基于菱形思维的电缆接头快速设计系统

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Rapid Design System for Cable Joint Based on Rhombus ThinkingZHANG Xin，ZHONG Liang-wei，LI Yang(Colege of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science andTechnology，Shanghai 200093，China)Abstract：In the machinery industry，according to the certain contradiction among the cable connectionand protection productslarge-scale production， the different customization demands and the rapidproduction design，a customization method based on rhombus thinking is put forward.Matter-elementstransformation，rhombus thinking mode and parameterize method are applied to the design of cablejoint，a rapid design system for cable joint is developed.Then，the company can quickly design differenttypes and sizes of cable joints according to the different demands.Finaly，the example demonstrates thatthe system has the features of stability，rapidity and practicability。

Key words：extension theory；rhombus thinking；rapid design；cable joint市澈争的加剧促使各企业间的竞争由基于技术 、品质的竞争开始 转 向基 于时 间和 客户需 求的竞争 .为顾 客 提供 定 制 化产 品 ，全 面提 高 顾 客满意度 ，已成为现代企业追求新的竞争优势的-种必然趋势[1].作为现代工业生产中不可或缺的设备 ，电缆接 头被广泛 应用 于各 种精 密包 装机 械产 品中.相 关企 业 为 了赢 得 市 场 竞 争 ，纷 纷 采用快速设计技术来提高生产率、缩短开发周期、加快新产 品的上 市。

可拓学是以蔡文研究员为首的我 国学者们创立的- 门新学科 ，可拓学用形式化的模型 ，研究事物拓展的可能性和开拓创新 的规律与方法 ，并用 以解决矛盾问题.在实际应用中，已有多领域、多类型的成功事例[2]，如文献[3]将 TRIZ理论与可拓学方法相结合 ，应用于产品创新设计 ，形成了基于可拓学模型的产品创新设计方法；文献[43通过设计实例建立复杂产品方案设计的公理化设计框架，给出了产品方案设计可拓配置模型与算法实现过程.但上述文献收稿 日期 ：2013-04-06基金项目：上海市研究生创新基金资助项 目(JWCXSL1202)；上海市(教委)重点学科建设资助项 目(J50503)；上海宝山科技创新专项资金资助项目(CXY-2011-10)作者简介：张 鑫(1988-)，男，江苏丹阳人，硕士研究生，研究方向为计算机辅助快速设计系统.E-mail：zx1988521###sina.corn仲梁维(联 系人 )，男 ，教授 ，E-mail：zlvcad###126.com444 东华大学学报 (自然科学版) 第39卷对于机械设计方面的实际应用及如何从多套方案中优选出最佳方案的具体过程涉及较少.本文通过构建基于菱形思维的电缆接头敏捷设计平 台，参考系统整体架构的设计来得到相对应的各个功能拈，进而利用菱形思维模式实现检索功能拈的数据筛选，之后对接头零部件进行参数化分析 ，使得只要赋予变量化参数 ，即可得到尺寸不同的零件模型 ，可明显提高设计效率。

1 相关可拓理论及方法1.1 物元基本理论根据文献[5-6]的定义，以物 0 为对象，C 为特征，0 关于 C 的量值 V 构成的有序三元组如式(1)所示。

M - (Om，C ，V ) (1)M 作为 描述物 的基本元 ，称 为- 维物元 ， ，C ，V 三者称为物元 M 的三要素，其 中 C 和 构成的二元组(C ，V )称为物 Om的特征元.关于特征C 的取值范围记为 V(C )，成为 C 的量域 。

将物 0， 个特征 c ，C ， ，c 及 0关于 C (- 1，2，， )对应的量值 ( - 1，2，， )所构成的阵列(式(2)所示)称为 维物元。

M ：其中 C- I J， V-1.2 菱形思维模式由可拓学领域的观点可知，世界上的任何事物都具有-定的可拓性 ，可拓性是进行创新 的基本依据.利用物元所 具备的可拓性 ，对物元进 行拓展变换 ，然后再利用适 当的评价方法对其筛选 ，最后将其收敛成少量物元的思维方法称 为菱形思维方法.菱形思维方法是-种先 发散再收敛的思维方式 ，单级菱形思维模型及多级菱形思维模型如图 1所示。

02，C2 --- M < /jM ml/ (b)多级图 1 单级和多级菱形思维模型Fig.1 Single-stage and multi·stage rhombusthinking models- (0，C，v) (2) 2 实例应用在物元 M - (0，C， )中，如果 0和 是参数t的函数，则称 M 为参变量物元，记作M - (0，C，V) (3)这时， - C(0( ))。

对于多个特征 ，有多维参变量物元 ，记作M (t)-1( )2( )；( )- (0，C，V)(4)2.1 系统总体架构及子系统的构成通过创建标准件库、划分电缆接头主要功 能模块 、创建企业设计数据库等关键技术 ，实现电缆接头产品的快速设计 ，并 可根据用户的不同需求对 电缆接头产品进行模拟设计 ，以减少对物理样机试 制的依赖.电缆接头产 品快速 开发系统 的主界面如图 2所示 ，总体架构及子系统的构成如图 3所示。

图 2 系统主界面Fig.2 M ain interface of the system/第4期 张 鑫，等：基于菱形思维的电缆接 头快速设计 系统 445用户登录l l用户管理l l接头设计， r l增径件 Hl 型童苎 H厂 ] l之后建立实例的物元模型，其物元表示形式为M -电缆接头 0 精密化 c。

交货周期 ccl(0)C2(0)c3(0)f4(0)根据发散树的-般模型 ，得 出电缆接头方案集L，，U兰 M ，M2，M3，其中 ：图 3 开发 系统 的总体 架构 及子系统的构成 M l-Fig.3 The overall structure of the system and subsystems2.2 菱形思维模式及层次分析 (AHP)法在 电缆接头选型中的具体应用客户提供给设计人员的产 品特征较少 ，无法通过这些数据生成完整产品.本系统嵌 入了相似结构零件的匹配检索拈 ，该模 块通过设计 的检索模式 ，使设计人员可 以根据客户 提供 的不完整 的数据搜索出数据库 中符合这些参数 的相似接头 ，并通过建立的菱形思维模式 的收敛过程模型 ，由系统 自动计算并推荐最优的设计方案.设计人员则可以通过- 些关键数据来 判断是否直接调用这个相似接头 ，如不满意只需修改少量参数即可达到设计 目标，这样大大提高了设计效率及准确度.该系统还可根据各公司设计要求 的侧重点 ，定制 出符合该公 司要求的检索模式 ，极具人性化。

电缆接头经过物元变换后 ，建立起 电缆接头可拓模型.本文采用单级菱形思维模 型，结合先发散后收敛的菱形可拓思维模式，对 电缆接头物元模型进行详细分析。

2.2.1 电缆接头设计的菱形思维发散过程目前，常使用的发散方法有发散树方法、分合链方法、蕴含系方法、相关网方法等，本系统使用发散树方法。

基于物元理论 ，并结合物元 的发散性 ，得到电缆接头 0的-般发散树模型，如图 4所示。

图 4 电缆接头发散树-般模 型Fig.4 Divergent tree mode of cable jointM -M -A 型电缆接头 o 精密化 c可靠性 c价格 c。

交货周期 cB型电缆接头 0 精密化 c可靠性 C价格 C交货周期 CC型电缆接头 0。 精密化 c可靠性 c价格 c。

交货周期 ccl(01)Cz(O1)c3(O1)f4(O1)cl(02)c2(O2)C3(02)f4(Oz)1(03)C2(3)c3(03)c4(03)这里耿散出 A型、B型、C型 3种电缆接头以供筛选。

该接头开发平 台具有-个 比较重要 的特点 ，即系统的使用次数越多 ，使用时间越久 ，用户提交 的设计方案越多 ，其数据库将会越来越完善和强大 ，从而达到发散的目的.用户也可 以对所有方案进行管理 ，界面如图 5所示。

图 5 数据管理界面Fig.5 Data management interface2.2.2 电缆接头设计的菱形思维收敛过程根据发散方法得到的多种方案需要进 行评价 ，从而获得最优方案 ，实现思维的收敛过程.目前常用的收两法有真伪信息判别法 、优度评价法 、模糊意446 东华大学学报(自然科学版) 第39卷见集中法等，这里主要运用优度评价法，其基本流程如图6所示。

图 6 优度评价法 的基本流程Fig.6 The basic flow of priority degree evaluation method本例由可拓学发散树方法共得到 3种 电缆接头设计方案，以这 3种方案为优度评价对象，通过使用可拓学优度评价方法 ，对 电缆接头方案集 己，进行优度评价，从而实现思维收敛过程，得 出最佳选择方案。

(1)确定衡量条件.对于 3种 电缆接 头选择方案，每种方案有 4个衡量条件，分别为精密化 c 、可靠性 c 、价格 C。、交货周期 C ，得到衡量条件集为M - (C1， 1)(C2， 2)(c3， 3)(f4， 4)。

表 1 3种选择方案评价指标量值Table 1 Evaluation index values of the three choices(2)数 据预处理.为 了达到能够量化评 价的 目的，若有定性的指标 ，则需首先采用-定方式把它数量化 ，对于评价指标 c 和 C ，这里采用模糊量化思想将其量化为 9级 ：最低 、很低 、低 、较低、-般、较高 、高、很高、最高，分别对应值为 0，0.125，0.250，0.375，0.500，0.625，0.750，0.875，1.000.同样对评价指标 c。和 C 进行量化，由于这两个指标变化区问较大 ，且在评价 中不确定最小值最优还是最大值最优，-般采用式(5)或(6)将它转化为单方向最优 ，这里采用式(5)最小值最优 的方式处理。

最小值最优的指标 ： - (5)最大值最优的指标： Y - 五X i (6)其中：z 和 Y 分别为处理前 与处理后 的数据 ； 为比例因子，用于调节数值范围，这里取 -0.95。

数据预处理后的3个方案所对应的数值物元分别为M ，M 。-M -01 C1C2C3C402 1C2f3c4-03 1C2C364O.625-0.875O.7130.633O.7500.5O0O.95O0.422O.8750.2500.814O.95O(3)确定权系数.评价不 同方案 M，( - I，2，， )优劣的各衡量条件 J ，I ，，j 存在轻重之分 ，以权系数来表示各衡量条件的重要程度.对于必须满足的条件(设为 )，用指数 以来 表示，对于其他衡量条件，则依据重要程度分别赋以 [O，1]之间的权系数值 ，记为 a- (a ，a。， ，a )，其 中，若a -A，∑a -1。

1权系数的大小对于优度的高低具有举足轻重 的作用 ，不 同的权系数会得 出不 同的结论，引起被评价对象优劣顺序的改变 ].但是 ，由于权系数往往 由人为确定 ，因此 ，伴随而来的主观 随意性就不可避免 ，这就容易使得评价结果 的真实性 和可靠 性受到影响.为了尽量合理地确定权系数 ，可以使 用 AHP法来确定衡量条件 间的相对重要 性次序 ，从 而确定权系数 。

依据 AHP法原理口 ，首先构建层次模型，再根据每个条件在 电缆接头设计 中的重要程度 的差别 ，确定两两因素之间的相互比率，采用 1～9比率的标度方法，即用 1，1/3，1/5，1/7，1/9或者 1，3，5，7，9来表示某-因素相对于另- 因素 的重要 程度。

1”说明这两个因素具备相同的重要程度，3”说明其中-个要比另-个稍微重要，5”说明其中-个要比另-个 明显重要 ，7”说明其中-个要 比另-个非常的重要 ，9”说 明其 中-个要 比另-个 极其 的重要E ].因素甲比因素 乙重要标度 为 i，则 乙比 甲为第4期 张 鑫，等 ：基于菱形思维的电缆接 头快速设计 系统 4471/ 。

本方案两 两评价 指标之 间 的相 对 比率 如表 2所示。

表 2 相对 比率.1'able 2 R'elative ratio采用 AHP法构造出判别矩阵 H，即l/51/311/31/3131利用 AHP法 中的幂法 ，归- 化后得到权 系数向量为口 (口1，a2，口3， 4)(0.219 3，0.279 1，0.182 7，0.318 9)(4)建立关联 函数并规范化.关联 函数是表示元素适 应性 程 度 ，用来 定 量 描 述 矛 盾 程 度 的工具 .由于精 密化程度 为离散数据 的集合 ，取 电缆接头精密化的关联函数为K1( )-0，0.125，0.25O。

0.750，0.875，1.000，- 最低- 很低z- 低z- 较低- - 般 (7)- 较高.72- 高- 很高z- 最高其中： 为电缆接头精密化等级。

关于电缆接头价格在规定范围内的关联 函数为K。- 二 ， (8)- Umi其中：U为电缆接头价格 ； 和 分别 为所延头中最贵、最便宜的价格。

类似地也可建立电缆接头可靠性、交货周期的关联 函数分别为 K。( )和 K ( )，其 中，Y为 电缆接头可靠性等级 ，z为电缆接头交货周期。

将 3种设计方案的关联函数值规范化处理为K1 - (志11， k1 2， kl3) - (O.625， 0.750，0.8'75)，K2 - (尼21， k22， 志23) - (0.875， 0.500，0.250)。

K3- (正3I，志32，是33)K4- (走4l，k42，志43)- (0.600，0，1.000)。

(5)计算优度.实际上 ，这里 的优度也就是各个方案在通过上述几个步骤处理后 ，经 过定量化得到的各个方案优 劣 的-个量 化值.由权系数 向量得 ：叫l(o)- 0.219 3，叫2(0) 0.279 1， 。(0) 0.182 7，训 (0)- 0.318 9。

电缆接头 M 的优度为V(M1) > 叫 k 1-0.572 6i- I同理，电缆接头 MI2和 M的优度分别为 V(M。)- 0.486 7， (M3)- 0.671 9。

显然，C 型 电缆 接 头 综 合 性 能 最 好 ，为首 选方案。

事实证明，该评 价结果 与实 际设计 中的所选方案十分吻合，且可靠性非常高。

实际应用中，以金属软管接头为例 ，用户首先填好项 目参数 (如 图 7所示)，-般情况下用户输人大部分参数，空余部分参数，这样筛选速度更快且更可靠 ，然后点击 自动选择，系统就会从数据库中检索 出符合要求的所有方案数据 ，进而系统根据上文思路编写的后台代码智能判断出优度最高、最符合要求的方案数据 ，导出到程序界面，实现思维收敛.当然若用户认为现有数据还是不符合要求 ，可以进行手动更改，并进行下-步操作.具体系统界面如图 8所示。

设备有限公司金属软管 电缆接头快遗设计系统㈣ 黪嬲. 1- - 蔓 ：囝 e m -Ba； 。 ( )厦L ∞ 5 In)g 舞捞 ! j 壅夏函 蠢 蠹 矗图 7 项 目参数界面Fig.7 Pn嘶ect parameters interface(下转 第 486页)1 1 3 1 nlIH486 东华大学学报(自然科学版) 第39卷统-的标注基准。

3 结 语在应用 VB和 Inventor生成二维工程图样的过程中，添加各种各样的标注和符号的工作量很大，而标注和符号 的添加是 以视 图中的线条定位为基 础的 ，采用合适的线条定位方法是决定标注准确 、方便的关键环节.本文提 出的线条人工序号 的概念及编排方法，有效解决 了系列化零部件设计过程中由于系统序号不稳定所产生的问题，使每个线条有了固定的人工序号 ，保证 了工程图样 中各种标注和符号的添加位置 的准确性 ，有助 于进-步完 善 Inventor的二次开发系统 ，提高系统的实用性。