基于公理設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)方法研究【畢業(yè)論文】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　基于公理設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)方法研究</p><p><b>　　誠信聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人

2、在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。</p><p>　　本人簽名： 年 月 日</p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目： 基于公理設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)方法研究 </p>

3、;<p>　　1．設(shè)計(jì)的主要任務(wù)及目標(biāo)</p><p>　　(1)在公理設(shè)計(jì)的理論框架下，建立工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)模型，要求能通過算法實(shí)現(xiàn)對已知方案的評(píng)價(jià)優(yōu)選；</p><p>　　(2)通過編程語言對上述模型進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)，并通過案例驗(yàn)證原型系統(tǒng)的可行性，要求軟件能流暢運(yùn)行，并能對案例進(jìn)行評(píng)價(jià)。</p><p>　　2．設(shè)計(jì)的基本要求和內(nèi)容<

4、;/p><p>　　熟悉方案評(píng)價(jià)、工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)的方法及發(fā)展趨勢，總結(jié)其中存在的問題；熟悉公理設(shè)計(jì)的基本原理，明確所設(shè)計(jì)題目和內(nèi)容，并撰寫開題報(bào)告一篇。運(yùn)用公理設(shè)計(jì)理論建立針對工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)模型。完成中期答辯報(bào)告一份。</p><p>　　利用編程語言（推薦使用VB）對上述過程中建立的模型進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)，編制基于公理設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)原型系統(tǒng)。對編制的原型系統(tǒng)進(jìn)行案例

5、驗(yàn)證，以驗(yàn)證該模型和方法的可行性。</p><p><b>　　撰寫畢業(yè)論文一篇。</b></p><p><b>　　3．主要參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　Suh NP著, 公理設(shè)計(jì)[M]. 謝友柏, 袁小陽, 等譯, 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004:1-60.</p><p>　　B

6、uur J. A Theoretical Approach to Mechantronics Design[D]. Technical University of Denmark, 1990.</p><p>　　Shimomura Y, et al. Representation of design object based on the functional evolution process model[J

7、]. J of Mechanical Design, 1998,120(2):221-229.</p><p>　　孫玉剛. 灰色關(guān)聯(lián)分析及其應(yīng)用的研究[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2007.</p><p><b>　　4．進(jìn)度安排</b></p><p>　　基于公理設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)方法研究</p><

8、;p>　　摘要：長期以來，由于傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)缺乏統(tǒng)一的過程建模、決策、控制方法和技術(shù)，導(dǎo)致積累的大量設(shè)計(jì)資源和經(jīng)驗(yàn)不能有效利用。為此，本文基于公理設(shè)計(jì)的理論框架，在工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，研究了工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)方法，并對該方法進(jìn)行了軟件實(shí)現(xiàn)。畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容如下：</p><p>　?。?）知識(shí)基礎(chǔ)部分。介紹了針對工業(yè)機(jī)械手的概念設(shè)計(jì)、方案推理及評(píng)價(jià)方法的主要類型及特點(diǎn)，然后對建模的

9、理論基礎(chǔ)——公理設(shè)計(jì)理論作了介紹，闡述了公理設(shè)計(jì)的理念、數(shù)學(xué)模型，以及在概念設(shè)計(jì)中的應(yīng)用；</p><p>　?。?）建模部分。通過分析常見工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案組成及與其相關(guān)的評(píng)價(jià)要素，在公理設(shè)計(jì)理論框架下，將工業(yè)機(jī)械手各設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)作為公理設(shè)計(jì)中的功能域，并通過功能分解將其分解到物理域及過程域，建立了工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)體系，最后通過灰色關(guān)聯(lián)分析法設(shè)置評(píng)價(jià)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)方案的綜合評(píng)價(jià)；</p

10、><p>　?。?）系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分。基于上一部分所建立的工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)體系，設(shè)計(jì)得到一個(gè)工業(yè)機(jī)械手方案評(píng)價(jià)系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)用一定的算法，根據(jù)設(shè)計(jì)要求搜索各評(píng)價(jià)指標(biāo)，最終求解出符合要求的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案；</p><p>　　（4）原型系統(tǒng)開發(fā)及案例驗(yàn)證。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的各個(gè)主要模塊的功能，并以典型工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案為輸入對該系統(tǒng)進(jìn)行了案例驗(yàn)證。</p>

11、<p>　　關(guān)鍵詞：公理設(shè)計(jì),工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì),層次分析,灰色關(guān)聯(lián)理論,設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)</p><p>　　Research on scheme evaluation method of industrial manipulator concept development based on axiomatic design</p><p>　　Abstract：For a lo

12、ng time, due to the design of industrial machinery hand traditional lack of process modeling, decision, control method and technology of unified, resulting in effective utilization of a lot of design resources and experi

13、ence can not. Therefore, in this paper, the theoretical framework based on axiomatic design, based on the industrial manipulator concept design, studies the evaluation method of hand conceptual design of industrial machi

14、nery, and the method of software realizatio</p><p>　　knowledge base. This paper introduces the main types according to the inference and evaluation of conceptual design, industrial machinery hand method and

15、its characteristics, and then the theoretical basis for modeling--the axiomatic design theory is introduced, the axiomatic design concept, mathematical model, and their application in conceptual design;</p><p&

16、gt;　　The modeling part. Through the analysis of design scheme of common industrial manipulator the composition and evaluation of related factors, the axiomatic design theory,the evaluation index of industrial machinery h

17、and of each design as functional domain in axiomatic design, and through the functional decomposition decompose them into the physical domain and process domain, establishes the evaluation system in military conceptual d

18、esign scheme of industrial machinery, and finally through the gre</p><p>　　The system design section. The evaluation system of industrial manipulator based on the conceptual design scheme based on the design

19、 of a part, an evaluation of industrial manipulator system, using a certain algorithm of this system, according to the design requirements of search of each evaluation index, the final solution to meet the requirements o

20、f the optimal design scheme;</p><p>　　The prototype system development and case study. System to achieve the main modules of the conceptual design scheme evaluation of hand function of industrial </p>

21、<p>　　machinery,and the design scheme of typical industrial manipulator as the input of the case to validate this system.</p><p>　　Keywords: Axiomatic design, The concept of industrial manipulator desi

22、gn, Analytic hierarchy process, Grey correlation theory, Design scheme evaluation </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒 論1</b></p><p>　　1.1 課題背景及研究意義1<

23、/p><p>　　1.2 概念設(shè)計(jì)方法研究概述2</p><p>　　1.3 公理設(shè)計(jì)理論概述3</p><p>　　1.4 方案推理方法5</p><p>　　1.5方案評(píng)價(jià)方法5</p><p>　　2 公理化工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)技術(shù)7</p><p>　　2.1公理化設(shè)計(jì)方案

24、評(píng)價(jià)流程分析7</p><p>　　2.1.1方案評(píng)價(jià)指標(biāo)的設(shè)計(jì)原則7</p><p>　　2.1.2設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的知識(shí)體系8</p><p>　　2.1.3方案評(píng)價(jià)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)流程8</p><p>　　2.2 設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)的公理化設(shè)計(jì)10</p><p>　　2.2.1評(píng)價(jià)指標(biāo)的公理化映射過程10&l

25、t;/p><p>　　2.2.2 公理設(shè)計(jì)框架下的設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)14</p><p>　　3 設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)模型的建立17</p><p>　　3.1設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化17</p><p>　　3.1.1 數(shù)據(jù)的無量綱化處理19</p><p>　　3.1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值化19</p>&l

26、t;p>　　3.2 設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值的確定20</p><p>　　3.2.1判斷矩陣的構(gòu)造20</p><p>　　3.2.2對判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)22</p><p>　　4 機(jī)械手設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的軟件原型系統(tǒng)開發(fā)及案例驗(yàn)證24</p><p>　　4.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境24</p><p>　　

27、4.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)24</p><p>　　4.2.1系統(tǒng)需求分析24</p><p>　　4.2.2 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)25</p><p>　　4.3 系統(tǒng)各功能模塊的實(shí)現(xiàn)及案例驗(yàn)證25</p><p>　　4.3.1 系統(tǒng)管理25</p><p>　　4.3.2 工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)模塊26</p>

28、;<p>　　4.3.3 設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)模塊26</p><p>　　4.4 本章小結(jié)28</p><p><b>　　總結(jié)與展望29</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)31</b></p><p><b>　　致 謝32</b></p

29、><p><b>　　附 錄33</b></p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p>　　1.1 課題背景及研究意義</p><p>　　隨著市場經(jīng)濟(jì)的全球化，生產(chǎn)企業(yè)面臨著日益激烈的國際競爭，要想在競爭中立于不敗之地，必須不斷地提高自己的綜合競爭力。企業(yè)的競爭從根本上講就是其提

30、供的產(chǎn)品之間的競爭，誰擁有最好質(zhì)量、最低成本、最快上市時(shí)間的產(chǎn)品，誰就占據(jù)了競爭的優(yōu)勢地位。</p><p>　　不同國家、不同企業(yè)、不同類型的產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)、開發(fā)過程不盡相同，但大致上可分為產(chǎn)品規(guī)劃、原理方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、總體設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)和試制、生產(chǎn)、銷售等階段。大量研究表明，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)在產(chǎn)品生產(chǎn)成本中只占了6%左右，但是它卻在很大程度上決定著產(chǎn)品的最終水平，產(chǎn)品總成本的70%以上都受產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響。

31、這是因?yàn)楫a(chǎn)品設(shè)計(jì)的優(yōu)劣從根本上決定了產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量的好壞，并且影響產(chǎn)品的相關(guān)后續(xù)行為，如制造、使用等等，它是形成產(chǎn)品的核心階段，是保證產(chǎn)品質(zhì)量的根本源頭。同時(shí)，隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，產(chǎn)品或設(shè)備的功能與結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，產(chǎn)品設(shè)計(jì)在產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)占有越來越重要的位置。因此，產(chǎn)品設(shè)計(jì)對提高產(chǎn)品競爭力起著至關(guān)重要的作用，是決定產(chǎn)品命運(yùn)的重要因素。好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)不僅能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能、延長產(chǎn)品的使用壽命、減少產(chǎn)品的生產(chǎn)周期、降低產(chǎn)品的成本，并有

32、助于提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品全過程服務(wù)，而且也可以減少生產(chǎn)制造過程中的能耗和對環(huán)境的負(fù)面影響，有利于實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。越來越多的企業(yè)在競爭過程中意識(shí)到，要提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品競爭力，就一定要從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段著手。</p><p>　　產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個(gè)求解實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能、滿足各種技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、并從可能存在的各種方案中確定綜合最優(yōu)方案的過程。它作為一種創(chuàng)造性活動(dòng),其本質(zhì)是創(chuàng)造和革新，最終目標(biāo)是得到滿足用戶需求

33、的產(chǎn)品。由于設(shè)計(jì)通常是與智力活動(dòng)和創(chuàng)造聯(lián)系在一起，加上它的復(fù)雜性和不可捉摸性，人們往往認(rèn)為它依靠人的直覺、天賦和經(jīng)驗(yàn)。但是設(shè)計(jì)必須發(fā)展它的科學(xué)基礎(chǔ)，這就是設(shè)計(jì)理論。有效的設(shè)計(jì)理論與方法不僅可以產(chǎn)生好的設(shè)計(jì)，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)周期，而且可以推動(dòng)產(chǎn)品的創(chuàng)新，這就使得企業(yè)或研究人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)中不斷追求和實(shí)踐新的有效的設(shè)計(jì)理論與方法。</p><p>　　1.2 概念設(shè)計(jì)方法研究概述</p><

34、p>　　在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初期，主要任務(wù)是進(jìn)行產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)，即確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。在這個(gè)階段，一方面，由于對設(shè)計(jì)人員的約束相對較少，設(shè)計(jì)人員具有較大的創(chuàng)新空間，最能體現(xiàn)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)、智慧和創(chuàng)造性；另一方面，這一階段所作的決策對產(chǎn)品的質(zhì)量、成本、性能、可靠性、安全性和環(huán)保性等方面有著重要的影響，而且所產(chǎn)生的設(shè)計(jì)缺陷無法由后續(xù)設(shè)計(jì)過程彌補(bǔ)。因而，概念設(shè)計(jì)被認(rèn)為是產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中最關(guān)鍵、最復(fù)雜、且最具綜合性、創(chuàng)造性和決定性的設(shè)計(jì)階段。概念設(shè)計(jì)效

35、率的提高和設(shè)計(jì)方案的新穎性、可行性，不僅可以大大地縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，而且可以大大增強(qiáng)產(chǎn)品的市場競爭力。因此，產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中具有重要的地位，正受到國內(nèi)外研究學(xué)者越來越多的重視，深入開展對先進(jìn)的概念設(shè)計(jì)理論、方法和技術(shù)的研究，具有重要的意義。</p><p>　　自Pahl和Beitz于1984年在《EngineeringDesi助》一書中提出概念設(shè)計(jì)這一名詞以來，人們已經(jīng)對概念設(shè)計(jì)進(jìn)行了二十多年的

36、研究。Phal和Beitz將概念設(shè)計(jì)定義為：在確定任務(wù)之后,經(jīng)過抽象化，擬定功能結(jié)構(gòu)，尋求適當(dāng)?shù)淖饔迷砑捌浣M合等，確定出基本求解途徑，得出求解方案,這一部分設(shè)計(jì)工作叫概念設(shè)計(jì)。</p><p>　　北京航空航天大學(xué)鄧家提等在分析概念產(chǎn)品的基礎(chǔ)上將概念設(shè)計(jì)定義為：概念設(shè)計(jì)是由分析用戶需求到生成概念產(chǎn)品的一系列有序的、可組織的、有目標(biāo)的設(shè)計(jì)活動(dòng)，它表現(xiàn)為一個(gè)由粗到精、由模糊到清楚、由抽象到具體、不斷進(jìn)化的過程。&l

37、t;/p><p>　　產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)包括概念設(shè)計(jì)方案生成和概念設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)兩個(gè)主要階段，其中的關(guān)鍵技術(shù)包含有產(chǎn)品信息建模、推理技術(shù)、方案評(píng)估等方面。信息建模技術(shù)主要是建立設(shè)計(jì)過程中從功能需求到功能結(jié)構(gòu)映射過程中各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)之間的信息表示、關(guān)系及約束，并將設(shè)計(jì)過程信息以一定的形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)推理，搭建人機(jī)溝通的橋梁。</p><p>　　設(shè)計(jì)者通過對系統(tǒng)總功能進(jìn)行分解，降低總功能

38、的復(fù)雜度，得到邏輯關(guān)系清晰、復(fù)雜度較低的子功能，在此基礎(chǔ)上將子功能進(jìn)行組合，構(gòu)成從系統(tǒng)總功能到子功能的功能結(jié)構(gòu)。目前，在概念設(shè)計(jì)過程模型方面，麻省理工學(xué)院的Suh教授提出了一種基于公理設(shè)計(jì)理論的概念設(shè)計(jì)模型。該模型將涉及世界分為四個(gè)域：用戶域、功能域、物理域和過程域。并將設(shè)計(jì)關(guān)系用獨(dú)立公理和信息公理來表達(dá)。Buur等人提出了功能方（Function-Means- tree）模型。在此模型中，功能由方法實(shí)現(xiàn)，方法描述了功能可以實(shí)現(xiàn)的具體途

39、徑。</p><p>　　1.3 公理設(shè)計(jì)理論概述</p><p>　　由于設(shè)計(jì)理論與方法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)中的重要作用，因此，加強(qiáng)對產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論與方法的研究有著十分重要的意義。目前，許多學(xué)者都致力于該領(lǐng)域的研究。到目前為止，己經(jīng)形成了眾多的設(shè)計(jì)理論與方法，如系統(tǒng)化設(shè)計(jì)理論、通用設(shè)計(jì)理論、泛設(shè)計(jì)理論、公理設(shè)計(jì)理論、創(chuàng)新問題解決理論、并行設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)、智能設(shè)計(jì)、面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性

40、設(shè)計(jì)、穩(wěn)健設(shè)計(jì)、可持續(xù)設(shè)計(jì)等等。下面就公理設(shè)計(jì)理論與方法進(jìn)行簡述。</p><p>　　公理設(shè)計(jì)理論。公理設(shè)計(jì)(AsiomaticDesign，AD)理論是由美國麻省理工學(xué)院SuhNP教授首次提出的，它是關(guān)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本理論，其目的是為設(shè)計(jì)建立一個(gè)科學(xué)模式，為設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)基于邏輯和理性思維過程及工具的理論基礎(chǔ)來進(jìn)行設(shè)計(jì)或改進(jìn)設(shè)計(jì)活動(dòng)。AD理論提出了兩條設(shè)計(jì)公理：獨(dú)立公理和信息公理。應(yīng)用該理論進(jìn)行設(shè)計(jì)是一個(gè)自

41、頂向下的過程，它為產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到制造的整個(gè)過程提供了實(shí)用性指導(dǎo)框架。兩條設(shè)計(jì)公理為設(shè)計(jì)過程的合理性與優(yōu)劣性、設(shè)計(jì)方案的好壞提供了有效的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，能夠指導(dǎo)設(shè)計(jì)者盡可能早地淘汰不好的設(shè)計(jì)而集中精力于較好的設(shè)計(jì)上，從而提高了設(shè)計(jì)的效率。此外，它還提供了設(shè)計(jì)分解過程的形式，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程更加清晰，克服了在設(shè)計(jì)初期對設(shè)計(jì)目標(biāo)把握模糊不清的不足。產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論與方法是在深入研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過對產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的本質(zhì)進(jìn)行總結(jié)，用科

42、學(xué)的、系統(tǒng)的方法表達(dá)和分析產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程。在對設(shè)計(jì)理論及方法的研究過程中，由于研究背景和知識(shí)結(jié)構(gòu)的不同，各種設(shè)計(jì)理論與方法研究的側(cè)重點(diǎn)各不相同，使得不同的設(shè)計(jì)者對設(shè)計(jì)理論與方法有不同的理解和認(rèn)識(shí)，從而得出了對設(shè)計(jì)理論與方法不同的表達(dá)</p><p>　　近些年來，有關(guān)AD理論及應(yīng)用的研究得到各國學(xué)者越來越廣泛的關(guān)注。AD的一系列基本理論和方法為設(shè)計(jì)提供了理論框架及評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，能夠指導(dǎo)設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程中做出正確的決策

43、，減少了設(shè)計(jì)過程的復(fù)雜性，并且使得設(shè)計(jì)活動(dòng)系統(tǒng)化、邏輯化和理性化。AD理論是使設(shè)計(jì)學(xué)能成為大多數(shù)人所掌握的一門設(shè)計(jì)科學(xué)的理論和方法，它并非某種具體的算法和工具，利用AD理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以增強(qiáng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)造性、設(shè)計(jì)方案的穩(wěn)定性和產(chǎn)品的可制造性、可維護(hù)性AD旨在使設(shè)計(jì)者更具創(chuàng)新性、減少搜索過程的隨意性，最小化設(shè)計(jì)的重復(fù)迭代過程。以AD為主的理論使設(shè)計(jì)學(xué)走上了科學(xué)化的道路，克服了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法以經(jīng)驗(yàn)、對比為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的缺點(diǎn)。復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程也可視為

44、一個(gè)思維迭代過程，也就是說是經(jīng)過多次反復(fù)，逐步細(xì)化和深化而完成的。AD提供的具體實(shí)施階段符合概念設(shè)計(jì)的過程，因此利用AD理論能使得概念設(shè)計(jì)過程細(xì)化，具有可實(shí)施性，AD理論可作為進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的有效工具。</p><p>　　公理設(shè)計(jì)將設(shè)計(jì)問題概括到四個(gè)域：用戶域(Consumer Domain)、功能域(Function Domain)、結(jié)構(gòu)域(Physical Domain)和過程域(Process Do

45、main)，這四個(gè)設(shè)計(jì)域之間存在相互映射關(guān)系如下圖1.1所示：</p><p>　　用戶域 功能域 物理域 過程域</p><p>　　圖1.1 公理設(shè)計(jì)中的四個(gè)域及映射關(guān)系</p><p>　　左邊的域表示想要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo),右邊的域表示實(shí)現(xiàn)左邊域要求的方法。</p><p>　

46、　(1) 用戶域：表示用戶對產(chǎn)品屬性的要求和期望，用{CN}表示；</p><p>　　(2) 功能域：表示設(shè)計(jì)方案所要實(shí)現(xiàn)的一系列功能需求的集合，用{FR}表示；</p><p>　　(3) 物理域：表示設(shè)計(jì)方案中滿足功能域{FR}要求的設(shè)計(jì)參數(shù)集合，用{DP}表示；</p><p>　　(4) 過程域：表示確定相應(yīng)工藝變量的集合,用{PV}表示。</p&g

47、t;<p>　　其中功能域與物理域間映射、層級(jí)關(guān)系如圖1.2所示。</p><p>　　圖1.2 功能域與物理域間映射與層級(jí)圖</p><p>　　1.4 方案推理方法</p><p>　　系統(tǒng)的方案推理技術(shù)主要是研究功能與結(jié)構(gòu)之間映射的具體方法，從而生成并輸出完整的設(shè)計(jì)方案。目前，方案推理技術(shù)主要是基于產(chǎn)品信息模型進(jìn)行研究的，其研究熱點(diǎn)是概念設(shè)計(jì)的方

48、案自動(dòng)生成問題。典型的方案推理方法包括：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方案推理技術(shù)、基于遺傳算法的方案生成技術(shù)、基于域結(jié)構(gòu)模板的方案生成算法等。</p><p>　　方案推理主要利用總功能和分功能之間、各分功能之間的定性或定量的映射關(guān)系，模仿人類的常識(shí)進(jìn)行推理。忽視所描述問題的次要因素及不確定性因素，借助各種規(guī)則和映射關(guān)系描述問題，得到系統(tǒng)問題的解決方案。</p><p><b>　　1.5方案

49、評(píng)價(jià)方法</b></p><p>　　在概念設(shè)計(jì)推理得到多組設(shè)計(jì)方案之后，需要根據(jù)一定的準(zhǔn)則和方法選取其中最優(yōu)的一組方案來進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。產(chǎn)品的方案評(píng)價(jià)技術(shù)就是對設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生的多組方案按照一定的準(zhǔn)則和方法進(jìn)行評(píng)價(jià)和排序，并最終確定方案選擇依據(jù)的過程。國內(nèi)外學(xué)者充分認(rèn)識(shí)到方案評(píng)價(jià)問題的重要作用，并對其進(jìn)行了大量研究，提出了各種設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的方法。</p><p>　　層次分析法（

50、AHP）是由美國學(xué)者T.L.Saaty于1973年提出的目前最為廣泛應(yīng)用的設(shè)計(jì)方案優(yōu)選方法，它是將評(píng)價(jià)者的定性分析定量化的有效工具。于上世紀(jì)80年代，由他的學(xué)生將此分析方法引入我國。該方法將定性分析與定量分析相結(jié)合，將評(píng)價(jià)者的思維過程數(shù)學(xué)化。</p><p>　　模糊數(shù)學(xué)這種處理不確定性信息的理論是1965年由美國自動(dòng)控制專家Zadeh L.A.提出的。在設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)方面，主要的方法為模糊綜合評(píng)判法。Thurst

51、on等采用模糊評(píng)價(jià)方法，用模糊語義值表示權(quán)值和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，從而得出方案的模糊優(yōu)序關(guān)系。汪利等人利用三級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)方法對機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案進(jìn)行了優(yōu)選。</p><p>　　灰色關(guān)聯(lián)分析法(Grey Relational Analysis, GRA)是灰色系統(tǒng)理論在方案評(píng)價(jià)領(lǐng)域的應(yīng)用。它根據(jù)因素之間發(fā)展趨勢的相似或相異程度，即灰色關(guān)聯(lián)度，作為衡量因素間關(guān)聯(lián)程度的依據(jù)。</p><p>　　2 公理化

52、工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)技術(shù)</p><p>　　在設(shè)計(jì)過程中一般可以得到多個(gè)符合條件的設(shè)計(jì)方案，在這種情況下，設(shè)計(jì)人員有必要使用方案評(píng)價(jià)方法對多個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行篩選，得到最優(yōu)方案。本設(shè)計(jì)基于公理設(shè)計(jì)理論，提出了一種公理化的方案評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)計(jì)方法。利用灰色層次分析法，建立了工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)模型，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶需求通過對方案元的選擇（用VB編寫可視化界面實(shí)現(xiàn)）調(diào)用內(nèi)部編寫的程序進(jìn)行方案的生成，以此對設(shè)

53、計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，篩選出其中最優(yōu)方案（這里也是通過程序?qū)崿F(xiàn)）。</p><p>　　工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)技術(shù)的思路是：首先，根據(jù)調(diào)研所得的數(shù)據(jù)，結(jié)合技術(shù)專家、制造商、運(yùn)營商、用戶等方面的需求，獲得工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)方案的用戶需求；其次，運(yùn)用公理設(shè)計(jì)理論對用戶需求進(jìn)行公理化表示，獲得參數(shù)化的具有可操作性的設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；最后，利用灰色層次分析法為每個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定權(quán)重及數(shù)量值，建立公理化的工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)方案

54、評(píng)價(jià)模型。</p><p>　　2.1公理化設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)流程分析</p><p>　　為了在眾多的備選方案中正確選出最優(yōu)方案，需要在足夠的評(píng)價(jià)信息的基礎(chǔ)上利用適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前，方案評(píng)價(jià)與系統(tǒng)評(píng)價(jià)趨向于同一概念，不以行為決定為目的的方案評(píng)價(jià)是沒有意義的。通常情況下，方案評(píng)價(jià)的目的是讓設(shè)計(jì)者和評(píng)價(jià)者都能更好的認(rèn)識(shí)設(shè)計(jì)方案，從而得出可以最大程度滿足用戶需求的設(shè)計(jì)方案，并對后續(xù)的決策工

55、作提供依據(jù)。</p><p>　　2.1.1方案評(píng)價(jià)指標(biāo)的設(shè)計(jì)原則</p><p>　　在制定評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，要盡量站在客觀的立場進(jìn)行分析，綜合考慮設(shè)計(jì)方案的使用者、開發(fā)者抑或第三方等的需求，這對于評(píng)價(jià)出的設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化有直接的影響和關(guān)系。</p><p>　　對設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)應(yīng)當(dāng)貫穿于產(chǎn)品全生命周期中的各個(gè)時(shí)段，在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)方案的早期階段，應(yīng)該進(jìn)行初期評(píng)價(jià)，以求

56、達(dá)到對概念設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化選擇的目的；產(chǎn)品開發(fā)過程中需要進(jìn)行期中評(píng)價(jià)，在此過程中，隨著產(chǎn)品的實(shí)際開發(fā)，往往會(huì)暴露出設(shè)計(jì)方案的一些問題，良好的評(píng)價(jià)可以及早發(fā)現(xiàn)問題并采取必要的對策，將可能出現(xiàn)的問題及早解決，有利于減小損失；產(chǎn)品試制成功之后需要進(jìn)行終期評(píng)價(jià)，主要通過產(chǎn)品試車來判斷產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)是否能符合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的要求，以確保產(chǎn)品合格；最后，在產(chǎn)品使用過程中還應(yīng)當(dāng)定期跟蹤評(píng)價(jià)，了解產(chǎn)品的實(shí)際使用效果，反饋用戶信息，以利于提高產(chǎn)品質(zhì)量，改進(jìn)產(chǎn)

57、品性能。</p><p>　　評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定涉及多方面的內(nèi)容，總體上是根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用情況和評(píng)價(jià)目標(biāo)綜合考慮的，主要要求有以下3個(gè)方面：</p><p>　　評(píng)價(jià)指標(biāo)要符合評(píng)價(jià)目的的要求；</p><p>　　各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間盡量做到相互獨(dú)立，并在整體上構(gòu)成完整的評(píng)價(jià)體系，綜合評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案的各個(gè)方面性能；</p><p>　?。?）盡量減小

58、評(píng)價(jià)指標(biāo)的總數(shù)，降低評(píng)價(jià)過程的負(fù)荷。</p><p>　　通常情況下，某設(shè)計(jì)方案是多目標(biāo)的，其在不同方面均要達(dá)到一定的目的，這種情況下，方案評(píng)價(jià)指標(biāo)也是多維的，而一般情況下不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的度量方法也是各不相同的。多目標(biāo)設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)問題一直是方案評(píng)價(jià)問題的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在多目標(biāo)情況下，需要確定方案不同目標(biāo)所對應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，而后通過權(quán)重設(shè)置確定每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對重要程度。</p><p>　　2.

59、1.2設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的知識(shí)體系</p><p>　　層次分析法是由美國學(xué)者A.L.薩迪于1973年提出的一種設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)方法，于上世紀(jì)80年代，由他的學(xué)生將此分析方法引入我國。該方法將定性分析與定量分析相結(jié)合，將評(píng)價(jià)者的思維過程數(shù)學(xué)化。層次分析法評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案的基本思路是設(shè)計(jì)人員將復(fù)雜的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分解，劃分為不同層次，在每一層次上對各要素之間進(jìn)行比較、評(píng)價(jià)，得到各個(gè)方案的重要度數(shù)值，從而為選擇最優(yōu)方案提供依據(jù)。&

60、lt;/p><p>　　灰色系統(tǒng)理論是研究灰色系統(tǒng)的建模、分析、評(píng)價(jià)和控制等活動(dòng)的系統(tǒng)理論。1982年我國學(xué)者、華中理工大學(xué)自動(dòng)控制與計(jì)算機(jī)系的鄧聚龍教授發(fā)表了“灰色系統(tǒng)的控制問題”及“灰色控制系統(tǒng)”兩篇論文，標(biāo)志著灰色系統(tǒng)理論的建立。灰色系統(tǒng)理論著重研究“外延明確，內(nèi)涵不確定”的不確定性問題。</p><p>　　2.1.3方案評(píng)價(jià)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)流程</p><p>　　

61、層次分析法的優(yōu)勢在于確定設(shè)計(jì)因素指標(biāo)權(quán)重，而灰色關(guān)聯(lián)度分析則擅長于建立評(píng)價(jià)矩陣模型。而對于評(píng)價(jià)指標(biāo)本身的確立，長期以來主要是基于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的制定和篩選，缺乏統(tǒng)一的理論方法對評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對于不同的設(shè)計(jì)人員，得出的結(jié)果可能會(huì)有所不同，對方案評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性造成了一定的影響。</p><p>　　公理設(shè)計(jì)理論是一種用戶需求驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)理論，它在用戶需求和最終設(shè)計(jì)參數(shù)之間建立起有效的推理關(guān)系，可以在工業(yè)產(chǎn)品、軟件、制造

62、系統(tǒng)以及理論設(shè)計(jì)等多種領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，有著極其廣泛的實(shí)際價(jià)值。</p><p>　　圖2.1 公理化框架下的灰色層次分析方案評(píng)價(jià)流程</p><p>　　本文將公理化方法引入工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)中，實(shí)現(xiàn)了一套客觀全面的設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)技術(shù)。基于公理設(shè)計(jì)理論，提出了一種公理化的方案評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)計(jì)方法。在此基礎(chǔ)上，利用層次分析法確定各因素指標(biāo)的權(quán)值，并利用灰色系統(tǒng)理論建立設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)矩陣。最后，

63、利用該方案評(píng)價(jià)方法對前面設(shè)計(jì)過程中得到的工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定最優(yōu)方案。</p><p>　　本文建立的公理化框架下的灰色層次分析方案評(píng)價(jià)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)流程如圖2.1所示。其中，頂部虛線框表示評(píng)價(jià)指標(biāo)的公理化設(shè)計(jì)過程，底部虛線框則表示在評(píng)價(jià)指標(biāo)確定之后的灰色層次分析過程。</p><p>　　2.2 設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)的公理化設(shè)計(jì)</p><p>　　2.2

64、.1評(píng)價(jià)指標(biāo)的公理化映射過程</p><p>　　本節(jié)采用公理設(shè)計(jì)的基本思路，對防腐蝕設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行公理化描述，通過從用戶域到過程域的參數(shù)映射過程，得到公理化條件下的方案評(píng)價(jià)指標(biāo)。</p><p>　　首先根據(jù)用戶的設(shè)計(jì)需求，對方案評(píng)價(jià)的判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行公理化描述，形成用戶域CA。將用戶域CA映射到功能域，從而確定功能需求FRs和相應(yīng)的約束Cs，得到功能需求后，就在功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上明確了

65、用戶域，主要是確定了怎樣的功能可以滿足用戶需求，此處指方案評(píng)價(jià)中具體的一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)。然后需對功能域中的一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行多層分解，直至獲得具有可操作性的參數(shù)層。確定功能域之后，需對其不同層次上的功能需求進(jìn)行從功能域FRs到物理域DPs的映射，找到與功能需求相對應(yīng)的具體實(shí)現(xiàn)方法，并通過參數(shù)化的形式表示。</p><p>　　在得到物理域的設(shè)計(jì)參數(shù)之后，需要進(jìn)行物理域到過程域的映射，實(shí)現(xiàn)從物理設(shè)計(jì)參數(shù)DPs到具體實(shí)施過

66、程PVs的映射，得到實(shí)現(xiàn)參數(shù)所需的具體方法，完成設(shè)計(jì)的實(shí)施過程。滿足功能需求的設(shè)計(jì)方案FRs一般都會(huì)成組出現(xiàn)，在此情況下需要根據(jù)公理設(shè)計(jì)理論中的信息公理進(jìn)行篩選，選擇信息量最小的方案。需要注意的是，此過程是一個(gè)多次迭代的過程，對不同層次的功能需求進(jìn)行物理域的映射，并不斷改進(jìn)物理域中的參數(shù)，以更好的實(shí)現(xiàn)功能需求。</p><p>　　圖2.2 公理設(shè)計(jì)理論中的域及其之間的映射關(guān)系</p><p&

67、gt;　?。?）用戶域的確定：利用公理設(shè)計(jì)理論，對設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析和公理化描述，對確保方案評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的客觀和全面起到有效的促進(jìn)作用。</p><p>　　本文根據(jù)相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和有關(guān)文獻(xiàn)，確定機(jī)械手概念設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)從技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)性能和環(huán)境性能3各方面考慮，運(yùn)用公理設(shè)計(jì)理論進(jìn)行不斷的分層細(xì)化，將評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不斷細(xì)分，直至得到最終的可以量化評(píng)價(jià)的技術(shù)指標(biāo)。以下為實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的指標(biāo)確定的詳細(xì)層次分

68、解過程。</p><p>　?、?第一層FRs到DPs的映射：將第一層防腐蝕設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)制定為：技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)性能和環(huán)境性能。然后將其映射到物理域得到相應(yīng)的參數(shù)。第一層評(píng)價(jià)指標(biāo)FRs到DPs的映射如表2.1所示，其相應(yīng)的設(shè)計(jì)矩陣為式(2-1)。</p><p>　　表2.1 第一層FRs到DPs的映射</p><p><b>　　(2-1)</b

69、></p><p>　　由設(shè)計(jì)矩陣(2-1)為對角矩陣可以看出，此處設(shè)計(jì)的一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)是解耦的，滿足獨(dú)立公理。</p><p>　?、?第二層FRs到DPs的映射：FR1分解及其到DPs的映射：對于評(píng)價(jià)指標(biāo)FR1“技術(shù)性能”這個(gè)功能需求，為了得到量化的可操作性指標(biāo)，需要繼續(xù)對其進(jìn)行分解。此處將FR1分解為原理性能FR11和工藝性能FR12兩個(gè)性能指標(biāo)，其中，原理性能指其在設(shè)計(jì)原理方面

70、的技術(shù)性能，而工藝性能是指在技術(shù)實(shí)現(xiàn)階段的評(píng)價(jià)指標(biāo)。然后將FR11和FR12分別映射到物理域，用具體參數(shù)來表征設(shè)計(jì)方案的原理性能和工藝性能。第二層評(píng)價(jià)指標(biāo)FR1到DPs的映射如表2.2所示，其相應(yīng)的設(shè)計(jì)矩陣為式(2-2)。</p><p>　　表2.2 第二層FR1到DPs的映射</p><p>　　(2-2)

71、 </p><p>　　由設(shè)計(jì)矩陣(2-2)為對角矩陣可以看出，此處設(shè)計(jì)的二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)是解耦的，滿足獨(dú)立公理。</p><p>　　FR2分解及其到DPs的映射。對于評(píng)價(jià)指標(biāo)FR2“經(jīng)濟(jì)性能”這個(gè)功能需求，為了得到量化的可操作性指標(biāo)，需要繼續(xù)對物理域中的性能參數(shù)進(jìn)行分解。此處將經(jīng)濟(jì)性能FR2映射到物理域上分為執(zhí)行機(jī)構(gòu)工藝占工程總投資比重DP21和輔助維護(hù)占總成本比例DP22等兩個(gè)性能指標(biāo)

72、參數(shù)，其中，分別從工程總體投資比例及后續(xù)維護(hù)等成本方面考慮了設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性能。通過以上兩個(gè)指標(biāo)參數(shù)，達(dá)到了對設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)性能的全面評(píng)價(jià)。第二層評(píng)價(jià)指標(biāo)FR2到DPs的映射如表2.3所示，其相應(yīng)的設(shè)計(jì)矩陣為式(2-3)。</p><p>　　表2.3 第二層FR2到DPs的映射</p><p>　　(2-3) &l

73、t;/p><p>　　由設(shè)計(jì)矩陣(2-3)為對角矩陣可以看出，此處設(shè)計(jì)的二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)是解耦的，滿足獨(dú)立公理。</p><p>　　FR3分解及其到DPs的映射</p><p>　　對于評(píng)價(jià)指標(biāo)FR3“環(huán)境性能”這個(gè)功能需求，為了得到量化的可操作性指標(biāo)，需要繼續(xù)對物理域中的性能參數(shù)進(jìn)行分解。此處將環(huán)境性能FR3映射到物理域上分為對環(huán)境的影響性DP31、環(huán)境適應(yīng)能力DP32

74、這兩個(gè)性能指標(biāo)參數(shù)，其中，分別從工程對環(huán)境的影響以及適應(yīng)環(huán)境的能力兩方面考慮了設(shè)計(jì)方案的環(huán)境性能。通過以上兩個(gè)指標(biāo)參數(shù)，達(dá)到了對設(shè)計(jì)方案環(huán)境性能的全面評(píng)價(jià)。第二層評(píng)價(jià)指標(biāo)FR3到DPs的映射如表2.4所示，其相應(yīng)的設(shè)計(jì)矩陣為式(2-4)。</p><p>　　表2.4 第二層FR3到DPs的映射</p><p>　　(2-4)

75、 </p><p>　　由設(shè)計(jì)矩陣(2-4)為對角矩陣可以看出，此處設(shè)計(jì)的二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)是解耦的，滿足獨(dú)立公理。</p><p>　?、?第三層FRs到DPs的映射。FR11分解及其到DPs的映射：將第二層的評(píng)價(jià)指標(biāo)FR11“原理性能”進(jìn)一步分解，得到量化的可操作性指標(biāo)。第三層評(píng)價(jià)指標(biāo)FR11到DPs的映射如表2.5所示，其相應(yīng)的設(shè)計(jì)矩陣為式(2-5)。</p&g

76、t;<p>　　表2.5 第三層FR11到DPs的映射</p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>　　由設(shè)計(jì)矩陣(2-5)為對角矩陣可以看出，此處設(shè)計(jì)的三級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)是解耦的，滿足獨(dú)立公理。</p><p>　　FR12分解及其到DPs的映射：對于第二層的評(píng)價(jià)指標(biāo)FR12“工藝性能”這個(gè)功能需求，為了進(jìn)一步得到

77、量化的可操作性指標(biāo)，需要對其繼續(xù)進(jìn)行分解。此處將FR12分解為手部維護(hù)難易度FR121，腕部維護(hù)難易度FR122和臂部維護(hù)難易度FR123三個(gè)性能指標(biāo)。其中，分別對手部，腕部和臂部維護(hù)工作的難易度兩個(gè)方面對設(shè)計(jì)方案的工藝性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，然后將其分別映射到物理域。第三層評(píng)價(jià)指標(biāo)FR12到DPs的映射如表2.6所示，其相應(yīng)的設(shè)計(jì)矩陣為式(2-6)。</p><p>　　表 2.6 第三層FR12到DPs的映射<

78、;/p><p><b>　　(2-6)</b></p><p>　　由設(shè)計(jì)矩陣(2-6)為對角矩陣可以看出，此處設(shè)計(jì)的三級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)是解耦的，滿足獨(dú)立公理。</p><p>　　2.2.2 公理設(shè)計(jì)框架下的設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)</p><p>　　概念設(shè)計(jì)中，公理設(shè)計(jì)中常用的兩種表達(dá)方式為設(shè)計(jì)矩陣以及分層組織結(jié)構(gòu)圖。</p&

79、gt;<p>　　圖 2.3 設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)的公理設(shè)計(jì)矩陣</p><p><b>　　續(xù)圖 2.3</b></p><p>　　通過整合上一節(jié)中在三個(gè)層次上的映射及每一層分解得到的設(shè)計(jì)矩陣，針對各個(gè)性能指標(biāo)從功能域到物理域之間的不同映射關(guān)系，可以得到從最初的用戶需求到最終評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)之間的設(shè)計(jì)矩陣，反映了工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)的整體設(shè)計(jì)過程。

80、如圖2.3為設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)的公理設(shè)計(jì)矩陣。</p><p>　　以上評(píng)價(jià)指標(biāo)的設(shè)計(jì)過程具有連續(xù)性，從用戶需求出發(fā)直至找到物理域中可以具體實(shí)施的性能參數(shù)。在公理設(shè)計(jì)理論體系中，這個(gè)推理過程是通過分層組織結(jié)構(gòu)圖的形式來表達(dá)的。</p><p>　　在如圖2.4和圖2.5所示的設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)分層組織結(jié)構(gòu)圖中，清晰地表達(dá)了從最高層次的用戶需求，到較高層次的功能需求，最后到底層的性能參數(shù)的推理過

81、程。圖中，每一個(gè)底層的性能參數(shù)定義為“葉”，最底層的評(píng)價(jià)指標(biāo)定義為“葉層”。在本節(jié)的設(shè)計(jì)分層組織結(jié)構(gòu)圖中定義了13個(gè)“葉”，用戶需求即對設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)要求最終由“葉層”的各個(gè)“葉”的取值來滿足。其中，加黑的框表示最底層“葉”層的性能參數(shù)。</p><p>　　圖2.4 設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)功能需求FRs的層次結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖2.5 設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)DPs的層次結(jié)構(gòu)圖<

82、;/p><p>　　3 設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)模型的建立</p><p>　　3.1設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化</p><p>　　從上一節(jié)中確定的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)可以看出，工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)有的是定性的，但也有的是定量的。在方案評(píng)價(jià)中，需要將各方案評(píng)價(jià)的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為數(shù)值形式，才能在相應(yīng)的公式中進(jìn)行計(jì)算。</p><p>　　本文在公理化方法下設(shè)計(jì)得到的

83、方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖3.1所示。最終用于評(píng)價(jià)的底層指標(biāo)有13個(gè)：手部結(jié)構(gòu)合理性C1、手部結(jié)構(gòu)復(fù)雜性C2、腕部結(jié)構(gòu)合理性C3、腕部結(jié)構(gòu)復(fù)雜性C4、臂部結(jié)構(gòu)合理性C5、臂部結(jié)構(gòu)復(fù)雜性C6、手部維護(hù)工藝性C7、腕部維護(hù)工藝性C8、臂部維護(hù)工藝性C9、執(zhí)行機(jī)構(gòu)占工程總投資比重C10，輔助維護(hù)占總成本比例C11，對環(huán)境的影響性C12，適應(yīng)環(huán)境的能力C13。

84、 </p><p>　　圖3.1 設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)層次體系</p><p>　　在對以上指標(biāo)體系中的13個(gè)指標(biāo)進(jìn)行取值時(shí)，需要按照其所屬定性或定量的類別進(jìn)行不同處理。</p><p>　　表3.1技術(shù)性能（執(zhí)行機(jī)構(gòu)各部分）的指標(biāo)值</p><p><b>　　續(xù)表3.1 </b></p>&

85、lt;p>　　3.1.1 數(shù)據(jù)的無量綱化處理</p><p>　　對于評(píng)價(jià)指標(biāo)中定量的部分，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的無量綱化處理，以使其符合灰色層次分析方案評(píng)價(jià)體系的要求。無量綱化的方法參見式（3-1)。除了以上方法，數(shù)據(jù)的無量綱化還可以在一定范圍內(nèi)由專家評(píng)議確定。</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　式中：和分別表

86、示第種技術(shù)方案的第個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)和無量綱化處理后的數(shù)值。</p><p>　　3.1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值化</p><p>　　對于評(píng)價(jià)指標(biāo)中定性的部分，首先需要將其定性的分為幾個(gè)等級(jí)，這個(gè)過程可以通過專家評(píng)議的方式確定，將定性指標(biāo)劃分為“優(yōu)、良、中、差、劣”五個(gè)等級(jí)，然后對應(yīng)于每個(gè)等級(jí)制定相應(yīng)的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值化。</p><p>　　具體操作

87、中，將“優(yōu)”指標(biāo)對應(yīng)評(píng)定值設(shè)為0.9，“良”指標(biāo)對應(yīng)評(píng)定值設(shè)為0.7，“中”指標(biāo)對應(yīng)評(píng)定值設(shè)為0.5，“差”指標(biāo)對應(yīng)評(píng)定值設(shè)為0.3，“劣”指標(biāo)對應(yīng)評(píng)定值設(shè)為0.1。另外，當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)介于兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之間時(shí)，可取評(píng)定值之間的值，通?？扇烧咧g的平均值。評(píng)價(jià)指標(biāo)與數(shù)值的對應(yīng)關(guān)系如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 定性評(píng)價(jià)指標(biāo)與數(shù)值的對應(yīng)關(guān)系</p><p>　　按照上述方法，分別對定

88、性、定量的指標(biāo)進(jìn)行處理，得到針對設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)因素取值情況。如表3.2所示為工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)取值情況示例。</p><p>　　表3.2 工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)取值</p><p>　　3.2 設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值的確定</p><p>　　3.2.1判斷矩陣的構(gòu)造</p><p>　　各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對被評(píng)價(jià)的方案對象的

89、影響程度不同，為了使評(píng)價(jià)所反映的情況盡量符合實(shí)際，需要確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，這里采用層次分析法(AHP)進(jìn)行確定。</p><p>　　層次分析法的特點(diǎn)是將設(shè)計(jì)者的思維過程數(shù)學(xué)化、模型化，簡化了方案評(píng)價(jià)的復(fù)雜性，使整個(gè)設(shè)計(jì)過程相對簡潔，對設(shè)計(jì)人員進(jìn)行方案評(píng)價(jià)的主觀性有一定的改善。然而，由于其設(shè)計(jì)結(jié)果為方案排序的方式，決定了其評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的重要性，這就要求設(shè)計(jì)者對設(shè)計(jì)問題相關(guān)領(lǐng)域的本質(zhì)、要素及相互之間的邏輯關(guān)系

90、有深入的了解，這樣才能合理分配權(quán)重系數(shù)。另一方面，雖然層次分析法在定性和定量指標(biāo)的分析上都有應(yīng)用，但是相對于定性分析，其定量分析能力不強(qiáng)，不能滿足大多數(shù)多目標(biāo)設(shè)計(jì)方案的定量分析要求。本文采用灰色層次分析法對定性與定量的指標(biāo)進(jìn)行分析。層次分析法將n個(gè)評(píng)價(jià)因素排列成n階判斷矩陣，專家根據(jù)每兩個(gè)因素間的相互對比，確定矩陣中各因素的對比值。判斷矩陣由每兩個(gè)因素的相互比較值構(gòu)成：</p><p>　??；

91、 (3-2)</p><p>　　式中：i,j=1,2,…,n 。對于值的確定，Saaty等建議引用數(shù)字1~9及其倒數(shù)進(jìn)行表示。表3.3列出了1~9的數(shù)字所表示的含義：</p><p>　　表3.3 AHP中1~9的數(shù)字標(biāo)度的含義</p><p>　　判斷矩陣最大特征值和特征向量的確定</p><p

92、>　　本文采用方根法近似計(jì)算判斷矩陣的最大特征值及特征向量。首先求出判斷矩陣每一行元素的積:</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p><b>　　計(jì)算的n-1次方：</b></p><p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　對向量

93、進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　此處得到了所求特征值所對應(yīng)的特征向量。</p><p>　　由此即可求得判斷矩陣的最大特征值。</p><p><b>　　(3-6)</b></p><p>　　3.2.2對判斷矩陣的一致

94、性檢驗(yàn)</p><p>　　定理 n階正互反矩陣為一致矩陣當(dāng)且僅當(dāng)其最大特征根，且當(dāng)正互反矩陣非一致時(shí)，必有。</p><p>　　根據(jù)上述定理，我們可以將判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)歸結(jié)為判斷其最大特征值是否等于。特征根對的依賴性決定了與的關(guān)系能夠準(zhǔn)確反映判斷矩陣的一致性程度。</p><p>　　為此規(guī)定一致性指標(biāo)：</p><p><b&

95、gt;　　(3-7)</b></p><p>　　由一致性指標(biāo)的值計(jì)算一致性比例：</p><p>　　(3-8) </p><p>　　式中：為層次分析判斷矩陣所對應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。Saaty對的情況給出了的值，如表3.4所示。</p><p>　　表3.4 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)取值</p><p

96、>　　當(dāng)計(jì)算結(jié)果時(shí)，認(rèn)為該判斷矩陣的一致性符合要求，在可接受范圍內(nèi)。否則需要對判斷矩陣進(jìn)行適當(dāng)修正，直到符合條件為止。判斷矩陣的最大特征值對應(yīng)的歸一化的特征向量即為所求的指標(biāo)權(quán)重系數(shù)向量。</p><p>　　3.2.3 灰色關(guān)聯(lián)分析綜合評(píng)價(jià)</p><p>　　灰色系統(tǒng)是介于黑色系統(tǒng)與白色系統(tǒng)之間的部分信息已知，而部分信息未知的系統(tǒng)，是一種解決信息不完全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題而出現(xiàn)的一種不

97、確定理論。其中，黑色系統(tǒng)指信息完全匱乏的理論，而白色系統(tǒng)指系統(tǒng)的所有信息及其組成結(jié)構(gòu)均為已知的系統(tǒng)?；疑P(guān)聯(lián)分析是灰色系統(tǒng)理論中的重要組成部分，是灰色系統(tǒng)建模、分析和評(píng)價(jià)等活動(dòng)的基礎(chǔ)。其對樣本數(shù)量和規(guī)律性都沒有要求，計(jì)算量小，特別適用于一些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相對不足，而現(xiàn)有數(shù)據(jù)灰度較大的設(shè)計(jì)領(lǐng)域?；疑P(guān)聯(lián)分析非常適用于方案的選擇，這種方法的關(guān)鍵步驟主要有：①對非量化的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等指標(biāo)進(jìn)行量化處理；②確定參考序列。它對于設(shè)計(jì)方案優(yōu)選的標(biāo)準(zhǔn)就是各個(gè)方

98、案的灰色關(guān)聯(lián)度的取值，取值越大，則與理想方案越接近，也就是越優(yōu)秀的方案。</p><p>　　在灰色關(guān)聯(lián)分析理論中，將設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)向量與相對最優(yōu)方案的指標(biāo)向量的關(guān)聯(lián)度作為評(píng)價(jià)方案好壞的準(zhǔn)則。此處我們選用作為相對最優(yōu)方案，實(shí)現(xiàn)方案指標(biāo)的最大化。其他的設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)向量均與此向量的關(guān)聯(lián)度即作為評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)則。</p><p>　　將進(jìn)行歸一化處理后的評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣中的各元素進(jìn)行灰色化處

99、理，得到其灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)。將第k個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算：</p><p>　　(3-9) </p><p>　　式中：，為分辨系數(shù)，是0~1之間的數(shù)，一般取值為0.5。由各關(guān)聯(lián)系數(shù)組成評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣：</p><p><b>　　(3-10)</b></p><p>　　

100、根據(jù)灰色理論，在求得評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣和權(quán)重系數(shù)向量之后，即可得到灰色綜合評(píng)價(jià)結(jié)果：</p><p><b>　　(3-11)</b></p><p>　　式中：關(guān)聯(lián)度向量代表評(píng)價(jià)結(jié)果，向量中的元素，。最后得出評(píng)價(jià)結(jié)果，即在向量中，值最大項(xiàng)所對應(yīng)的方案為最佳方案。</p><p>　　4 機(jī)械手設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的軟件原型系統(tǒng)開發(fā)及案例驗(yàn)證</p&g

101、t;<p>　　本章在前述章節(jié)的基礎(chǔ)上從系統(tǒng)軟件開發(fā)和實(shí)施的角度論述設(shè)計(jì)方法的具體實(shí)現(xiàn)。最后，通過在系統(tǒng)上運(yùn)行有關(guān)實(shí)例，對相關(guān)理論和方法的正確性和可行性進(jìn)行驗(yàn)證。</p><p>　　4.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境</p><p>　　基于Visual Basic語言良好的界面實(shí)現(xiàn)性能，本系統(tǒng)使用Visual Basic語言作為開發(fā)工具。數(shù)據(jù)庫采用Microsoft Office Ac

102、cess 2003系統(tǒng)作為工具。軟件開發(fā)平臺(tái)使用Microsoft Visual Studio 6.0，建立了工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)與知識(shí)管理原型系統(tǒng)。系統(tǒng)開發(fā)過程中的軟件環(huán)境如表4.1所示。</p><p>　　表4.1 系統(tǒng)開發(fā)軟件環(huán)境</p><p><b>　　4.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.2.1系統(tǒng)需求分析</

103、p><p>　　工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)與知識(shí)管理原型系統(tǒng)是用于輔助技術(shù)人員進(jìn)行機(jī)械手和評(píng)估的軟件工具，其開發(fā)目的在于提高相關(guān)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性，降低技術(shù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高設(shè)計(jì)效率和可靠度。在此基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)以下功能：</p><p>　　工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)，包括手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；</p><p>　　設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)，對工業(yè)機(jī)械手各部分的概念設(shè)計(jì)生成

104、方案，并對各方案進(jìn)行總體評(píng)價(jià)；</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)資源的管理，包括機(jī)械手各部分三維模型、用戶域、功能域及物理域的管理；</p><p>　?。?）知識(shí)維護(hù)、管理及備份，包括數(shù)據(jù)的添加、刪除、編輯等。</p><p>　　4.2.2 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)</p><p>　　本系統(tǒng)有兩個(gè)模塊構(gòu)成：工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)模塊、設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)模塊。其中工

105、業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)模塊包括工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)、概念設(shè)計(jì)方案生成。設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)模塊包括用戶域映射到功能域、評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定、物理域的生成、生成評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣、生成評(píng)價(jià)指標(biāo)、設(shè)置評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重、方案得分。流程如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1 方案評(píng)價(jià)流程圖</p><p>　　4.3 系統(tǒng)各功能模塊的實(shí)現(xiàn)及案例驗(yàn)證</p><p>　　4.3.1 系統(tǒng)管理</p

106、><p>　　系統(tǒng)的用戶登錄界面如圖4.2所示。登錄用戶名及密碼分別為admin和admin。 </p><p>　　圖4.2 用戶登錄界面</p><p>　　4.3.2 工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)模塊</p><p>　　如圖4.3為工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)模塊的設(shè)計(jì)過程界面。首先根據(jù)用戶要求對工業(yè)機(jī)械手的手部、腕部及臂部進(jìn)行概念選擇，選完之后，生成方案

107、。</p><p>　　圖4.3 工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)及方案生成過程</p><p>　　4.3.3 設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)模塊</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)的公理化設(shè)計(jì)</p><p>　　如圖4.4為工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)的公理化設(shè)計(jì)過程界面，首先根據(jù)工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)要求確定用戶域參數(shù)，之后逐層分解并向功能域、物理域

108、及過程域進(jìn)行映射，得到每一層次的功能域及其所對應(yīng)的物理域參數(shù)，組成公理設(shè)計(jì)矩陣。最后由此得出滿足工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)需求的方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。</p><p>　　圖4.4 方案評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)計(jì)過程</p><p><b>　?。?）設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)</b></p><p>　　如圖4.5為工業(yè)機(jī)械手概念設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)的過程界面，首先由設(shè)計(jì)專家根據(jù)本學(xué)科領(lǐng)域