基于信息加工的机构设计原理与过程CAD

张晓钟 杨 哲 罗 丹

西安建筑科技大学,西安,710055

基于信息加工的机构设计原理与过程CAD

张晓钟 杨 哲 罗 丹

西安建筑科技大学,西安,710055

依据信息加工观,研究了机构设计过程的基本思想、方法与技术。通过分析机构设计过程在人脑与计算机中的表征形式、演变过程与相应的信息处理方法,提出信息加工观下的机构设计原理及其CAD技术框架,并就参数化技术下的机构行为分析、基于实例与仿真的性能分析CAD方法进行了探讨。给出了基于语言文字的抽象概念信息处理方法、基于属性特征匹配的抽象与形象表征形式转换方法、基于辅助基准装配的机构方案与性能设计方法。以连杆机构方案创新设计为例,实现了人机交互环境下的智能化、自动化设计过程。

机构设计;信息表征;信息加工;过程CAD

0 引言

基于信息加工的机构设计原理与过程CAD研究,旨在探讨人脑与计算机交互作用下,给定需求而获得机构方案的过程。其基本原理是:将机构方案的形成视为一个信息的连续处理过程,该过程由两个基本要素构成,一是机构形成过程中的表征形式,二是与表征形式相对应的处理过程。表征形式主要由抽象的语言文字形式和具体的图式构造形式表达,而处理方式则对应着逻辑推理和图式生成与变换等,两种方式之间由属性、特征关联来做变换处理。

1 功能目标下的机构设计过程与方法

一般说来,机构的功能需求是机构设计的目标。机构设计的成败直接影响产品的功能与性能,机构设计在现代机械产品的设计中占有特别重要的地位。机构设计是人的造物过程,造物的过程及其创新、机械产品的创新,与人的大脑智慧密不可分。人的大脑智慧主要体现在人对客体的认知、理解、记忆及其再应用;体现在对需求的特征与属性的识别与提取;体现在对需求信息的抽象与聚缩过程;体现在对需求的逐级抽象而形成概念的过程;体现在人们对最终形成的概念的透彻理解,而这种理解表现为对需求目标的最终而准确的结果表达与呈现形式,表现为结果表达与呈现形式的具体可评价、可实现、可操作方面。

作为基于功能的设计方法[1-4],机械机构的构造是以机构的功能设计为基准目标的,也就是说由功能决定构造形式。功能是人们对机构构造行为结果的理解与抽象表达。机构构造作为功能的载体,成为机械产品概念与方案设计的核心。机构构造的行为是机构达到与实现所设计目标功能的过程序列。这个行为过程的多样性、行为实现功能的可行性成为人们大脑思维与计算机辅助设计的难点。机构的性能,也就是功能实现的满足程度,或说达到需求功能目标的理想化程度,它是机构的构造确定之后设计工作中的重点。性能表达从本质上说来,是一个多属性组成的数据结构,性能表征的属性所涉及的学科特点及其多样性,使得这一步工作的展开具有极大的离散性、多学科关联性、矛盾与冲突的难以决策等特点,经验在此占据重要的地位。通过模型的运动学或动力学研究,可获得性能的最本质问题及属性。计算机虚拟技术为此提供了坚实的基础,使得实体模型检验、样机的实验室试验、机构的工程试验与检验等更加接近理想的功能要求。

传统的机构设计过程[5]是用人脑对各种信息进行加工处理,在脑外用纸、笔等作为辅助工具以表达思维结果。在这里,信息载体由大脑的心理表征转向了纸上的图形与文字符号,也可以是实体模型等。但思维结果的表现形式由活动的、复杂的形式转变为静止的、简约的特定形态,也就是所思考机构呈现形式的瞬态。这些信息载体的特性、所能呈现的形式与这些信息的处理方式会相互适应,大脑有这种适应能力或说转换能力。另一方面,载体表现形式还在于人感官的信息获取特点所造成的心理表征形式,或说心理影像的表现形式,尤其是视觉信息获取;还在于人们对客体的理解所产生的记忆形式;还在于人们对思维结果的信息输出方式,尤其是语言文字的口头输出形式(特别是其便利性);还在于信息输出的承载工具(纸、笔等)的特点与人的行为方式(绘图能力与表现形式)等。

在机构设计过程中,大脑会将自身各种感官获得的信息进行融合,以便形成可理解的心理影像而进行记忆。在这里,“理解”是至关重要的,一般说来,人们的理解是建立在信息处理结果的心理表征上的,也就是说,人的理解是对信息处理过程结束(阶段性的)之后的结果的把握与了解,与已有记忆的对比、同化与评价。被理解的思维结果会以适当的形式进行心理表征,也就是以人们已经感知的影像而心理再现;以人们可以便利地输出的形式(言语、绘图行为等)表征转换;以人们心理与生理习惯的形式进行处理,如语言文字的逻辑推理或图形的变换、图形重构等。另一方面,对于难以通过感官感知的信息(如形而上的信息、感情上的、精神上的等),对于难以形成明确影像的信息,对于将影像聚类以表达抽象概念的信息等,会使用借代等形式转换为形象的形式;会使用概念的内涵与外延,会使用属性特征的变换等转换为易于理解的表征形式。这些特点为计算机辅助提供了技术目标和应表达的基本要求,尤其是基于计算机图形学技术的可视化的表达形式。

传统的基于规则的方法[6]、基于实例的方法[7-8],利用知识库、规则库等工具,降低了在构造确定之前的设计难度,提高了设计效率及准确性。由于缺乏对机构功能需求与性能分析阶段的处理功能,不能在机构实例与机构需求之间建立科学的联系,限制了计算机及其机构设计者的创新能力。基于图形处理技术的CAD应用,尤其是三维图形CAD技术,大大提升了机构设计水平,但由于没能有效地解决机构演变中思维所特有的语义学、文本与图式表征的频繁转换等功能,阻碍了计算机技术的更深层次应用。

本文的思想是从信息加工观出发,依据信息加工对象和相应的处理过程两个要素进行设计活动。信息表征是第一要素,处理(加工)过程是第二要素。其中的信息处理对象是机构设计过程中各个阶段所特有状态的表征(心理表征与计算机表征),也就是该表征内容的属性关联与构造或该表征内容的数据结构形式;处理过程就是对各种表征的处理与转换的动作序列,也可称之为数据操作[9-10]。文中通过研究人脑思维过程[11]、机械创新设计方法[12-13]、机械系统设计方法[4,14]、基于实例的设计方法等,依据信息加工观,给出基于信息加工的机构设计方法。其基本原理是:机构设计思维的全过程由需求分析到概念形成,由概念的语义表达到概念的构造图式表达,从机构的功能载体到机构的性能确认的过程,如图1所示。该过程中始终要解决两个基本要素问题,一个是信息处理对象,也就是处理过程的结果的表征,即机构设计的各个阶段性思维成果的表达方式,该表达方式要被用于记忆、呈现、评价、决策与信息交换。另一个是在各个阶段表达结果之间的处理,包括前处理、中间处理、后处理等。前处理是指对该阶段之前生成某个思维结果的处理,以便适应本阶段的处理目标与形式。中间处理是对前后两种表达形式所要求的目标的一致性的加工处理,这是创新的关键。后处理是指对思维结果的各种表征形式的转换,以适应人们的理解与评价方式。通过文本与图式这两种基本处理方法与相应的处理技术实现了上述思想。具体做法借鉴了功能-构造与实例的过程设计方法。

图1 机构表征、设计演变与转换过程

2 信息加工观下的机构设计过程架构

就机构设计过程而言,本质上是大脑连续的信息处理过程。由于大脑的生理与心理机制和特性、机构形成过程中的表征形式、设计过程中的阶段性评价等,此连续的过程需要由若干个阶段来实现。依据前述思想,将信息表征与信息加工(处理)置于人机交互系统中,获得信息加工观下的机构设计过程架构。基于功能的设计思想,结合人思维的生理与心理特点,可将该过程用图2、图3所示的阶段性思维结果、连续思维中的若干个断面(阶段性表征)及其结构来表达。计算机作为脑外信息处理的辅助工具,作为脑内心理表征的可视化再现工具,需要人们给予必要的模型与处理方法的指令(软件)预置。这些以软件形式预置的表征与处理方法,都来源于大脑的思维过程与方式,也就是对大脑思维的模拟。通过简要探讨大脑思维问题,再探讨计算机“思维”问题,可获得设计过程中的方法与技术的计算机支持。这种探讨也集中在表征形式与处理方式两个方面,据此而获得计算机辅助的技术实现要点。

图2 机械机构的设计过程与内容

图3 机械机构设计过程的表征与处理架构

对于机构设计,需要大脑理解与表达的形式有:需求表达、功能表达、构造表达、行为表达、性能表达等。同时需要有与此相应的信息加工方式与过程,即思维过程,这个过程的脑外辅助就是计算机辅助的动因。

图2与图3所示的处理过程可以被描述为:根据使用要求,确定机构应该具备的功能,再“构想”出功能载体——构造,通过构造的图式变化——心理影像处理,判断其工作原理、运动方式、力和能量的传递等。这里的构想是由一系列的操作完成的,而操作对象、操作方式等的提取、选择、决策是智慧的结晶。其后,通过对结构形状及材料等事项的选择与评价,转化为具体的描述输出。以大脑的信息输出方式,在适当的载体上实现表征,如设计文档、工程图、实体模型等,接着以输出结果为依据进行生产加工。

按照表达形式,通常是以环境、图像、活动、语言、文字等多种形式进行归纳,归纳的原因在于大脑能判断其可处理的信息量总和(7±2个信息块)[9-11],也就是大脑的理解力与表征形式。机构概念确定后,就要进行对应功能的载体设计。这实际上是一个选择、映射、对应、评判的信息处理过程,本质上是一个抽象的概念表征向形象的图式表征的转换过程,目的是要找到适合的功能载体,在信息表达形式转化中是应用所指与能指来进行的。例如(参见图4),“曲柄滑块机构”六个汉字所指称的是图4所示的曲柄滑块物理实体或原理图;或者相反,图4所示的曲柄滑块物理实体能用原理图或“曲柄滑块机构”六个汉字指称。这就为计算机辅助带来了具有可计算性、可操作性的方法与技术支撑,这也保证了各种表征及其转换的等价性。

图4 机构设计过程的脑内外表达方式示例

概念设计能决定机构最基本的问题,其后只是满足其要求的条件搜寻与冲突消解,这就是概念设计带来的缺陷,也是其后很难变更或基本不可变更的本质原因。依照上述说明,结合图1,针对大脑思维在机构演变过程中的特点,在机构概念确定之前,主要采用语言文字的逻辑推理、模式识别、模式聚类等方法,经过语言文字与几何属性的功能载体之构造表征的转换,在机构概念及其构造载体确定之后,主要是对几何构造的性能进行分析处理,而所有的处理结果都将归结为构造的属性分析、细化与确认问题。

在大脑内外,基于人的认知理解和表征工具与方法,机构设计所经历的过程通常可有图4所示的表达方式,这表明了人对机构演变中不同阶段的理解、评价与确认,表明人可借助表达载体(纸与笔等),通过自身的行为方式来输出大脑所思的结果。这些表征形式均可用计算机来进行。

3 设计过程的CAD技术要点

前面说到,按流行的现代设计方法,计算机辅助主要体现在机构概念被转换为构造形式的设计方案之后,也就是在机构的图式表征下的性能分析阶段、冲突消解、技术与制造可行性环节中。大量的商业软件就是如此。

通过对思维过程的分析,基于信息加工原理,则可以通过以下两方面提升大脑与计算机交互下的全过程设计:一方面,在需求分析、功能定义、机构概念确认阶段,利用数据预处理、特征提取、特征降维、特征空间向量模型、关联度计算、二次特征降维等技术,实现对需求描述进行文本处理,包括知识获取、知识融合等逻辑推理处理;另一方面,在行为分析、性能设计、冲突消解与制造可行性环节与过程中,借助参数化设计思想、自动建模与自动装配等技术,利用机械设计软件进行性能分析,实现对产品概念的图式形态下的性能处理及其优化。

本文采用的具体方法与技术是:首先利用Visual Basic.NET语言,在M icrosoft Visual Studio 2008平台上,实现对用户需求的文本处理,再利用VB等语言作工具,以Solidworks等三维软件作平台,采用参数化技术、函数操纵的自动建模及装配技术,实现三维构造建模及视觉呈现;再利用ANSYS、ADMAS等进行静力和动力学等非可视感官下的产品性能分析,使CAD在这两方面趋于整体化。在整个设计过程中,大脑与计算机作为一个整体的信息处理系统,进行人机交互下的信息处理。通过人机交互,实现CAD将人的创造性思维、专业知识及实践经验与计算机高速运算功能、大量信息存储及逻辑判断能力、图形处理技术与可视化表征能力有机结合,尤其是将大脑中心理影像用虚拟技术表现出来,更有利于人的再思维、知识重用、信息交换与共享,提高可理解性,尤其是对构造性问题的抽象表征的整体理解与把握。

选用VB平台的主要原因在于:VB具有简单易学、通用和开发效率高等特点,更适合有经验的或无经验的、计算机知识弱项的机械设计工程师们发挥机械设计特长,保护非专利技术。尤其是通过商业软件的利用,能获得适宜的专用机构设计CAD系统。

4 连杆机构的设计实现

语言文字和图式的表征、处理在大脑与计算机中具有各异的本质区分,这里重点介绍图式表征与处理问题。语言文字表征处理的重点是描述数据预处理、特征提取、特征降维、特征空间向量模型、灰色关联度算法、二次特征降维等知识,借助ICTCLAS中文分词系统、Visual Basic.NET、Microsoft Visual Studio 2008、Visual Basic等软件 ,在计算机上实现文本处理及文本-图形转换过程。

按照计算机的工作原理、计算机图形学原理、当前三维软件的工作原理等,从底层数据向上层展开是便利的,也就是从零件向部件或整个机械机构组合是合适的。机构设计的思维一般说来是从上到下的,也就是从整体到零件的过程。在利用计算机进行信息处理时,采用实例的方法可以实现这一顺序。本文使用基于辅助基准的装配方法来生成或说构造实例,并以此来建立实例库,既可以获得大量样例,又可省去大量存储空间,也就是说,尽量使用函数操作而少用数据结构存储。而形成实例构造的零件基础则通过参数化技术来实现按需求的变更,通过生成实例的行为分析与性能分析评判对需求的满足程度。对于不适合的情形,通过改变其基础零件、组件参数,通过再装配来获得解决。

4.1 实例模式与生成方法

基于实例的设计方法是推理方法在设计领域中的应用,其思想来源于知识重用的思维方式。在面对新的设计要求时,设计者脑海中首先浮现出以往工作中出现过的类似设计,并进行对比,找出异同点,再参考设计标准及准则,确定新的设计方案。要利用计算机再现这一过程,关键在于根据用户对设计条件的描述,抽象出实例特征并建立筛选条件。据此条件建立抽象概念与具体构造的对应与关联关系,也就是大脑中的构造实例检索、评价、变形、重构等思维操作,也就是浮现。

实例模式是一个实例的模板样式,通过参数化技术对其构成零件进行修改,可获得在其基础上的各种变型体,以适应实际问题的需求目标。具体的实例模式与生成方法将另文叙述。

4.2 信息表征与信息加工过程

基于上述思想,首先利用文本处理技术,分析用户需求,描述机构定义,随后进行机构概念生成,经过表征转换,再进行性能设计,包括技术设计、施工设计等。将文本描述与功能建立的对应关系通过关联转换实现图式表征,再利用VB与Solidworks软件进行建模、装配、性能分析,完成后续设计。根据需求,在现有设计方案中寻求最佳方案进行改进。把机构按功能分类,形成不同的模板,实现从功能到结构快速有效的映射,采用知识推理模块进行推理,实现机构从功能到结构的自动化设计。基于功能-构造与实例的设计流程如图5所示。

图5 基于功能-构造与实例的设计流程图

(1)功能描述。通过对文本信息的检索、提取、分析、归纳等逻辑推理,确定其对应功能。

(2)实例检索。遵照一定的原则或算法(如属性、特征组合、匹配与关联等),从实例库的设计实例中检索出和新设计实例最接近的设计方案。

(3)构造重组或生成。根据检索到的实例,利用参数化思想、编程技术及基于辅助基准的装配方法,利用Solidworks的二次开发技术,自动建模及装配,并对其整体进行性能分析、冲突消解,获得性能评价。

(4)实例修正。根据上述分析结果、新旧设计要求之间的差异及相关设计知识,对旧的设计方案进行修改,以便形成让用户满意的新方案。

(5)实例评价。通过设置一系列的几何、性能约束,检查新的设计方案是否违反约束,以决定新的设计方案对新设计要求的有效性。

(6)新实例保存。将新问题及其设计方案添加到实例库,以备下次重用。

4.3 连杆机构的设计实现

图6 软件实现局部

连杆机构是传递与变换机械运动的主要部件,经过组合,它几乎可以实现现今生产条件下的所有机械运动功能。连杆机构是功能的承载体,有大量的历史积淀,又是抽象表征与形象表征转换的成熟案例,其基本构造简单,易于自动建模及自动装配而建立案例库。本文在建立连杆机构案例库的基础上,根据用户需求,利用参数化技术及基于辅助基准的装配技术自动生成新案例构造模型,并以四连杆机构为实例进行软件实现,其基本流程和主要人机交互界面适用于其他形式的连杆机构,如图6所示。基本工作流程为:选择并打开用户需求文本,调用文本分析系统进行处理,将处理结果反馈给需求文本框进行显示,经过人机交互修正评价,转入功能分析模块,通过知识融合与属性关联性分析而获得基本功能。利用功能对应下的属性特征等分析评价、关联度分析等环节,用机构的属性、特征组合对应获得图式表征的设计案例。分析设计案例的装配关系,确定装配顺序及装配特征等。利用参数化思想、编程技术及基于辅助基准的装配方法,利用Solidworks的二次开发技术,自动建立装配案例,并对机构进行性能分析、冲突消解,如此循环,直到确定设计方案为止。

部分程序如下:

5 结语

提出一个基于信息加工的机构设计CAD架构,该架构的两个基本要素是机构的各阶段表征形式、各表征的处理技术与各表征之间的转换技术。实践证明,利用文本数据挖掘、特征提取、灰色关联度计算方法、参数化技术、基于辅助基准的装配技术等,在计算机上实现从文字符号的抽象思维模式到对应图式的形象思维模式的连续处理与转换,实现构造体的自动建模、装配与性能分析是可行的。

基于信息加工的机构设计原理与过程CAD方法符合人们实际的设计过程和思路,符合人的理解方式与计算机的信息处理方法,便于构造和实现自学习功能,便于计算机进行连续的、整体的处理设计问题。

产品概念的产生是一个抽象思维的过程,是信息聚缩的过程,面对复杂多变的产品市场,对于初涉及该领域的工程师是个极大的难点。本文采用计算机的文本处理技术、人工智能技术等来做概念设计的前处理,可以大大提高信息的收集处理能力与水平,再通过案例图式转换来获得概念的构造表达,可以极大地降低设计者的劳动强度,提高设计效率。

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Mechanism Design Principle and Process CAD Based on In formation Processing

Zhang Xiaozhong Yang Zhe Luo Dan
Xi'an University of A rchitecture and Technology,Xi'an,710055

Based on view of information processing,the basic ideas,methods and techniques of mechanism design process were researched.Through the analysisof representational form s,evolution and methods of inform ation p rocessing onm echanism design p rocess in the brain and on the com puter,the design principle and CAD technology framework of mechanism design on view of inform ation processing were put forward.Themechanism behavior analysis by parametric technology,and CAD methods about performance analysis based on samp le and simulation were discussed.Meanwhile,the processing methods of abstract concept based on linguistic reasoning,the methods of transforming abstract exp ression to be visualized based on attributes m atching,the agency p rograms and performance design methods based on auxiliary reference assemb ly w ere given.A t last,an examp le of innovative design on link mechanism w as given,which achieved the intelligent and automatic design process under human-com puter interaction environment.

mechanism design;information representation;information processing;process CAD

TH 122;TP311

1004—132X(2011)06—0675—07

2010—05—28

陕西省教育厅自然科学专项(09JK 562);西安建筑科技大学基础研究基金资助项目(JC0708)

(编辑 苏卫国)

张晓钟,男,1953年生。西安建筑科技大学机电工程学院教授。主要研究方向为机械CAD/CAE、信息化机械产品设计、机械产品设计的软件化开发、机械振动理论与应用等。杨 哲,男,1985年生。西安建筑科技大学机电工程学院硕士研究生。罗 丹,女,1973年生。西安建筑科技大学机电工程学院副教授。