機(jī)電系統(tǒng)虛實一體化的創(chuàng)新設(shè)計自動化理論與技術(shù)研究.pdf

1、20世紀(jì)60年代涌現(xiàn)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)曾引起各國技術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界以及用戶的廣泛關(guān)注并迅速滲透至人們生活的方方面面。近年來，隨著虛擬現(xiàn)實理論與技術(shù)研究的逐步深入，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的應(yīng)用也日趨成熟，圍繞如何有效利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計以及如何科學(xué)的進(jìn)行虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的設(shè)計，成為需要著力研究的課題。 事實上，人類訴求設(shè)計理論和設(shè)計技術(shù)的歷程由來已久，終極目標(biāo)是根據(jù)設(shè)計思維行為規(guī)律實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計全過程的自動化，使設(shè)計人員真正從繁瑣的手工設(shè)計中解脫

2、出來，提高設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量，進(jìn)而增強(qiáng)產(chǎn)品的市場競爭能力。國內(nèi)外眾多學(xué)者在設(shè)計自動化領(lǐng)域取得了一些令人鼓舞的成就，然而現(xiàn)有成熟的VAD系統(tǒng)仍未徹底解決長期困擾學(xué)術(shù)界的需求分析、概念設(shè)計、功構(gòu)映射等難題，對符合設(shè)計人員正常設(shè)計思維的Top-down設(shè)計風(fēng)范和并行設(shè)計等問題的考慮仍顯不足，因而導(dǎo)致在人機(jī)協(xié)同、創(chuàng)新能力等方面的支持依舊有限。作為一種行之有效的設(shè)計方法，虛擬設(shè)計豐富了設(shè)計行為方式，提供了嶄新的設(shè)計表達(dá)形式和設(shè)計評價理論，能夠在產(chǎn)

3、品設(shè)計完成之前形成對產(chǎn)品的具體印象和感受，這些均有助于彌補(bǔ)現(xiàn)有CAD系統(tǒng)的缺陷，但從總體上講，虛擬設(shè)計對設(shè)計全過程、特別是對設(shè)計過程的早期階段、對待設(shè)計機(jī)電系統(tǒng)可能具有的虛實結(jié)合功能以及對人在待設(shè)計機(jī)電系統(tǒng)中的功能體現(xiàn)等問題缺乏考慮，產(chǎn)品設(shè)計或使用的體驗多是主觀的、感性的。 兼及眾多先進(jìn)的設(shè)計哲理和方法，并結(jié)合對傳統(tǒng)設(shè)計過程的深刻領(lǐng)悟，基于已取得的分解重構(gòu)原理和概念產(chǎn)品生長型設(shè)計過程模型等研究成果，本文從虛實一體化角度立論，提出

4、了面向機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計自動化的虛實一體化概念創(chuàng)新設(shè)計理論，在此基礎(chǔ)上，針對計算機(jī)描述和處理問題的特點，構(gòu)建了機(jī)電系統(tǒng)虛實一體化概念創(chuàng)新設(shè)計平臺，在此平臺下，進(jìn)行了棉花打包機(jī)、數(shù)控車削中心、車輛駕駛和腹腔鏡手術(shù)訓(xùn)練等虛實結(jié)合系統(tǒng)的設(shè)計實例驗證，其中，棉花打包機(jī)和數(shù)控車削中心虛擬系統(tǒng)已得到濟(jì)南星科經(jīng)貿(mào)有限公司面向全國職業(yè)技術(shù)培訓(xùn)的推廣應(yīng)用，腹腔鏡手術(shù)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)已獲得國家專利并已著手開展臨床應(yīng)用。 機(jī)電系統(tǒng)虛實一體化概念創(chuàng)新設(shè)計理論是對

5、虛擬設(shè)計理論的繼承和創(chuàng)新。較之虛擬設(shè)計，虛實一體化設(shè)計理念更能夠詮釋產(chǎn)品設(shè)計自動化全過程，虛實一體化設(shè)計理念從哲學(xué)的高度回答設(shè)計思維本身的虛實結(jié)合、人、機(jī)協(xié)同設(shè)計或應(yīng)用系統(tǒng)的虛實結(jié)合、設(shè)計或應(yīng)用系統(tǒng)自身功能上的虛實結(jié)合3方面問題，將產(chǎn)品設(shè)計理論概括為設(shè)計過程的虛實一體化、產(chǎn)品信息的虛實一體化和系統(tǒng)實現(xiàn)的虛實一體化3方面內(nèi)容。 在虛實一體化設(shè)計過程模型的研究工作中：首先提出以質(zhì)、能、信息一體化設(shè)計信息流有序流動的觀點剖析虛實一體化

6、的設(shè)計過程，即認(rèn)知領(lǐng)域關(guān)于物質(zhì)的質(zhì)、能的信息化描述連同信息本身一體化為設(shè)計領(lǐng)域的設(shè)計信息并在產(chǎn)品設(shè)計的過程中有序流動，從而將產(chǎn)品設(shè)計自動化全過程中的認(rèn)知與設(shè)計(實踐)、人、機(jī)協(xié)同決策以及設(shè)計自身的進(jìn)化等問題有機(jī)結(jié)合起來，使虛實一體化設(shè)計理念中“虛”的含義得到進(jìn)一步具體化。然后以虛實一體化設(shè)計過程的需求分析階段作為研究重點，從需求獲取、需求理解、協(xié)商和評判、需求管理等3個實現(xiàn)環(huán)節(jié)展開虛實一體化需求分析的研究： (1)定義了機(jī)電系統(tǒng)需求分析

7、模型和感知思維模型，并從兩者虛實結(jié)合的意義上給出了作為機(jī)電系統(tǒng)虛實一體化需求分析出發(fā)點和基礎(chǔ)的機(jī)電系統(tǒng)虛實一體化需求分析模型的定義，即滿足感知思維模型與機(jī)電系統(tǒng)需求分析模型間虛實結(jié)合的需求分析模式，形成虛實結(jié)合的結(jié)構(gòu)化信息，表達(dá)具有虛實結(jié)合行為的系統(tǒng)需求。(2)提出了需求鏈概念，并詳細(xì)分析了完整產(chǎn)業(yè)鏈對應(yīng)的需求鏈構(gòu)成，將需求鏈上的4類用戶抽象為3類需求源及視點，給出了用戶需求，包括用戶特征、需求源特征、用戶需求信息模型的BNF范式定義，

8、其中，用戶需求信息模型以視覺、聽覺、觸覺和作業(yè)需求作為用戶公共的需求定義模板，具備針對機(jī)電系統(tǒng)虛實結(jié)合行為的表達(dá)能力，使用戶驅(qū)動的需求抽取具有良好的啟發(fā)性和發(fā)散性。 (3)提出了設(shè)計者進(jìn)行用戶需求校驗的定性校驗項，結(jié)合給出的用戶元、設(shè)備元、對象元、環(huán)境元四元組的設(shè)計需求拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)定義，從廣度和深度上形成設(shè)計需求拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的BNF范式定義和映射規(guī)則；采用改進(jìn)的層次分析法進(jìn)行需求可行性的定量化分析，具體包括需求的重要性排序、合理范圍劃定、效益風(fēng)

9、險評估等；定義了基于分解重構(gòu)原理的設(shè)計需求進(jìn)化過程中涉及的需求分解重構(gòu)、間接遞歸、需求變更等問題的解決規(guī)則。 在虛實一體化產(chǎn)品信息模型的研究工作中：首先定義了與機(jī)電系統(tǒng)虛實一體化需求分析模型表述一致的機(jī)電系統(tǒng)虛實一體化功構(gòu)設(shè)計模型，具體分析了設(shè)計空間中概念產(chǎn)品的質(zhì)、能、信息的信息化表達(dá)形式，給出了設(shè)計方案、結(jié)構(gòu)和參數(shù)等設(shè)計信息熵量度量的一般形式。然后確立了基于具有廣闊重構(gòu)空間的功能表面的功構(gòu)設(shè)計信息表達(dá)方式，功能表面具有幾何、功

10、能雙重屬性，既描述產(chǎn)品功能又傳遞結(jié)構(gòu)信息，從而使設(shè)計概念迅速過渡到設(shè)計結(jié)構(gòu)、設(shè)計參數(shù)，能夠從根本上解決設(shè)計自動化領(lǐng)域中棘手的功構(gòu)映射問題；進(jìn)一步將功能表面的功能信息擴(kuò)展至包含電氣信息，從而滿足產(chǎn)品功能電氣化實現(xiàn)的設(shè)計趨勢，增強(qiáng)對機(jī)電系統(tǒng)概念設(shè)計的支持能力；建立了適用于基于功能表面分解重構(gòu)原理的結(jié)構(gòu)創(chuàng)成的產(chǎn)品信息模型，增強(qiáng)產(chǎn)品設(shè)計的創(chuàng)新和綜合能力。最后就機(jī)、電表現(xiàn)出的認(rèn)識規(guī)律上的參照性、設(shè)計過程中的相關(guān)性以及功能信息表達(dá)的一致性等提出了廣

11、義機(jī)電一體化的設(shè)計思想，全面分析了機(jī)、電在原理、功能設(shè)計上的相似性，給出了機(jī)電系統(tǒng)動力學(xué)方程統(tǒng)一性的初步證明，一方面使得功構(gòu)映射更加豐富，設(shè)計推理更加靈活，有助于機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計多方案的產(chǎn)生，另一方面能夠針對機(jī)、電相似性的設(shè)計方案建立統(tǒng)一的物理仿真模型；詳細(xì)劃分了系統(tǒng)級、模塊級、器件級3級機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計知識體系，基于機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計知識體系實例的推理有助于降低設(shè)計后期的重構(gòu)難度；進(jìn)一步建立了人、機(jī)、環(huán)境大系統(tǒng)觀下，適用于概念創(chuàng)新設(shè)計的廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)

12、子系統(tǒng)、傳感檢測子系統(tǒng)、信息處理與控制子系統(tǒng)設(shè)計模式功能元的知識表達(dá)，其中，廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)歸納為4類設(shè)計模式，傳感檢測子系統(tǒng)歸納為3種設(shè)計模式，人、機(jī)、環(huán)境大系統(tǒng)觀下的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計充分體現(xiàn)了虛實一體化的設(shè)計理念，虛實結(jié)合的表達(dá)方式能夠支持具有虛實結(jié)合行為的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計。 在虛實一體化設(shè)計系統(tǒng)模型的研究工作中：本文虛實一體化設(shè)計系統(tǒng)模型的研究側(cè)重點是，在機(jī)電系統(tǒng)虛實一體化概念創(chuàng)新設(shè)計理論基礎(chǔ)上構(gòu)建機(jī)電系統(tǒng)虛實一體化概念創(chuàng)新設(shè)計

13、平臺，實現(xiàn)對機(jī)電系統(tǒng)虛實結(jié)合功能的設(shè)計支持。 分析了機(jī)電系統(tǒng)用戶元、設(shè)備元、對象元、環(huán)境元等功能四元組中用戶元與設(shè)備元間以及設(shè)備元、對象元、環(huán)境元間虛實結(jié)合功能的設(shè)計表現(xiàn)，給出了虛實結(jié)合機(jī)電系統(tǒng)虛擬功能引入的判據(jù)；提出了用戶元與設(shè)備元間的虛實結(jié)合，即人、機(jī)功能合理分配的設(shè)計依據(jù)，將人的功能納入待設(shè)計機(jī)電系統(tǒng)統(tǒng)一考慮；系統(tǒng)歸納了人機(jī)界面虛實一體化設(shè)計元素，定義了人機(jī)界面柔性化設(shè)計的基本步驟；結(jié)合上述規(guī)則，擬定了機(jī)電系統(tǒng)虛實結(jié)合功能

14、設(shè)計方案的評價要素集，采用二級模糊綜合評價方法進(jìn)行設(shè)計方案的定量化評價。構(gòu)建了支持虛實結(jié)合機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)的機(jī)電系統(tǒng)虛實一體化創(chuàng)新設(shè)計平臺，設(shè)計平臺由DARFAD設(shè)計環(huán)境和Web設(shè)計環(huán)境組成。DARFAD設(shè)計環(huán)境采用基于接口的方法進(jìn)行復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的多領(lǐng)域建模，包括：基于Pro/Engineer ECAD的PCB設(shè)計，建立了9類電子元件定制庫，解決MCAD與ECAD間的設(shè)計轉(zhuǎn)換；基于Matlab/Simulink的行為性能仿真，嘗試基于V