机械产品设计的理论与方法研究

吕福玲

中图分类号：TP391.72 文献标识码：A 文章编号：1672-8882（2015）04-122-01

机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算，并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程，其目标是在各种限定的条件下设计出最好的机械。产品设计理论与方法经历一个世纪的研究和发展，已经由以经验为基础的设计模式发展为以科学原理和知识为基础的设计模式，并出现了对产品设计具指导作用的理论和方法体系。目前，常用的支持快速设计和创新设计的产品设计理论和方法主要包括：普适设计方法學、公理化设计理论发明问题解决理论，TRIZ（Theory of the Solution of Inventive Problems）、QFD（Quality Function Deployment）、质量功能展开）理论、相似理论、并行设计模块化设计、基于知识的工程设计等，其中相似理论和基于知识的工程设计应用最为活跃。

一、机械产品设计的理论研究

（一）相似理论

相似理论的基础是相似三定理，它是以经典数理科学身份进入设计领域的。20世纪50年代在相似理论基础上产生的成组技术，在施工设计阶段一直有着成功的应用。到20世纪90年代初，相似理论才以思维科学的面貌出现，开始有了运用相似论进行概念设计阶段的研究和创新设计研究。相似理论不仅自身构成了一类设计方法，而且还是智能设计、仿生设计、虚拟仿真系统的基础理论。基于相似理论的CBR（Case-Based Reasoning）和约束满足的设计方法的广泛应用，促成了智能计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）技术的产生。

（二）基于知识的工程设计

基于知识的工程设计指的是将人工智能（包括知识规则、知识库、逻辑推理等）与计算机辅助（Computer Aided X，CAX）技术有机的结合应用到产品幵发领域。它与传统的简单的参数化设计有着本质的区别，基于知识的工程实现了设计知识的重用，大大的推进了产品设计过程的自动化。现代设计理论和方法除了上述理论和方法之外，还包括优化设计、绿色设计、网络协同设计等。王举群在文献中列举了目前研究的50种产品设计方法。并指出虽然对于产品设计理论和方法的研究有很多但仍存在很多问题，主要表现在：基础理论的系统综合研究及应用依然薄弱，例如，现有的相似设计难于进行创新设计；知识重用设计与知识创新设计研究分离；概念设计、技术设计与施工设计相脱节；设计过程集成程度低造成信息孤岛。美国麻省理工大学的Tate在对主要设计理论与方法进行分析后提出：设计理论并未成熟，目前仍处于前理论阶段。分析现阶段对机械产品设计方法和理论的需求，未来产品设计理论与方法的发展趋势应为：

1.适应设计的多目标优化的设计理论和方法研究。

2.设计理论和方法的工程化研究促进设计理论和方法向应用转换。

3.基于相似理论的设计理论和方法与基于知识工程设计方法结合，以促进产品设计的智能化、快速化、创新性。

4.整合产品信息资源，消除信息孤岛，加强知识管理技术研究，以满足设计过程的知识需求。

二、机械产品设计知识表示的研究

机械产品设计过程中的知识的表示方法研究主要有状态空间表示法、基于图的表示法、语义网络表示法、框架表示法、谓词逻辑表示、问题规约法、产生式表示法、本体知识表示方法等。另外还有很多研究是将上述方法进行综合，取长补短来表示机械产品设计知识。如将框架表示法与规则表示法结合用来表示空间布局设计知识；将产生式表示、框架表示和面向对象的表示三者综合来表示机械产品设计知识。在诸多知识表示方法中，产生式表示法以用“IF-THEN”的形式表示规则知识见长，本体表示法则以“概念”、“关系”、“函数”、“公理”、“实例”来表示知识的语义而见长。

三、机械产品设计知识重用的研究

机械产品设计知识重用是机械产品快速、创新设计系统的关键技术。机械产品设计知识重用的研究内容主要包括：知识的重用形式和知识的推理技术研究。知识重用的形式，包括：文档、过程、规则、实例等。根据不同的知识重用形式，其应用过程和效果也不相同。文档类知识的重用属于最低级知识重用，这类知识对知识的使用者有较高的要求，此类知识的重用一般不能用于自动设计；过程类知识能够较好的应用于自动设计过程，但由于其灵活性太差，知识的应用范围受到一定的局限；规则类知识因其应用灵活、表示简单和推理容易实现而被广泛采用，但其知识的抽取是一个难点；实例类知识因其知识的易于维护性、自动积累特性、对强经验、若理论的复杂系统知识表示的简单特性和对于知识使用者的低要求特性，近年来被广泛采用。根据不同的知识类型，采取不同的知识推理技术实现知识的重用。知识的推理技术一般包括以下几种：不确定性推理技术、基于神经网络的推理技术、基于规则的推理、基于实例的推理技术等。其中基于规则的推理和基于实例的理技术应用是目前知识重用推理技术的研究热点。

四、基于规则推理（RBR）的研究

基于规则推理（Rule-Based Reasoning，RBR）又叫产生式系统，是目前多数专家系统所采用的推理机制。产生式系统包括：综合数据库：它包含与具体任务有关的信息；根据应用情况的不同，这些数据库可能简单得只是数字矩阵，也可能复杂得如文件结构的检索。规则库：对数据库进行操作运算。每条规则由左、右两部分组成，左部分是鉴别规则的适用性或先决条件，右部分则描述应用是所应该完成的动作。应用规则来改变数据库，就像应用算符来改变状态一样。推理机：它确定应该釆用哪条适用规则，而且当数据库的终止条件满足时，就停止计算。控制策略由控制系统选择和决定。，当给定一个条件时，推理机在知识库中，将它与各知识基进行比较，如果匹配，则完成该步推理，若可用规则不止一个，就需要按某种冲突消解策略选出其中一条规则来执行，继续进行下一步的推理，若在整个知识库无匹配的知识基，则结束推理，这样使问题得到求解。