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可變功能機械系統(tǒng)概念設計的相似模型構(gòu)建研究論文
引 言
一般的機械系統(tǒng)通常只具有一個或多個固定的功能，但這種系統(tǒng)在某些特定的情況下不能滿足應用需要，如占地面積有限、資源有限以及要求使系統(tǒng)升級方便的情況。本研究的可變功能機械系統(tǒng)是指一種通過改變系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)的連接或組成的方式進而獲得新功能的特定的機械系統(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。研究可變功能機械系統(tǒng)的相似性，建立概念設計系統(tǒng)模型，為以后進行可變功能設計并將具有一定相似性的功能進行耦合提供了基礎(chǔ)。
機械系統(tǒng)的概念設計是產(chǎn)品設計的初步也是關(guān)鍵階段，可以理解為在設計約束條件下，以客戶產(chǎn)品功能需求為輸入，設計結(jié)構(gòu)方案為輸出的映射過程。對于概念設計模型，文獻[1-2]提出了一種設計知識的表達形式，將功能、行為和結(jié)構(gòu)作為設計的3個層次，基于“功能-行為-結(jié)構(gòu)(functional-behavior-struc?ture，F(xiàn)BS)”模型解決設計問題。功能表達的是設計目的即“做什么”，行為表達系統(tǒng)“如何去做”，結(jié)構(gòu)說明設計系統(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、金熙哲等應用了功能行為的不同表達方式，提出了行為集合的表示方法，建立了行為集合分組的規(guī)則及分組評價規(guī)則和應用功能基來表達設計問題。鄧益民等將機電產(chǎn)品功能和行為的幾種表達方法進行了總結(jié)，并按照語義表達和句法表達兩個方面對其進行了分類，據(jù)此提出了研究功能與行為表達方法的發(fā)展方向。
1 可變功能機械系統(tǒng)概念設計模型
可變功能機械系統(tǒng)由不同的分功能組成，且功能間會發(fā)生耦合。筆者基于FBS概念設計模型對可變功能機械系統(tǒng)進行研究，先將各分功能獨立，分別建立自頂向下的設計模型，即先對功能進行分解，由功能-行為映射求解得到相應的行為層級結(jié)構(gòu)，分析相應的行為模型，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)表達出來，用系統(tǒng)要素的方式進行模型構(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，不同類型、不同層次系統(tǒng)存在一定的序結(jié)構(gòu)，當系統(tǒng)序結(jié)構(gòu)存在共同性時，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)已將可變功能機械系統(tǒng)概念設計中的功能層和行為層用序結(jié)構(gòu)進行表達來探索功能和行為的相似性，本節(jié)在此基礎(chǔ)之上運用數(shù)學建模對相似度進行計算�？勺児δ軝C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改變一些系統(tǒng)組成就能形成新的功能系統(tǒng)，若是沒有相似性即相似度為零，那么整個分功能系統(tǒng)就轉(zhuǎn)變成了多功能的單個系統(tǒng)的集合，不在本研究的研究范圍之內(nèi)。
3 實例分析
筆者選取典型的可變功能機械系統(tǒng)進行研究，選取如圖6所示的機床作為研究對象，通過更換不同的刀具執(zhí)行機構(gòu)可以獲得鉆孔，擴孔和鉸孔3個不同的功能�？梢钥闯觯@是一種通過改變系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)達到改變功能的情況。
4 結(jié)束語
機械系統(tǒng)往往有很多復雜的功能系統(tǒng)組成，通過系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)和配合完成一定功能，從而實現(xiàn)機械能變化，代替人類勞動的作用�？勺児δ軝C械系統(tǒng)正是為了更好地利用環(huán)境資源、增加設備利用率而產(chǎn)生，以適應勞動過程中不同的需求。相似性是存在于大自然中最普遍的特性，在對可變功能系統(tǒng)研究中，研究者通過探索系統(tǒng)相似性，建立概念設計相似模型，可以從定量角度描述系統(tǒng)間的共性，進而基于一定的相似度進行可變功能創(chuàng)新設計。
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)建概念設計相似系統(tǒng)模型，建立了基于輸入/輸出流的序結(jié)構(gòu)模型，對序的概念做了進一步的闡述，通過序結(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，并通過數(shù)學模型計算獲得具體的相似度數(shù)值。
前文的分析和案例均表明，該模型符合設計過程中設計人員的認知過程，對相似性進行了可靠地描述，有利于機械系統(tǒng)的創(chuàng)新設計，為可變功能機械系統(tǒng)的相似度研究提供了方法和依據(jù)。
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