复合功能的机械运动方案设计专家系统

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2002.01.044 第24卷第1期 北京科技大学学报 Vol,24 No.1 2002年2月 Journal of University of Sclence and Technology Beijing Feb.2002 复合功能的机械运动方案设计专家系统 于晓红邱丽芳魏东卢彩容 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要介绍了具有复合功能的机械运动方案设计专家暴统，该系统具有完整的机构知识体 系和比较合理的机构推理及评价系统，可以对单一功能的机构和具有多个分功能要求的机构 系统，通过初选、中选、评价、复合等过程得出优选方案 关铺词运动方案设计：选型：复合功能 分类号TH113,2 机械运动方案设计（以下简称方案设计）是 初选模块 推 机械产品设计过程中极其关键的环节，它直接 中选模块 佣户人机界面 理 据库管 知识（机构） 影响到机械产品的质量、性能和经济效益，在很 功能复合模块模： 专家 评价模块 块 大程度上决定了机械产品在市场上的竞争能 力.方案设计是一个复杂的创造性的思维过程. 围2系统总体结构 设计者不仅需要掌握机械设计理论和方法，而 Fig.2 Total structure of the system 且需要具备丰富的实践经验和创造力 (1)建立了比较完善的机构实例库.库中备 图1所示为机械运动方案设计流程图.方 有大量的现有机构作为备选方案.机构库由各 案设计的关键是实现运动要求的机构形式设 类单一基本机构和组合机构构成，基本满足一 计，机构形式设计的方法有选型设计和构型设 般情况下的机构选型的需要.库中机构按照机 计2种，本文介绍了具有初选、中选、评价、复合 构构造属性和功能属性结合的方式对机构进行 功能的方案选型专家系统. 归类，并建立了辅助索引提供按运动形态和动 设计任务] 机构形式设计] 作方式进行机构选型的功能. (2)以合理的知识实现机构表达.机构库不 功能分析与分解 选型设计 构型设闭 但可以满足选型数量上的要求，而且给出了每 分功能份功能2分功能3 不清意力案评价 个机构的专家评价意见，即各种性能指标合理、 满意 确定工作原理] 优选机构方案】 恰当的指导值.在确定专家知识的过程中，综合 图1机械运动方素设计流程 考虑不同行业、使用范围、工作环境，以及专家 Flg.1 Kinematic project design process 人为因素，将机构性能指标进行量化 (3)机构库具有可扩展性.设计者根据知识 1系统总体结构 的增加和更新，可以方便地增加、删减、编辑.同 系统的总体结构如图2所示，主要由知识 时，为了在设计中能够直观、清晰地表达机构特 库（机构库）、数据管理系统、人机界面及推理模 征和形式，提供了机构的图形和动画. 块构成 1.2人机界面 1.1知识库 人机界面是专家系统的信息交互环境，提 知识库（机构库）是专家系统的核心.建立强 供用户或专家与系统的接口.用户提出的设计 大、完善的机构库是机构选型设计的前提.该模 要求，以及对设计过程的监督、干预都通过用户 块的主要特点如下： 接口实现，系统设计的结果也通过用户接口显 示.专家接口主要获取专家的知识，并接受专家 收稿日期2001-03-12 于晓红女，48岁，副救授 对知识库的增、删、改的建议

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 加 御 加 卜 盯 恤 复合功能的机械运动方案设计专家系统 于晓红 邱丽 芳 魏 东 卢彩容 北京科技大学机械工程学院 ， 北京 摘 要 介绍 了具有复合功能的机械运 动方案设计专家系统 ， 该系统具有完整 的机构知识体 系和 比较合理的机构推理及评价系统 ， 可 以对单一 功能的机构和具有多个分功能要求的机构 系统 ， 通过初选 、 中选 、 评价 、 复合等过程得 出优选方案 关妞词 运 动方案设计 选 型 复合功能 分类号 机械运 动方案设计 以下简称方案设计 是 机械产品设计过程 中极其关键 的环节 ， 它直接 影响到机械产品的质量 、 性能和经济效益 ， 在很 大程 度上 决定 了机械 产 品在市场 上 的竞争能 力 方案设计是一个复杂的创造性 的思维过程 设计者不 仅需要 掌握机械设计理论和 方法 ， 而 且需要 具备丰 富的实践经验 和 创造 力 图 所示 为机械运动方案设计流 程 图 方 案设 计 的关键是 实现 运 动要 求 的机 构形 式设 计 ， 机构形 式设计的方法有选 型 设计和构型设 计 种 本文介绍 了具有初选 、 中选 、 评价 、 复合 功能的方案选 型 专家系统 座奥一推 匣卧惬率酬墨氢翟 圈 【亘亘医 块 …倡 · 遍 分功能 一 圈 机械运动方案设计流程 月 和】 韶 均 一 系统总体结构 系统 的总体结构如 图 所示 ， 主要 由知识 库 机构库 、 数据管理 系统 、 人机界面及推理模 块构成 知识库 知识库 机构库 是专家系统的核心 建立 强 大 、 完善的机构库是机构选型设计的前提 该模 块 的主要特点如下 收稿 日期 刁 一 于晓红 女 ， 岁 ， 副教授 圈 系统总体结构 建立 了 比较完普 的机构实例库 库中备 有 大量 的现有 机构 作为备选方案 机构 库 由各 类单一 基本机构和组合机构构成 ， 基本满足 一 般情况 下 的机构选 型 的需要 库 中机构按照 机 构构造属性和功能属性结合的方式对机构进行 归类 ， 并建立 了辅助索引提供按运 动形态和动 作方式进行机构选 型 的功能 以 合理的知识实现机构表达 机构库不 但可 以 满足选 型数量上 的要求 ， 而 且 给 出了每 个机构的专家评价意见 ， 即各种性能指标合理 、 恰 当的指导值 在确定专家知识的过程 中 ， 综合 考虑 不 同行业 、 使用 范 围 、 工作环境 ， 以及专家 人 为因素 ， 将机构性 能指标进 行量 化 机构库具有可扩展性 设计者根据知识 的增加和更新 ， 可 以方便地增加 、 删减 、 编辑 同 时 ， 为了在设计中能够直观 、 清晰地表达机构特 征和形式 ， 提供 了机构 的图形 和动画 人机界面 人机界面是专家 系统 的信息交互环境 ， 提 供用户或专家与系统 的接 口 用 户 提 出的设计 要求 ， 以及对设计过程的监督 、 干预都通过用户 接 口 实现 ， 系统设计 的结果也通 过 用户 接 口 显 示 专家接 口 主要 获取专家的知识 ， 并接受专家 对知识库的增 、 删 、 改 的建议 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2002．01．044

Vol.24 No.1 于晓红等：复合功能的机械运动方案设计专家系统 ·55 系统的输人有2种方式：交互输人和文件 点击各机构名称，右侧出现相应机构的动画及 输入.交互输入通过与用户、专家的对话，得到 简要说明， 专家的知识和用户的设计要求，并能够通过各 2.2中选模块 种帮助、提示，对用户的操作起到指导作用；文 在机构初选方案的基础上，用户通过对话 件输人可以将以前的设计结果或他人的设计结 框，提出工作性能、结构性能等方面的具体要 果调入系统进行再设计或继续设计.系统的输 求，系统将这些要求作为逻辑推理的条件，采用 出也有2种方式：图像、动画输出和文件输出. 正向推理模式，经相应的代码转换，在经过初选 图像、动画以直观的方式显示系统设计的结果， 得到的符合用户要求的机构方案集中进行查询 并且通过列表和说明提供机构的详细情况；文 和筛选，将不符合条件的机构删除，得到基本满 件输出则为保存设计结果提供了必要的手段. 足设计要求的可行方案集 13数据库管理系统 2.3功能复合模块 选用Microsoft Access数据库管理系统，建 对于具有多个分功能的机械，系统提供了 立了各类机构的数据库，利用Access的高效率 实现复合功能的机构选型功能.复合功能机构 和高可靠性，可以方便地管理和维护数据库.在 选择先根据单一功能机构选择的规则选出可行 系统中，使用ODBC建立程序与数据库的接口， 方案后，再应用形态学矩阵的方法从单一功能 系统可以随时对数据库进行访问 选型结果集中选择可能的方案进行组合，表1 1.4推理模块 所示为机构功能复合形态学矩阵 根据方案选型的要求，利用知识库中的机 表1机构功能复合形态学矩阵 构，选出较好的机构方案，推理模块又分为初 Table 1 Complex matrx of the mechanism 选、中选推理、功能复合、评价4个模块 可能的解法 分功能 1 2 3 i 2推理模块的主要功能 A A A A B B B B 2.1初选模块 根据运动要求进行方案的初选，本系统对 N N N N 方案初选提供2种方式，一是按运动形态，二是 按动作方式（机构执行动作的功用很明确，如有 表中第一列表示要设计的机构的每一分功 夹紧、分度、定位、制动、剪切、导向等要求) 能，每行为其可能的解，如A1,A…由每个分功能 当输入设计要求的运动形态或动作方式 解中选择一个解，经过组合可以形成整体方案， 后，系统自动生成初选的机构方案集.如飞剪机 如A2-B,-N1,A-B,-N2等等.图4为牛头刨床两 剪切机构的选型可以按照飞剪机这一特定的动 个分功能（刨刀的切削和工作台的送进）机构复 作方式对系统提出设计要求，系统自动提供如 合的形态学矩阵 图3左侧所示的含有十几种方案的初选方案集， 从理论上说，由形态学矩阵可能组成整体 方案的数量，为各行解法个数的连乘积，故数目 aL1wdamg 置人生州青房角 图3飞剪机剪切机构初选方案集 图4牛头创床机构复合形态学矩阵 Fig.3 Initial selective project sets of the shearing mechan- Fig.4 Piston pumps mechanism complex matrix ism in the flying shear

◆56· 北京科技大学学报 2002年第1期 很多，一般通过以下原则组成少数的可行方案 案，通过形态学矩阵复合成整体方案后，通过安 进行评价： 全评价法，对整体方案进行再评价. (1)各分功能解间必须相容，否则不能组合； 有效值复合评价法、机械方案的性能不是 (②)优先选用主要分功能的较佳解，由此出 各个分功能的简单叠加，因此各个分功能的最 发，选择与它相容的其他分功能解； 优解的组合不一定是整体方案的最优解.而且， (3)剔除对设计要求、约束条件不满足，或不 各个评价指标对于分功能机构的重要性在整体 能令人满意的解答，如成本偏高、效率低、不安 方案中也会发生变化.例如，对于分功能，可能 全、加工困难等 不强调经济性，但对于整体方案而言，降低成本 2.4评价模块 则是非常重要的一点；整体方案的某些评价指 (1)单一功能机构方案的评价.具有合理的 标却可以由各项分功能的得分值推算出，如对 评价指标和评分标准，对可行方案从技术、经 于产品成本来说，如果各分功能的成本均较低， 济、安全可靠等多方面予以评价.系统提供专家 可以认为整体方案的成本较低.基于以上考虑， 评价和用户评价两种评价方式.一般情况可采 系统采用整体方案的每项评价指标值用各项分 用专家方式，评价时完全按系统设定的系数和 功能机构对应的指标评价值和各项分功能机构 各机构性能指标的存储值（专家知识）进行打分 在整体方案的权重为参数，然后再进行各项指 评价，用户不必干预评价过程；当有特殊的设计 标在整体方案中的重要性处理.计算公式如下： 要求时，采用用户评价的方式，设计者可以根据 N=Σ[(iPga] 实际情况修改评价指标体系，确定各个评价项 其中，n为评价指标数目；m为分功能数目；N为 目的得分值及权重，选择评价算法. 第k种复合方案的评价值；P,为机构复合后第个 评价模型的建立应能综合考虑各评价指 分功能所选机构的第j个评价指标值；9为机构 标，不仅要考虑各指标在总体目标中的重要程 复合后第个评价指标在整体方案中的权重值； 度，还应考虑各指标间的相互影响.本系统对单 a机构复合后第个分功能在整体方案中的权重 一执行功能机构进行评价时采用了系统工程评 值. 价法，评价模型为： 由上式可知，此评价模型不仅考虑了分功 H=U,+UU2+…+U。;U=axp 能机构的单项评价指标，而且还考虑了机构复 其中，U为各评价指标的得分值；P,为各评价指 合后各分功能机构之间的重要程度对整体方案 标的量化值；a为该评价指标的权重. 中该项评价指标的影响，最后取各项评价指标 图5所示为以小型钢坯飞剪机剪切机构为 的加权有效值作为最终评价结果，形成比较合 例进行选型和评价的结果；图中右侧显示为对 理的复合功能机构评价体系. 5种可行方案进行评价后，以百分制的形式由 安全评价法，该评价方法考虑各分功能的 高分到低分的排序. 评价指标对整体方案评价指标的影响，同时考 (2)功能复合机构方案的评价.对于具有多 虑整个方案最薄弱的环节.如对于承载能力来 个功能要求的机构系统，一般是先对各个分功 说，若一个分功能机构的承载能力较好，另一个 能进行设计和评价，得出各个分功能的优选方 分功能机构的承载能力较差，从机械系统的安 全性考虑，整体方案的承载能力应取较差的分 机构的评价结果作为整体方案的评价值.这种 方法采用整体方案的每项评价指标值用各项分 功能对应机构的指标评价值中最差分值表示， 然后再进行各项指标在整体方案中的重要性处 理.计算公式为： M=∑[min(Pv,P,,Pn)a 其中，M为第k种组合方案的复合评价值：P侧为 组合中第m个分功能所选的机构的第个评价指 图5飞剪机综合评价结果 标；a为组合中第i个分功能在整体方案中的权 Fig.5 Synthesis appraisement of the flying shear

Vol.24 No.1 于晓红等：复合功能的机城运动方案设计专家系统 ·57 重值；n为评价指标数目；m为分功能数目. 机构系统的运动方案选型设计，为计算机辅助 由上式可知，从整体方案的安全性出发，取 机械方案设计提供了一种新的途径与方法 各分功能机构汇总的最低得分作为整体方案的 参考文献 评价指标，最后取各项指标的加权有效值作为 !卢彩容.机械运动方案设计专家系统的研究[D小：[硕 最终评价结果，是比较合理的复合功能机构的 士论文】，北京：北京科技大学，2001 评价体系. 2魏东.基于遗传机理的机构创新设计系统的研究D外： [博士论文]北京：北京科技大学，2001 3结论 3邹慧君.系统方案设计专家系统初探（一）】机械设 计，1996(5)：26 基于复合功能的机械运动方案设计专家系 4邹慧君.系统方案设计专家系统初探（二）小.机械设 统综合应用了数据库、多媒体、人工智能等多种 计，1996(6：12 技术，将计算机科学、信息科学、逻辑学等与机 5唐林.机械产品方案创新设计的CAD方法及实现模 械科学相结合，初步实现了具有多个分功能的 型)，机城设计与j研究，1999(4)：20 Expert System in Kinematic Project Design of Mechanisms with Complex Functions YU Xiaohong,OIU Lifang,WEI Dong,LU Cairong Mechanical Engineering School,UST Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT Introduce the expert system in kinematic project design of mechanism with complex functions. The expert system has intergrated knowledge in mechanism and relatively reasonable discursion and appraise- ment system.It can select the optimal project of mechanism which has one function or more than one function through original select,discursion,appraisement,and complex. KEY WORDS kinematic project design;select model;complex function

叭， 于晓红 等 复合功 能的机械运动方案设计 专家 系统 ， 重值 为评价指标数 目 为分功能数 目 由上 式可知 ， 从整体方案的安全性 出发 ， 取 各分功 能机构汇总 的最低得分作为整体方案的 评价指标 ， 最后 取各项 指标 的加权有效值作 为 最终评价结果 ， 是 比较 合理 的复合功能机构的 评价体 系 机构系统 的运 动方案选 型设计 ， 为计算机辅助 机械方案设计提供 了一 种新的途径与方法 结论 基于 复合功能的机械运 动方案设计专家系 统综合应用 了数据库 、 多媒体 、 人工智能等多种 技 术 ， 将计算机科学 、 信息科学 、 逻 辑学等与机 械科学 相结合 ， 初步实现 了具有 多个分功能的 ， 考 文 献 卢彩容 机械运 动 方 案 设计专家 系统 的研究 【 硕 士 论 文 北 京 北京 科技大学 ， 魏东 基于遗传机理 的机构创新设计系统 的研究【 博士论文 北京 北 京科技 大学 ， 邹葱君 系统 方案 设计专家系统初 探 一 ， 机械 设 计 ， 邹葱君 系统方案设计专家系统初探 二 机械设 计 ， 唐林 机械 产 品方 案创新设计 的 方法 及 实 现模 型 【 机械设计与研究 ， 一 口 石口 ， 扣， 伸百 即 川 ， 玩 ， 明 · ， ， 叩 ， · 山 丘