摘　要　本文主要研究機(jī)械方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程。在簡(jiǎn)要介紹和分析機(jī)械方案設(shè)計(jì)一般過(guò)程和基于結(jié)構(gòu)類型變異機(jī)構(gòu)綜合方法的基礎(chǔ)上，提出集成功能推理和結(jié)構(gòu)推理為一體的機(jī)械方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程模型，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了機(jī)械方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)智能支持系統(tǒng)（MCIDISS）。
　　關(guān)鍵詞　方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)　功能推理　結(jié)構(gòu)推理
　　0　引　言
　　機(jī)械方案設(shè)計(jì)是一個(gè)創(chuàng)造性很強(qiáng)的活動(dòng)，其思維過(guò)程是形象思維和抽象思維綜合作用的結(jié)果。目前計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）主要解決了在計(jì)算和繪圖等設(shè)計(jì)后續(xù)階段對(duì)設(shè)計(jì)者的支持。而對(duì)于極富創(chuàng)造性的早期方案設(shè)計(jì)階段的計(jì)算機(jī)支持至今沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。即使是智能CAD系統(tǒng)，所采用的方法的理論基礎(chǔ)仍是基于傳統(tǒng)的人工智能的知識(shí)表示與推理方法，即邏輯思維為基礎(chǔ)，其中多以知識(shí)工程和專家系統(tǒng)的方法實(shí)現(xiàn)。這種CAD與AI的簡(jiǎn)單組合，沒(méi)有也不可能從真正意義上實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)自動(dòng)化。創(chuàng)造性如何在方案設(shè)計(jì)過(guò)程中體現(xiàn)一直是困擾設(shè)計(jì)理論研究工作者的棘手問(wèn)題，也一直沒(méi)有很好地解決，本文將就這一問(wèn)題作一探討。
　　1　機(jī)械方案設(shè)計(jì)的一般過(guò)程
　　一般認(rèn)為，方案設(shè)計(jì)階段主要有兩個(gè)任務(wù)：首先是建立技術(shù)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)。然后通過(guò)選擇相應(yīng)于功能結(jié)構(gòu)中的每個(gè)功能的功能載體，并組合這些被選擇的功能載體形成整個(gè)技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。
　　通用設(shè)計(jì)理論認(rèn)為，方案設(shè)計(jì)過(guò)程可表述為兩個(gè)映射過(guò)程（圖1）：即用戶需求域到功能域的映射以及功能域到結(jié)構(gòu)域的映射。由需求域到功能域的映射過(guò)程最能體現(xiàn)設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造能力，這一過(guò)程涉及到對(duì)設(shè)計(jì)思維規(guī)律以及創(chuàng)造性機(jī)理認(rèn)識(shí)水平，涉及到自然語(yǔ)言到專業(yè)技術(shù)語(yǔ)言的轉(zhuǎn)化。盡管有些學(xué)者提出通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行層次分解來(lái)建立功能結(jié)構(gòu)圖的討論，但一般還要通過(guò)人工干預(yù)進(jìn)行。從功能到結(jié)構(gòu)的映射，實(shí)際上是功能結(jié)構(gòu)圖中的每一個(gè)分功能與能實(shí)現(xiàn)該分功能的結(jié)構(gòu)進(jìn)行匹配，一般情況下，總體功能往往包含著許多分功能。而每一功能可以由不同的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此存在組合、協(xié)調(diào)和評(píng)價(jià)篩選的問(wèn)題。具體的機(jī)械方案設(shè)計(jì)過(guò)程如圖2所示。{img}
　　圖2所示的機(jī)械方案設(shè)計(jì)過(guò)程還可通過(guò)數(shù)學(xué)形式進(jìn)行描述。設(shè)總體功能為U，它可分解為一些子功能，分解過(guò)程可形式化為：

U＝（U1，U2，…Um）

（1）

　即總體功能是有m個(gè)子功能Ui（i＝1，2，…m）組成的。
　　任何一個(gè)子功能Ui（i＝1，2，…，m）對(duì)應(yīng)著能夠完成該分功能的子結(jié)構(gòu)的集合Ti，即

Ti＝（ti11，ti22，…，tin）（i＝1，2，…，m） （2）

　式中tij（j＝1，2，…，n）對(duì)應(yīng)于能完成子功能Ui的所有子結(jié)構(gòu)，n為完成該子功能的子結(jié)構(gòu)總數(shù)。如果用Ui定義行，tij為元素構(gòu)成矩陣，即得到功能與結(jié)構(gòu)相聯(lián)系的“功能―結(jié)構(gòu)技術(shù)矩陣”：
　　當(dāng)然能夠?qū)崿F(xiàn)各子功能的子結(jié)構(gòu)數(shù)并不相等，可以將能夠?qū)崿F(xiàn)某一子功能的最多子結(jié)構(gòu)數(shù)定為n，少于這個(gè)數(shù)的子功能元素項(xiàng)用零表示。圖2所描述的機(jī)械方設(shè)計(jì)的一般過(guò)程，看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)有許多問(wèn)題需要解決。如總功能如何分解為子功能、功能如何表達(dá)（因?yàn)閺牟煌慕嵌忍岢龅墓δ鼙磉_(dá)詞匯是不相同的）以及如何有效根據(jù)功能索引子結(jié)構(gòu)等問(wèn)題有待進(jìn)一步探討和研究。
　　2　基于機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)類型變異綜合方法
　　自60年代圖論理論首次被應(yīng)用于機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以來(lái)，它在機(jī)構(gòu)分析與綜合方面的應(yīng)用得到深入的研究。在圖論中，封閉的圖代表機(jī)構(gòu)，頂點(diǎn)代表連桿，邊代表運(yùn)動(dòng)副。圖可以用矩陣（如鄰接矩陣和關(guān)聯(lián)矩陣）表示、分析和計(jì)算。1979年，F(xiàn)reudenstein和Maki提出“功能與結(jié)構(gòu)分離”的方法用于機(jī)構(gòu)綜合，隨后許多學(xué)者對(duì)這一方法進(jìn)行研究和深化。該方法包括如下幾個(gè)環(huán)節(jié)：
　　2．1　根據(jù)用戶的需求，提出機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)任務(wù)與技術(shù)要求：
　?。?）　拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求
　　如運(yùn)動(dòng)性質(zhì)（平面運(yùn)動(dòng)或空間運(yùn)動(dòng)）、基本回路數(shù)（或獨(dú)立環(huán)數(shù)目）、運(yùn)動(dòng)副類型及數(shù)目、構(gòu)件類型及數(shù)目、主動(dòng)副類型及其位置以及機(jī)架的構(gòu)件類型及其位置；
　?。?）　功能性要求
　　如輸出構(gòu)件數(shù)目及其位置、每一輸出構(gòu)件的任務(wù)（如軌跡生成、函數(shù)生成、導(dǎo)引以及其它要求、滿足對(duì)預(yù)定的速度及加速度要求、滿足對(duì)機(jī)構(gòu)整體的動(dòng)力學(xué)性能要求；
　　（3）　約束條件
　　如運(yùn)動(dòng)精度、結(jié)構(gòu)緊湊性、剛度、機(jī)械效益、軸銷作用反力以及制造、裝配、成本等方面的約束。
　　2．2　結(jié)構(gòu)類型綜合
　　通過(guò)結(jié)構(gòu)類型綜合列出滿足設(shè)計(jì)任務(wù)要求的全部結(jié)構(gòu)類型并以適當(dāng)形式表示。
　　2．3　優(yōu)選結(jié)構(gòu)類型
　　根據(jù)功能要求和約束條件，篩選出好的結(jié)構(gòu)類型。
　　該方法目前研究局限在平面連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型綜合，且一般集中在運(yùn)動(dòng)鏈同構(gòu)識(shí)別、自由度識(shí)別方法以及平面運(yùn)動(dòng)鏈自動(dòng)生成等理論方法研究階段。盡管有一些應(yīng)用的研究報(bào)道，但都是針對(duì)簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)（如變沖程發(fā)動(dòng)機(jī)活塞機(jī)構(gòu)、車門開(kāi)啟機(jī)構(gòu)等）通過(guò)人工方式實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)還有一些關(guān)鍵技術(shù)沒(méi)有很有效的方法，如運(yùn)動(dòng)鏈同構(gòu)識(shí)別問(wèn)題，主動(dòng)副位置確定、機(jī)架位置的確定、桿組的自動(dòng)劃分以及對(duì)運(yùn)動(dòng)鏈進(jìn)行評(píng)價(jià)篩選等問(wèn)題。
　　3　集成