基于产品系谱的概念结构多方案设计方法*

杨 波，高常青，王 伟，李海涛

(济南大学机械工程学院，济南 250022）

0 引言

作为整个设计过程中最为重要的阶段，概念设计是产品设计活动中关键的一步，而多方案设计是概念设计阶段的核心问题。从宏观上讲，机械产品是个功能耦合系统，包括若干子系统功能，显然，不同层次的问题要用不同层次的理论及技术解决，这就决定了方案设计的复杂性与不可预知性。

在以往的研究中解决多方案设计时，基本上采用一种原理综合方法，常采用的方案设计方法有图论法［1］、实例推理法［2］、功能与符号映射法［3］等。图论法解决原理方案设计问题，得到满足功能要求的概念解;实例推理法用于零件的细节设计。由于原理方案过于抽象，而细节设计又太过具体，因此两者信息难以共享，造成方案设计与细节结构设计信息传递的脱节。同时，这些方法一般从功能分析角度列举并组合出可选方案，但这些组合方法的方案数太多，且难以进行评价与优化。

在智能机械产品概念设计求解方法方面，许多研究人员也做了一些有益的尝试，张向军等人借鉴生物遗传学的概念和原理，提出了智能概念设计中的基因模型，在概念创新设计等方面进行了深入研究［4］;冯培恩等研究了复合功能原理方案设计特征模型及其求解过程［5］;曹东兴等［6］提出了基于通口本体的概念设计方法，采用本体表示通口建造领域本体知识，从而实现设计概念创新;张建明等从能量转换的角度提出了基于知识的产品概念设计启发式求解［7］。

上述这些方法对概念设计求解进行了一些有意义的探索工作，但是由于人脑中的求解方法具有计算机所无可比拟的广泛性、自适应性和更新速度，因此企图以通过记录人的求解方法、找出其中的规律并将它们赋予计算机的研究还远远没有达到实用阶段，也无法实现概念设计的智能化。

基于预期性，系统之间才能有效地交换信息、反馈信息，实现系统运行模式的智能化，而同构是系统之间交互作用产生预期反映的前提条件，因此多方案设计的基础之一是建立产品基于功能单元的同构描述模型。

1 产品系谱模型

生物进化的方法主要有以孟德尔(G.J.Mendel）为代表的“基于遗传基因的杂交实验”和以达尔文为代表的“比较生物学”。

模拟孟德尔生物繁育的基因交叉、变异过程，工程界提出了遗传算法等进化设计方法，较好的解决了方案选择、变量设计等优化问题，但自然生命体基因序列的长度远远高于目前计算机人工基因的数量级，加之CPU时间因素的限制，只能实现组合设计的筛选，根本达不到对设计进化的连续描述水平，因此无法完全模拟自然界具有的无限时间和空间优势。

达尔文的进化论表现为“进化谱系”，其研究生物进化的手段不是对其进化的实验和仿真，而是通过比较物种的结构而形成谱系。

模拟达尔文的进化理论，将生命现象中的系谱理论引入到产品的设计中，本文提出了基于系谱的产品多方案设计方法。由于组成产品系统的各个子系统都存在着其相对独立的功能机制，因此，通过建立其功能与结构系谱并对其进行分析，研究各类系统的基本要素，结构与功能单元，原理与功能机制、功能层次，就有可能象基因重组一样，组构人类所需要的系统类型，获取所需要的系统功能，并在此基础上统一解决各个层次的问题，实现设计过程的智能化。

1.1 产品系谱概念

系谱学来自拉丁文genealogia，原义指关于家族世系、血统关系的科学，侧重于理解事物的起源及其演变过程。

物种之间的进化相似性可以分为两类:其一是同源的相似性，即不同物种具有与它们共同祖先相同的特征;其二是同功的相似或趋同的相似性，即不同物种的相似的特征是各自独立进化的结果。

如图1所示，虽然存在着巨人的差别，但是产品与生物具有较大程度上的相似性，特别是和一切仿生物同样，产品可以看作做由符形和符意组成的一个符号的存在，其外在的形态为符形，由形态所传达出的意义为符意。因此可将产品同构相似性分为两类，即结构同构性，表现为外在的形态的符形相似性;以及功能同构性，表现为符意相似性。基于这种结构同构性以及功能同构性则可建立产品概念设计的系谱模型。

图1 生命体与产品的符号相似性

在进行产品仿生概念设计时，系谱模型表现为一种聚合关系，在一定产品结构中的各功能要素与结构要素自身存在着系谱性，构成了一个潜在的符号库，它与“不在场"的众多符号形成可替换性的关联，从而形成了产品的生长与进化;而在一定结构中，任何符号要素的变动都会形成一种新的符号重构，从而形成了组成产品结构的变异。

1.2 产品系谱描述模型

在产品设计过程中，为表达产品的继承与演变关系，建立产品基于系谱的同构描述模型，可首先根据产品从定量到定性的进化逻辑，得出不同概念结构之间的结构联系，建立基于结构进化相似性的结构系谱与基于功能进化相似的功能系谱。

1.2.1 结构系谱

定义 结构系谱:所谓结构系谱是指一组具有共同的形状特征和功能、能够被某一系列产品共享的、具有相对稳定结构的可重用模块的集合。

结构系谱由功能结构以一定的组合关系构成可扩展网络，通过对结构系谱的任意结构元施加空间布局约束和拼接约束可建立零件族模型，通过修改参数尺寸可以实现零件大小的变化，通过对功能结构的修改或替换可达到零件实例结构的变型和变异，通过提高零件变型对象的层次可实现零件功能结构的变异。下面给出两种典型结构系谱的建立。

(1）几何形状结构系谱

在产品生成的过程中，面的信息对于产品的设计和制造具有重要的意义，根据物体面的信息可以确定物体的真实形状、物理特性(如体积、质量等）、划分有限元网格、定义数控程序中刀具的轨迹等，因此可以作为产品几何造型的基本结构单元。由于大多数零件的形状是由平面、圆柱面、圆锥面、球面、渐开齿轮面、螺旋面等基本表面组成的，同时这些功能面表面具有可生长性，因此，可作为产品几何造型设计的基本结构系谱模型，如图2所示。

图2 几何形状结构系谱

(2）传动机构结构系谱

常规的传动机构如果从功能和结构上划分，不仅数量多(可能达到上千种甚至更多），而且又各自具有具体固定的结构形式，基本上不存在结构上的可生长性，如果在概念设计阶段使用这种常规机构，将过早地限制住产品结构形式，使产品失去大量的可实现创新的机遇。

借鉴功能机构的定义特点，从机构实现传动的最基本作用原理出发，抽取出它们功能上的本质特征，并保证所抽象出的机构在结构形式上具有可生长性及可扩充性，可将传统的机构形式划分为杠杆、斜面、摩擦以及杠杆、斜面作用的复合等四种传动机构，建立起如图3结构系谱。

图3 传动结构系谱

例如，对于杠杆机构，包含输出面、输入面用以完成运动或力的传递功能，定位长圆柱面、两断面用以完成定位功能，输入面和输出面也承担动态的定位功能。当杠杆机构中的每一个表面发生改变时，如输出面的位置、方位的改变都将引起整个机构运动性能的改变，从而实现结构的变异设计

执行、定位和传动是产品结构的最基本功能，它们概括了产品功能的全部内涵，相同的方法可以建立执行、定位机构的结构系谱。

1.2.2 功能系谱

定义 功能系谱:所谓功能系谱就是使用量变到质变的进化逻辑将不同的功能单元联系成相互关联的脉络关系，其中包括了功能之间的包容、归类和发展方向等信息。

例如，如图4对于物体尺寸这一作用对象，可以包含改变物体的尺寸和测量物体尺寸两种物理效应，而针对两种不同的物理效应，如改变尺寸又可通过热膨胀、形变记忆合金等功能单元实现，而测量物体尺寸又可通过起电、发光等功能单元实现，因此针对物体尺寸这一作用对象可建立如图4所示的功能系谱。

图4 物体尺寸功能系谱

功能系谱相对于结构系谱而言往往具有很强的稳定性，即便是不同的产品往往有着相同的功能系谱单元构成。组成产品的每一个元素或独立单元是能够完成特定功能的功能单元。

2 基于系谱的概念多方案生成过程

产品系谱是建立在功能系谱与结构系谱的基础上的，基于功能同构性可以建立功能系谱，而基于结构同构性，可以建立结构系谱，在此基础上即可进行基于系谱的产品演化设计，如图5所示。

图5 基于系谱的产品多方案生成过程

当设计某一特定类型的产品时，其产品多方案的生成过程如下:

(1）功能分解:将总功能分解为各独立子功能

(2）建立子功能的功能系谱:如存在n(f1）个功能原理单元可实现子功能f1，则子功能f1的功能系谱即可建立如下。

(3）根据各子功能的功能系谱，建立总功能的功能系谱集:

(4）建立功能方案集:据相容性原则及其他设计准则确定子功能的功能原理组合集，从而建立产品功能方案集;

如图5中，其中的功能方案一fs1其各子功能的功能原理单元的组成模式为:

则为该类产品的一个原理方案解。

(5）建立组成方案的子功能的结构系谱:如功能方案FS，其第一个可选方案fs1其各子功能的功能原理单元分别为，，…，而其中的结构系谱可表述为:

(6）建立某一方案的结构系谱矩阵:如方案fs1的结构系谱矩阵为。

(7）建立结构方案集:据相容性原则及其他设计准则确定子结构方案的组合集，从而建立产品结构方案集;

如其中的功能方案fs1其各子功能的结构系谱单元的组成模式为:

经过上述过程即可完成某类产品多方案生成过程。

这种基于系谱的产品多方案具有可追溯性、同一功能单元的同源性以及结构实现单元的可演化性及扩展性等特点，因此，为实现概念设计的智能化提供了统一的功能同构模型。在此基础上，即可建立基于同源性状态转换、状态交换及状态交互作用一体化的复杂功能网络系统，实现概念结构的进化及变异设计。

3 基于功能系谱的产品设计实例

生物科学家所表达的进化以时间为主线，进化设计的谱系则是以进化逻辑为主线关联的脉络关系，其中包括了方案之间的包容、归类和发展方向等信息。下面以工业机械手多方案设计过程为例说明产品系谱的在设计过程中的应用。

工业机械手是工业机器人的一个重要分支，是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术装备。它主要由执行机构、驱动机构、控制机构以及位置检测装置等组成，其中执行机构方案的选择是机械手概念设计中的最主要的部分。

工业机械手的执行动作可以分解为以下几个子功能:夹取工件f1、调整工件的方位f2以及调整工件位置f3。因此其子功能集可表示为:

执行机构主要由手部完成夹放工件、腕部完成调整工件的空间方位和臂部完成调整工件的空间位置。因此工业机械手的设计主要包括手部、腕部和臂部的设计。

(1）手部结构系谱的建立

机器人手部是安装于机器人手臂末端，直接作用于工作对象的装置，其设计是机器人设计中的一个重要环节。手部结构可选方案有夹钳式、吸附式以及勾拖式，因此其结构系谱为:

夹钳式功能结构由传力装置以及手指组成，其中，传力机构可由图3所示的传动结构系谱演化而来，其演化体系如图6所示。

图6 传动件类结构演化体系

根据工业机械手传力机构的功能特点，选取齿轮齿条机构、丝杠螺母机构、滑槽杠杆机构、连杆杠杆机构、斜楔杠杆机构、弹簧杠杆机构以及重力式机构作为其基本功能机构单元;选取V形指、细长尖指、平面指、内卡指以及特型手指作为手指机构的基本功能机构单元，建立夹钳式机构的结构系谱，如表1所示。

表1 夹钳式机构的结构系谱

其结构方案共有组合30种。

吸附式功能单元则可由负压气吸附、磁力吸附两种模式实现，而负压气吸附又可分为气流负压、真空吸盘和挤气负压三种结构实现方式，其结构系谱如表2所示。

表2 吸附式机构的结构系谱

勾拖式手部结构主要包含有驱动装置、无驱动装置、弹簧式三种形式。其结构系谱如表3所示。

表3 勾拖式手部的结构系谱

因此X3f1的结构系谱可表述为:

综上，手部的结构系谱集为:

(2）腕部结构系谱的建立

腕部主要用于连接手部和臂部，其功能是调整工件的空间方位，这种空间方位的调整主要包括，绕x轴回转、绕y轴回转、绕z轴回转、绕y轴横移。据此可建立其功能系谱:

其中，X1f2，X2f2，X3f2，X4f2分别代表上述四种功能要素。

根据腕部结构的功能结构特点，可建立各功能单元的结构系谱如下:

其中，G(X1f2）1，G(X1f2）2，…，G(X1f2）7分别为回转液压缸、齿轮齿条缸、轴线相互垂直的双回转液压缸、齿轮齿条与单作用活塞缸的组合、两自由度链轮锥齿传动机构、三自由度链轮锥齿传动机构、链轮回转缸结构;

其中，G(X2f2）1，G(X2f2）2为两自由度链轮锥齿传动机构、链轮回转缸结构;

其中，G(X3f2）1，G(X3f2）2为轴线相互垂直的双回转液压缸、三自由度链轮锥齿传动机构;

为活塞油缸、齿轮齿条与单作用活塞缸的组合;

在此基础上即可建立腕部结构系谱。以此类推可建立臂部的结构系谱。

(3）基于结构系谱的产品设计

当建立了产品的结构系谱后即可实现基于系谱的产品方案设计，下面以手部的设计为例说明设计过程。手部设计与被夹持工件的结构、重量、尺寸以及易损坏性有直接、显著的关系，因此其基本功能需求可从工件的物理性质抽象得出，如表4所示。

表4 手部单元的功能需求系谱

在此基础上可建立从功能需求到结构系谱的映射。例如当功能需求为:夹取工件重量重、形状为圆柱形、尺寸大，且为表面粗糙的金属材料时，则手部的方案为:

从而建立了手部结构的方案，在此基础上可进一步进行基于设计参数、作用场以及作用物质的变异设计，从而实现产品设计方案的演化。

4 结束语

本文将生命现象中的系谱理论引入到产品的设计中，提出了基于系谱的概念结构演化设计方法，并在此基础上对基于系谱的产品结构与概念设计方案演化方法进行研究。基于系谱的产品多方案具有可追溯性、同一功能单元的同源性以及结构实现单元的可演化性及扩展性等特点，因此，为实现概念设计的智能化提供了统一的功能同构模型。在此基础上，即可建立基于同源性状态转换、状态交换及状态交互作用一体化的复杂功能网络系统，实现概念结构的进化及变异设计。

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