復雜機械系統(tǒng)快速創(chuàng)新設(shè)計

　　本書創(chuàng)建了基于三維平臺的復雜機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計自動化理論體系，并構(gòu)建了相應(yīng)的自動化平臺，實現(xiàn)了復雜機械系統(tǒng)自創(chuàng)新性方案的創(chuàng)成到運動分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、布局設(shè)計以及三維虛擬仿真等設(shè)計過程的自動化，解決了產(chǎn)品開發(fā)過程創(chuàng)新性與快速性統(tǒng)一的問題。本書主要內(nèi)容為：基于設(shè)計規(guī)則的創(chuàng)新設(shè)計方法和改良的功能分解與重組創(chuàng)新設(shè)計方法，符號方案的分解與識別，復雜機械系統(tǒng)運動分析，面向?qū)ο蟮幕緳C構(gòu)虛擬結(jié)構(gòu)設(shè)計，復雜機械系統(tǒng)的布局設(shè)計，以及"后臺預置"裝配等自動化方法。 本書對于提升設(shè)計人員的產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)能力具有重要的參考價值，可以作為機械類本科生和研究生教學改革、培養(yǎng)其創(chuàng)新能力的教材，還可以作為工程設(shè)計人員等建立特定產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計自動化平臺的參考資料。 序 古代中國是個有創(chuàng)意的國家，是工藝技術(shù)的先驅(qū)者，東漢張衡的候風地動儀及北宋蘇頌的水運儀象臺皆是很好的佐證，而《周禮·考千汜》亦云："知者創(chuàng)物，巧者述之，守之世謂之工；百工之事，皆圣人之作也。"然而，自從工業(yè)革命以來的兩百多年，我們的機械工業(yè)始終未能全面趕上先進國家。當今發(fā)達國家依靠其深厚的技術(shù)根基及龐大的研發(fā)資源，不斷且快速地推出新產(chǎn)品，并相當重視知識產(chǎn)權(quán)的保護，我們唯有加速產(chǎn)品升級，才能在競爭劇烈的國際舞臺上健康地生存與發(fā)展。機械產(chǎn)品升級的關(guān)鍵在于設(shè)計能力的自主創(chuàng)新，而設(shè)計能力的提高，則有賴于不斷創(chuàng)新的研發(fā)能力及創(chuàng)意人才的培養(yǎng)。 我于1993年首次應(yīng)邀到天津大學講學時認識作者王玉新教授，兩年后王教授向我展示了他基于我所提出的運動鏈再生機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法發(fā)明的"連桿式子午線輪胎成型鼓"產(chǎn)品，及其獲得的國家發(fā)明四等獎獎勵證書，使我感到非常高興。當時，王教授提出應(yīng)該實現(xiàn)運動鏈再生機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法的計算機化問題。 多年來，作者勤奮扎實工作，先后解決了運動鏈再生過程的同構(gòu)結(jié)果的判定、設(shè)計規(guī)則的推理、符號方案的自動識別、基本機構(gòu)運動分析的自動化建模、基本機構(gòu)的三維虛擬自動建模、復雜機械系統(tǒng)的布局，以及復雜機械系統(tǒng)虛擬裝配等問題。在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的自動化方法研究方面，作者提出的基于設(shè)計規(guī)則的機構(gòu)方案創(chuàng)新設(shè)計自動化方法，發(fā)展了我提出的運動鏈再生機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法。通過對圖形載體進行符合設(shè)計規(guī)則的邏輯操作，使方案解集中既包括符合組合創(chuàng)新原理的機構(gòu)設(shè)計方案，又包括相當數(shù)量且更具新穎性的機構(gòu)設(shè)計方案。針對功能分解與重組概念設(shè)計方法創(chuàng)新性不高的特點，通過采取降低功能元粒度、考慮結(jié)構(gòu)多功能屬性、動態(tài)劃分基本行為子集，以及基本機構(gòu)行為集與基本行為子集動態(tài)最優(yōu)匹配等措施，使功能分解與重組方法具有變異創(chuàng)新能力。在此基礎(chǔ)上，考慮三維平臺的參數(shù)化設(shè)計特征，基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)和數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了基本機構(gòu)的自動化三維建模，并根據(jù)所提出的后臺預制裝配技術(shù)和復雜機械系統(tǒng)布局方法，實現(xiàn)了概念設(shè)計方法對應(yīng)的復雜機械系統(tǒng)的自動化造型、裝配、及虛擬仿真。使在三維虛擬樣機的層面上，從眾多的創(chuàng)成設(shè)計方案中快速遴選出最具有創(chuàng)新性的設(shè)計方案成為可能，從而大大地提高了產(chǎn)品的創(chuàng)新性和產(chǎn)品開發(fā)的效率。這一系列的研究，在國際上率先實現(xiàn)了復雜機械系統(tǒng)由方案創(chuàng)成到方案虛擬仿真等產(chǎn)品開發(fā)過程的自動化，使復雜機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計及其自動化研究，取得了重要的理論和應(yīng)用進展，得到了國際學術(shù)界的肯定和贊賞。 本書反映了作者近十年來在復雜機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計及其自動化研究領(lǐng)域所取得的研究成果，可為培養(yǎng)機械領(lǐng)域?qū)W生創(chuàng)意設(shè)計能力的教材，可為業(yè)界專家開發(fā)創(chuàng)新產(chǎn)品的工具，亦可為工程學者研究創(chuàng)意設(shè)計理論的參考。相信本書的出版，對于提升設(shè)計人員的產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)能力將發(fā)揮積極的作用，對于建立特定產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計自動化平臺將具有一定的指導價值，對機械工業(yè)設(shè)計人才的培養(yǎng)與系統(tǒng)產(chǎn)品的升級亦將有所貢獻。 前言 增強產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計能力，以自有知識產(chǎn)權(quán)參加國際市場競爭，已成為國內(nèi)學術(shù)界和政府部門的共識。美國工程設(shè)計委員會在制定未來25年工程設(shè)汁優(yōu)先資助領(lǐng)域時，將創(chuàng)新設(shè)計作為三個重點資助方向之一，并認為創(chuàng)新設(shè)計是關(guān)系到未來美國企業(yè)核心競爭能力，增加就業(yè)機會的戰(zhàn)略性問題。另一方面，個性化發(fā)展趨勢和快速多變的市場，要求企業(yè)能夠準確地把握市場脈搏，有能力在第一時間內(nèi)開發(fā)出能夠滿足市場需求的產(chǎn)品，從而贏得豐厚的利潤。因此，產(chǎn)品開發(fā)的快速創(chuàng)新能力是決定未來企業(yè)生存的關(guān)鍵，而創(chuàng)新性和快速性將是21世紀工程設(shè)計學科的重要發(fā)展前沿方向。 產(chǎn)品的個性化、柔性化、智能化是未來產(chǎn)品的重要特征。機電一體化產(chǎn)品是能夠滿足這些特征需求的產(chǎn)品的代表。機電產(chǎn)品設(shè)計方案的新穎性和創(chuàng)新性是影響我國機電產(chǎn)品在國際市場競爭力的關(guān)鍵因素。研究機電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計理論、方法及其創(chuàng)新設(shè)計的自動化，是關(guān)系到我國能否以自有知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品跨人世界制造業(yè)先進行列的關(guān)鍵，也是徹底解決我國目前出口產(chǎn)品利潤低、市場競爭力弱的關(guān)鍵。因此，有必要從系統(tǒng)的角度出發(fā)，提出一種先進的機電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計理論及其自動化方法，以提升企業(yè)的機電產(chǎn)品快速創(chuàng)新能力。 產(chǎn)品的概念設(shè)計階段，也即產(chǎn)品的原理方案設(shè)計階段，是決定產(chǎn)品創(chuàng)新性的主要環(huán)節(jié)。美國國家發(fā)展戰(zhàn)略研究中心的研究表明，產(chǎn)品綜合性能的70％是由概念設(shè)計階段決定的。從國內(nèi)外機電產(chǎn)品研發(fā)的總體情況上來看，產(chǎn)品的概念設(shè)計多采用基于功能分解與重組設(shè)計方法的功能需求檢索方法，或者基于實例推理的方法。 功能分解與重組設(shè)計方法的主要缺陷在于：在設(shè)計方案的篩選方面，現(xiàn)有的價值評價只能解決功能與成本的評價問題，而對定量的性能評價則無能為力。因為機電產(chǎn)品的性能與參數(shù)有著密切的關(guān)系，而且是非線性關(guān)系，在方案的具體參數(shù)確定之前，其性能具有非量化性；形態(tài)矩陣方法容易造成解爆炸問題；方案的創(chuàng)新性不高。研究創(chuàng)新設(shè)計方法的學者普遍認為，由組合創(chuàng)新設(shè)計方法得到的方案一般都缺少創(chuàng)新性，屬于大眾性產(chǎn)品，即用常規(guī)思維能夠獲得的設(shè)計方案。 基于實例推理的產(chǎn)品設(shè)計方法，其主要問題在于怎樣在原有的方案基礎(chǔ)上生成具有新穎性與創(chuàng)新性的產(chǎn)品設(shè)計方案。如果實例是受知識產(chǎn)權(quán)保護的產(chǎn)品，則基于實例的產(chǎn)品開發(fā)，很難跨越知識產(chǎn)權(quán)的保護范圍。也有學者提出基于特征矩陣（或者基于基因）變異的基于實例的產(chǎn)品開發(fā)方法，以解決知識產(chǎn)權(quán)的保護問-了產(chǎn)品開發(fā)的效率。 2）在方案設(shè)計階段，提出了兩種能夠獲得創(chuàng)新性設(shè)計方案的自動化方法：基于設(shè)計規(guī)則的機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計自動方法和改良的功能分解與重組創(chuàng)新設(shè)計方法。因采用了定向發(fā)散創(chuàng)新方法，前者本身具備獲得創(chuàng)新設(shè)計方案的能力。通過降低功能分解的粒度空間，采用基本行為子集的動態(tài)匹配，以及考慮一機構(gòu)多功能等，使后者具備獲得創(chuàng)新性設(shè)計方案的能力。 3）將布局設(shè)計引入到產(chǎn)品的設(shè)計環(huán)節(jié)，使基本機構(gòu)組成的復雜機械系統(tǒng)，既可以滿足產(chǎn)品的工業(yè)美學設(shè)計要求，又可以滿足產(chǎn)品的壽命與可靠性的要求。 4）提出了一種支持符號方案虛擬裝配的"后臺預置"裝配方法，實現(xiàn)了符號方案對應(yīng)的復雜機械系統(tǒng)的自動裝配與仿真。 作者希望該書的出版能夠在提升我國機電產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計能力等方面發(fā)揮積極的作用。同時，作者還希望基于本書建立的復雜機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計自動化平臺，對于培養(yǎng)本科生的創(chuàng)新設(shè)計能力有所幫助。 作者的部分研究生對"復雜機械系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計及其自動化理論體系"的形成做出了一定的貢獻。他們的具體貢獻分別為：構(gòu)件的相似性判定方法（蹇軍）；基于設(shè)計規(guī)則的邏輯推理方法（邰曉梅）；基于功能分解與重組的創(chuàng)新設(shè)計方法（朱殿華）；面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計（顧毅）；復雜機械系統(tǒng)布局算法（楊麗艷）。作者在此對他們的工作表示感謝。 最后，作者感謝教育部首屆優(yōu)秀青年教師獎勵基金對本書研究的支持，感謝科學出版社鞠麗娜女士對本書的厚愛。受作者學術(shù)水平的限制，一些學術(shù)觀點的不妥之處懇請專家、學者指正。本書難免存在欠妥之處，懇請讀者批評指正。 作者聯(lián)系方式：wang-yuxin@eyou．com。 王玉新 2005年12月18日

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