基于生物流的機電產品概念設計自動化

汪霜葉

【摘 要】機電一體化技術的迅速發展已使機電一體化產品的個性化、柔性化、智能化成為機械產品的重要發展方向。面對世界市場日益激烈的競爭，單純靠模仿國外產品將使企業失去市場競爭力。只有通過產品創新，才能從根本上解決企業的生存和發展問題。產品設計的概念設計階段更加注重設計的整體性、創造性，在概念設計階段進行的設計方案的創新具有較高的創新層次。概念設計自動化技術是實現機電產品快速創新設計的基礎。原理方案創新與結構創新設計的快速實現與有機銜接技術是概念設計自動化的關鍵。為此，本文對基于生物流的機電產品概念設計自動化進行了簡要研究。

【關鍵詞】生物流；機電產品；自動化

1生物生長機制與產品概念設計

隨著各國對生物工程的普遍重視，生物學發展迅猛，科學家們在生物學領域的研究成果顯著、熱情高漲，并取得了一定的成果。從歷史長河上看，自然界中的生物，經過千百萬年的進化歷程，自然選擇、優勝劣汰，由簡單到復雜，逐步進化。是一個不斷適應環境、滿足環境需求的優化過程。從單個生命的歷程來看，自身細胞的分裂，與環境、同種族、不同種族的竟爭也是一個適應的過程，優化自身的過程。我們發現，產品的設計中包括概念設計、方案選優、詳細設計的設計過程類似于自然界中的生物生長機理。以生物生長的形式完成產品概念結構的設計，這就是生物機理在產品設計中的應用。

隨著生命科學研究的深入，人們對生命本質的認識越來越深刻。細胞是生命體的形態結構和生理功能的基本單位。細胞的種類很多，形態各異，功能不同，但都能顯示出生命活動的特征：從外界吸取養料，進行新陳代謝。細胞是由多種化合物構成的復合系統，包括水、無機鹽、糖、脂肪、蛋白質和核酸等物質。其中水占80-90%，蛋白質占7-10%。蛋白質和核酸，是細胞核心部分。細胞由細胞膜、細胞質和細胞核組成。細胞質中有多種細胞器，如線粒體、核糖體等。其中線粒體為細胞活動提供能量，是“動力工廠”。細胞核主要由核膜、核仁、染色質組成，位于細胞中央。細胞是一個整體，在正常情況下，它各部分協調一致，互相作用，又是一個功能單位。生命體內新細胞的產生，是通過原細胞分裂來實現的。

總結產品概念設計與生物生長的特點，相似性主要體現在以下三個方面：一是過程相似性；二是結構相似性；三是階段重要性相似性。所謂過程相似性，即產品概念設計的設計過程與生物體生長過程的相似性。所謂結構相似性，即產品概念結構構成與生物體構成上的相似性。從階段重要性上看，在生物體生長的整個過程中最具創新性、跨越性的階段就是生命最初誕生的時期。在這個早期階段如果能打下堅實的營養基礎，勢必對以后的生命發展具有強大的推動作用。對應于產品設計全過程，最具有創新性的時期就是產品設計的早期階段—概念設計階段，如果在這一階段能夠做出正確的決策，對最終設計可起到事半功倍的效用。

2概念零件的功能編碼

功能模式的提出，為概念零件的表達提供了基礎。某一功能模式與相關的功能表面組合在一起形成一個實現某種功能的概念零件。上述介紹的幾種功能模式在表達形式上主要由定位信息、使定信息、能量作用信息及控制信息傳遞轉換信息組成。

為了便于計算機輔助的概念設計中計算機能夠快速的識別功能模式，實現功能——結構的映射，在功能表面、廣義定位原理、能量鏈原理基礎上，建立了概念零件的編碼體系。在上述編碼體系中沒有考慮控制信息的作用問題，因此，這里我們在功能表面及其編碼規則、廣義定位原理，能量鏈原理及生物流理論的基礎上，進一步完善了概念零件的編碼體系。該編碼體系包括定位信息及使定信息編碼、能量作用信息編碼、控制信息編碼和容器模式編碼。在此基礎上，形成了完善的概念零件編碼規則。

2.1功能碼

無論是功能表面的分類還是功能模式的分類，都是以表面或模式的功能的不同為依據進行分類的。因此，在編碼體系中為了對各種功能表面及功能模式的功能加以區分，我們提出了功能碼的概念。

2.2定位倍息、使定信息及能量作用倍息的功能編碼

對于有關能量作用的信息，我們將機械能與非機械能加以區分。傳遞機械能的功能表面為定位面和使定面，傳遞非機械能的功能表面為能t輸入面和能量輸出面。

3基于生物流的機電產品概念設計自動化技術

3.1功能模式

在產品的概念設計階段，產品的原理信息、結構信息比較模糊，在產品中完成某一特定功能，可以有多種方案選擇，可以采用多種不同的零部件或結構加以實現，這種現象體現了功能——結構的——對多的映射關系。這種功構——對多的關系為機電產品的創新設計提供了契機。

3.1.1功能模式的定義

功能模式的定義是以能量的傳輸與轉換為基礎提出的，但在生物流概念基礎之下研究機電產品的概念設計，我們不僅要考慮能量的傳輸與轉換，同時還要考慮到信息的傳輸與轉換，因此，我們在這里對功能模式這一概念提出了新的定義。功能模式就是在以物質流為載體的能量及信息的傳輸與轉換的角度出發，從多種能實現同種功能的不同零部件中抽象出，由一組功能表面（定位面、使定面、能量輸入、輸出面、信息輸入、輸出面）組成的，一個集功能、結構于一身的幾何模型。由功能模式的定義可以看出，功能模式是功能表面集，其在功能描述及結構表達上都比功能表面更具體。這就解決了功一構映射的不確定性、多解性等問題，可以快速實現機電產品概念方案表達，將產品由功能域自動映射到結構（實體）域，模式與零件的關系是一對多的關系。

3.1.2功能模式的分類

通過對多種機電產品分析、抽象、歸納，根據產品中各零部件在機電產品中功能的不同，抽象出以下幾類功能模式機械執行模式、能量執行模式、機械傳動模式、能量傳輸模式、信息檢測模式、信息傳輸模式、信息處理模式、容器模式、結構模式及能源模式。

信息檢測模式通過信息傳輸模式對機械傳動模式或能量傳動模式、機械執行模式或能量執行模式及作用對象進行檢測，并將檢測信號通過信息傳輸模式送給信息處理模式，信息處理模式通過信息傳輸模式控制能源模式的運行狀態，在信息處理模式的控制下能源模式通過機械傳動模式或能量傳輸模式將機械運動（力）或其他能量形式傳遞給機械執行模式或能量執行模式，最后通過機械執行模式或能量執行模式實現對作用對象的所需能量作用。

3.2基于生物流的機電一體化產品概念設計自動化流程

基于生物流理論及信息轉換原理，以人為原型的的機電產品概念設計自動化過程，支持機電產品創新方案的快速表達，其從需求分析開始，通過功能分析，建立由功能表面表達的功能原型，通過功能表面的分解與科學效應指導下的功能推理，逐步生成機械執行機構、機械傳動機構、能量執行機構、能量傳動機構、信息檢測機構、信息處理機構、信息傳輸機構、結構件、源動件及能源件等。

結束語

綜上所述，在機電一體化系統的創新設計過程中，概念設計階段設計方案的創新是原創性程度較高的創新。概念設計是產品設計過程中最重要、最復雜，同時又是最活躍、最具創造性的設計階段，產品的創新及其所具有的競爭能力，基本上也是在這個設計階段被確定下來。

參考文獻：

[1]石章玉，王堅，趙榮泳.基于工作流的安全隱患管理系統設計與實現[J].機電產品開發與創新，2012，25（06）：73-75.

[2]石磊，陳亞娜.智能穩流納入電解鋁整流變電站綜合自動化的應用[J].機電產品開發與創新，2008（02）：133-135.

[3]歐松.CIMS環境下的產品設計自動化系統的研究[D].華南理工大學，1998.