基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計探析

楊琳琳

（中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

0 引言

隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)械設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計，并且逐漸形成立足于信息集成系統(tǒng)和專家系統(tǒng)的開發(fā)平臺，最終迎合市場的需求。

1 復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計中數(shù)據(jù)挖掘的應(yīng)用

信息知識社會的來臨，使得創(chuàng)新成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會進(jìn)步的不竭動力。復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的創(chuàng)新，就是基于知識作為基礎(chǔ)來進(jìn)行創(chuàng)造，所以，知識的獲取，就是創(chuàng)新的基礎(chǔ)條件，同時也是對復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新產(chǎn)生影響的關(guān)鍵因素。

通過計算機(jī)技術(shù)來進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，主要包含：基于規(guī)則的設(shè)計方法和基于實(shí)例的設(shè)計方法。第一，基于規(guī)則的設(shè)計，在設(shè)計之前需要描述專有的理論知識以及功能，在設(shè)計中，基于已經(jīng)建立的規(guī)則，通過計算機(jī)技術(shù)來加以訪問，從而獲取有用的信息進(jìn)行后續(xù)的指導(dǎo)設(shè)計，最終將產(chǎn)品設(shè)計完成。第二，基于實(shí)例的設(shè)計，針對給定的設(shè)計問題，將設(shè)計問題直接轉(zhuǎn)化成為功能表示的方法，利用實(shí)例知識庫信息，直接將功能模型轉(zhuǎn)化成為需要的設(shè)計結(jié)果。設(shè)計者按照設(shè)計的需求以及構(gòu)件特征，就通過規(guī)則庫的反復(fù)使用，從而對設(shè)計工作進(jìn)行指導(dǎo)，最終獲取設(shè)計方案。這一種方法的思想簡單，并且相對容易實(shí)現(xiàn)，能夠克服知識的難題，因此也可以得到廣泛的使用?；趯?shí)例的設(shè)計，能夠在已知信息較少的前提下，依舊可以獲取滿意的解決方案?；谶@一種分析，在方案要求得以滿足的前提下，基于規(guī)則設(shè)計，就可以將知識獲取的難題克服[1]。

基于規(guī)則知識挖掘與獲取工作，才是數(shù)據(jù)挖掘需要的研究問題，并且還能夠獲取不錯的研究成果。為了能夠?qū)?fù)雜機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新的問題解決，直接利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)來獲取關(guān)聯(lián)規(guī)則知識，這樣就可以對復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計加以輔助，從而解決瓶頸問題。

2 數(shù)據(jù)驅(qū)動的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計實(shí)例分析

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計實(shí)例的分析，首先就應(yīng)該對其需求與功能進(jìn)行分析，然后基于功能-結(jié)構(gòu)的包裝機(jī)設(shè)計知識進(jìn)行建模，最后，基于測試結(jié)果的包裝機(jī)創(chuàng)新設(shè)計分析，這樣就可以了解數(shù)據(jù)驅(qū)動下的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計途徑。

2.1 需求與功能分析

（1）需求分析。在進(jìn)入市場之前，包裝是需要進(jìn)行的過程，實(shí)現(xiàn)包裝，需要利用包裝機(jī)械。不難看出，市場對于包裝機(jī)械有著龐大的需求。目前，物品形狀外觀有所差異，利用包裝，就可以做好相對應(yīng)的改變，這對于包裝機(jī)械就提出了更高的要求。目前，包裝機(jī)的需求特點(diǎn)在于：

第一，結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、模組化。相同的包裝機(jī)，在經(jīng)過調(diào)整之后，就可以實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品的包裝，只需要改變原有的基礎(chǔ)，就可以得到另外一種包裝機(jī)[2]。

第二，包裝速度快。包裝機(jī)可以從原本的單列包裝朝著多列包裝過渡，可以增強(qiáng)包裝的速度。

第三，運(yùn)行精度高。通過全新技術(shù)，利用編碼器、伺服電機(jī)、可編程控制器PLC等，就可以執(zhí)行各種動作，最終提升包裝機(jī)的運(yùn)行精度。

第四，控制智能化、彈性化。通過智能型儀器、觸摸屏顯示各種應(yīng)用軟件，就能夠?qū)崟r的跟蹤各種運(yùn)行參數(shù)。在電子屏幕上，也可以隨時的顯示包裝溫度、包裝速度以及包裝產(chǎn)量等情況。

第五，包裝類型多樣化。基于市場對于包裝類型的實(shí)際需求來調(diào)整包裝機(jī)，從而生成多樣類型的包裝。

（2）功能分析?；谛枨蠓治?，從而進(jìn)行功能的分析。包裝機(jī)一般是由驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)等共同來組成，其中，每一個部分的功能都有不一樣的要求。

第一，驅(qū)動系統(tǒng)。驅(qū)動系數(shù)能夠?yàn)榘b機(jī)械提供一定的動力，這樣就可以滿足系統(tǒng)之間能量轉(zhuǎn)換。針對包裝機(jī)械，不僅僅需要對各種尺寸的產(chǎn)品加以包裝，同時也需要確保包裝尺寸的精度。所以，在驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計中，需要合理的選擇電機(jī)。

第二，傳動系統(tǒng)。傳動系統(tǒng)屬于執(zhí)行元件和動力元件之間的傳動裝置。對于產(chǎn)品包裝而言，每一天包裝數(shù)量使用較多，這就需要確保包裝機(jī)的生產(chǎn)效率，從而來針對性的選擇傳動機(jī)構(gòu)。

第三，檢測系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)主要是確保包裝機(jī)的位移、旋轉(zhuǎn)、速度的精度裝置。隨著產(chǎn)品多樣化，產(chǎn)品形狀與大小的改變，其各種要求也在不斷的增多，這就要求我們能夠生產(chǎn)出尺寸不一的包裝，并且還需要實(shí)現(xiàn)溫度與精度的合理控制，最終來選擇檢測機(jī)構(gòu)。

第四，控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)是為了滿足系統(tǒng)之間的穩(wěn)定，并且讓包裝機(jī)可以將功能任務(wù)完成。智能時代的來臨，對于包裝機(jī)控制系統(tǒng)要求越來越嚴(yán)格，所以就需要選擇合適的控制裝置來加以實(shí)現(xiàn)[3]。

第五，輔助系統(tǒng)。除開上述系統(tǒng)之外，能夠確保包裝機(jī)順利運(yùn)行的其他裝置。如做好包裝機(jī)的潤滑保養(yǎng)、滿足環(huán)境條件的需求，這樣才可以合理的選擇輔助裝置來實(shí)現(xiàn)。

2.2 基于功能-結(jié)構(gòu)的包裝機(jī)設(shè)計知識建模

針對包裝機(jī)的設(shè)計知識進(jìn)行建模。在包裝機(jī)機(jī)械之中主要包含了驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。基于功能-結(jié)構(gòu)映射模型，從而分解包裝機(jī)的歐洲那個功能，這樣就可以獲取相對應(yīng)的子功能，針對每一組成分功能進(jìn)行分解，直至分解可以獲取關(guān)聯(lián)規(guī)則知識表所對應(yīng)的子功能為止，然后通過獲取的功能與結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)知識，就能直接獲取結(jié)構(gòu)解，最終獲取能夠滿足包裝機(jī)子功能需求的結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)的組合，將包裝機(jī)的設(shè)計完成。

（1）驅(qū)動功能。基于需求與功能分析，包裝機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)能夠同時生產(chǎn)不同尺寸包裝，能夠滿足不同規(guī)格產(chǎn)品的需求，在包裝生產(chǎn)中，能夠滿足尺寸最大值與最小值之差。所以，包裝機(jī)產(chǎn)品驅(qū)動功能包含：第一，確保包裝機(jī)包裝尺寸不一，第二，確保包裝尺寸的精度，也就是包裝機(jī)產(chǎn)品的驅(qū)動動能能夠分解成為確保包裝尺寸不一和保證包裝尺寸精度的子功能。

通過驅(qū)動功能子功能的查找，確保包裝尺寸不一以及包裝精度能夠建立關(guān)聯(lián)規(guī)則指示表當(dāng)中找到對應(yīng)的結(jié)構(gòu)。通過查找，結(jié)果是不能找到相對應(yīng)的結(jié)果，就需要做好子功能進(jìn)一步的分解，見圖1所示。

圖1 驅(qū)動功能子功能分解圖Fig.1 Driver function subfunction decomposition diagram

之后，再分別的查找子功能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速可調(diào)驅(qū)動以及精度高的驅(qū)動能否建立關(guān)聯(lián)規(guī)則指示表之中找到相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)。通過查找，結(jié)果是相對應(yīng)的，從而完成分解。

（2）傳動功能。由于傳動系統(tǒng)是為了滿足快速的運(yùn)輸包裝。所以，包裝機(jī)產(chǎn)品傳動功能包含了一個子功能，就是確保生產(chǎn)的效率，也就是包裝機(jī)產(chǎn)品的傳動功能可以直接分解成為滿足生產(chǎn)效率的子功能[4]。

之后查找傳動功能子功能滿足包裝生產(chǎn)效率是否能夠建立關(guān)聯(lián)規(guī)則指示表之中找到對應(yīng)的結(jié)構(gòu)，如果查找之后的結(jié)果與其無法相互的對應(yīng)，就需要繼續(xù)分解子功能，具體見圖2所示。

圖2 傳動功能子功能分解圖Fig.2 Functional decomposition diagram of transmission functions

之后通過查找子功能提供較高效率傳動能否建立關(guān)聯(lián)規(guī)則指示表，就可以找到相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)。通過查找，結(jié)果是相對應(yīng)的，從而完成分解。

（3）檢測功能。基于前面的需求與功能分析，包裝機(jī)產(chǎn)品的檢測功能主要包含：第一，包裝尺寸精度；第二，包裝尺寸不一；第三，包裝溫度。也就是在檢測功能之中需要將其劃分成為包裝尺寸精度、尺寸不一、包裝溫度。

之后，對于三個子功能進(jìn)行查找，從而在能否建立關(guān)聯(lián)方規(guī)則指示表之中找到相對應(yīng)的結(jié)果。經(jīng)過查找之后找不到對應(yīng)結(jié)構(gòu)，還需要再進(jìn)一步進(jìn)行分解處理，具體見圖3所示。

圖3 檢測功能子功能分解圖Fig.3 Detection sub-function decomposition diagram

通過三個子功能的查找，就可以確保速度穩(wěn)定、位置精準(zhǔn)以及溫度測量是否能夠在關(guān)聯(lián)規(guī)則指示表之中找到對應(yīng)的結(jié)構(gòu)。通過查找，結(jié)果是相對應(yīng)的，從而完成分解。

（4）控制功能。在包裝機(jī)產(chǎn)品控制之中只包含了一個子功能，也就是包裝機(jī)系統(tǒng)的控制，也就是其控制功能需要分解成為系統(tǒng)控制[5]。

通過控制功能子功能的查找，確保系統(tǒng)控制能否建立關(guān)聯(lián)規(guī)則指示表之中找到相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)，如果無法找到相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)，還需要繼續(xù)的分解，具體見圖4所示。

圖4 控制功能子功能分解圖Fig.4 Control function subfunction decomposition diagram

經(jīng)過查找，子功能實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制要求能否在建立關(guān)聯(lián)規(guī)則指示表之中找到相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)。通過查找，結(jié)果是相對應(yīng)的，從而完成分解。

2.3 基于測試結(jié)果的包裝機(jī)創(chuàng)新設(shè)計

經(jīng)過包裝設(shè)計知識功能-結(jié)構(gòu)映射模型，基于已經(jīng)獲取的知識結(jié)構(gòu)來針對包裝機(jī)做好相應(yīng)的創(chuàng)設(shè)設(shè)計。通過子功能與結(jié)構(gòu)的相互對應(yīng)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)包裝機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計，進(jìn)而滿足包裝機(jī)各個功能需求，達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，從而對方法的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證，具體見圖5所示。

圖5 包裝機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計Fig.5 Innovative design of packaging machine

3 結(jié)束語

總而言之，隨著科技不斷的發(fā)展與進(jìn)步，新型產(chǎn)品逐漸增多，復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的出現(xiàn)，使得創(chuàng)新就成為其焦點(diǎn)所在。復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計不再局限于變形設(shè)計或者是適應(yīng)性設(shè)計，更多的是需要進(jìn)行創(chuàng)新，這才是復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品的重難點(diǎn)。因此，為了能夠增強(qiáng)市場的競爭優(yōu)勢，就需要提升產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，最終實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計。