從 設 計 簡 述 的 語 意 建 構 產 品 功 能 模 型
Generation of Function Structures from Semantic Views
計 劃 編 號 : N S C 8 8 - 2 2 1 2 - E - 0 0 2 - 0 6 8 執 行 期 限 : 8 6 年 8 月 1 日 至 8 7 年 7 月 3 1 日 主 持 人 : 尤 春 風 y o u @ w 3 . m e . n t u . e d u . t w 執 行 單 位 : 臺 灣 大 學 機 械 系
一 、 摘 要
本 文 提 出 系 統 化 的 電 腦 化 流 程，進 行 功 能 結 構 的 合 成。合 成 的 過 程 分 為 兩 階 段。第 一 階 段 將 設 計 問 題 以 設 計 簡 述 的 形 式 表 達，透 過 設 計 知 識 為 導 向 的 語 料 庫 以 進 行 解 譯，轉 換 為 以 動 詞 及 名 詞 為 核 心 的 功 能 導 向 要 求，並 釐 清 設 計 屬 性 及 功 能 項 目 ， 建 立 初 步 功 能 模 組。第 二 階 段 先 建 立 功 能 模 組 內 部 的 功 能，再 以 功 能 模 組 合 成 整 體 的 功 能 結 構，最 後 將 功 能 結 構 內 部 功 能 之 間 的 連 結 關 係 記 錄 成 文 字 檔 案 形 式。文 中 舉 出 桌 上 鑽 床 的 設 計 例，推 演 其 主 要 的 功 能 結 構，並 驗 證 本 流 程 的 可 行 性 。 關 鍵 詞：設 計 方 法、概 念 設 計 、 功 能 結 構 、 功 能 模 組 、 設 計 簡 述 、 語 料 庫Before establishing the function
structure, the design briefs with design
concepts are interpreted. The semantic
libraries are included to aid analyzing
design
attributes.
Comparing
the
keywords from the interpretation and
functional specification in the library of
the default product, a reference model is
selected. After the characteristics of the
input and output are matched with the
reference model, elementary functional
modules are built. Functional module
consists of functional units, including a
core function, boundary functions for
input and output, and also some auxiliary
and
transient
functions.
After
the
relationships between functional modules
are
clarified,
functional
units
are
connected together in their boundaries. At
last, a functional structure that satisfies
the original design needs is established. A
drill press
is used as an example to verify
the feasibility of the algorithm.
Keywor ds: function structure, function
synthesis, functional module,
functional unit, design brief.
二 ､ 計 劃 緣 由 及 目 的
傳 統 的 機 械 設 計 領 域 裡，因 研 究 性 質 的 不 同 及 領 域 的 劃 分，可 大 致 分 成 機 械 元 件 的 設 計 和 機 構 的 合 成 設 計。論 其 設 計 的 目 的 都 是 針 對 特 定 的 需 求，以 明 確 的 設 計 目 標，利 用 已 知 的 知 識 ， 合 成 出 滿 足 原 始 要 求 的 實 體。設 計 任 務 接 續 的 執 行 過 程 ，近 代 有 學 者 Cr o s s[1 ]、P a hl & B e i t z[2 ]曾 歸 納 系 統 化 的 工 程 設 計 流 程，便 於 掌 握 設 計 的 步 驟 及 增 進 設 計 效 率 。 設 計 流 程 可 以 區 分 為 概 念 設 計 及 細 部 設 計 兩 階 段。細 部 設 計 可 以 透 過 設 計 經 驗 的 累 積，知 識 庫 的 支 援 ， 以 增 進 設 計 的 效 率；概 念 設 計 需 要 仰 仗 設 計 者 的 合 成 創 造 能 力，比 較 不 容 易 透 過 電 腦 的 輔 助 達 成。概 念 設 計 的 流 程 包 含 目 標 與 問 題 邊 界 的 確 立、功能 的 合 成 與 初 步 實 體 的 合 成 等 階 段 。 8 0 年 代 起 ， 設 計 方 法 [ 1 , 2 , 3 , 4 ] 的 理 論 漸 趨 成 熟 ， 學 者 嘗 試 提 出 系 統 化、結 構 化 的 設 計 步 驟，用 以 規 劃 產 品 開 發 各 階 段 中 的 設 計 工 作，建 立 較 能 掌 握 的 流 程，提 升 設 計 的 品 質 及 效 率 。 美 國 空 軍 [5 ] 在 1 9 8 1 年 訂 定 了 簡 稱 I DE F的 規 範。在 I DE F 0的 規 範 模 型 中，用 流 程 進 行 順 序 的 觀 點，將 概 念 設 計 表 達 為 方 塊 串 接 的 結 構。流 程 進 行 的 架 構 可 以 依 據 訊 息 流、產 品 流 建 構 。 L i、 T a n、 及 C h a n [ 6 ] 曾 提 出 定 性 及 啟 發 示 的 概 念 合 成 方 法。利 用 既 存 的 機 構 類 型 資 料 庫 ， 配 合 設 計 的 規 範，找 到 數 種 組 合 情 況 的 設 計 解 。在 其 提 出 的 定 性 的 元 件 (d ev ic e) 資 料 模 組 中 ， 每 一 元 件 包 含 輸 入 、 輸 出 、 相 互 關 係 、 控 制 等 資 料 項 。 抽 象 功 能 層 面 的 合 成 ， H undal 及 B yr ne[7 ]曾 提 出 系 統 化 的 方 法 ， 透 過 電 腦 的 輔 助，達 到 建 構 功 能 方 塊 圖 之 目 的，他 們 將 輸 出 入 的 介 質 分 為 能 量 、 物 質 、 訊 號 三 大 類 ， 並 歸 類 出 主 要 的 六 大 類 功 能，各 類 功 能 中 包 含 許 多 明 確 的 細 項 機 械 功 能 。 圖 1 中 的 設 計 簡 述 (d es i gn b r ie f) 是 以 簡 單 的 語 句 表 達 原 始 設 計 概 念，當 作 設 計 任 務 下 達 的 工 具 ，分 析 的 原 始 資 訊。整 體 內 容 歸 納 為 以 下 幾 點 ： 設計簡述 語意解析 釐清外顯特徵及功能屬性 求取核心功能 建立基本功能結構 功能模型 Functional Model 建立細部功能結構 搭配限制條件 語句基本架構 機械層面功能屬性 主要輸入與輸出 核心功能 功能結構 Function Structure 基本功能單元與限 制條件 設計概念
圖 1 系 統 架 構 圖
( 1 ) 產 品 的 外 顯 特 徵 或 是 內 在 結 構 上 的 含 義 乃 透 過 英 文 特 定 的 語 法 結 構 表 達 。 ( 2 ) 語 句 的 解 譯 透 過 句 型 資 料 庫 及 單 字 語 料 庫 做 比 對，找 到 核 心 語 意 及 相 關 衍 生 語 意 。 ( 3 ) 對 於 特 徵 屬 性 的 表 達 ， 參 考 已 知 的 功 能 模 型，避 免 表 達 的 不 周 全 或 遺 漏 基 本 的 設 計 特 性 。 ( 4 ) 透 過 功 能 銜 接 的 資 料 庫 ， 使 輸 入 與 輸 出 和 核 心 功 能 逐 步 相 連 接。比 對 預 設 的 局 部 功 能 結 構 ， 使 功 能 結 構 中，基 本 功 能 單 元 間 的 相 連 關 係，賦 予 實 際 的 機 械 設 計 意 義 。三 ､ 研 究 方 法
本 文 著 眼 於 機 械 產 品 的 概 念 設 計 過 程 裡 ， 問 題 的 推 演 以 及 功 能 結 構 的 建 立 。 本 段 處 理 的 部 分 屬 於 設 計 問 題 釐 清 及 歸 納 設計 方 向 ，
目 的 在 針 對 設 計 需
求
， 建 構 產 品 初 步 的 功 能 模 組 ， 其 方 法 共 分 兩 方 面 進 行 ； 其 一 ， 利 用 簡 單 語 句 ， 表 達 設 計 上 的 需 求 ， 或 是 產 品 的 外 顯 特 徵 以 及 內 在 運 作 上 的 含 義 ； 其 二 ， 區 分 產 品 設 計 的 功 能 架 構 類 型 ， 輔 助 主 功 能 結 構 之 建 立 ， 及 設 計 重 點 的 掌 握 。 圖 3 說 明 由 產 品 類 別 及 特 徵 敘 述 推 演 初 步 功 能 模 組 的 流 程 。 設 計 概 念 表 達 的 形 式 可 以 透 過 限 定 語 法 的 表 達 加 以 規 範，以 簡 潔 明 確 的 語 句 陳 述 設 計 的 目 標 或 內 容。設 計 要 點 乃 根 據 設 計 經 驗，由 設 計 要 求 對 應 到 機 械 功 能 項 目，這 些 機 械 功 能 項 目 是 概 念 合 成 的 目 標 。 3 . 1 設 計 簡 述 與 設 計 要 點 表 達 設 計 簡 述 的 表 達 和 語 意 表 達 的 原 理 有 關 ， 主 要 內 容 為 原 始 設 計 概 念。設 計 概 念 是 由 發 現 需 求 者 提 出 ， 由 具 備 機 械 設 計 知 識 背 景 者 將 原 始 的 需 求 內 容 轉 換 到 機 械 設 計 應 予 考 量 的 因 素。敘 述 機 器 的 功 能 現 象 時 ， 描 述 者 的 思 維 涉 及 以 往 對 機 器 的 認 知 經 驗，透 過 想 像，提 出 新 產 品 設 計 上 的 功 能 需 求，這 是 產 品 概 念 表 達 的 粗 略 過 程 。 設 計 需 求 涵 蓋 多 種 層 面 ，表
達 的 方 式 可 以 用 基 本 單 字 及
片 語
， 所 謂 基 本 單 字 及 片 語 是 依 據 以 往 設 計 涉 及 的 關 鍵 字 ， 統 一 整 理 後 ， 當 作 表 達 用 字 的 規 範 。 需 求 的 表 達 可 以 模 仿 ， 因 為 語 言 在 使 用 上 ， 可 以 改 變 類 似 結 構 的 語 句 ， 更 換 可 替 換 的 字 ， 表 達 的 架 構 維 持 不 變 。 3 . 2 設 計 簡 述 的 初 步 解 譯 解 譯 的 目 的 在 找 尋 對 應 的 設 計 要 點 及 功 能 特 點，衍 生 為 產 品 局 部 的 功 能 模 組，以 便 功 能 模 組 互 相 合 成 產 生 產 品 功 能 結 構。本 節 先 討 論 解 譯 第 一 階 段 的 初 步 流 程，目 的 在 找 到 原 始 語 句 的 語 句 結 構，按 照 語 句 結 構 決 定 關 鍵 字 與 片 語 。 3 . 3 進 階 解 譯 解 譯 的 第 二 階 段 主 要 在 找 尋 產 品 的 初 步 功 能 模 組。因 為 設 計 簡 述 的 功 能 要 求，無 法 包 含 產 品 整 體 的 設 計 要 求，此 階 段 引 入 產 品 參 考 模 型 ，減 少 遺 漏 設 計 要 點，產 品 參 考 模 型 的 資 料 架 構 如 圖 6 所 示。圖 8 列 舉 四 種 產 品 基 本 類 型。複 雜 的 設 計 系 統 可 以 用 此 四 種 基 本 類 型 合 成 複 合 式 的 主 功 能 結 構 。 本 段 說 明 如 何 由 功 能 導 向 需 求 對 應 到 機 械 設 計 採 取 的 手 段 上，借 助 參 考 模 型，找 到 機 械 設 計 的 屬 性。例 如 平 穩 度 的 維 持 、 垂 直 度 、 力 的 平 衡、扭 矩 的 傳 遞 等。由 功 能 導 向 設 計 需 求 配 合 參 考 模 型 推 演 出 設 計 屬 性。例 如 桌 上 鑽 床 的 主 要 功 能 導 向 要 求 為 d r il l ho l es ， 功 能 輸 出 項 目 為 鑽 切 扭 矩 及 進 給 力 量，銜 接 介 面 功 能 為 力 的 傳 遞 、 扭 矩 的 傳 遞 等 。 3 . 4 初 步 功 能 模 組 以 上 進 階 解 譯 所 得 的 主 要 功 能 項 目、銜 接 介 面 功 能、設 計 屬 性 等 可 以 組 合 成 初 步 功 能 模 組。初 步 功 能 模 組 乃 產 品 功 能 推 演 的 單 位，以 功 能 導 向 要 求 的 功 能 項 目 為 中 心，在 模 組 的 介 面 安 排 處 理 輸 入 與 輸 出 的 功 能 項 目 。 依 功 能 的 性 質 以 及 在 功 能 模 組 中 扮 演 的 角 色 ， 可 以 區 分 為 核 心 功 能 、 過 渡 功 能 、 輔 助 功 能 及 介 面 功 能。依 功 能 的 複 雜 度，可 以 區 分 為 高 階 功 能 及 低 階 功 能。低 階 功 能 為 機 械的 基 本 功 能，在 實 際 解 的 資 料 庫 中 可 以 找 到 搭 配 特 定 限 制 條 件 的 解。高 階 功 能，在 實 際 解 資 料 庫 中 找 不 到 直 接 對 應 的 解，經 過 功 能 細 分 化，可 以 變 成 低 階 功 能 的 組 合，例 如 自 動 量 測 、 自 動 排 列 、 衣 服 脫 水 、 剪 草 、 爬 樹 、 擦 黑 板、自 動 上 鎖、自 動 調 節 溫 度 等 屬 於 高 階 功 能 。 機 械 設 計 是 實 體 合 成 的 設 計，必 需 考 慮 實 體 的 動 力 特 性 ( 例 如 ， 力 的 平 衡 ) 、 動 作 先 後 順 序 的 控 制 、 量 的 控 制 ( 例 如 ， 進 給 功 能 中 的 衝 程 控 制 ) ， 滿 足 模 組 邊 界 的 條 件 。 桌 上 鑽 床 的 初 步 功 能 模 組 範 例 。 如 果 由 產 品 參 考 模 型 不 能 找 到 對 應 的 核 心 功 能，只 有 輸 入 輸 出 類 型 時，初 步 功 能 模 組 只 包 含 處 理 輸 出 入 介 面 的 功 能。如 果 只 有 核 心 功 能，但 沒 有 對 應 的 輸 出 入 的 功 能 屬 性 或 參 數 時，例 如 設 計 簡 述 中 只 提 到 攪 拌 的 主 要 功 能 要 求，沒 有 提 到 受 攪 拌 的 物 質 之 特 性 或 攪 拌 前 後 物 質 的 變 化 等，則 缺 乏 推 求 輸 出 入 介 面 功 能 的 條 件 。 3 . 5 功 能 結 構 的 建 立 本 段 主 要 在 探 討 如 何 將 初 步 功 能 模 組 中 主 要 的 功 能 項 目，細 分 成 基 本 的 功 能 單 元，並 討 論 功 能 單 元 之 間 的 連 結。如 果 把 功 能 結 構 劃 分 為 功 能 模 組 區 塊，則 產 品 整 體 功 能 結 構 可 以 視 為 不 同 功 能 模 組 之 間 的 結 合。功 能 模 組 包 含 核 心 功 能，介 面 處 理 功 能 及 輔 助 功 能。如 果 核 心 功 能 不 屬 於 基 本 功 能，稱 之 為 高 階 功 能。功 能 模 組 靠 銜 接 介 面 的 功 能 和 外 界 相 接，依 銜 接 方 式 不 同 ， 形 成 不 同 形 態 的 功 能 模 組 。 3 . 5 . 1 功 能 類 型 與 基 本 功 能 功 能 類 型 依 處 理 的 介 質 形 態 來 區 分，分 為 能 量、物 質、訊 號 等 三 類 。 機 械 設 計 有 關 的 功 能 項 目 很 多，可 以 依 功 能 特 徵 再 細 分 為 幾 大 類 [7 ] ， 機 器 內 部 的 功 能 可 以 分 為 和 動 態 運 作 有 關 的 動 態 功 能，動 態 功 能 常 常 透 過 靜 態 的 功 能 輔 助，例 如 旋 轉 動 力 傳 遞 屬 於 動 態 功 能 ， 輔 助 功 能 為 支 撐 功 能，屬 於 靜 態 功 能。機 械 元 件 可 以 區 分 為 動 態 元 件 及 靜 態 元 件 。 3 . 5 . 2 高 階 功 能 如 果 設 計 屬 性 不 是 基 本 功 能 項 目，且 功 能 資 料 庫 中 沒 有 此 高 階 功 能 對 應 的 實 際 解，則 採 取 功 能 分 解 的 方 式，拆 解 為 基 本 功 能 的 組 合。功 能 拆 解 的 方 法 歸 納 為 以 下 兩 種。其 一，先 將 功 能 前 後 的 輸 入 與 輸 出 項 目 釐 清，如 果 可 以 找 到 輸 入 與 輸 出 之 間 過 渡 的 屬 性 或 參 數 狀 態，則 可 以 反 推 其 中 經 過 的 處 理 流 程，由 資 料 庫 中 尋 找 可 能 的 功 能 項 目 。 3 . 5 . 3 功 能 模 組 的 形 態 功 能 模 組 的 核 心 功 能，源 自 功 能 導 向 需 求 的 關 鍵 詞。功 能 模 組 的 型 態 由 此 四 種 基 本 型 態 細 分 ， 表 2 列 舉 幾 種 功 能 模 組 的 型 態，每 一 類 可 以 依 核 心 功 能 的 不 同 再 細 分。如 果 把 功 能 之 間 的 銜 接 和 回 文 針 的 連 接 形 狀 相 比，則 可 以 區 分 為 單 鏈 式、含 支 鏈 的 單 主 鏈 式、多 主 鏈 式、含 閉 迴 路 之 主 鏈 等 構 型 。 3 . 5 . 4 功 能 模 組 的 結 合 功 能 模 組 依 不 同 的 組 合 方 式 可 以 形 成 不 同 形 態 的 功 能 結 構。本 文 中 限 定 支 鏈 中 功 能 的 層 數 最 多 為 2 ， 因 為 支 鏈 要 表 達 的 是 輔 助 功 能 或 介 面 功 能，一 般 的 情 況，輔 助 功 能 不 需 要 做 功 能 細 分 化 ， 所 以 只 有 一 層 。
amplify force transmit 力 transform transform 力、位移 過渡功能 過渡功能 support guide 輔助功能 輔助功能 進給功能模組 輸入介面功能 輸出介面功能 transform energy 輸入介面功能 change speed 核心功能 transmit transmit 動力源處理功能 輸出介面功能 support support 電壓 電流 轉速 扭矩 轉動動力功能模組 輔助功能 輔助功能 synthesize force 運動合成力量 合成模組 進給力 整體功能結構 位移 切削扭矩
