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1可變功能機械系統概念設計模型

可變功能機械系統由不同的分功能組成，且功能間會發生耦合。筆者基于FBS概念設計模型對可變功能機械系統進行研究，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構，分析相應的行為模型，得出映射層結構方案。可變功能機械的FBS模型詳解如圖1所示。在研究可變功能機械系統時，本研究將分功能到行為和行為到結構的映射并行研究，功能總和代表了各分功能不同模型的集合，系統實現其中一個功能時，另一個分功能處于待用模式，為加以區分，用功能符號“F”+“i”（數字）代表分功能序號，用“or”（或者）連接各分功能。之后本研究建立分功能的層級結構及相應的功能分解模型、行為過程層級結構及其行為過程模型，最后進行映射求解。這種并列的設計過程存在交集，即這些分功能間具有耦合性，系統的功能分解有部分相似，例如當農用拖車的連接器連接不同的耕作設備可以完成不同的生產功能，施肥機可以進行移動施肥，灑水機完成澆灌工作等，系統的動力功能和傳動功能并未發生改變，改變的僅是執行端的功能。本研究將相似的功能結構和行為結構以及方案層的具體實施構件組合用虛線連接，代表它們之間存在的特殊聯系。為具體表達該設計過程中的模型聯系，基于經典相似理論中對序結構的定義，本研究將系統要素按一定組成規律、一定順序出現的序列結構稱為序結構，序結構與系統有著緊密的聯系。根據可變功能機械系統概念設計層次，筆者對序結構進行特征分析，分為功能序結構、行為序結構以及方案序結構。由于篇幅原因，本研究僅對功能分解和行為結構的序結構表達進行描述，并構建相似模型。

2相似模型構建

2.1功能序結構和行為序結構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。研究系統相似度時需要衡量功能相似度和行為相似度不同的權重值，建立相似模型，從系統的角度將不同的功能及其行為映射用序結構表達出來，用系統要素的方式進行模型構建。功能是表達系統特性最抽象的方式，功能的表達需滿足：（1）能根據給定要求表示設計者的意圖；（2）能準確描述滿足設計要求的設計對象；（3）能被定性或者定量地評價，并可以測定設計意圖的滿意度。功能的系統要素為能量、物質和信息，每個功能要素都有其輸入和輸出，因此可以運用“輸入流-輸出流”的方法進行功能描述。功能要素在時間和空間上有一定的順序，即功能序。本研究將功能序的關系進行分類，分別有組成關系、時序關系和因果關系如圖2、圖3所示。時序關系又有順序關系，并存關系。功能序是功能序結構的基礎組成。在概念設計模型中，功能是一個模糊而粗糙的概念，而行為相對而言更為具體，能激發設計者的靈感，引導設計者保證三大流（即物質、能量、信息）的有序流動，不違背自然規律。行為的系統要素包括運動學要素、力學要素和能量要素。結合目前行為結構的表達方法，本研究統一用“輸入流-輸出流”的方式表達行為序結構。行為可以分為基本行為和組合行為。基本行為對應基本結構，較為簡單；組合行為由基本行為構成，包括運動轉換行為、執行行為、檢測行為、控制行為等，這些基本行為通過一定的順序連接起來形成組合行為。行為序就是指這些基本行為和組合行為間的連接，行為序結構則表達了行為序間的連接關系。行為序結構分類如圖4所示。行為序的關系有以下幾種：①串聯順序關系；②并聯同時關系；③選擇發生關系。

2.2基于序結構的相似模型構建由相似第一定律即序結構定律可知，不同類型、不同層次系統存在一定的序結構，當系統序結構存在共同性時，系統之間出現相似特性，相似性大小隨序結構的共同性程度增大而上升，反之則下降。上節已將可變功能機械系統概念設計中的功能層和行為層用序結構進行表達來探索功能和行為的相似性，本節在此基礎之上運用數學建模對相似度進行計算。可變功能機械系統具有一定的相似性，即相似度大于零，某些功能或行為能通過改變一些系統組成就能形成新的功能系統，若是沒有相似性即相似度為零，那么整個分功能系統就轉變成了多功能的單個系統的集合，不在本研究的研究范圍之內。本研究將系統或者系統的一部分進行序結構構建和分析之后，為每個序進行編碼，用eik表示序要素的集合，要素包含屬性和特征值，屬性由所屬功能或者行為的輸入輸出流決定，i是分功能編號，k是序的編號。相似序的概念是將分功能序結構的要素和特征聯系形成兩兩組合的有序偶，用(e1k,e2k)表示。相似度由相似序的個數和相似序對相似的影響權重所決定，相似度以q表示，相似序個數決定的相似度為q1，影響權重決定的相似度。權重的分配也是相似度量的重要環節之一，主要包括主觀權重分配方法和客觀權重分配方法。相似序模型分析之后根據經典相似理論進行數學建模，系統的總相似度由功能、行為和結構的相似度綜合得出。本研究根據所建立的序結構進行系統知識表達，計算可變功能間的相似性，設機械系統共有兩個可變分功能，特征參數取自輸入輸出流的類型和數值，如功能的能量類型和所代表的數值等，對整個系統進行相似模型構建，并計算相應的相似度數值。相似求解模型如圖5所示。建模的一般步驟可表述如下：（1）分別對分功能系統進行層次劃分，建立基于功能或者行為結構的模型。可用輸入流輸出流的方式按2.1節所述分別建立分功能的具體模型，對應的序結構統計如表1所示。

3實例分析

筆者選取典型的可變功能機械系統進行研究，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行機構可以獲得鉆孔，擴孔和鉸孔3個不同的功能。可以看出，這是一種通過改變系統執行機構達到改變功能的情況。本研究按上文所述的步驟進行分析，首先由系統的可變功能得到功能的序結構模型，所建立的模型如圖7所示。表3所示機床的可變功能由更換執行機構來實現，在系統層面上達到了改變功能的要求。本研究按上文所述，根據所建立的序結構模型，通過分析相似要素應用公式（1~3）得到系統功能級的相似度數值。

4結束語

機械系統往往有很多復雜的功能系統組成，通過系統間的協調和配合完成一定功能，從而實現機械變化，代替人類勞動的作用。可變功能機械系統正是為了更好地利用環境資源、增加設備利用率而產生，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，在對可變功能系統研究中，研究者通過探索系統相似性，建立概念設計相似模型，可以從定量角度描述系統間的共性，進而基于一定的相似度進行可變功能創新設計。為此，本研究提出了將FBS模型與經典相似理論相結合的方法構建概念設計相似系統模型，建立了基于輸入/輸出流的序結構模型，對序的概念做了進一步的闡述，通過序結構建立相似序，得出了構建相似系統模型的具體步驟，并通過數學模型計算獲得具體的相似度數值。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，有利于機械系統的創新設計，為可變功能機械系統的相似度研究提供了方法和依據。

作者：趙琳賀華波鄧益民單位：寧波大學機械工程與力學學院