基于设计结构层次的机械产品设计实例表达与推理

基于设计结构层次的机械产品设计实例表达与推理

摘要在机械产品设计的过程中，最为关键的阶段就是机械产品的方案设计阶段，而设计的基础是知识和经验。要对产品进行快速创新的设计就要求企业必须注重对产品设计的知识进行积累及利用，并采用实例式推理的设计方法。本文将对基础设计结构层次的机械产品设计实例表达与推理进行分析和研究。

关键词机械产品；设计；实例推理；表达

机械产品的方案设计需要针对产品性能的需求进行推理和分析，从而形成设计概念，而后通过结构与功能间的映射将设计概念转变为产品合理的设计方案，并使设计方案实现最优化。拟定设计方案的过程也就决定了产品设计的水平以及产品的综合性能，这是实现产品创新的重点。绝大多数工业产品的设计都属于变形设计，也就是说当出现了一个设计的新问题时，通常并不是从头开进行新设计，而是利用已有设计进行修改而解决新问题。设计的过程需要依赖具有相似性的设计以及过往的经验。所以对已有的设计知识进行积累以及有效的组织利用是十分重要的。实例式推理就是利用过去解决相似问题的实例及成功经验以获得当前的设计问题的类比推理的模式，可以有效提高机械产品设计的成功率，减少开发所需的时间并降低成本。

1 机械产品的设计实例需求

1.1 依据机械产品所需要的知识种类，建构实例库，对知识进行重用

随着机械产品制造企业提高了信息化的程度，在PDM系统中可以保存更加丰富的关于产品的历史数据。在这些数据信息中包括了大量机械产品的设计知识。这些知识从应用角度可以分为三类：其一是对设计结果进行评价的知识，主要是对产品在使用、维护检修以及报废回收等阶段所产生的信息进行综合分析的结构。其二是目前尚未被发现的一些知识，比如产品的结构参数与某些性能间的关系。其三是人工智能的技术目前尚百年进行描述的知识，也就是虽然知道在这些信息中蕴含了知识，但是却难以抽取出内在的机理[1]。

1.2 机械产品的设计实例所需要的信息内容

（1）实例重用要满足设计的需求

也就是要根据设计的需求条件在历史信息的实例中进行知识匹配，找出相同需求的设计实例进行重用。如果历史实例与新需求不完全匹配，则应寻找相似度最高的实例加以修改再进行重用。

（2）实例重用要满足约束的要求

找到与设计需求匹配的实例后还要考查历史实例是否能适应新系统的设计

约束。机械产品中的约束类型通常可以分为性能约束、空间约束以及接口约束。

（3）实例设计的结果描述要充分

如果历史实例与设计需求完全匹配且能满足系统的约束时就可以进行重用，因此要对实例结果进行充分的描述，否则将影响重用效果。

（4）机械产品在设计实例中层次化的需求

机械产品的设计实例需要进行层次化的分解，把较为复杂的大实例按照层次结构逐层进行分解，直到分解至最小功能。这样能够使产品实例更加丰富，且能够表达结构间相互的关系，便于对结构信息进行表示[2]。

2 机械产品的设计实例表达

基于实例推理的产品设计系统，其基础是机械产品设计的实例库。构建实例库的首要问题是对实例进行表达。实例表达主要需要解决三方面的问题，即结构组织、信息组成以及表示方法

2.1 产品设计的实例层次结构

机械产品的实例的特点是其层次化。因此实例库在组织结构上要与设计实例要求相符，在组织结构上也应是层次性的结构，其主要目的是对设计知识进行重用，因此实例层次分解要根据设计意图以及对工作原理进行表述的角度进行分解。

2.2 基于设计的结构层次的机械产品设计实例信息的组成

按照产品设计的实例层次化，产品的设计实例包括了需求分析、概念设计、机构设计、构建分解、零件設计、设计结构的元设计以及功能面的设计实例。机械产品的设计实例的描述模型主要由问题描述以及解决方案这两部分构成。问题描述包括在设计阶段的任务需求及约束条件。解决方案主要包括了设计的结构和拓扑关系，以及结构属性参数。通常前一层解决方案也就是下一层问题的描述[3]。

2.3 基于设计的结构层次的机械产品设计实例表达

（1）机械产品设计的结构层次的实例表示的方法

主要包括对产品设计的实例进行本体表示和列出设计实例的决策表。本体及决策表各具优势。本体可以充分地对产品实例进行表达，但在对实例属性进行预处理或检索时较为不便。决策表的表达能力有所欠缺，但能够为检索技术提供更好的支持。所以应采取二者结合的表达方法啦实现对产品设计的实例表达。

（2）产品设计的结构层次的实例本体及决策表的描述

按照产品设计的层次实例的问题描述以及解决方案信息类型特点，在实例库中可以将实例分为三种基本类型，即需求型、概念型以及详细的设计实例。需求型设计实例信息主要包括进行产品设计时需要的产品设计的任务书以及各种需求。在任务书内要有产品的特性指标和重要度。概念型设计实例的信息主要包括对需求进行分析后的结果，对产品在功能上的要求、产品性能的指标以及产品的设计方案。在进行详细的设计时，实例信息主要包括了设计的需求和约束，技术要求以及结构尺寸等信息，作为整体在实例中进行描述[4]。

3 结束语

目前在人工智能的领域以及专家系统的设计中，CBR能够模拟人类的认知心理以及推理行为，对实例进行表达、检索以及修正，最后加以存储。通过这几个基本的步骤完成推理的过程，从而有效解决机械产品在进行方案设计时需要利用大量的成功经验完成设计以及决策的问题，而且它的速度很快，在对机械产品进行方案时具有很高的应用价值。在信息技术高速发展的背景下，CBR必将与其他的知识表示的方法以及学习的机制、推理的技术更好地相互结合并集成运用。

参考文献

[1] 刘辉.基于设计结构层次的机械产品设计实例表达与推理[D].济南：山东大学，2012.

[2] 董成江.一种基于实例推理的机械结构的设计[J].科技信息，2010，（14）：762-762.

[3] 杨艳华，朱祖平，姚立纲.实例推理方法在机械产品方案设计中的应用[J].中国工程机械学报，2009，7（3）：312-316.

[4] 承莉莉.复杂机械产品概念设计中实例推理技术的研究与应用[D].南京：南京航空航天大学，2011.

祝贺（1988-）男，武汉人，毕业院校：华中科技大学，专业：机械制造及其自动化，学历：硕士研究生，现就职单位：中船重工722研究所，研究方向：机械