機械產(chǎn)品設(shè)計的理論與方法研究

呂福玲

中圖分類號：TP391.72 文獻標識碼：A 文章編號：1672-8882（2015）04-122-01

機械設(shè)計是根據(jù)使用要求對機械的工作原理、結(jié)構(gòu)、運動方式、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸、潤滑方法等進行構(gòu)思、分析和計算，并將其轉(zhuǎn)化為具體的描述以作為制造依據(jù)的工作過程，其目標是在各種限定的條件下設(shè)計出最好的機械。產(chǎn)品設(shè)計理論與方法經(jīng)歷一個世紀的研究和發(fā)展，已經(jīng)由以經(jīng)驗為基礎(chǔ)的設(shè)計模式發(fā)展為以科學原理和知識為基礎(chǔ)的設(shè)計模式，并出現(xiàn)了對產(chǎn)品設(shè)計具指導作用的理論和方法體系。目前，常用的支持快速設(shè)計和創(chuàng)新設(shè)計的產(chǎn)品設(shè)計理論和方法主要包括：普適設(shè)計方法學、公理化設(shè)計理論發(fā)明問題解決理論，TRIZ（Theory of the Solution of Inventive Problems）、QFD（Quality Function Deployment）、質(zhì)量功能展開）理論、相似理論、并行設(shè)計模塊化設(shè)計、基于知識的工程設(shè)計等，其中相似理論和基于知識的工程設(shè)計應(yīng)用最為活躍。

一、機械產(chǎn)品設(shè)計的理論研究

（一）相似理論

相似理論的基礎(chǔ)是相似三定理，它是以經(jīng)典數(shù)理科學身份進入設(shè)計領(lǐng)域的。20世紀50年代在相似理論基礎(chǔ)上產(chǎn)生的成組技術(shù)，在施工設(shè)計階段一直有著成功的應(yīng)用。到20世紀90年代初，相似理論才以思維科學的面貌出現(xiàn)，開始有了運用相似論進行概念設(shè)計階段的研究和創(chuàng)新設(shè)計研究。相似理論不僅自身構(gòu)成了一類設(shè)計方法，而且還是智能設(shè)計、仿生設(shè)計、虛擬仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論。基于相似理論的CBR（Case-Based Reasoning）和約束滿足的設(shè)計方法的廣泛應(yīng)用，促成了智能計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）技術(shù)的產(chǎn)生。

（二）基于知識的工程設(shè)計

基于知識的工程設(shè)計指的是將人工智能（包括知識規(guī)則、知識庫、邏輯推理等）與計算機輔助（Computer Aided X，CAX）技術(shù)有機的結(jié)合應(yīng)用到產(chǎn)品幵發(fā)領(lǐng)域。它與傳統(tǒng)的簡單的參數(shù)化設(shè)計有著本質(zhì)的區(qū)別，基于知識的工程實現(xiàn)了設(shè)計知識的重用，大大的推進了產(chǎn)品設(shè)計過程的自動化。現(xiàn)代設(shè)計理論和方法除了上述理論和方法之外，還包括優(yōu)化設(shè)計、綠色設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計等。王舉群在文獻中列舉了目前研究的50種產(chǎn)品設(shè)計方法。并指出雖然對于產(chǎn)品設(shè)計理論和方法的研究有很多但仍存在很多問題，主要表現(xiàn)在：基礎(chǔ)理論的系統(tǒng)綜合研究及應(yīng)用依然薄弱，例如，現(xiàn)有的相似設(shè)計難于進行創(chuàng)新設(shè)計；知識重用設(shè)計與知識創(chuàng)新設(shè)計研究分離；概念設(shè)計、技術(shù)設(shè)計與施工設(shè)計相脫節(jié)；設(shè)計過程集成程度低造成信息孤島。美國麻省理工大學的Tate在對主要設(shè)計理論與方法進行分析后提出：設(shè)計理論并未成熟，目前仍處于前理論階段。分析現(xiàn)階段對機械產(chǎn)品設(shè)計方法和理論的需求，未來產(chǎn)品設(shè)計理論與方法的發(fā)展趨勢應(yīng)為：

1.適應(yīng)設(shè)計的多目標優(yōu)化的設(shè)計理論和方法研究。

2.設(shè)計理論和方法的工程化研究促進設(shè)計理論和方法向應(yīng)用轉(zhuǎn)換。

3.基于相似理論的設(shè)計理論和方法與基于知識工程設(shè)計方法結(jié)合，以促進產(chǎn)品設(shè)計的智能化、快速化、創(chuàng)新性。

4.整合產(chǎn)品信息資源，消除信息孤島，加強知識管理技術(shù)研究，以滿足設(shè)計過程的知識需求。

二、機械產(chǎn)品設(shè)計知識表示的研究

機械產(chǎn)品設(shè)計過程中的知識的表示方法研究主要有狀態(tài)空間表示法、基于圖的表示法、語義網(wǎng)絡(luò)表示法、框架表示法、謂詞邏輯表示、問題規(guī)約法、產(chǎn)生式表示法、本體知識表示方法等。另外還有很多研究是將上述方法進行綜合，取長補短來表示機械產(chǎn)品設(shè)計知識。如將框架表示法與規(guī)則表示法結(jié)合用來表示空間布局設(shè)計知識；將產(chǎn)生式表示、框架表示和面向?qū)ο蟮谋硎救呔C合來表示機械產(chǎn)品設(shè)計知識。在諸多知識表示方法中，產(chǎn)生式表示法以用“IF-THEN”的形式表示規(guī)則知識見長，本體表示法則以“概念”、“關(guān)系”、“函數(shù)”、“公理”、“實例”來表示知識的語義而見長。

三、機械產(chǎn)品設(shè)計知識重用的研究

機械產(chǎn)品設(shè)計知識重用是機械產(chǎn)品快速、創(chuàng)新設(shè)計系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。機械產(chǎn)品設(shè)計知識重用的研究內(nèi)容主要包括：知識的重用形式和知識的推理技術(shù)研究。知識重用的形式，包括：文檔、過程、規(guī)則、實例等。根據(jù)不同的知識重用形式，其應(yīng)用過程和效果也不相同。文檔類知識的重用屬于最低級知識重用，這類知識對知識的使用者有較高的要求，此類知識的重用一般不能用于自動設(shè)計；過程類知識能夠較好的應(yīng)用于自動設(shè)計過程，但由于其靈活性太差，知識的應(yīng)用范圍受到一定的局限；規(guī)則類知識因其應(yīng)用靈活、表示簡單和推理容易實現(xiàn)而被廣泛采用，但其知識的抽取是一個難點；實例類知識因其知識的易于維護性、自動積累特性、對強經(jīng)驗、若理論的復雜系統(tǒng)知識表示的簡單特性和對于知識使用者的低要求特性，近年來被廣泛采用。根據(jù)不同的知識類型，采取不同的知識推理技術(shù)實現(xiàn)知識的重用。知識的推理技術(shù)一般包括以下幾種：不確定性推理技術(shù)、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推理技術(shù)、基于規(guī)則的推理、基于實例的推理技術(shù)等。其中基于規(guī)則的推理和基于實例的理技術(shù)應(yīng)用是目前知識重用推理技術(shù)的研究熱點。

四、基于規(guī)則推理（RBR）的研究

基于規(guī)則推理（Rule-Based Reasoning，RBR）又叫產(chǎn)生式系統(tǒng)，是目前多數(shù)專家系統(tǒng)所采用的推理機制。產(chǎn)生式系統(tǒng)包括：綜合數(shù)據(jù)庫：它包含與具體任務(wù)有關(guān)的信息；根據(jù)應(yīng)用情況的不同，這些數(shù)據(jù)庫可能簡單得只是數(shù)字矩陣，也可能復雜得如文件結(jié)構(gòu)的檢索。規(guī)則庫：對數(shù)據(jù)庫進行操作運算。每條規(guī)則由左、右兩部分組成，左部分是鑒別規(guī)則的適用性或先決條件，右部分則描述應(yīng)用是所應(yīng)該完成的動作。應(yīng)用規(guī)則來改變數(shù)據(jù)庫，就像應(yīng)用算符來改變狀態(tài)一樣。推理機：它確定應(yīng)該釆用哪條適用規(guī)則，而且當數(shù)據(jù)庫的終止條件滿足時，就停止計算?？刂撇呗杂煽刂葡到y(tǒng)選擇和決定。，當給定一個條件時，推理機在知識庫中，將它與各知識基進行比較，如果匹配，則完成該步推理，若可用規(guī)則不止一個，就需要按某種沖突消解策略選出其中一條規(guī)則來執(zhí)行，繼續(xù)進行下一步的推理，若在整個知識庫無匹配的知識基，則結(jié)束推理，這樣使問題得到求解。