基于生物流的機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)自動(dòng)化

汪霜葉

【摘 要】機(jī)電一體化技術(shù)的迅速發(fā)展已使機(jī)電一體化產(chǎn)品的個(gè)性化、柔性化、智能化成為機(jī)械產(chǎn)品的重要發(fā)展方向。面對(duì)世界市場(chǎng)日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)，單純靠模仿國外產(chǎn)品將使企業(yè)失去市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。只有通過產(chǎn)品創(chuàng)新，才能從根本上解決企業(yè)的生存和發(fā)展問題。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的概念設(shè)計(jì)階段更加注重設(shè)計(jì)的整體性、創(chuàng)造性，在概念設(shè)計(jì)階段進(jìn)行的設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)新具有較高的創(chuàng)新層次。概念設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)機(jī)電產(chǎn)品快速創(chuàng)新設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。原理方案創(chuàng)新與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的快速實(shí)現(xiàn)與有機(jī)銜接技術(shù)是概念設(shè)計(jì)自動(dòng)化的關(guān)鍵。為此，本文對(duì)基于生物流的機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)自動(dòng)化進(jìn)行了簡(jiǎn)要研究。

【關(guān)鍵詞】生物流；機(jī)電產(chǎn)品；自動(dòng)化

1生物生長(zhǎng)機(jī)制與產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)

隨著各國對(duì)生物工程的普遍重視，生物學(xué)發(fā)展迅猛，科學(xué)家們?cè)谏飳W(xué)領(lǐng)域的研究成果顯著、熱情高漲，并取得了一定的成果。從歷史長(zhǎng)河上看，自然界中的生物，經(jīng)過千百萬年的進(jìn)化歷程，自然選擇、優(yōu)勝劣汰，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，逐步進(jìn)化。是一個(gè)不斷適應(yīng)環(huán)境、滿足環(huán)境需求的優(yōu)化過程。從單個(gè)生命的歷程來看，自身細(xì)胞的分裂，與環(huán)境、同種族、不同種族的竟?fàn)幰彩且粋€(gè)適應(yīng)的過程，優(yōu)化自身的過程。我們發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中包括概念設(shè)計(jì)、方案選優(yōu)、詳細(xì)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)過程類似于自然界中的生物生長(zhǎng)機(jī)理。以生物生長(zhǎng)的形式完成產(chǎn)品概念結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，這就是生物機(jī)理在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

隨著生命科學(xué)研究的深入，人們對(duì)生命本質(zhì)的認(rèn)識(shí)越來越深刻。細(xì)胞是生命體的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理功能的基本單位。細(xì)胞的種類很多，形態(tài)各異，功能不同，但都能顯示出生命活動(dòng)的特征：從外界吸取養(yǎng)料，進(jìn)行新陳代謝。細(xì)胞是由多種化合物構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)，包括水、無機(jī)鹽、糖、脂肪、蛋白質(zhì)和核酸等物質(zhì)。其中水占80-90%，蛋白質(zhì)占7-10%。蛋白質(zhì)和核酸，是細(xì)胞核心部分。細(xì)胞由細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核組成。細(xì)胞質(zhì)中有多種細(xì)胞器，如線粒體、核糖體等。其中線粒體為細(xì)胞活動(dòng)提供能量，是“動(dòng)力工廠”。細(xì)胞核主要由核膜、核仁、染色質(zhì)組成，位于細(xì)胞中央。細(xì)胞是一個(gè)整體，在正常情況下，它各部分協(xié)調(diào)一致，互相作用，又是一個(gè)功能單位。生命體內(nèi)新細(xì)胞的產(chǎn)生，是通過原細(xì)胞分裂來實(shí)現(xiàn)的。

總結(jié)產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)與生物生長(zhǎng)的特點(diǎn)，相似性主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：一是過程相似性；二是結(jié)構(gòu)相似性；三是階段重要性相似性。所謂過程相似性，即產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)過程與生物體生長(zhǎng)過程的相似性。所謂結(jié)構(gòu)相似性，即產(chǎn)品概念結(jié)構(gòu)構(gòu)成與生物體構(gòu)成上的相似性。從階段重要性上看，在生物體生長(zhǎng)的整個(gè)過程中最具創(chuàng)新性、跨越性的階段就是生命最初誕生的時(shí)期。在這個(gè)早期階段如果能打下堅(jiān)實(shí)的營養(yǎng)基礎(chǔ)，勢(shì)必對(duì)以后的生命發(fā)展具有強(qiáng)大的推動(dòng)作用。對(duì)應(yīng)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過程，最具有創(chuàng)新性的時(shí)期就是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期階段—概念設(shè)計(jì)階段，如果在這一階段能夠做出正確的決策，對(duì)最終設(shè)計(jì)可起到事半功倍的效用。

2概念零件的功能編碼

功能模式的提出，為概念零件的表達(dá)提供了基礎(chǔ)。某一功能模式與相關(guān)的功能表面組合在一起形成一個(gè)實(shí)現(xiàn)某種功能的概念零件。上述介紹的幾種功能模式在表達(dá)形式上主要由定位信息、使定信息、能量作用信息及控制信息傳遞轉(zhuǎn)換信息組成。

為了便于計(jì)算機(jī)輔助的概念設(shè)計(jì)中計(jì)算機(jī)能夠快速的識(shí)別功能模式，實(shí)現(xiàn)功能——結(jié)構(gòu)的映射，在功能表面、廣義定位原理、能量鏈原理基礎(chǔ)上，建立了概念零件的編碼體系。在上述編碼體系中沒有考慮控制信息的作用問題，因此，這里我們?cè)诠δ鼙砻婕捌渚幋a規(guī)則、廣義定位原理，能量鏈原理及生物流理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善了概念零件的編碼體系。該編碼體系包括定位信息及使定信息編碼、能量作用信息編碼、控制信息編碼和容器模式編碼。在此基礎(chǔ)上，形成了完善的概念零件編碼規(guī)則。

2.1功能碼

無論是功能表面的分類還是功能模式的分類，都是以表面或模式的功能的不同為依據(jù)進(jìn)行分類的。因此，在編碼體系中為了對(duì)各種功能表面及功能模式的功能加以區(qū)分，我們提出了功能碼的概念。

2.2定位倍息、使定信息及能量作用倍息的功能編碼

對(duì)于有關(guān)能量作用的信息，我們將機(jī)械能與非機(jī)械能加以區(qū)分。傳遞機(jī)械能的功能表面為定位面和使定面，傳遞非機(jī)械能的功能表面為能t輸入面和能量輸出面。

3基于生物流的機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)

3.1功能模式

在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段，產(chǎn)品的原理信息、結(jié)構(gòu)信息比較模糊，在產(chǎn)品中完成某一特定功能，可以有多種方案選擇，可以采用多種不同的零部件或結(jié)構(gòu)加以實(shí)現(xiàn)，這種現(xiàn)象體現(xiàn)了功能——結(jié)構(gòu)的——對(duì)多的映射關(guān)系。這種功構(gòu)——對(duì)多的關(guān)系為機(jī)電產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了契機(jī)。

3.1.1功能模式的定義

功能模式的定義是以能量的傳輸與轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)提出的，但在生物流概念基礎(chǔ)之下研究機(jī)電產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)，我們不僅要考慮能量的傳輸與轉(zhuǎn)換，同時(shí)還要考慮到信息的傳輸與轉(zhuǎn)換，因此，我們?cè)谶@里對(duì)功能模式這一概念提出了新的定義。功能模式就是在以物質(zhì)流為載體的能量及信息的傳輸與轉(zhuǎn)換的角度出發(fā)，從多種能實(shí)現(xiàn)同種功能的不同零部件中抽象出，由一組功能表面（定位面、使定面、能量輸入、輸出面、信息輸入、輸出面）組成的，一個(gè)集功能、結(jié)構(gòu)于一身的幾何模型。由功能模式的定義可以看出，功能模式是功能表面集，其在功能描述及結(jié)構(gòu)表達(dá)上都比功能表面更具體。這就解決了功一構(gòu)映射的不確定性、多解性等問題，可以快速實(shí)現(xiàn)機(jī)電產(chǎn)品概念方案表達(dá)，將產(chǎn)品由功能域自動(dòng)映射到結(jié)構(gòu)（實(shí)體）域，模式與零件的關(guān)系是一對(duì)多的關(guān)系。

3.1.2功能模式的分類

通過對(duì)多種機(jī)電產(chǎn)品分析、抽象、歸納，根據(jù)產(chǎn)品中各零部件在機(jī)電產(chǎn)品中功能的不同，抽象出以下幾類功能模式機(jī)械執(zhí)行模式、能量執(zhí)行模式、機(jī)械傳動(dòng)模式、能量傳輸模式、信息檢測(cè)模式、信息傳輸模式、信息處理模式、容器模式、結(jié)構(gòu)模式及能源模式。

信息檢測(cè)模式通過信息傳輸模式對(duì)機(jī)械傳動(dòng)模式或能量傳動(dòng)模式、機(jī)械執(zhí)行模式或能量執(zhí)行模式及作用對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)信號(hào)通過信息傳輸模式送給信息處理模式，信息處理模式通過信息傳輸模式控制能源模式的運(yùn)行狀態(tài)，在信息處理模式的控制下能源模式通過機(jī)械傳動(dòng)模式或能量傳輸模式將機(jī)械運(yùn)動(dòng)（力）或其他能量形式傳遞給機(jī)械執(zhí)行模式或能量執(zhí)行模式，最后通過機(jī)械執(zhí)行模式或能量執(zhí)行模式實(shí)現(xiàn)對(duì)作用對(duì)象的所需能量作用。

3.2基于生物流的機(jī)電一體化產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)自動(dòng)化流程

基于生物流理論及信息轉(zhuǎn)換原理，以人為原型的的機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)自動(dòng)化過程，支持機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新方案的快速表達(dá)，其從需求分析開始，通過功能分析，建立由功能表面表達(dá)的功能原型，通過功能表面的分解與科學(xué)效應(yīng)指導(dǎo)下的功能推理，逐步生成機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、能量執(zhí)行機(jī)構(gòu)、能量傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、信息檢測(cè)機(jī)構(gòu)、信息處理機(jī)構(gòu)、信息傳輸機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)件、源動(dòng)件及能源件等。

結(jié)束語

綜上所述，在機(jī)電一體化系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中，概念設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)新是原創(chuàng)性程度較高的創(chuàng)新。概念設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中最重要、最復(fù)雜，同時(shí)又是最活躍、最具創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)階段，產(chǎn)品的創(chuàng)新及其所具有的競(jìng)爭(zhēng)能力，基本上也是在這個(gè)設(shè)計(jì)階段被確定下來。

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