基于公理设计的工业机械手概念设计方案评价方法研究【开题报告】.doc

1、 毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：系 部 ： 机械工程系专 业 ： 机械设计制造及其自动化论 文 题 目 ： 基于公理设计的工业机械手概念设计方案评价方法研究指 导 教 师 :2014 年 03 月 12 日毕 业 设 计 开 题 报 告一设计研究目的及意义：1 研究背景1.1 概念设计研究概论自 Pahl 和 Beitz 于 1984 年在EngineeringDesi 助一书中提出概念设计这一名词以来，人们已经对概念设计进行了二十多年的研究。Phal 和 Beitz 将概念设计定义为：在确定任务之后,经过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出求

2、解方案,这一部分设计工作叫概念设计。北京航空航天大学邓家提等在分析概念产品的基础上将概念设计定义为：概念设计是由分析用户需求到生成概念产品的一系列有序的、可组织的、有目标的设计活动，它表现为一个由粗到精、由模糊到清楚、由抽象到具体、不断进化的过程。1.2 概念设计建模方法的研究产品概念设计包括概念设计方案生成和概念设计方案评价两个主要阶段，其中的关键技术包含有产品信息建模、推理技术、方案评估等方面。信息建模技术主要是建立设计过程中从功能需求到功能结构映射过程中各个关键节点之间的信息表示、关系及约束，并将设计过程信息以一定的形式存储在计算机中，便于计算机实现推理，搭建人机沟通的桥梁。设计者通过对

3、系统总功能进行分解，降低总功能的复杂度，得到逻辑关系清晰、复杂度较低的子功能，在此基础上将子功能进行组合，构成从系统总功能到子功能的功能结构。目前，在概念设计过程模型方面，麻省理工学院的 Suh 教授提出了一种基于公理设计理论的概念设计模型。该模型将涉及世界分为四个域：用户域、功能域、物理域和过程域。并将设计关系用独立公理和信息公理来表达。Buur 等人提出了功能方（Function-Means- tree）模型。在此模型中，功能由方法实现，方法描述了功能可以实现的具体途径。1.3 方案推理方法系统的方案推理技术主要是研究功能与结构之间映射的具体方法，从而生成并输出完整的设计方案。目前，方案推

4、理技术主要是基于产品信息模型进行研究的，其研究热点是概念设计的方案自动生成问题。典型的方案推理方法包括：基于神经网络的方案推理技术、基于遗传算法的方案生成技术、基于域结构模板的方案生成算法等。方案推理主要利用总功能和分功能之间、各分功能之间的定性或定量的映射关系，模仿人类的常识进行推理。忽视所描述问题的次要因素及不确定性因素，借助各种规则和映射关系描述问题，得到系统问题的解决方案。1.4 方案评价方法在概念设计推理得到多组设计方案之后，需要根据一定的准则和方法选取其中最优的一组方案来进行详细设计。产品的方案评价技术就是对设计过程中产生的多组方案按照一定的准则和方法进行评价和排序，并最终确定方案

5、选择依据的过程。国内外学者充分认识到方案评价问题的重要作用，并对其进行了大量研究，提出了各种设计方案评价的方法。层次分析法（AHP）是由美国学者 T.L.Saaty 于 1973 年提出的目前最为广泛应用的设计方案优选方法，它是将评价者的定性分析定量化的有效工具。于上世纪 80 年代，由他的学生将此分析方法引入我国。该方法将定性分析与定量分析相结合，将评价者的思维过程数学化。模糊数学这种处理不确定性信息的理论是 1965 年由美国自动控制专家 Zadeh L.A.提出的。在设计方案评价方面，主要的方法为模糊综合评判法。Thurston 等采用模糊评价方法，用模糊语义值表示权值和设计准则，从而得

6、出方案的模糊优序关系。汪利等人利用三级模糊综合评价方法对机械运动方案进行了优选。灰色关联分析法(Grey Relational Analysis, GRA)是灰色系统理论在方案评价领域的应用。它根据因素之间发展趋势的相似或相异程度，即灰色关联度，作为衡量因素间关联程度的依据。2 目的与意义在设计过程中一般可以得到多个符合条件的设计方案，在这种情况下，设计人员有必要使用方案评价方法对多个设计方案进行筛选，得到最优方案。方案评价的目的是让设计者和评价者都能更好的认识设计方案，从而得出可以最大程度满足用户需求的设计方案，并对后续的决策工作提供依据。对设计方案的评价应当贯穿于产品全生命周期中的各个时段

7、，在产品开发设计方案的早期阶段，应该进行初期评价，以求达到对概念设计方案进行优化选择的目的；产品开发过程中需要进行期中评价，在此过程中，随着产品的实际开发，往往会暴露出设计方案的一些问题，良好的评价可以及早发现问题并采取必要的对策，将可能出现的问题及早解决，有利于减小损失；产品试制成功之后需要进行终期评价，主要通过产品试车来判断产品各项性能指标是否能符合评价标准的要求，以确保产品合格；最后，在产品使用过程中还应当定期跟踪评价，了解产品的实际使用效果，反馈用户信息，以利于提高产品质量，改进产品性能。本课题拟采用基于公理设计理论，提出了一种公理化的方案评价指标设计方法。利用灰色层次分析法，建立了工

8、业机械手设计方案评价模型，在此基础上，进行了实例验证，对实例中所得到的工业机械手设计方案进行评价，筛选出其中最优方案。参考文献1Suh NP 著,公理设计M.谢友柏,袁小阳,等译, 北京:机械工业出版社, 2004:1-60.2孙守迁，黄琦，潘云鹤计算机辅助概念设计研究进展J计算机辅助设计与图形学学报，2003，15(6)：643-6493汪利,邹慧君.机械运动方案的三级模糊综合评价J.机械设计与研究,1998, 14(1):9-11.4刘思峰，党耀国，方天耕等.灰色系统理论及其应用M.北京：科学出版社，2004.5王秋平，吴进朴，张琦等. 基于灰色关联分析法的总图设计方案评价J.兰州理工大学

9、学报，2009,35(3):131-133.6孙玉刚.灰色关联分析及其应用的研究D.南京：南京航空航天大学，2007.7薛立华.机械产品概念设计方案生成及评价方法研究D.大连理工大学 2006 8仇成,冯俊文,高常青,丁俊武.机械产品概念设计的研究与发展趋势J.组合机床与自动化加工技术.2007(10)9朱龙英,朱如鹏,刘正埙.公理化设计理论研究及其应用进展J.机械设计与研究.2004(04)10宋慧军,林志航.产品概念设计方案生成模型J.计算机集成制造系统-CIMS.2002(05)11赵宏.机械产品概念设计过程建模与方案求解问题研究D.大连理工大学 200812朱龙英,朱如鹏,刘正埙.基于

10、信息公理的产品设计方案评价方法J.南京航空航天大学学报.2005(03)毕 业 设 计 开 题 报 告二本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：1 课题要解决的问题基于工业机械手在工业制造中的重要作用，以及其概念设计存在的问题与不足，从而就其设计问题采用基于公理设计的设计理论进行相关的设计。由于设计中考虑到实际应用，在实际应用中机械手的部件、零件、零件组有多种的可能方案。需寻求能对这些方案进行评价的方法。这就是本课题要解决的问题。2 拟采用的研究手段目 录2.1 工业机械手概念设计方案评价指标的公理化设计2.1.1 评价指标的公理化映射过程2.1.2 公理设计框架下的工业机械手设计

11、方案评价指标2.2 工业机械手概念设计方案评价模型的建立2.2.1 工业机械手设计方案评价指标的量化2.2.2 工业机械手设计方案评价指标权值的确定2.2.3 灰色关联分析综合评价2.2.4 案例验证本研究课题拟采用基于公理设计方法建立的评价模型，该理论通过之字型(Zigzagging)展开和映射矩阵的构建，实现了一套客观全面的设计方案评价技术。可大大减少方案搜索的随机性，缩短设计中的迭代过程，减弱设计过程之间的耦合，提高设计过程并行度，使设计更具创新性。2.1 工业机械手概念设计方案评价指标的公理化设计2.1.1 评价指标的公理化映射过程采用公理设计的基本思路，对防腐蚀设计方案评价指标进行公

12、理化描述，通过从用户域到过程域的参数映射过程，得到公理化条件下的方案评价指标。首先根据用户的设计需求，对方案评价的判断标准进行公理化描述，形成用户域CA。将用户域 CA 映射到功能域，从而确定功能需求 FRs 和相应的约束 Cs，得到功能需求后，就在功能实现的基础上明确了用户域，然后需对功能域中的一级评价指标进行多层分解，直至获得具有可操作性的参数层。确定功能域之后，需对其不同层次上的功能需求进行从功能域 FRs 到物理域 DPs 的映射，找到与功能需求相对应的具体实现方法，并通过参数化的形式表示。在得到物理域的设计参数之后，需要进行物理域到过程域的映射，实现从物理设计参数 DPs 到具体实施

13、过程 PVs 的映射，得到实现参数所需的具体方法，完成设计的实施过程。满足功能需求的设计方案 FRs 一般都会成组出现，在此情况下需要根据公理设计理论中的信息公理进行筛选，选择信息量最小的方案。2.1.2 公理设计框架下的工业机械手设计方案评价指标在概念设计中，矩阵和层次结构图都是表达设计系统的常用方法，在公理设计理论中也不例外，公理设计中最常用的两种表达方式为设计矩阵以及分层组织结构图。通过整合上一节中在三个层次上的映射及每一层分解得到的设计矩阵，针对各个性能指标从功能域到物理域之间的不同映射关系，可以得到从最初的用户需求到最终评价标准参数之间的设计矩阵。从而反映了工业机械手设计方案评价指标

14、的整体设计过程。2.2 设计方案评价模型的建立2.2.1 设计方案评价指标的量化在方案评价中，需要将各方案评价的指标转化为数值形式，才能在相应的公式中进行计算。2.2.2 设计方案评价指标权值的确定1）判断矩阵的构造：各个评价指标对被评价的方案对象的影响程度不同，为了使评价所反映的情况尽量符合实际，需要确定各评价指标的权重系数，这里采用层次分析法(AHP)进行确定。2）判断矩阵最大特征值和特征向量的确定：采用方根法近似计算判断矩阵的最大特征值及特征向量。3）对判断矩阵的一致性检验2.2.3 灰色关联分析综合评价灰色关联分析非常适用于方案的选择，这种方法的关键步骤主要有：对非量化的技术和经济等指标进行量化处理；确定参考序列。它对于设计方案优选的标准就是各个方案的灰色关联度的取值，取值越大，则与理想方案越接近，也就是越优秀的方案。2.2.4 应用实例进行验证为验证本次研究所述方法的有效性，通过编程（VB）软件将上述模型进行软件实现，编制基于公理设计的工业机械手概念设计方案评价原型系统，并通过案例验证原型系统的可行性，将所有备选的概念设计方案进行方案评价。进度安排：设计各阶段名称 起 止 日 期1 评价模型建立阶段（中期答辩报告一份） 2014.03.022014.04.012 程序设计阶段 2014.04.012014.04.303 毕业论文撰写及答辩准备阶段 2014.05.01