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一种基于约束的包装机械的建模与分析方法
摘 要：对持续增长的要求，机器的性能、不断升级的立法、环境指令以及产品特性的变化都需要现有机器设计的快速发展和新机器的创造。文中论述了中小企业的需求包装机械制造商和一致格卢方法支持他们的包装机械的设计和重新设计。对于中小型企业来说，识别、捕获和操作设计知识是至关重要的，因为它们的设计记录往往不完整。此外，系统建模方法提供了对概念、具体化和详细设计阶段的支持，这对于快速有效地开发设计是必不可少的。为了满足这些需求，提出了一种包含“约束建模”技术的方法。该方法提供了实验调查和基于计算机的建模，它们共同帮助设计者在设计问题的基础上获得了基本的地位。这表明了现有识别卢阳离子和设计知识的局限性，所以要对卢阳离子的实现和设计方案进行评价备选设计和重新设计策略的优化。本文讨论了“约束建模”理论，并介绍了该方法的各个阶段。文中还详细介绍了该方法在2001约翰威利父子有限公司在新机器设计中的应用及重新设计方案。
1 介绍
包装机械行业，和其他许多制造业部门一样，是一个高度竞争的行业。在全球市场，受客户日益增长的需求驱动。大多数机械制造商都是中小企业，他们已经有几十年的历史了。依靠其现有机器设计的自然演进，满足客户和受法律和环境问题驱动的客户要求的性能要求。常见的要求包括适应产品的大变化的能力，增加的吞吐量和质量，以及减少的尺寸，成本，浪费和设置程序。这种机器设计的自然进化是通过不断的改进和对现有机器设计的特定方面的不断改进来实现的，以达到修正的集或性能要求。此外，这些修订通常在一个特定的机器元素的缩短的开发时间内进行，没有考虑到机器系统其他方面的变化的影响。
这种传统的方法有许多固有的缺点。特别是，这些设计更改没有得到适当的调查，这可能经常导致其他机器程序集出现问题，这些问题可能再次被单独解决，从而进一步破坏系统方法。此外，由于时间紧迫，设计活动和相关决策没有得到适当的文档记录。这意味着，公司往往会依赖于一个或多个关键的个人，这些人对机器开发的历史有很好的了解。当这些人不再是设计团队的一部分，并且他们的设计知识不可用的时候，可能会出现严重的问题。机器通常是复杂的，而且要处理的产品有困难、定义不明确的关系，这使情况更加恶化。因此，可能需要大量的资源，以便重新建立设计知识的必要要素，即特定的机器和过程。为了完成这项工作，可以考虑设计知识包括性能要求、物理约束、经济驱动因素、技术问题以及对当前机器设计有影响的任何决策过程。
这项工作提出，以上所述的许多问题有两个关键的原因。这包括制造商需要在很短的时间内满足个别客户的具体需求，以及缺乏方法支持的中小企业提供总体设计和重新设计的过程。
第一个因素不能被消除，因为这种灵活性通常是许多制造商的关键卖点。然而，支持这些设计活动的方法可以显著地减轻一些与缩短开发时间和缺少设计记录相关的缺点。这些方法必须提供对现有机器的快速调查、建模和分析，以及新的或改变的机器配置。第二个因素是许多工程部门所面临的问题，以及缺乏支持的方法或工具，这些方法或工具跨越了整个机械设计过程，从概念到详细设计阶段。在组合中使用的许多单独的工具可以跨越整个过程，但是很少有工具能够在其本身的范围内提供支持。此外，很少有环境能够处理机器部件的多样性，如气体力学、执行器、连杆和它们各自的控制系统，特别是它们的行为和相互作用。人们普遍认为，如果在整个设计过程中使用单个产品模型或环境作为中心数据库，那么可以从CAD/CAM技术中获得最大的好处。如果使用分析工具对特定的机器组装或组件进行详细的分析，那么产生优化的设计方案的能力就会受到严重的挫折。
本文概述了对包装机械设计和分析的支持方法的建立。如果机器的制造厂商在全球市场上保持竞争力，那么关键的方法是根据行业的个人需求或具体的方法进行研究和开发。本文研究了对包装机械设计和分析的支持方法的要求，并提出了使用基于约束的建模技术和相关的行业专用方法来满足这些要求。在接下来的部分中，描述了建模环境和方法，并描述了它们在两个工业案例中的应用结果。
2 中小企业在重新设计时的需求
通过评估中小型企业的需求，特别是包装机械部门，在设计和重新设计过程中，确定了一系列支持方法的主要要求。
2.1支持设计知识的识别和表示
正如上一节所讨论的，包装机械行业的快速发展和短的交货时间常常阻碍了设计知识的制定、表述和获取。该设计知识包含了性能需求、物理约束、经济和技术驱动因素以及决策等主题。设计知识边缘的例子可能包括尺寸限制，例如机器的占地面积、在一个机制内的组件或链接的大小或选择，以及设计备选方案的选择。
这种设计知识为最终设计解决方案的配置和体现在当前状态提供了依据。重要的是，这一知识是有上限的，并向设计团队的成员提供。捕获和实现设计知识的过程有两个截然不同的问题。现有的知识为开发现有机器的基本理解提供了基础，并防止在进一步的设计工作中出现类似的错误和陷阱。在开发过程中，设计知识的设计，或新机器的设计，使设计团队更加关注设计团队，并帮助理解各种设计的缺陷。
2.2支持概念、实施和详细设计阶段
对于任何机器系统的设计，设计团队需要对一系列活动的支持。这些活动跨越了整个设计过程，包括四个主要阶段:卢阳离子的任务;概念设计;体现设计;和详细设计。图1展示了这些阶段及其典型任务。在设计过程中，许多支持都是由基于计算机的工具提供的，而且很少有任何一个工具能够提供所有必要的活动。这就要求设计团队能够访问并熟悉一系列的支持工具。这需要中小型企业和设计团队的大量资源，并且在最近的行业调查中被强调为一个问题。
图1 设计过程中的典型活动
2.3表示几何和性能的能力
许多商业CAD系统提供二维绘图和三维建模.然而，在设计过程的后期阶段，即装配/制造的详细设计和设计过程中，这可能只对设计师真正有用。为了为概念设计和系统雏形提供支持，必须考虑系统及其各个组成部分的性能和物理特性。特定的元素大小和配置对于设计和选择是必不可少的。此外，设计过程，特别是概念和实施阶段，在很大程度上依赖于信息的可用性。事实上，人们普遍认为，早期阶段的流程是最关键的阶段，因为在这些阶段中，可以交付高达80%的最终工件成本。
2.4机械建模与分析的系统方法
设计过程本身包括广泛的可能任务，其执行取决于特定的问题。因此，没有一个单独使用的支持工具能够彻底地提供所有可能的信息处理、建模、分析和评估任务。事实上，如果实现了这一目标，那么单个环境就更有可能不适合每种形式，而更有可能成为特定任务的专用环境。因此，需要使用许多不同的环境来建模和分析机器系统中的不同组件和组件。例如包括定制的CAM设计软件，电机的尺寸和选择，或动力传动装置的模拟。这意味着设计人员必须操作和传输描述各种建模环境之间的组件和组件之间的交互的数据，这是一项时间计算和容易出错的任务。为了开发更好的设计解决方案，系统及其包含的元素在建模和分析过程中被认为是一个至关重要的整体。为了更好地实现这样的目标，必须采用建模方法，以确保在单一环境中进行必要的模型和分析活动具有足够的灵活性，并具有处理各种机械交互的能力。
2.5对设计变更进行建模和评估的能力
在重新设计的程序中，设计者最关键的要求之一是能够评估任何设计变更，并评估它们对机器系统和过程性能的影响。在包装行业，大部分的设计工作都是在变型设计的类别下进行的，并且经常进行，这一要求是非常重要的。为了实现这一点，必须采用灵活的建模方法，使机器系统、过程和产品的模型易于操作。此外，评估不同配置的性能变化的能力，以及设计解决方案满足设计需求的能力，都是非常可取的。
2.6支持调查和评估现有机制
对于大多数包装机来说，几百年的经验和知识影响了当前设计原则的制定和机器的特殊配置。如前所述，与特定机器相关的设计知识在整个演化过程中不太可能被完整地记录下来。因此，在重新设计程序能够有效地进行之前，许多设计知识可能必须重新捕获。建模和分析肯定有助于这一进程。建模和分析当然可以帮助这一过程。然而，孤立的建模可能提供必要的理解水平通过模型分析和实验研究相结合的方法，更好地实现了这样一个基本的理解。为了满足这些要求，提出了一种封装约束模型的包装机械设计方法。约束建模在下一节中对此进行了介绍，然后详细描述了拟议的方法。
3 基于约束的建模
基于约束的系统设计支持方法是从对系统设计过程的研究中发展起来的.对给定设计问题的特定活动进行分解、分类和排序的尝试已经进行了很多次。然而，其中许多方法只有在问题得到充分理解的情况下才能成功，而且在这种情况下，它们都集中并指导整个设计过程。然而，当这些过程模型被推广时，方法的可靠性和适用性就不那么好了，它们可能会限制涉及的个人的总体设计过程和创造性。
通过采取更高层次的方法，为正在设计的特定系统提供设计过程的表示，可以避免其中的许多问题。这里使用的方法侧重于表示和处理给定问题或工件的特定约束和设计知识。这些约束不仅包括设计的性能和物理需求，还包括资源施加的限制。事实上，正是这些设计约束或目标最终定义了特定工件设计的实际过程。因此，艺术品的设计不是以过程为导向的，而是以目标为导向的.
因此，基于约束的方法侧重于目标。现在，与任何系统方法一样，任何单个元素、过程或操作都不依赖于其他元素，这是非常罕见的。因此，所有的目标都必须同时处理，并考虑它们的关系。此外，总体设计过程不太可能是系统的，甚至那些以系统的方式表示的过程模型包含迭代和递归的循环，这是表示复杂的动态路径的必要条件。作为这种动态行为的结果，在整个设计过程中需要对所有目标进行测试，以确保对工件施加的约束得到满足。这完全连续的交叉检查提供了对总体设计的信息，并立即确定那些产生冲突的行为，或者不满足设计的目标。
一般而言，约束建模的目的是将相互约束的标准参数及其关系表示为相互关联的约束网络。在工程设计领域，其目的是代表将要实现的目标，而不是如何实现它。这些目标或目标被表示为“约束规则”。这些规则表示设计参数之间的关系，如果设计满足所有的需求，则必须满足。因此，我们的目标是找到一个满足所有这些约束条件的解。解决方案空间是所有单个约束字段的交集，如图2所示。这表明了所有可能的解决办法以及那些失败的解决办法。对于本文描述的建模者来说，这个交集是通过直接搜索技术确定的。这些技术试图通过操纵一组设计参数来满足给定的约束集。实现这些技术的一个好处是，可以确定成功解决方案的收敛性，也可以确定最佳折衷解决方案。此外，还可以识别出这些缺点。对于不满意的约束，可以放松不太重要的约束，从而确定总体解决方案。
图2 集合约束规则的说明
这种方法允许表示设计知识，最重要的是，它允许这一知识在过程中的任何时候被扩展或改变。以这种方式，该方法允许在建议的解决方案和特定设计问题的约束条件中进行更改。下面几节描述了基于约束的建模器，并举例说明了该方法。
3.1约束建模器
为了实现这一工作，所有建模分析活动都使用约束建模系统规则和规则系统(RASOR)。为了便于对设计参数的理解和研究，以及对任何给定设计问题的约束，作者创建了建模系统。在建模者的基础上是一种用户语言，通过它来声明设计参数、给定值和操作，以及它们之间的约束。该语言的扩展之一是系统搜索满足给定约束集的配置的能力。这里的方法是基于直接搜索优化技术研究。每一个约束都是一个表达式，当它等于零的时候，设计参数被认为是正确的。因此，一个积极的价值是一种衡量虚假的尺度。内置优化引擎试图通过操作用户指定的设计参数将约束值降至零。如果指定了多个约束，则使用约束值的平方和。在建模一个机制的情况下，在低级别上使用约束来指定各种链接如何组合。在更高的层次上，它们可能表示由运动条件施加的限制，如速度、加速度和挺举，这是运动的三次导数。 在包装机械设计领域，产品、材料或其他机械元件可能会施加这些限制。用这种方法是很简单的，建立一个机械系统模型，然后模拟和分析结果过程。
约束建模器的当前版本包括一个相对紧凑的优化器，它可以应用于任何可以表示为代数形式的问题。系统实现的优化方法是基于Powell、Hooke和Jeeves方法的直接搜索技术。
由于要解决的问题的形式是事先不知道的，所以数值格式不能调整到任何特定的格式。本文只对一般优化问题的一种形式进行了尝试。有效地，不存在用户指定的目标函数，约束条件的平方和以惩罚函数的方法来形成和优化。当然，如果有更多的信息可用来解决可能遇到的问题，那么约束模拟器可以被改进。但是，我们已经发现，上面描述的“NAC Ve”方法对于一般的设计问题是非常有效的。
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