t i o nl o g i c I ti sa p p l i e di nt h ef o l l o w i n gf i e l d s:t h ed e s i g no fr o b o ta l m s,p
9、 u m p sa n dm i x i n gm a c h i n e W ea l s od i ds o m ep r i m a r yr e s e a r c h o f a u t o m a t i cr e a l i z a t i o n o f t h e n e w m e t h o db yc o m p u t e r T h i sn e wm e t h o di sau s e f u la n dp r a c t i c a li d e ai nm e c h a n i c a ld e s i g na n dp r o v i d e sam
10、 u l t i-d i m e n s i o n a ln e wv i e ws i g h t,n e wi d e aa n dn e wc o n c e p tf o rt h er e s e a r c ho fm e c h a n i c a le r e a t i o n K E Y W O R D S:C r e a t i v ed e s i g n;E v o l u t i o n a ld e s i g n;D e s i g nb a s e do np e d i g r e eC L A S SN 0:T H l 2 2致谢本论文的工作是在我的导师
11、陆一平教授的悉心指导下完成的,陆一平教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响,在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助,在此衷心感谢三年来陆老师对我的关心和指导。梁肇基工程师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见,在此表示衷心的感谢。在实验室工作及撰写论文期间,先进制造实验室老师和同学特别是卢长先、李楠等同学对我论文中的部分研究工作给予了热情帮助,在此向他们表达我的感激之情。另外也感谢家人,他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。再次向所有关心、支持和帮助过我的人们表示衷心的感谢,祝福大家健康、快乐!张伶艳谨致二零零六年十-,9 于北京交通大学1 绪论几何体的演
12、化过程与功能需求是紧密结合的,谈机构的创新首先要谈几何体的演变,几何体的演化是间断和连续的统一,这是由不同的时间定义域造成的,而现阶段还处于对几何体某一瞬间(间断)的静态认知和研究,而忽略了其在特定条件下作为某一演化过程(连续)的间断点的研究,本文就从这个出发点讨论几何体演化过程(连续)的动态变化,进行机械或机构的形态学研究,试图找出机构之间必然存在的“亲缘”关系,如果我们能找出这种关系并梳理出演化脉络,将不仅可以避免在创新过程中经常出现和前人已做过的探索的无效重复,而且能激发创新构思的产生。因为每一条演化脉络都能提炼出在已经发生的演化过程中所包含的对进一步演化有引导和启示作用的演化规律,并且
13、脉络的尽头往往就是创新的起点。回头审视对生物进化的方法主要有以孟德尔(G J M e n d e l)为代表的古典自然科学,其方法是“基于遗传基因的杂交实验”和以达尔文为代表的古典自然科学,其方法是“比较生物学,结论是表达为“进化谱系”的进化论。基因进化设计是后起的一种创新设计方法,学术界对它的哲理讨论较早,对它的具体实现一般借用生物繁育的基因交叉、变异方法。这方面的研究见文献“”。生物繁育的基因方法虽然有自然仿生的背景,但是也有明显的缺陷。例如,自然生命体基因序列的长度是天文数字(在1 0 9 以上),而目前的计算机人工基因只在1 0 1 0 2 数量级,根本达不到对设计进化的连续描述水平。
14、加之C P U 时间因素的限制,事实上只能实现组合设计的筛选。因此无法完全模拟自然界具有的无限时间和空间优势。经过对上述基于演化理论的观察,本文以达尔文的“进化谱系”为引导,以混合搅拌机器、混沌机构以及交互型机器人手臂设计为研究对象,从而探讨一种基于形态演化的机械创新方法。此方法不同于目前比较普遍和成熟的组合创新,它是从一个已有的设计出发,通过量变的诱导,推出具有质变意义的创新设计,其过程表现为从一个质变方案推导出另外的一个质变方案,不断重复这个过程而形成谱系,并在设计应用中利用和发展谱系。本文总结出的进化设计方法主要由以下三个关键环节组成:设计的变量化表达;进化逻辑的实现;谱系的生成、发展与
15、应用。此三个环节相辅相成,构成了基于演化创新方法的基本要素,对其内容进一步的深化和丰富将成为此创新方法的发展方向,而基于谱系推导策略的自动化创新设计将是很有前景的进步研究方向。1 1机械创新设计的相关研究1 1 1创新思维方法谈创新首先要有创新思维方法,为了获得具有机械创新构思的思路及灵感,常常要用到如下一些体现创新意识的思维方法:综合:任何先进产品都是先进技术成果的综合、多学科技术的综合、新技术与传统技术的综合、自然科学与社会科学的综合,对这些先进技术的综合分析,有助于获得崭新的设计思路和创意。还原:研究已有机构,抓住关键,将最主要功能抽出来,研究实现它的手段或方法,得到最优结果。如洗衣机的
16、研制,就是抽出“清洁”功能,模拟人手洗衣的过程,使洗涤剂和水流动,达到洗净的目的。对应:采用相似、模拟比较、类比的方法。如机械手是人手取物的模拟,梳子是人手梳头的仿形,类比两栖动物,设计出水陆坦克,联想蝙蝠探测目标方式,发明雷达等均是对应的应用。移植:把一个对象的研究运用于另一个对象,它促进学科的渗透交叉。如移植计算机,传感器,设计出崭新的机电一体化系统。离散:将研究对象分离,创造新产品。如脱水机是双缸洗衣机分离出来的,音箱是从扬声器与收录机整体中分离的。逆反:打破习惯,对已有理论技术怀疑,可引出奥妙的发明。如虹吸就是打破“水往低处流”的固定看法而产生的。1 1 2创新方法现状机电产品创新设计
17、体现在产品开发的全过程和多方面,这里仅就其中最主要的一些环节和方面综述国内外研究的现状,例如功能创新设计、原理创新设计、结构方案创新设计等环节。1 1 2 1 功能创新设计包含明确设计要求,建立功能结构。1。建立功能结构的过程又叫功能推理,主要有四种模型:条件推理模型、范例修正模型、功能分解模型以及穷举组合推理模型。条件推理模型是F r e e m a n N e w e l l 于1 9 7 1 年提出的,它通过功能与功能之间的条件关系实现推理“1,U m e d a 等的F B S 建模器和B r a c e w e l l 等的S c h e m e b u i l d e r 都是建立
18、在该模型的基础上的。范例修正模型Y o s h i k a w a 于1 9 8 12年提出的,它通过已知解在新功能要求下的失效来发现解的缺陷并进而引导功能推理过程“3。这种推理模型主要应用于适应性设计,例如A K G o e l 等人建立的K R I T I K 和E K R I T I K“1。功能分解模型是由P a h l 和B e i t z 于上个世纪八十年代提出的一种系统化的功能推理方法,主要适合于常规设计过程中,其关键在于将设计要求表所要求的总功能分解成一系列有解的子功能。穷举组合推理模型是以特定领域知识为基础的功能推理方法,它借助功能状态空间的可穷举性来实现功能推理,主要应用于
19、机构方案设计以及机电液一体化设计中。文献”1 等研究了功能结构中上、下层功能之间的W h y-H o w 关系,同层功能之间的关系,并借助V E 和Q F D等方法对产品的概念形成进行指导和优化。建立通用的功能推理模型以支持功能设计的自动化,助于克服手工设计者的主观性和随意性所造成的解的局限性,而且能提高功能设计的效率。1 1 2 2 原理创新设计包含物理效应选择和原理方案求解。原理方案设计的任务是寻找合适的广义物理效应来较好地满足要求产品实现的功能,并把它们具体物化成功能载体,构成具有作用几何、运动和物料等信息的作用原理解。目前国内外对原理方案求解的思路主要有三种:一种是基于“功能一行为一结
20、构”相似性的原理方案设计方法0 3,另一种是以设计目录为基础,通过“功能一效应一原理解”的逐步映射完成原理方案设计,目前的主要研究方向是原理方案设计知识的计算机表达以及重用;还有一种以物理定律的层层推导来实现原理方案求解。至今的研究主要集中在单功能的原理求解上,文献。3 为复合原理方案设计建立了组合原理方案设计的接口特征模型。此外,文献“”认为功能和行为是不可分的,提出“功能一行为一状态”映射模型,其实行为是效应产生的,实际上已与原理解联系起来。相应地在机构原理方案设计中出现基于“功能一运动行为一结构”的设计模型。机构创新设计研究机械的拓扑结构与运动行为,是原理方案设计研究中起步较早的一个热点
21、。典型的基于人类思维的机构创新技法有:运动副演化、机件变异、运动变换、逻辑模块法、蕴涵综合法、用线路图的综合法等。目前,系统化机构创新方法的主流有两类:一类是采用基于图论的机构模型,著名的方法有J o h n s o n 提出的以伴随连杆机构概念为核心的连杆机构分类法,以及E r d m a n 等、S o n i 等、Y a n(颜鸿森)、H o e l t z e l C h i e n g、D a t s e r i s 等和K o t a 等提出的基于知识的机构智能设计系统:另一类方法是基于机构组合原理,代表性工作是C h i o uK o t a 提出的基于“机构积木”并运用矩阵运算
22、的自动化组合方法“”。图论方法是结构驱动,主要考虑自由度等拓扑特性而未计入运动特性等设计者期望满足的其它特性,一般用于单个机构设计,且所描述机构的结构复杂度是确定的并因而难以获得结构变化显著的创新概念。组合方法是功能导向,计入了运动特性但未考虑拓扑特性,一般用于传动方案设计,所产生机构系统的结构复杂度可变但是也因为解空间过大而容易导致组合爆炸。适用于传动功能与执行功能复合的运动系统创新设计的方法尚待继续研究。1 1 2 3 结构布局创新设计布局设计问题是将一组给定待布物合理地布置在有限空间内,使得设计目标的集合尽量优化,并满足给定空日J 和其它约束条件。一般机电产品的结构布局设计问题,设计目标
23、和约束条件多而且复杂,除集聚性、空间不干涉约束以外,还有诸如振动、稳定、温度场、电磁场、成本、可靠性等性能约束,加之布局空间和物体的不规则性及设计变量高维,属复杂布局问题,其结果至关重要,关系到机电产品性能、寿命、可靠性、成本乃至成败。布局问题属组合最优化问题、N P 一困难问题,其研究始于1 8 3 1 年G u a s s,关于带性能约束布局问题在国外始于2 0 世纪7 0 年代,1 9 7 8 年P e r e i r a 利用人工智能技术对平面矩形之间有确定的相邻、不相邻关系的布局问题进行了研究。目前带性能约束的布局问题的求解方法主要有狭义启发式算法、遗传算法等演化算法、人工智能方法(
24、如专家系统,基于知识和实例推理,A g e n t),图论法,协同设计和多层协同优化,虚拟设计,人机结合等。目前国外的发展趋势是利用演化算法、人工智能(如A g e n t)、多级层次协同优化、人机交互和人机结合,辅以基于网络协同、C A D 和虚拟设计平台。存在的主要问题是建模困难、组合爆炸和如何达到工程实用化。我国学者的研究几乎涉及上述主要领域,虽然总体有一定差距,但某些方面已达到国际水平。1 1 2 4 创新设计解的选择、评价和决策概念设计的结果,也即设计解往往是根据设计要求的目的功能生成的。对众多满足目的功能的解需逐个按照约束条件进行可行性验证(V e r i f i c a t i
25、o n)。单功能设计解的约束可以通过约束匹配来完成。D e n g B r i t t o n 等人首先提出了组合原理解中的约束传播验证方法,但是由于约束传播的非普遍性,还必须对组合原理解的约束验证模型加以深入研究。另外,针对机械传动方案设计,H a k i m K u s i a k等人提出了基于图原理的组合设计解的功能可行性的验证方法,适用于多输入多输出传动方案设计。在多个可行设计解中选择最符合当前设计要求的最优解是方案评价的主要任务,S u n K a l e n c h u k 等人研究了动态用户要求下的基于模糊神经网络的设计解的评价方法。1 1 2 5 创新设计智能化方法和技术人与计
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- 基于 形态 演化 机械 创新 方法 研究 及其 实例 应用
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