1、全自动数字化显微镜机电系统设计学院（系）： 理工学院 专业班级： 机械工程（学硕） 学生姓名： 理 工 学 号： 1234567891253 任课教师： 无 无 目 录第 1 章 设计思路 .1第 2 章 系统介绍 .42.1 系统结构 .52.2 系统模块 .52.2.1 数据层系统模块 .52.2.2 应用层模块 .7第 3 章 机电系统设计 .123.1 功能原理设计 .123.1.1 功能原理分析 .123.1.2 功能拓扑设计 .133.1.3 功能知识元选择 .143.2 物理结构设计 .153.2.1 功能实例选择 .153.2.2 结构拓扑构建 .173.3 物化参数设计 .2
2、03.3.1 结构元参数求解 .203.3.2 装配设计 .21机电系统分析与设计0第 1 章 设计思路从概念设计到初步详细设计这一过程包含了功能原理设计、物理结构设计和物化参数设计三个子阶段，如图 1.1 所示。功能原理设计，即在设计过程中确定产品的功能需求，拟定功能拓扑，构造原理方案；物理结构设计，即在确定了设计功能与设计原理后，在初始原理方案基础上，着重对设计原理的实现方案进行求解，拟定功能原理的载体结构和结构拓扑；物化参数设计，即在物理结构方案的基础上，进一步明确产品的设计需求，对结构方案进行参数层面的设计，生成具体化设计方案。图 1.1 概念设计到初步详细设计的设计阶段划分上述三个设
3、计阶段的知识形态和设计方法存在明显的差异。在功能原理设计阶段，设计约束相对较少，设计自由度大，知识粒度相对粗糙，跨领域的设计类比（如仿生激励设计，Bio-inspired Design）经常出现。物理结构设计阶段，知识粒度逐渐细化，由原理方案创成过渡到结构方案选择，设计自由度受具体设计原理的结构可实现方式的限制。物化参数设计阶段，设计信息更为具体，在结构方案的基础上逐步完成具体结构参数以及装配方式的设计，设计自由度受到设计方案的系统性和具体功能需求的限制。这种知识形态和设计方法的差异也是打断设计知识连续性、割裂设计过程衔接的主要原因。在设计知识模型中体现出设计的阶段性，针对知识形态的差异性提出
4、不同的表示方法，在统一知识模型框架下实现设计过程中知识流的连续，是解决当前基于知识的设计方法中问题的根本途径。基于此，本文提出了原理-结构-参数设计知识模型。图 1.2 给出了原理-结构-参数模型的基本框架，包括三个基本的知识层，九个基本的知识要素和八个基本的知识转换过程。机电系统分析与设计1图 1.2 原理- 结构-参数模型三个基本的知识层包括：原理层、结构层和参数层。原理层：对应于功能原理设计阶段，其主要作用是存储功能原理知识。所谓功能原理知识是指设计中采用的功能原理及其对应的功能之间的映射集。在原理设计阶段，对功能原理知识进行建模和表达，就能够根据功能需求，通过功能推理的方式获取相应的设
5、计原理，并根据功能原理的组织形式创建功能拓扑，创成原理设计方案。结构层：对应于物理结构设计阶段，其主要作用是存储功能实例知识。所谓功能实例知识是指功能原理的结构实现方案与功能执行能力组成的设计案例知识。在物理结构设计阶段，对功能实例知识进行建模和表达，就能够通过粗略的功能需求，对各个功能原理的结构载体进行选择，按照功能拓扑和结构拓扑间的映射关系，实现结构拓扑的构建和演化，逐步构造出结构设计方案。参数层：对应于物化参数设计阶段，其主要作用是存储物化设计知识。所谓物化设计知识是指功能原理物理实现模块的具体功能表达和结构参数之间的映射关系。在物化设计阶段，对物化设计知识进行建模和表达，就能够通过解指
6、派特定的设计需求变量，在基于约束的设计思想下对结构参数进行求解，并细化装配设计，进一步生成具体的设计方案。九个基本的知识要素包括：功能、功能元和功能知识元，行为、结构元和功能实例，行为变量、结构参量和参变量约束。功能（Function）：满足设计者设计需求的产品（产品子系统）效用的抽象化、目的化表达。功能元（Functional Cell）：运用一种原理或一组原理组合完成一定功能的机电系统分析与设计2一类结构模块的抽象表达。功能知识元（Functional Knowledge Cell，FKC ）：表达设计原理的功能和功能元（功能元组）的二元组，可表示为。结构元（Structure Cell）
7、：在一定范围内可以通过改变参数和局部变型的形式，以适应功能需求变化的物理结构模块。行为（Behavior）：结构元功能的客观表述方式，包括作用流、作用过程、作用环境等不同侧面的物理属性。功能实例（Functional Case）：实现设计原理功能的结构元与其行为属性组成的二元组，可表示为 。行为变量（Behavior Variant）：用于量化描述行为属性数学表达的代数量。行为变量实质上是对具体功能需求的符号化表述。结构参量（Structure Parameter）：用于量化描述结构元的各个几何特征、材料等影响其功能实现的各个结构属性的代数量。参变量约束（P-V Constraint）：在功能
8、执行和设计求解过程中，结构参量（Structure Parameter）和行为变量（Behavior Variable）所遵循的约束关系。在功能执行过程中表现为一组结构参量取值，决定了行为变量的表达；在设计过程中表现为基于约束设计思想的参数化求解。八个基本的知识转换过程实质上包含了原理-结构-参数模型下设计知识建模和设计方案求解的基本内容。（1）从功能到行为是一个“客观细化”的过程； （2）从行为到功能是一个“主观抽象”的过程；（3）从功能元到结构元是一个“物理实现”的过程；（4）从结构元到功能元是一个“原理提取”的过程；（5）从行为到行为变量是一个“符号表述”的过程；（6）从行为变量到行为是
9、一个“行为合成”的过程；（7）从结构元到结构参量是一个“参数表达”的过程；（8）从结构参量到结构元是一个“结构再生”的过程。原理-结构 -参数设计知识模型解决了两个基本问题：第一，通过层次化知识模型增强了知识模型对知识形态的适应性，为实现统一知识模型下多粒度、多领域知识的集成建模，以及从定性设计知识到定量设计知识的过渡式表达创造了条件；第二，通过层次化知识模型增强了知识形态对各阶段设计任务针对性，为实现设计信息连续细化和设计知识延续重用并行推进设计方案创成，以及各个设计阶段的衔接奠定了基础。机电系统分析与设计3第 2 章 系统介绍显微镜机电系统的设计借助了上海交通大学开发的基于原理-结构-参数
10、模型的计算机辅助原型系统Design Synthesis Lab。图 2.1 是 Design Synthesis Lab 的登陆界面。图 2.2 是 Design Synthesis Lab 的主工作界面，采用了分块显示模式的窗口设计，使 Design Synthesis Lab 在工作模式下能有效的调整主工作区（参见见下文系统模块介绍） 。主工作界面下包括了功能检索工作区、功能元预览工作区、功能草图工作区、功能实例预览工作区，并通过 Button 控件、标准文件输出的方式进一步与功能案例选择工作区和物化设计工作区衔接。在主工作界面上，通过菜单栏上的工具菜单和按钮，可以进行更改登录身份、连接
11、和管理数据库、通过 Web Browser 控件连接 IE 等操作。图 2.1 Design Synthesis Lab 登录界面图 2.2 Design Synthesis Lab 主工作界面机电系统分析与设计42.1 系统结构Design Synthesis Lab 主要工作是在 C/S（Client/Server，客户端/ 服务器）模式下完成的，其中局域网服务器负责完成设计知识的存储、检索，客户端负责完成用户交互、响应用户需求。系统结构如图 2.3 所示，主要包括数据层、应用层和用户层。图 2.3 Design Synthesis Lab 系统结构（1）数据层：以数据和文档形式保存设计相
12、关的各种信息和知识，包括本体库、知识库和模型库。（2）应用层：集成九大功能模块，辅助设计者进行机电产品的功能原理设计、物理结构设计和物化参数设计。（3）用户层：以可视化界面的方式，在各个设计阶段引导设计者进行设计需求输入，完成设计交互。2.2 系统模块2.2.1 数据层系统模块（1）本体库：本体库包括了功能本体库和行为属性本体库，其存储以XML 格式文件为单位，构建工具是 Protg 4.1。图 2.4 是功能流本体在 Protg上的构建情况。机电系统分析与设计5图 2.4 功能流本体在 Protg 上的构建（2）知识库：知识库包括功能原理知识库、功能实例知识库和物化设计知识库，分别是原理层、
13、结构层和参数层设计知识的主要承载载体。知识库的构建主要是在 Microsoft SQL 2005 中完成的。需要指出的是这三个库之间是存在映射和关联的，这种关联在设计过程中体现在设计的衔接和连续性。图 2.5 是数据库主要数据表之间的关系图。图 2.5 数据库主要数据表的关系图（3）模型库：模型库主要存储了结构元的参数化模型以及其重用动态链接库文件。本设计中结构元的参数化模型的主要是由 PROE 工程软件生成的，除了基本 CAD 模型，还定义了参数化重用所需要的模型参数、赋值关系等。重用动态链接库是参数层建模工作者基于 Pro/TOOLKIT 工具包，采用 PROE二次开发的方式，生成的动态链
14、接库文件，是实现参数化模型重用的主要载体。机电系统分析与设计62.2.2 应用层模块（1）功能相似度推理模块功能相似度推理模块是原理-结构-参数模型原理层的主要推理机，其主要功能是根据设计者的功能需求检索相应的功能原理模块，即功能元，并将最相似功能和功能元组成的功能原理载体推送给设计者重用。本系统提供了两种检索方式：本体检索方式和关键词检索方式。本体检索方式主要基于本文第二章给出的功能相似度计算算法，其输入界面如图 2.6 所示。关键词检索方式采用的是目前网络检索工具主流的关键词匹配式检索，其输入界面如图 2.7 所示。图 2.6 本体功能相似度推理图 2.7 关键词功能相似度推理（2）功能元
15、预览模块机电系统分析与设计7通过功能相似度检索获取的功能知识元（FKC）通过树控件建立索引，能够在功能元预览区进行查看，并可以添加功能草图实施功能流形态组网，进行手动的功能原理方案设计，功能元预览视图如图 2.8 所示。图 2.8 功能元查看视图（3）功能草图模块功能草图模块是功能原理设计的主要模块，其工作状态形式如图 2.9。图2.9 所示状态是在主工作界面的基础上将功能推理模块和功能实例预览模块等进行折叠收起的情况。功能草图的主视图采用了矢量图形技术，可以方便地放大和缩小，能够插入功能元示意图片、能够显示和消除背景栅格。功能草图中的各种功能元和功能流可以在草图中任意拖动和组网。其另一个优势是可采用功能黑箱进行局部功能拓扑智能组网和临时的“设计假想” ，即先采用“功能黑箱”完成整体的功能流组网，然后将“功能黑箱”相关设计任务交给更有经验的设计者实现或者采用本文所述基于 Agent 的功能流组网技术进行推理。
