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可變功能機(jī)械系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的相似模型構(gòu)建研究論文
引 言
一般的機(jī)械系統(tǒng)通常只具有一個(gè)或多個(gè)固定的功能，但這種系統(tǒng)在某些特定的情況下不能滿(mǎn)足應(yīng)用需要，如占地面積有限、資源有限以及要求使系統(tǒng)升級(jí)方便的情況。本研究的可變功能機(jī)械系統(tǒng)是指一種通過(guò)改變系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)的連接或組成的方式進(jìn)而獲得新功能的特定的機(jī)械系統(tǒng)。該系統(tǒng)的可變是基于某些固件不變的基礎(chǔ)上的，也就是說(shuō)改變局部構(gòu)件獲得的新系統(tǒng)和之前的系統(tǒng)之間必定存在一定的相似性。研究可變功能機(jī)械系統(tǒng)的相似性，建立概念設(shè)計(jì)系統(tǒng)模型，為以后進(jìn)行可變功能設(shè)計(jì)并將具有一定相似性的功能進(jìn)行耦合提供了基礎(chǔ)。
機(jī)械系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初步也是關(guān)鍵階段，可以理解為在設(shè)計(jì)約束條件下，以客戶(hù)產(chǎn)品功能需求為輸入，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案為輸出的映射過(guò)程。對(duì)于概念設(shè)計(jì)模型，文獻(xiàn)[1-2]提出了一種設(shè)計(jì)知識(shí)的表達(dá)形式，將功能、行為和結(jié)構(gòu)作為設(shè)計(jì)的3個(gè)層次，基于“功能-行為-結(jié)構(gòu)(functional-behavior-struc?ture，F(xiàn)BS)”模型解決設(shè)計(jì)問(wèn)題。功能表達(dá)的是設(shè)計(jì)目的即“做什么”，行為表達(dá)系統(tǒng)“如何去做”，結(jié)構(gòu)說(shuō)明設(shè)計(jì)系統(tǒng)“用什么構(gòu)件或元件去做以及他們之間的連接關(guān)系”。鄒光明等、金熙哲等應(yīng)用了功能行為的不同表達(dá)方式，提出了行為集合的表示方法，建立了行為集合分組的規(guī)則及分組評(píng)價(jià)規(guī)則和應(yīng)用功能基來(lái)表達(dá)設(shè)計(jì)問(wèn)題。鄧益民等將機(jī)電產(chǎn)品功能和行為的幾種表達(dá)方法進(jìn)行了總結(jié)，并按照語(yǔ)義表達(dá)和句法表達(dá)兩個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行了分類(lèi)，據(jù)此提出了研究功能與行為表達(dá)方法的發(fā)展方向。
1 可變功能機(jī)械系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)模型
可變功能機(jī)械系統(tǒng)由不同的分功能組成，且功能間會(huì)發(fā)生耦合。筆者基于FBS概念設(shè)計(jì)模型對(duì)可變功能機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行研究，先將各分功能獨(dú)立，分別建立自頂向下的設(shè)計(jì)模型，即先對(duì)功能進(jìn)行分解，由功能-行為映射求解得到相應(yīng)的行為層級(jí)結(jié)構(gòu)，分析相應(yīng)的行為模型，得出映射層結(jié)構(gòu)方案。
2 相似模型構(gòu)建
2.1 功能序結(jié)構(gòu)和行為序結(jié)構(gòu)模型
相似包括功能相似以及行為相似，功能具有相同的效果不代表行為也具有相似性。研究系統(tǒng)相似度時(shí)需要衡量功能相似度和行為相似度不同的權(quán)重值，建立相似模型，從系統(tǒng)的角度將不同的功能及其行為映射用序結(jié)構(gòu)表達(dá)出來(lái)，用系統(tǒng)要素的方式進(jìn)行模型構(gòu)建。
2.2 基于序結(jié)構(gòu)的相似模型構(gòu)建
由相似第一定律即序結(jié)構(gòu)定律可知，不同類(lèi)型、不同層次系統(tǒng)存在一定的序結(jié)構(gòu)，當(dāng)系統(tǒng)序結(jié)構(gòu)存在共同性時(shí)，系統(tǒng)之間出現(xiàn)相似特性，相似性大小隨序結(jié)構(gòu)的共同性程度增大而上升，反之則下降。上節(jié)已將可變功能機(jī)械系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)中的功能層和行為層用序結(jié)構(gòu)進(jìn)行表達(dá)來(lái)探索功能和行為的相似性，本節(jié)在此基礎(chǔ)之上運(yùn)用數(shù)學(xué)建模對(duì)相似度進(jìn)行計(jì)算�？勺児δ軝C(jī)械系統(tǒng)具有一定的相似性，即相似度大于零，某些功能或行為能通過(guò)改變一些系統(tǒng)組成就能形成新的功能系統(tǒng)，若是沒(méi)有相似性即相似度為零，那么整個(gè)分功能系統(tǒng)就轉(zhuǎn)變成了多功能的單個(gè)系統(tǒng)的集合，不在本研究的研究范圍之內(nèi)。
3 實(shí)例分析
筆者選取典型的可變功能機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行研究，選取如圖6所示的機(jī)床作為研究對(duì)象，通過(guò)更換不同的刀具執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以獲得鉆孔，擴(kuò)孔和鉸孔3個(gè)不同的功能�？梢钥闯觯@是一種通過(guò)改變系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到改變功能的情況。
4 結(jié)束語(yǔ)
機(jī)械系統(tǒng)往往有很多復(fù)雜的功能系統(tǒng)組成，通過(guò)系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)和配合完成一定功能，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能變化，代替人類(lèi)勞動(dòng)的作用。可變功能機(jī)械系統(tǒng)正是為了更好地利用環(huán)境資源、增加設(shè)備利用率而產(chǎn)生，以適應(yīng)勞動(dòng)過(guò)程中不同的需求。相似性是存在于大自然中最普遍的特性，在對(duì)可變功能系統(tǒng)研究中，研究者通過(guò)探索系統(tǒng)相似性，建立概念設(shè)計(jì)相似模型，可以從定量角度描述系統(tǒng)間的共性，進(jìn)而基于一定的相似度進(jìn)行可變功能創(chuàng)新設(shè)計(jì)。
為此，本研究提出了將FBS模型與經(jīng)典相似理論相結(jié)合的方法構(gòu)建概念設(shè)計(jì)相似系統(tǒng)模型，建立了基于輸入/輸出流的序結(jié)構(gòu)模型，對(duì)序的概念做了進(jìn)一步的闡述，通過(guò)序結(jié)構(gòu)建立相似序，得出了構(gòu)建相似系統(tǒng)模型的具體步驟，并通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算獲得具體的相似度數(shù)值。
前文的分析和案例均表明，該模型符合設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)人員的認(rèn)知過(guò)程，對(duì)相似性進(jìn)行了可靠地描述，有利于機(jī)械系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，為可變功能機(jī)械系統(tǒng)的相似度研究提供了方法和依據(jù)。
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