基于生物流的机电产品概念设计自动化
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【摘 要】机电一体化技术的迅速发展已使机电一体化产品的个性化、柔性化、智能化成为机械产品的重要发展方向。面对世界市场日益激烈的竞争，单纯靠模仿国外产品将使企业失去市场竞争力。只有通过产品创新，才能从根本上解决企业的生存和发展问题。产品设计的概念设计阶段更加注重设计的整体性、创造性，在概念设计阶段进行的设计方案的创新具有较高的创新层次。概念设计自动化技术是实现机电产品快速创新设计的基础。原理方案创新与结构创新设计的快速实现与有机衔接技术是概念设计自动化的关键。为此，本文对基于生物流的机电产品概念设计自动化进行了简要研究。
【关键词】生物流；机电产品；自动化
1生物生长机制与产品概念设计
随着各国对生物工程的普遍重视，生物学发展迅猛，科学家们在生物学领域的研究成果顯著、热情高涨，并取得了一定的成果。从历史长河上看，自然界中的生物，经过千百万年的进化历程，自然选择、优胜劣汰，由简单到复杂，逐步进化。是一个不断适应环境、满足环境需求的优化过程。从单个生命的历程来看，自身细胞的分裂，与环境、同种族、不同种族的竟争也是一个适应的过程，优化自身的过程。我们发现，产品的设计中包括概念设计、方案选优、详细设计的设计过程类似于自然界中的生物生长机理。以生物生长的形式完成产品概念结构的设计，这就是生物机理在产品设计中的应用。
随着生命科学研究的深入，人们对生命本质的认识越来越深刻。细胞是生命体的形态结构和生理功能的基本单位。细胞的种类很多，形态各异，功能不同，但都能显示出生命活动的特征：从外界吸取养料，进行新陈代谢。细胞是由多种化合物构成的复合系统，包括水、无机盐、糖、脂肪、蛋白质和核酸等物质。其中水占80-90%，蛋白质占7-10%。蛋白质和核酸，是细胞核心部分。细胞由细胞膜、细胞质和细胞核组成。细胞质中有多种细胞器，如线粒体、核糖体等。其中线粒体为细胞活动提供能量，是“动力工厂”。细胞核主要由核膜、核仁、染色质组成，位于细胞中央。细胞是一个整体，在正常情况下，它各部分协调一致，互相作用，又是一个功能单位。生命体内新细胞的产生，是通过原细胞分裂来实现的。
总结产品概念设计与生物生长的特点，相似性主要体现在以下三个方面：一是过程相似性；二是结构相似性；三是阶段重要性相似性。所谓过程相似性，即产品概念设计的设计过程与生物体生长过程的相似性。所谓结构相似性，即产品概念结构构成与生物体构成上的相似性。从阶段重要性上看，在生物体生长的整个过程中最具创新性、跨越性的阶段就是生命最初诞生的时期。在这个早期阶段如果能打下坚实的营养基础，势必对以后的生命发展具有强大的推动作用。对应于产品设计全过程，最具有创新性的时期就是产品设计的早期阶段—概念设计阶段，如果在这一阶段能够做出正确的决策，对最终设计可起到事半功倍的效用。
2概念零件的功能编码
功能模式的提出，为概念零件的表达提供了基础。某一功能模式与相关的功能表面组合在一起形成一个实现某种功能的概念零件。上述介绍的几种功能模式在表达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传递转换信息组成。
为了便于计算机辅助的概念设计中计算机能够快速的识别功能模式，实现功能——结构的映射，在功能表面、广义定位原理、能量链原理基础上，建立了概念零件的编码体系。在上述编码体系中没有考虑控制信息的作用问题，因此，这里我们在功能表面及其编码规则、广义定位原理，能量链原理及生物流理论的基础上，进一步完善了概念零件的编码体系。该编码体系包括定位信息及使定信息编码、能量作用信息编码、控制信息编码和容器模式编码。在此基础上，形成了完善的概念零件编码规则。
2.1功能码
无论是功能表面的分类还是功能模式的分类，都是以表面或模式的功能的不同为依据进行分类的。因此，在编码体系中为了对各种功能表面及功能模式的功能加以区分，我们提出了功能码的概念。
2.2定位倍息、使定信息及能量作用倍息的功能编码
对于有关能量作用的信息，我们将机械能与非机械能加以区分。传递机械能的功能表面为定位面和使定面，传递非机械能的功能表面为能t输入面和能量输出面。
3基于生物流的机电产品概念设计自动化技术
3.1功能模式
在产品的概念设计阶段，产品的原理信息、结构信息比较模糊，在产品中完成某一特定功能，可以有多种方案选择，可以采用多种不同的零部件或结构加以实现，这种现象体现了功能——结构的——对多的映射关系。这种功构——对多的关系为机电产品的创新设计提供了契机。
3.1.1功能模式的定义
功能模式的定义是以能量的传输与转换为基础提出的，但在生物流概念基础之下研究机电产品的概念设计，我们不仅要考虑能量的传输与转换，同时还要考虑到信息的传输与转换，因此，我们在这里对功能模式这一概念提出了新的定义。功能模式就是在以物质流为载体的能量及信息的传输与转换的角度出发，从多种能实现同种功能的不同零部件中抽象出，由一组功能表面（定位面、使定面、能量输入、输出面、信息输入、输出面）组成的，一个集功能、结构于一身的几何模型。由功能模式的定义可以看出，功能模式是功能表面集，其在功能描述及结构表达上都比功能表面更具体。这就解决了功一构映射的不确定性、多解性等问题，可以快速实现机电产品概念方案表达，将产品由功能域自动映射到结构（实体）域，模式与零件的关系是一对多的关系。
3.1.2功能模式的分类
通过对多种机电产品分析、抽象、归纳，根据产品中各零部件在机电产品中功能的不同，抽象出以下几类功能模式机械执行模式、能量执行模式、机械传动模式、能量传输模式、信息检测模式、信息传输模式、信息处理模式、容器模式、结构模式及能源模式。
信息检测模式通过信息传输模式对机械传动模式或能量传动模式、机械执行模式或能量执行模式及作用对象进行检测，并将检测信号通过信息传输模式送给信息处理模式，信息处理模式通过信息传输模式控制能源模式的运行状态，在信息处理模式的控制下能源模式通过机械传动模式或能量传输模式将机械运动（力）或其他能量形式传递给机械执行模式或能量执行模式，最后通过机械执行模式或能量执行模式实现对作用对象的所需能量作用。
3.2基于生物流的机电一体化产品概念设计自动化流程
基于生物流理论及信息转换原理，以人为原型的的机电产品概念设计自动化过程，支持机电产品创新方案的快速表达，其从需求分析开始，通过功能分析，建立由功能表面表达的功能原型，通过功能表面的分解与科学效应指导下的功能推理，逐步生成机械执行机构、机械传动机构、能量执行机构、能量传动机构、信息检测机构、信息处理机构、信息传输机构、结构件、源动件及能源件等。
结束语
综上所述，在机电一体化系统的创新设计过程中，概念设计阶段设计方案的创新是原创性程度较高的创新。概念设计是产品设计过程中最重要、最复杂，同时又是最活跃、最具创造性的设计阶段，产品的创新及其所具有的竞争能力，基本上也是在这个设计阶段被确定下来。
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