中国机械工程第16卷第15期2005年8
月上半月
产品概念设计过程中信息映射模型的研究
胡小平 杨世锡
1
2
1. 杭州电子科技大学, 杭州, 310018 2. 浙江大学, 杭州, 310027
摘要:概念设计中的功能求解过程是产品设计中最能体现创新性的环节。在建立产品功
能域、原理解域、结构域之间三层映射关系的基础上, 通过引入逆映射、功能虚元、原理解虚元、虚链等概念, 将域间复杂的信息映射过程简单化, 以产品功能分解树的分解过程表示设计过程, 以功能基、原理解、结构之间的对应关系表达设计知识, 实现概念设计阶段与详细设计阶段产品信息表达的一致性。
关键词:概念设计; 功能求解; 域间信息映射; 逆映射; 功能虚元; 原理解虚元; 虚链中图分类号:T H12 文章编号:1004-132Ⅹ(2005) 15-1366-03Research on M odel of I nfor ma ti on M app i n g i n l esi gn
12
Hu Xiaop ing 1. Hangzhou D ianzi 2. Zhejiang Abstract:Functi on s olving in is one of most i m portant phrases of innova 2ti on . On the basis of ing a mong the p r oduct functi on domain, p rinci p le s oluti on domain and lex inf or mati on mapp ing course was si m p lified with s ome ne w con 2cep ts, such as visual functi on, visual s oluti on and visual -link . So the design p r ocess was re 2flected with the on decomposing, and the design knowledge was exp ressed with the relati on a mong those three domains . It is hel pful t o carry out the inf or mati on exp ressi on of concep tual design stage consistent with that of detailed design .
Key words:concep tual design; functi on s oluti on; infor mati on mapp ing; anti -mapp ing; visual functi on; visual s oluti on; visual link
0 引言
概念设计自提出以来, 国内外学者对它的组成、过程、求解模型进行了大量研究, 提出了各种
[1, 2]
满足产品功能要求的求解过程和求解模型。这些研究成果基本可以分成两个大类, 一类是在功能域和结构域之间直接建立映射关系, 另一类是在功能域和结构域之间引入原理解域, 建立三层之间的映射关系的求解模型, 可以非常有效地解决不同产品类型的概念设计功能求解问题。一般来说, 在功能域和结构域之间直接建立映射关系, 这种映射求解模型在一个全面完整的功能-结构目录支持下, 实现起来非常简单、直观, 对设计的过程有较全面的记录, 但对设计过程中的设计知识和设计经验的记录几乎没有体现, 这为后人理解和改进产品设计设置了一定的障碍。这种功能求解模型更多地用于求解系列化或模块化的定制产品。建立功能域、原理解域、结构域之间的三层映射关系, 虽然比两层映射求解模型复杂, 然而其最大优越性在于通过原理解域, 将功能需求
收稿日期:2004-12-22
基金项目:浙江省自然科学基金资助项目(zj602125)
转化成动作行为, 反映设计过程中所包含的设计知识, 为构造完整的产品信息模型奠定了基础。
本文结合珩磨机的概念设计过程, 在重点分析三层映射过程信息结构的基础上, 通过引入逆映射、虚元和虚链等概念, 将概念设计中的产品设计过程信息与产品结构信息相结合, 从而实现概念设计阶段与详细设计阶段产品信息表达的一致性。
1 三层映射模型的复杂信息映射分析
概念设计过程中, 待设计产品经过功能分解, 形成一棵功能分解树。如果其中的每个功能基, 即功能树中的叶子节点, 都能对应一个原理解, 并且每个原理解都能对应一种结构, 那么该产品信息就可以按照功能树分解关系将结构直接组合, 功能树的分解过程反映设计过程, 原理解域中的原理解反映设计依据。
然而在实际产品设计过程中, 更多地将形成如图1所示的复杂的信息映射结构, 即不一定每个原理解都能直接由某一种结构实现, 某些原理解可能必须进一步分解, 才能有对应的实现结构。如工件与珩磨头之间的旋转与往复复合运动, 必
・1366・
产品概念设计过程中信息映射模型的研究———胡小平
杨世锡
须先分解成珩磨头的旋转运动和直线往复运动两种原理解, 才有可能由相应的结构实现。同样, 从原理解域到结构域之间, 也并非一一对应。如珩磨头的旋转运动必须通过主结构电机和辅助结构联轴器, 才可以驱动珩磨头作旋转运动
。
2. 2 域间双向信息映射模型
图1所示的功能、原理解、结构映射关系中, 原理解域的分解关系B 1-B 11、B 1-B 12在功能域层无法体现。同样地, 为实现原理解B 11, 需要组合主结构S 111和辅助结构S 112, 这种关系也无法体现。引入逆映射概念之后, 通过逆映射产生虚元, 包括原理解虚元和功能虚元, 可实现功能基/功能虚元-原理解/原理解虚元、结构元之间的对应关系。由于结构元S 111、S 112在原理解域没有各自对应的原理解, 是组合后实现原理解B 11, 因此通过逆映射形成原理解虚元B 111(主动旋转运动) 、
B 112(使主动件与被动件同步旋转) , 进一步向功
111(驱动) 、F 112(驱动
图1 珩磨机进给系统的概念设计
) B 1-B 11、B 1, 在功能域中无法
由图1可见, 在实际产品的设计过程中, 和结构, 。在这种情况下, 清晰地表达产品结构的设计过程及其中所包含的设计思想就有相当的难度。
, 因此通过逆映射产生功能虚F 11(珩磨头匀速旋转) 、F 12(珩磨头直线往复运动) 。经过上述逆映射过程, 图1所示的映射结构就转变成图2a 所示的结构, 结构域中的每个结构元都对应原理解域中的一个原理解或原理解虚元, 同时在功能域中也有一个功能基或功能虚元相对应。此时结构域、原理解域和功能域相互之间形成了复杂的域间双向信息映射模型。2. 3 层间信息映射的单向化
2 功能求解模型中的信息映射简化
2. 1 若干概念
为了构造产品全生命周期的集成产品信息模型, 希望将概念设计阶段产品的功能模型与详细设计阶段产品的结构模型统一起来, 希望概念设计阶段表达的产品模型也按树状结构组织。为了将复杂的域间信息映射简化, 即功能域保持树状结构, 原理解域和结构域都为孤立节点, 在此特引进以下几个概念:
结构元 结构域中能独立实现某个原理解的机构或部件。
逆映射 为结构元匹配原理解, 或为原理解匹配功能、定义功能的映射过程。
功能虚元 从原理解域经过逆映射形成的功能单元。功能虚元可以是功能-原理解目录中已有的功能, 也可以是为一个新原理解定义的新的功能。
原理解虚元 从结构域经过逆映射形成的原理解。原理解虚元一般是原理解-结构目录中已有的原理解。
虚链 在功能域中, 因逆映射而形成的功能虚元与功能域中功能分解树中原有功能基的链接关系。
经过逆映射之后, 功能域内表达产品的树状结构转化成了一棵功能分解树和若干孤立功能虚元组合的形式。将这些孤立的功能虚元以虚链的形式按功能基→原理解→功能虚元或功能基→原理解→结构元→原理解虚元→功能虚元的对应关系链接, 合并成一棵产品功能树, 如图2b 所示。此时原理解域中的原理解只与功能树中的功能基(包括功能虚元) 对应, 并与结构域中的结构元一一对应。
(a ) 域间双向信息
映射模型
(b ) 域间信息映射
模型单向化
图2 功能求解模型的信息映射简化
・1367・
中国机械工程第16卷第15期
2005年8月上半月
功能求解模型域间信息映射单向化后, 在功能域中, 产品的设计过程通过一棵功能分解树就完全体现了。功能分解树中的实链是设计者功能分解思想的直接体现, 虚链是原理解域设计过程的反映。此时功能分解树中的所有功能基都通过原理解与结构域中的结构元一一对应。这种对应关系反映了设计者采用某种结构通过某种原理解实现产品某项功能的设计思想。将这些结构按功能分解树的关系组合在一起, 就形成产品信息模型中的结构视图。将概念设计中复杂的功能域、原理解域、结构域之间信息映射模型简单化后, 能使产品模型的功能视图与结构视图保持一致。
的结构元实现, 然后为最底层的原理解定义功能虚元, 再建立结构元、原理解、功能虚元的对应关系。最后在功能域将功能虚元与原功能分解树链接, 并建立功能基(包括功能虚元) 、原理解、结构元之间的对应关系。
4 结论
本文主要研究产品概念设计中的功能求解信息映射模型, 在分析功能域、原理解域、结构域三层间信息映射过程基础上, 提出层间信息映射简化模型, 这种方法的意义在于以下三方面:①通过这种转换, 将产品的设计过程和设计知识分层次表达, 、原清晰地反映了产品的, 为新产品的创; ③将构成产品的结构元按功能分解树的构造组合, 实现了产品信息模型中功能视图与结构视图的一致性, 使产品信息模型满足产品全生命周期的要求。
功能求解是一个非常复杂的过程, 本文讨论的内容在下列问题上还需进一步明确和深入研究:①文中所讨论的结构元是指能实现某一原理解的机构或部件。概念设计中与产品功能视图对应的结构视图中最底层是结构元, 在一般CAD 系统中产品结构视图必须将这些结构元进一步分解至零件级。②本文涉及的所有域间映射为一一对应关系。在实际产品开发中, 功能、原理解、结构之间往往存在多对多的对应关系, 即一种功能可以通过多种原理解由不同的载体结构实现, 这种情况可以先通过功能求解评价, 在可能的方案中按本文讨论的方法进行多种设计方案的分别处理。
参考文献:
[1] Umeda Y, Ishii M , Yoshi oka M , et al . Supporting
Concep tual Design Based on the Functi on -behavi or
3 域间信息映射算法
图3反映了上述功能求解模型的域间信息映
射算法。当一个新产品进入概念设计阶段后, 计者根据先验知识和经验
, ,
图3 域间信息映射算法
-state Modeler . A rtificial I ntelligence f or Engineer 2ing Design, Analysis and M anufacturing, 1996, 10(4) :275～288
[2] 邹光明, 胡于进. 基于功能基的产品概念设计模型
形成产品的功能分解树。然后在功能-原理解目
录的支持下求解原理解, 如果有某种结构元能实现该原理解, 则建立功能基-原理解-结构元的对应关系, 否则要判断是需要通过多种结构元组合实现还是必须进行原理解的进一步深化分解, 若是前者, 需要通过逆映射构造原理解虚元和功能虚元, 建立结构元、原理解虚元、功能虚元的对应关系, 若是后者, 要将原理解分解, 直至有相应
・1368・
研究. 中国机械工程, 2004, 15(3) :206～210
(编辑 晓 舟)
作者简介:胡小平, 女, 1970年生。杭州电子科技大学机电工程学院副教授。主要研究方向为产品信息建模、概念设计、基于网络的设计。杨世锡, 男, 1968年生。浙江大学机械系副教授。
中国机械工程第16卷第15期2005年8
月上半月
产品概念设计过程中信息映射模型的研究
胡小平 杨世锡
1
2
1. 杭州电子科技大学, 杭州, 310018 2. 浙江大学, 杭州, 310027
摘要:概念设计中的功能求解过程是产品设计中最能体现创新性的环节。在建立产品功
能域、原理解域、结构域之间三层映射关系的基础上, 通过引入逆映射、功能虚元、原理解虚元、虚链等概念, 将域间复杂的信息映射过程简单化, 以产品功能分解树的分解过程表示设计过程, 以功能基、原理解、结构之间的对应关系表达设计知识, 实现概念设计阶段与详细设计阶段产品信息表达的一致性。
关键词:概念设计; 功能求解; 域间信息映射; 逆映射; 功能虚元; 原理解虚元; 虚链中图分类号:T H12 文章编号:1004-132Ⅹ(2005) 15-1366-03Research on M odel of I nfor ma ti on M app i n g i n l esi gn
12
Hu Xiaop ing 1. Hangzhou D ianzi 2. Zhejiang Abstract:Functi on s olving in is one of most i m portant phrases of innova 2ti on . On the basis of ing a mong the p r oduct functi on domain, p rinci p le s oluti on domain and lex inf or mati on mapp ing course was si m p lified with s ome ne w con 2cep ts, such as visual functi on, visual s oluti on and visual -link . So the design p r ocess was re 2flected with the on decomposing, and the design knowledge was exp ressed with the relati on a mong those three domains . It is hel pful t o carry out the inf or mati on exp ressi on of concep tual design stage consistent with that of detailed design .
Key words:concep tual design; functi on s oluti on; infor mati on mapp ing; anti -mapp ing; visual functi on; visual s oluti on; visual link
0 引言
概念设计自提出以来, 国内外学者对它的组成、过程、求解模型进行了大量研究, 提出了各种
[1, 2]
满足产品功能要求的求解过程和求解模型。这些研究成果基本可以分成两个大类, 一类是在功能域和结构域之间直接建立映射关系, 另一类是在功能域和结构域之间引入原理解域, 建立三层之间的映射关系的求解模型, 可以非常有效地解决不同产品类型的概念设计功能求解问题。一般来说, 在功能域和结构域之间直接建立映射关系, 这种映射求解模型在一个全面完整的功能-结构目录支持下, 实现起来非常简单、直观, 对设计的过程有较全面的记录, 但对设计过程中的设计知识和设计经验的记录几乎没有体现, 这为后人理解和改进产品设计设置了一定的障碍。这种功能求解模型更多地用于求解系列化或模块化的定制产品。建立功能域、原理解域、结构域之间的三层映射关系, 虽然比两层映射求解模型复杂, 然而其最大优越性在于通过原理解域, 将功能需求
收稿日期:2004-12-22
基金项目:浙江省自然科学基金资助项目(zj602125)
转化成动作行为, 反映设计过程中所包含的设计知识, 为构造完整的产品信息模型奠定了基础。
本文结合珩磨机的概念设计过程, 在重点分析三层映射过程信息结构的基础上, 通过引入逆映射、虚元和虚链等概念, 将概念设计中的产品设计过程信息与产品结构信息相结合, 从而实现概念设计阶段与详细设计阶段产品信息表达的一致性。
1 三层映射模型的复杂信息映射分析
概念设计过程中, 待设计产品经过功能分解, 形成一棵功能分解树。如果其中的每个功能基, 即功能树中的叶子节点, 都能对应一个原理解, 并且每个原理解都能对应一种结构, 那么该产品信息就可以按照功能树分解关系将结构直接组合, 功能树的分解过程反映设计过程, 原理解域中的原理解反映设计依据。
然而在实际产品设计过程中, 更多地将形成如图1所示的复杂的信息映射结构, 即不一定每个原理解都能直接由某一种结构实现, 某些原理解可能必须进一步分解, 才能有对应的实现结构。如工件与珩磨头之间的旋转与往复复合运动, 必
・1366・
产品概念设计过程中信息映射模型的研究———胡小平
杨世锡
须先分解成珩磨头的旋转运动和直线往复运动两种原理解, 才有可能由相应的结构实现。同样, 从原理解域到结构域之间, 也并非一一对应。如珩磨头的旋转运动必须通过主结构电机和辅助结构联轴器, 才可以驱动珩磨头作旋转运动
。
2. 2 域间双向信息映射模型
图1所示的功能、原理解、结构映射关系中, 原理解域的分解关系B 1-B 11、B 1-B 12在功能域层无法体现。同样地, 为实现原理解B 11, 需要组合主结构S 111和辅助结构S 112, 这种关系也无法体现。引入逆映射概念之后, 通过逆映射产生虚元, 包括原理解虚元和功能虚元, 可实现功能基/功能虚元-原理解/原理解虚元、结构元之间的对应关系。由于结构元S 111、S 112在原理解域没有各自对应的原理解, 是组合后实现原理解B 11, 因此通过逆映射形成原理解虚元B 111(主动旋转运动) 、
B 112(使主动件与被动件同步旋转) , 进一步向功
111(驱动) 、F 112(驱动
图1 珩磨机进给系统的概念设计
) B 1-B 11、B 1, 在功能域中无法
由图1可见, 在实际产品的设计过程中, 和结构, 。在这种情况下, 清晰地表达产品结构的设计过程及其中所包含的设计思想就有相当的难度。
, 因此通过逆映射产生功能虚F 11(珩磨头匀速旋转) 、F 12(珩磨头直线往复运动) 。经过上述逆映射过程, 图1所示的映射结构就转变成图2a 所示的结构, 结构域中的每个结构元都对应原理解域中的一个原理解或原理解虚元, 同时在功能域中也有一个功能基或功能虚元相对应。此时结构域、原理解域和功能域相互之间形成了复杂的域间双向信息映射模型。2. 3 层间信息映射的单向化
2 功能求解模型中的信息映射简化
2. 1 若干概念
为了构造产品全生命周期的集成产品信息模型, 希望将概念设计阶段产品的功能模型与详细设计阶段产品的结构模型统一起来, 希望概念设计阶段表达的产品模型也按树状结构组织。为了将复杂的域间信息映射简化, 即功能域保持树状结构, 原理解域和结构域都为孤立节点, 在此特引进以下几个概念:
结构元 结构域中能独立实现某个原理解的机构或部件。
逆映射 为结构元匹配原理解, 或为原理解匹配功能、定义功能的映射过程。
功能虚元 从原理解域经过逆映射形成的功能单元。功能虚元可以是功能-原理解目录中已有的功能, 也可以是为一个新原理解定义的新的功能。
原理解虚元 从结构域经过逆映射形成的原理解。原理解虚元一般是原理解-结构目录中已有的原理解。
虚链 在功能域中, 因逆映射而形成的功能虚元与功能域中功能分解树中原有功能基的链接关系。
经过逆映射之后, 功能域内表达产品的树状结构转化成了一棵功能分解树和若干孤立功能虚元组合的形式。将这些孤立的功能虚元以虚链的形式按功能基→原理解→功能虚元或功能基→原理解→结构元→原理解虚元→功能虚元的对应关系链接, 合并成一棵产品功能树, 如图2b 所示。此时原理解域中的原理解只与功能树中的功能基(包括功能虚元) 对应, 并与结构域中的结构元一一对应。
(a ) 域间双向信息
映射模型
(b ) 域间信息映射
模型单向化
图2 功能求解模型的信息映射简化
・1367・
中国机械工程第16卷第15期
2005年8月上半月
功能求解模型域间信息映射单向化后, 在功能域中, 产品的设计过程通过一棵功能分解树就完全体现了。功能分解树中的实链是设计者功能分解思想的直接体现, 虚链是原理解域设计过程的反映。此时功能分解树中的所有功能基都通过原理解与结构域中的结构元一一对应。这种对应关系反映了设计者采用某种结构通过某种原理解实现产品某项功能的设计思想。将这些结构按功能分解树的关系组合在一起, 就形成产品信息模型中的结构视图。将概念设计中复杂的功能域、原理解域、结构域之间信息映射模型简单化后, 能使产品模型的功能视图与结构视图保持一致。
的结构元实现, 然后为最底层的原理解定义功能虚元, 再建立结构元、原理解、功能虚元的对应关系。最后在功能域将功能虚元与原功能分解树链接, 并建立功能基(包括功能虚元) 、原理解、结构元之间的对应关系。
4 结论
本文主要研究产品概念设计中的功能求解信息映射模型, 在分析功能域、原理解域、结构域三层间信息映射过程基础上, 提出层间信息映射简化模型, 这种方法的意义在于以下三方面:①通过这种转换, 将产品的设计过程和设计知识分层次表达, 、原清晰地反映了产品的, 为新产品的创; ③将构成产品的结构元按功能分解树的构造组合, 实现了产品信息模型中功能视图与结构视图的一致性, 使产品信息模型满足产品全生命周期的要求。
功能求解是一个非常复杂的过程, 本文讨论的内容在下列问题上还需进一步明确和深入研究:①文中所讨论的结构元是指能实现某一原理解的机构或部件。概念设计中与产品功能视图对应的结构视图中最底层是结构元, 在一般CAD 系统中产品结构视图必须将这些结构元进一步分解至零件级。②本文涉及的所有域间映射为一一对应关系。在实际产品开发中, 功能、原理解、结构之间往往存在多对多的对应关系, 即一种功能可以通过多种原理解由不同的载体结构实现, 这种情况可以先通过功能求解评价, 在可能的方案中按本文讨论的方法进行多种设计方案的分别处理。
参考文献:
[1] Umeda Y, Ishii M , Yoshi oka M , et al . Supporting
Concep tual Design Based on the Functi on -behavi or
3 域间信息映射算法
图3反映了上述功能求解模型的域间信息映
射算法。当一个新产品进入概念设计阶段后, 计者根据先验知识和经验
, ,
图3 域间信息映射算法
-state Modeler . A rtificial I ntelligence f or Engineer 2ing Design, Analysis and M anufacturing, 1996, 10(4) :275～288
[2] 邹光明, 胡于进. 基于功能基的产品概念设计模型
形成产品的功能分解树。然后在功能-原理解目
录的支持下求解原理解, 如果有某种结构元能实现该原理解, 则建立功能基-原理解-结构元的对应关系, 否则要判断是需要通过多种结构元组合实现还是必须进行原理解的进一步深化分解, 若是前者, 需要通过逆映射构造原理解虚元和功能虚元, 建立结构元、原理解虚元、功能虚元的对应关系, 若是后者, 要将原理解分解, 直至有相应
・1368・
研究. 中国机械工程, 2004, 15(3) :206～210
(编辑 晓 舟)
作者简介:胡小平, 女, 1970年生。杭州电子科技大学机电工程学院副教授。主要研究方向为产品信息建模、概念设计、基于网络的设计。杨世锡, 男, 1968年生。浙江大学机械系副教授。