机电一体化系统方案生成模型与策略

【摘要】方案生成对提高产品性能、降低产品成本有着决定性的作用，同时，方案生成也是产品设计进程中最具有创新性的一个阶段。而这也是机电一体化系统与构成它的子系统差异最大的设计阶段。本文的重点在于变换功能、目的功能(效应)与作用原理间的对应或映射求解过程。功能本身的层次性和多元性影响因素能够提供巨大的概念解的变异和拓展空间，挖掘这一空间就能为系统产品提供更多的创新机会。基于此，本文阐述了针对机电一体化系统创新方案生成的功能空间拓展及推理规律。
【关键词】机电一体化；系统；方案生成；模型

一、变换功能特征模型

系统的变换功能表达了为满足用户基本需求必须实现的过程对象从输入到输出的变换。物料、信号、能量、时间都可以做为过程对象，具有过程对象的成分、状态、种类及其它广义物理特征是其所具有的主要特征，在一般情况下，我们运用广义物理量来理解它。通过对当前功能表达模型怛7J的分析与研究，最后得出变换功能特征模型。过程对象性态特征和过程对象性态变换特征是变换功能的两大特征。
1．过程对象性态特征
过程对象输出性态特征和过程对象输入性态特征是过程对象性态特征的两大特征。在这个方案设计中，过程对象的输入、输出流是作为已知条件的，而系统则是一未知数，除了考察与外界对象的作用之外，其他的结构则不在考虑范围内。
2．对象性态变换特征
量变特征和质变特征是对象性态变换的特征。正负相关、正相关和负相关属于量变特征；成分、种类及其它方面的转换是属于质变特征。

二、目的功能(效应)特征模型

支持某一变换或技术过程是任何技术系统所要达的目的。而通过系统和操作者间的交互使交换过程对象（数据、能量、原料等）所需的物理效应进行传递。
通过科学效应的显现来表达目的功能所具有的功能。通过把效应作用在原理解的基础上抽象化，以此来分析出变换功能的基本机理。该功能具有两个特征，分别是：
1．效应生成方式特征
效应生成者与过程对象有直接的物理接触的叫做直接生成；效应生成者通过“垂直因果链”的方式向技术系统传递物理效应的叫做外部传入。
2．效应生成者特征
效应的生成方式是多样的，可以通过技术系统和操作者直接生成，也可以通过协同来生成。部件（定性）和原理参数（定量）则是技术系统中创造所需物理效应的主动要素。动态特征和静态特征是部件的输入和输出(能量，物料／信号)性态特征的两个基本类弄。输入量输出量的增大、减小和改变等量变特征是通过动态特征来表达的。输入、输出量本身的特征则是通过静态特征来表达的。输入、输出性态的变换则可以使作用原理解实现相应的功能。比如：输入、输出量本身的静态特征转换是压电元件装置的主要功能，也就是通过压力变换为电压而实现相应的功能；输入、输出量的动态特征则是气泡减阻装置的主要功能，也就是说，摩擦阻力等输出量的量变是通过流体运动粘度系数、流体密度系数和流体成分等输入量的量变来实现的。

三、机电一体化系统方案生成推理策略

机电一体化系统方案生成推理进程分为三个阶段。基于变换功能拓展的技术推理为第一阶段；基于技术的变换功能向目的功能的推理为第二阶段；目的功能向作用原理的推理为第三阶段。

1.基于变换功能拓展的技术推理

“技术”是指在某一功能变换过程中各子过程的类型和执行，以及过程对象和变换所需效应间在时间、空间上的相互作用。作为变换发生的方式，作用原理中的核心知识，技术具有重要的地位。如通过磨削和刀削技术可以使铅笔变得锋利。可以说，变换过程中的任何一个子过程都是通过相应的技术来完成和实现的。因此，变换功能域的方案解也可称为是一个技术结构。由操作者和技术系统构成的人／机系统通过技术面来达到功能变换的目的。比如：在书写时，人们运用铅笔这一技术系统，来实现铅笔书写的技术。也就是说，“技术”是联系变换功能和目的功能的一条纽带。
过程对象（名词）和功能动词（动词）可以和用来表达变换功能。因此，在对表达模型进行变换功能的拓展时我们可以利用这一功能。而基于过程对象的变换功能向技术的推理和基本于能动词的变换功能向技术推理是变换功能向技术推理的两种基本类型。同时，基于功能动词和过程对象的推理则是上述两种基本推理的综合。

2.目的功能向作用原理的推理

定性效应生成者（部件）和效应生成者是技术系统内部的两种效应生成者。因此，效应间的关系分为定量关系和定性关系两类。如果要采用作用原理的定量推理或定性推理，则需要设计要求功能的过程对象性态变换特

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征（名词）是量变，也就是将作用原理解为原理参数；而通过部件性态的变换来取得相应的功能的则是定性推理，也就是把作用原理解为部件。

3.机电一体化系统方案生成推理进程模型

功构映射观点和域间映射观点是单一功能求解的方案生成推理进程中所存在的两种观点。从功能到结构的推理映射序列是功构映射观点中应加以注意的一点。因为在进行单一功能求解时，只有明确实现所需要功能时所选用的技术，才能根据这一技术分析研究出最佳的作用原理解。也就是按照“功能——技术——作用原理”的步骤逐步推理和找出原理方案解。
方案生成在求解问题中是一个较明显的不良定义。从可操作性方面来看，由于方案生成初期阶段的系统功能信息都不够完整。如果仅仅依靠抽象的功能层分解，想得到完备的功能结构的可能性不大。其实，功能结构的生成和功能求解是互为因果、交替进行的。而在机电一体化系统方案生成进程中，三类映射模式，十二种映射关系是与系统功能求解的三个分过程中相对应的。下面，我们分别来看看：
①分解映射模式，解决变换功能、技术和目的功能的分解问题，也就是先可以通过进行分解映身来降低那些有待求解的比较抽象、复杂而难于直接求解的问题，使后续求解映射问题得到顺利的解答。
②求解映射模式。运用变换功能——技术——目的功能——作用原理的方式逐层或跨层映射来解决功能求解问题，最后使我们获取求变换功能的技术解、目的功能解和作用原理解。
③衍生映射模式，解决分功能解组合不匹配问题。在技术层、目的功能层和作用原理层时，关联分功能解进行组合形成总功能解的时候容易出现接口冲突的情况。在这种情况下，如果在接口冲突处衍生出附加分功能便可消除这种冲突。另外，整体作用原理解也是在生成合理完整的功能结构的过程中派生出来的。
参考文献
PAHLG,BEITZW．Engineerring design：a systemtic pmcess(2nd edi-tion)[M].London：Springier,1994．
牛占文,徐燕申,林岳等.实现产品创新的关键技术—计算机辅助创新技术[J].机械工程学报,2000.36(1):1

1.14．

[3]亢金月.机电一体化系统设计理论与方法的研究[D].上海上海交通大学1996．