CN102592009A - 基于功能流的概念设计原理草图设计系统及设计方法 - Google Patents

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胡洁
戚进
彭颖红
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Abstract

本发明公开了一种基于功能流的概念设计原理草图设计系统及设计方法，包括功能草图和结构草图，功能草图用以表达功能层原理方案，以功能结构元为单位，每个功能结构元通过一定的原理和方法实现特定功能；结构草图用以表达结构层原理方案，在功能草图的基础上，进一步确定功能流在各个功能结构元间的传递方式，表达各个功能结构元之间的连接方式；其设计方法为：步骤1，建立概念草图知识库模块；步骤2，利用功能草图模块绘制功能草图；步骤3，利用结构草图模块绘制结构草图。本发明通过二维矢量图上快速构建和表达概念设计原理。

Description

基于功能流的概念设计原理草图设计系统及设计方法
技术领域
本发明涉及设计学、工程学、图形学领域，具体是一种基于功能流的概念设计原理草图设计系统及设计方法。
背景技术
概念设计是是工程设计的重要组成部分，工程创新的主要环节。概念设计对设计者的经验和知识要求很高，因此概念设计过程中的交流共享和协同合作非常重要。这要求有能够对设计方案进行方便快速表达的草图方法，以支持概念设计的可视化和协同。
经对现有技术文献的检索发现，Pahl和Beitz在1984年的《Engineering Design》中提出了用输入、输出流(Input/Output Flows)的概念表示产品的功能，进行产品概念建模。功能设计是设计原理方案的主要方法，功能设计认为系统各部分通过“功能流”(包括，物质流、能量流、信号流)的转换、传递和储存实现总体功能。起源于1950s的Functional Flow Block diagram(FFBD)能够很好的表达系统工程学科的商业管理过程模型(http://en.wikipedia.org/wiki/Functional_flow_block_diagram)，经过几十年发展，在概念设计领域提出了功能流(functional flow)的概念。但是，概念设计原理草图更注重功能原理和对应结构原理设计的可视化，擅长时间序列功能建模的FFDB不能够很好的解决概念设计的可视化问题。因此，本发明提出基于功能流的概念原理草图方法。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种基于功能流的概念设计原理草图方法。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种基于功能流的概念设计原理草图设计系统，包括概念草图知识库模块、功能草图模块和结构草图模块，其中：
-概念草图知识库模块，为功能草图模块和结构草图模块提供底层数据；
-功能草图模块，为设计者提供概念设计功能层原理构思的可视化平台；
-结构草图模块，在功能草图模块的基础上，为设计者提供概念设计结构层原理构思的可视化平台。
所述功能草图模块和结构草图模块均采用矢量图形的方法为设计者提供可视化平台。
一种基于功能流的概念设计原理草图设计系统的设计方法，包括如下步骤：
步骤1，建立概念草图知识库模块；
步骤2，通过功能草图模块绘制功能草图；
步骤3，通过结构草图模块绘制结构草图。
所述建立概念草图知识库模块包括如下步骤：
步骤101，建立功能的规范化表达方式，包括输入/输出“功能流”描述，以及辅助的语义表达方式；
步骤102，建立功能结构元进行规范化描述，确定功能结构元的示意性图片；
步骤103，建立功能结构元和对应的功能之间的映射；
步骤104，建立各种“功能流”的不同传递方式对应的功能结构元连接符号。
所述通过功能草图模块绘制功能草图包括如下步骤：
步骤201，功能检索，输入功能需求，根据输入/输出“功能流”、功能的语义描述，检索符合条件的功能结构元；
步骤202，添加功能结构元的示意性图片到功能草图画板，并按照“功能流”的流向连接各个功能结构元。
所述检索算法如下：
IF Sim(Fr，Fs)≥ρ，THEN S is suitable；
其中，Fr是功能需求，Fs是功能结构元S的功能，ρ是判别阈值；
Sim(Fr，Fs)＝α×Sf+β×Ss，α+β＝l；
其中，Sf是功能规范化表述中功能流部分的相似度，Ss是功能规范化表述中语义部分的相似度，α，β为对应的权重。
所述功能草图画板为矢量图绘图板，支持各种矢量图元的旋转、缩放、平移。
所述通过结构草图模块绘制结构草图包括如下步骤：
步骤301，动态跟随功能草图画板中的功能结构元，提醒设计者确定“功能流”在功能结构元之间的传递方式；
步骤302，选择“功能流”在功能结构元之间的合适传递方式，系统自动推送对应于传递方式的连接符号线连接相应功能结构元。
所述结构草图画板为矢量图绘图板，支持各种矢量图元的旋转、缩放、平移。
附图说明
图1为本发明的功能实现原理图；
图2为磁控限位开关功能结构元示意图；
图3为导线连接符号示意图；
图4为本发明功能草图示例图；
图5为本发明结构草图示例图；
图中，1、2、3、6、7为功能流，4、5、8、9为功能结构元，10、11、12连接符号，其中，1为液压油，2为直线运动，3为直线力，6为压缩空气，7为电流信号；4为双伸出液压缸，5为往复式柱塞泵，8为电控两位四通气阀，9为磁控限位开关；10为零件合并连接，表示功能结构元中的两个零在新的产品中合并为一个零件；11为导线连接，用来传递电流信号或能量；12为导管连接，用来传递流体物质。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作详细说明。实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，本发明的保护范围不限于下述实施例的具体形式。
如图1所示，本实施例包含三大模块，即概念草图知识库模块，功能草图模块和结构草图模块。所述概念草图知识库模块，以规范化的数据格式存储设计经验和知识，其作用是为功能草图模块和结构草图模块提供底层数据；所述功能草图模块，响应设计者的功能需求输入，并访问概念草图知识库模块的底层数据，查询相近具有相近功能的功能结构元，并添加功能结构元的示意性图片和输入/输出流到功能草图画板，其作用是借助矢量图形的方法为设计者提供概念设计功能层原理构思的可视化平台；所述结构草图模块动态跟随功能草图画板上的功能结构元，并访问概念草图知识库模块的底层数据，查询功能结构元的输入/输出流的传递方式和对应的功能结构元连接符号，以知识推送的方式提醒设计者选择功能结构元间合理的连接方式，添加连接符号到结构草图画板，其作用是借助矢量图形的方法为设计者提供概念设计结构层原理构思的可视化平台。
本实施例具体实施过程如下：
步骤1，建立概念草图知识库模块，步骤如下：
步骤101，建立功能的规范化表达方式，包括输入/输出“功能流”描述，以及辅助的语义表达方式，如图2中磁控限位开关9的功能表达：其输入流是运动信号中的位置，输出流是电流信号，语义表达可为将极限位置信号转换为电流信号；
步骤102，建立功能结构元进行规范化描述，确定功能结构元的示意性图片，如图2中磁控限位开关9的示意性图片；
步骤103，建立功能结构元和对应的功能之间的映射，并存储在数据库关系表中；
步骤104，建立各种“功能流”的不同传递方式对应的连接符号，如图3中的导线连接。
步骤2，通过功能草图模块绘制功能草图，具体步骤如下：
步骤201，功能检索，输入功能需求，根据输入/输出“功能流”、功能的语义描述，检索概念草图知识库符合条件的功能结构元。检索算法如下，
IF Sim(Fr，Fs)≥ρ，THEN S is suitable
其中，Fr是功能需求，Fs是功能结构元S的功能，ρ是判别阈值。
Sim(Fr，Fs)＝α×Sf+β×Ss，α+β＝l
其中，Sf是功能规范化表述中功能流部分的相似度，Ss是功能规范化表述中语义部分的相似度，α，β为对应的权重。
步骤202，添加功能结构元S的示意性图片到功能草图画板，并按照“功能流”的流向连接各个功能结构元。功能草图画板是矢量图绘图板，支持各种矢量图元的旋转，缩放，平移等。
本实施例中功能草图的示例如图4，表达的是一个气液增压缸概念方案中功能流在各个功能结构元间的传递。压缩空气6经过电控两位四通气阀8进入双伸出气缸4，推动双伸出气缸4产生直线运动和直线力，直线运动和直线力推动往复式柱塞泵5运动，将输入的低压力液压油1转变为输出的高压力液压油1，磁控限位开关9以非接触的方式将双伸出液压缸4的活塞极限位置信号转换为电信号，控制电控两位四通气阀8换位，使活塞往复运动，形成工作循环。
步骤3，通过结构草图模块绘制结构草图，具体步骤如下：
步骤301，结构草图画板动态跟随功能草图画板中的功能结构元，提醒设计者确定“功能流”在功能结构元之间的传递方式。结构草图画板也是矢量图绘图板，支持各种矢量图元的旋转，缩放，平移等。
步骤302，设计者选择“功能流”在功能结构元之间的合适传递方式，系统自动推送对应于传递方式的连接符号线连接相应功能结构元。
本实施例中结构草图的示例如图5，表达的是一个气液增压缸概念方案中各个功能结构元间的结构连接方式。双伸出液压缸4的活塞杆与往复式柱塞泵5的活塞杆合并为一个零件，磁控限位开关9的输出端和电控两位四通气阀8输入端通过导线连接11，两位电控两位四通气阀8和双伸出液压缸4进出气口通过导管连接12。
功能草图和结构草图共同组成了概念设计原理草图。功能草图的作用是在功能设计的层面上帮助设计者对概念方案进行可视化设计；结构草图的作用是在初步的结构原理设计的层面上帮助设计者对概念方案进行可视化设计。本技术方案系统有效地支持从功能设计到结构设计的过度，可视化的矢量草图有利于设计者的沟通和交流。

Claims (9)

1.一种基于功能流的概念设计原理草图设计系统，其特征在于，包括概念草图知识库模块、功能草图模块和结构草图模块，其中：
-概念草图知识库模块，为功能草图模块和结构草图模块提供底层数据；
-功能草图模块，为设计者提供概念设计功能层原理构思的可视化平台；
-结构草图模块，在功能草图模块的基础上，为设计者提供概念设计结构层原理构思的可视化平台。
2.根据权利要求1所述的基于功能流的概念设计原理草图设计系统，其特征在于，所述功能草图模块和结构草图模块均采用矢量图形的方法为设计者提供可视化平台。
3.一种基于功能流的概念设计原理草图设计系统的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，建立概念草图知识库模块；
步骤2，通过功能草图模块绘制功能草图；
步骤3，通过结构草图模块绘制结构草图。
4.根据权利要求3所述的基于功能流的概念设计原理草图设计系统的设计方法，其特征在于，所述建立概念草图知识库模块包括如下步骤：
步骤101，建立功能的规范化表达方式，包括输入/输出“功能流”描述，以及辅助的语义表达方式；
步骤102，建立功能结构元进行规范化描述，确定功能结构元的示意性图片；
步骤103，建立功能结构元和对应的功能之间的映射；
步骤104，建立各种“功能流”的不同传递方式对应的功能结构元连接符号。
5.根据权利要求3所述的基于功能流的概念设计原理草图设计系统的设计方法，其特征在于，所述通过功能草图模块绘制功能草图包括如下步骤：
步骤201，功能检索，输入功能需求，根据输入/输出“功能流”、功能的语义描述，检索符合条件的功能结构元；
步骤202，添加功能结构元的示意性图片到功能草图画板，并按照“功能流”的流向连接各个功能结构元。
6.根据权利要求5所述的基于功能流的概念设计原理草图设计系统的设计方法，其特征在于，所述检索算法如下：
IF Sim(Fr，Fs)≥ρ，THEN S is suitable；
其中，Fr是功能需求，Fs是功能结构元S的功能，ρ是判别阈值；
Sim(Fr，Fs)＝α×Sf+β×Ss，α+β＝1；
其中，Sf是功能规范化表述中功能流部分的相似度，Ss是功能规范化表述中语义部分的相似度，α，β为对应的权重。
7.根据权利要求5所述的基于功能流的概念设计原理草图设计系统的设计方法，其特征在于，所述功能草图画板为矢量图绘图板，支持各种矢量图元的旋转、缩放、平移。
8.根据权利要求3所述的基于功能流的概念设计原理草图设计系统的设计方法，其特征在于，所述通过结构草图模块绘制结构草图包括如下步骤：
步骤301，动态跟随功能草图画板中的功能结构元，提醒设计者确定“功能流”在功能结构元之间的传递方式；
步骤302，选择“功能流”在功能结构元之间的合适传递方式，系统自动推送对应于传递方式的连接符号线连接相应功能结构元。
9.根据权利要求8所述的基于功能流的概念设计原理草图设计系统的设计方法，其特征在于，所述结构草图画板为矢量图绘图板，支持各种矢量图元的旋转、缩放、平移。
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