复杂机械系统快速创新设计

　　本书创建了基于三维平台的复杂机械系统创新设计自动化理论体系，并构建了相应的自动化平台，实现了复杂机械系统自创新性方案的创成到运动分析、结构设计、布局设计以及三维虚拟仿真等设计过程的自动化，解决了产品开发过程创新性与快速性统一的问题。本书主要内容为：基于设计规则的创新设计方法和改良的功能分解与重组创新设计方法，符号方案的分解与识别，复杂机械系统运动分析，面向对象的基本机构虚拟结构设计，复杂机械系统的布局设计，以及"后台预置"装配等自动化方法。 本书对于提升设计人员的产品创新开发能力具有重要的参考价值，可以作为机械类本科生和研究生教学改革、培养其创新能力的教材，还可以作为工程设计人员等建立特定产品的创新设计自动化平台的参考资料。 序 古代中国是个有创意的国家，是工艺技术的先驱者，东汉张衡的候风地动仪及北宋苏颂的水运仪象台皆是很好的佐证，而《周礼·考千汜》亦云："知者创物，巧者述之，守之世谓之工；百工之事，皆圣人之作也。"然而，自从工业革命以来的两百多年，我们的机械工业始终未能全面赶上先进国家。当今发达国家依靠其深厚的技术根基及庞大的研发资源，不断且快速地推出新产品，并相当重视知识产权的保护，我们唯有加速产品升级，才能在竞争剧烈的国际舞台上健康地生存与发展。机械产品升级的关键在于设计能力的自主创新，而设计能力的提高，则有赖于不断创新的研发能力及创意人才的培养。 我于1993年首次应邀到天津大学讲学时认识作者王玉新教授，两年后王教授向我展示了他基于我所提出的运动链再生机构创新设计方法发明的"连杆式子午线轮胎成型鼓"产品，及其获得的国家发明四等奖奖励证书，使我感到非常高兴。当时，王教授提出应该实现运动链再生机构创新设计方法的计算机化问题。 多年来，作者勤奋扎实工作，先后解决了运动链再生过程的同构结果的判定、设计规则的推理、符号方案的自动识别、基本机构运动分析的自动化建模、基本机构的三维虚拟自动建模、复杂机械系统的布局，以及复杂机械系统虚拟装配等问题。在产品创新设计的自动化方法研究方面，作者提出的基于设计规则的机构方案创新设计自动化方法，发展了我提出的运动链再生机构创新设计方法。通过对图形载体进行符合设计规则的逻辑操作，使方案解集中既包括符合组合创新原理的机构设计方案，又包括相当数量且更具新颖性的机构设计方案。针对功能分解与重组概念设计方法创新性不高的特点，通过采取降低功能元粒度、考虑结构多功能属性、动态划分基本行为子集，以及基本机构行为集与基本行为子集动态最优匹配等措施，使功能分解与重组方法具有变异创新能力。在此基础上，考虑三维平台的参数化设计特征，基于面向对象技术和数据库，实现了基本机构的自动化三维建模，并根据所提出的后台预制装配技术和复杂机械系统布局方法，实现了概念设计方法对应的复杂机械系统的自动化造型、装配、及虚拟仿真。使在三维虚拟样机的层面上，从众多的创成设计方案中快速遴选出最具有创新性的设计方案成为可能，从而大大地提高了产品的创新性和产品开发的效率。这一系列的研究，在国际上率先实现了复杂机械系统由方案创成到方案虚拟仿真等产品开发过程的自动化，使复杂机械系统创新设计及其自动化研究，取得了重要的理论和应用进展，得到了国际学术界的肯定和赞赏。 本书反映了作者近十年来在复杂机械系统创新设计及其自动化研究领域所取得的研究成果，可为培养机械领域学生创意设计能力的教材，可为业界专家开发创新产品的工具，亦可为工程学者研究创意设计理论的参考。相信本书的出版，对于提升设计人员的产品创新开发能力将发挥积极的作用，对于建立特定产品的创新设计自动化平台将具有一定的指导价值，对机械工业设计人才的培养与系统产品的升级亦将有所贡献。 前言 增强产品的创新设计能力，以自有知识产权参加国际市场竞争，已成为国内学术界和政府部门的共识。美国工程设计委员会在制定未来25年工程设汁优先资助领域时，将创新设计作为三个重点资助方向之一，并认为创新设计是关系到未来美国企业核心竞争能力，增加就业机会的战略性问题。另一方面，个性化发展趋势和快速多变的市场，要求企业能够准确地把握市场脉搏，有能力在第一时间内开发出能够满足市场需求的产品，从而赢得丰厚的利润。因此，产品开发的快速创新能力是决定未来企业生存的关键，而创新性和快速性将是21世纪工程设计学科的重要发展前沿方向。 产品的个性化、柔性化、智能化是未来产品的重要特征。机电一体化产品是能够满足这些特征需求的产品的代表。机电产品设计方案的新颖性和创新性是影响我国机电产品在国际市场竞争力的关键因素。研究机电产品创新设计理论、方法及其创新设计的自动化，是关系到我国能否以自有知识产权的产品跨人世界制造业先进行列的关键，也是彻底解决我国目前出口产品利润低、市场竞争力弱的关键。因此，有必要从系统的角度出发，提出一种先进的机电产品创新设计理论及其自动化方法，以提升企业的机电产品快速创新能力。 产品的概念设计阶段，也即产品的原理方案设计阶段，是决定产品创新性的主要环节。美国国家发展战略研究中心的研究表明，产品综合性能的70％是由概念设计阶段决定的。从国内外机电产品研发的总体情况上来看，产品的概念设计多采用基于功能分解与重组设计方法的功能需求检索方法，或者基于实例推理的方法。 功能分解与重组设计方法的主要缺陷在于：在设计方案的筛选方面，现有的价值评价只能解决功能与成本的评价问题，而对定量的性能评价则无能为力。因为机电产品的性能与参数有着密切的关系，而且是非线性关系，在方案的具体参数确定之前，其性能具有非量化性；形态矩阵方法容易造成解爆炸问题；方案的创新性不高。研究创新设计方法的学者普遍认为，由组合创新设计方法得到的方案一般都缺少创新性，属于大众性产品，即用常规思维能够获得的设计方案。 基于实例推理的产品设计方法，其主要问题在于怎样在原有的方案基础上生成具有新颖性与创新性的产品设计方案。如果实例是受知识产权保护的产品，则基于实例的产品开发，很难跨越知识产权的保护范围。也有学者提出基于特征矩阵（或者基于基因）变异的基于实例的产品开发方法，以解决知识产权的保护问-了产品开发的效率。 2）在方案设计阶段，提出了两种能够获得创新性设计方案的自动化方法：基于设计规则的机构创新设计自动方法和改良的功能分解与重组创新设计方法。因采用了定向发散创新方法，前者本身具备获得创新设计方案的能力。通过降低功能分解的粒度空间，采用基本行为子集的动态匹配，以及考虑一机构多功能等，使后者具备获得创新性设计方案的能力。 3）将布局设计引入到产品的设计环节，使基本机构组成的复杂机械系统，既可以满足产品的工业美学设计要求，又可以满足产品的寿命与可靠性的要求。 4）提出了一种支持符号方案虚拟装配的"后台预置"装配方法，实现了符号方案对应的复杂机械系统的自动装配与仿真。 作者希望该书的出版能够在提升我国机电产品的创新设计能力等方面发挥积极的作用。同时，作者还希望基于本书建立的复杂机械系统创新设计自动化平台，对于培养本科生的创新设计能力有所帮助。 作者的部分研究生对"复杂机械系统创新设计及其自动化理论体系"的形成做出了一定的贡献。他们的具体贡献分别为：构件的相似性判定方法（蹇军）；基于设计规则的逻辑推理方法（邰晓梅）；基于功能分解与重组的创新设计方法（朱殿华）；面向对象的结构设计（顾毅）；复杂机械系统布局算法（杨丽艳）。作者在此对他们的工作表示感谢。 最后，作者感谢教育部首届优秀青年教师奖励基金对本书研究的支持，感谢科学出版社鞠丽娜女士对本书的厚爱。受作者学术水平的限制，一些学术观点的不妥之处恳请专家、学者指正。本书难免存在欠妥之处，恳请读者批评指正。 作者联系方式：wang-yuxin@eyou．com。 王玉新 2005年12月18日

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