机械运动方案设计的状态空间方法

提出了机械运动方案设计的状态空间方法,以基本变换单元为基础,建立了运动变换状态方程,提取了输入与输出特征矢量、运动传递函数与特征值,讨论了对偶矢量、状态变换矩阵及状态空间的性质,得到状态空间中运动变换特征矢量的运算规则,实现了把串联机械系统的运动方案设计问题转化为输入输出运动特征矢量在状态空间中的单环路径规划问题,通过状态空间中不同对偶点的连接方式可以获得相应的运动方案设计可行解,为机械运动方案设计提供一种新的有效方法。     

CT导航并联机器人构型设计及分析

为满足医疗上的任务灵活空间的要求,提出了一种新型的机器人机构,并从定义上考证,确定为单闭链并联机器人构型.文中用螺旋理论的矢量形式表示了运动输出特征方程,根据机器人机构拓扑结构理论分析了机构的活动度,同时通过公式对任务灵活空间进行了分析,绘制了动平台空间姿态随参数变化的规律表,提出了影响并联机构任务灵活空间的关键参数.对并联机器人构型的设计提供了一种理论上的参考.     

机械系统功能行为合成与创新

功能作用原理创成能力不足是制约功能综合法获得新颖创新性概念设计方案的关键。针对机械系统行为特征,以基础行为片段集表达常用复杂机械系统的运动行为,给出了一种基于粒度、商结构和商属性等价关系的商空间论域合成功能综合方法。不同等价划分原则,得到不同功能构型方案。为使合成的子功能满足时间有序性与空间连续性要求,对粒度等价划分方案分别进行时序等价关系划分与空间等价关系划分,基于商结构合成方法,得到两商空间的合成空间,使获得的功能方案能够在时间与空间上连续有序地实现设计功能,为结构层创成新颖优化的机械系统结构方案,提供优化的功能构型。     

液压系统方案设计的能量特征状态模型

提出液压系统方案设计的能量特征状态模型。以定性矢量的形式描述液压系统的能量特征,将一个完整的液压系统分解为若干个单动作子系统进行设计;将液压元件与其在系统回路中的使用方式相结合定义两类基本变换单元作为新的系统设计功能选择单元,并以功能分析为基础构建两类基本变换单元的定性矩阵表达;建立单动作子系统方案设计模型,将单动作子系统方案设计问题转化为模型空间内的矩阵分解与匹配。通过具体设计实例验证该方法的可行性与有效性。     

基于状态空间方法的机械运动方案设计的综合求解及算法实现

依据机械运动方案设计的状态空间理论,实现了把串联机械系统的运动方案设计问题转化为对偶矢量的分解,进而转化为状态矩阵的分解,通过组合状态矩阵对应的基本变换单元获得相应的运动方案设计可行解。在此基础上,建立了方案设计的知识库,并转换为相应的数据结构,提出了求解过程中运动的类型方向、变换特征分解及综合求解算法。最后,通过一个设计实例验证了状态空间方法的有效性。     

混联机械系统方案设计特征状态空间理论与方法

提出混联机械系统运动方案设计与综合的运动功能特征状态空间理论模型。构建混联运动功能特征状态空间,转换设计空间对象到特征状态空间元素,分析特征状态空间构成要素的空间关联关系。进一步探讨空间及其元素性质,研究对偶矢量间运算规则和度量方式,形成抽象有序的封闭空间框架。总结特征状态空间与设计解空间相互映射的方案综合理论,实现运动功能分析的数学求解模式,得到特征状态空间理论对系统设计的运用指导过程。设计实例说明该方法的可行性和实用性。     

两视图的平面体构型思路和方法

组合体的构型设计有利于开发空间思维,培养和提高想象力和创造力.针对两视图的平面体构型问题,在逻辑思维基础上,即以基本体为主,利用各种叠加、切割以及不同形式的组合思维方式来构思组合体,并提出了因组合体空间位置不同出现的同一形体的重复构型结果判断方法.大量案例证明,该构型方法思路清晰,简单快捷,组合全面.该构型思路和方法对创新意识和构型创新设计能力的培养具有指导意义.     

基于筋板式基结构的大口径空间反射镜构型设计的拓扑优化方法

针对大口径空间光学反射镜对轻量化的需求,提出了基于筋板式基结构的大口径空间反射镜构型设计的拓扑优化方法.该方法利用基结构拓扑优化的思想,将反射镜初始设计域限定为筋板式的反射镜基结构,通过各筋板的有无描述结构构型的变化.首先,借鉴连续体结构拓扑优化的思想,以壳单元离散筋板结构,以加筋板各单元的相对密度为设计变量(通过相对密度取1或0,描述该单元所在区域的筋板是否存在),以光轴竖直工况下镜面面形误差为设计约束,镜体的质量最小为优化目标,建立了镜体结构构型设计的拓扑优化模型;然后,以拓扑优化所得构型为基础,提取并形成结构概念构型;最后,采用有限元法进行动静刚度分析与光学性能分析,并对结构进行修正,形成性能更好、满足要求的反射镜轻量化结构创新构型.文中的设计实例得到的反射镜镜面面形误差PV值小于λ/10,RMS值小于λ/40,第一阶自振频率大于1 000 Hz,轻量化率达到86.0％.得到的结果验证了本文方法的有效性.     

3-RPC型柔顺并联机构结构设计

针对目前并联机构精度低,无法满足高精度要求的现状,提出对传统并联机构进行优化设计。首先,以传统并联机构构型3-RPC为基础建立微分运动矢量映射关系Jacobian矩阵。建立空间3-RPC柔顺并联机构的拓扑优化SIMP模型并运用OC算法求解,将实体模型导入有限元软件中进行拓扑优化设计。其次,在Ossmouth中对优化好的构型进行过滤及光顺处理并导出进行二次建模。最后,运用曲线拟合方法对拓扑后的构型轮廓进行拟合修正,采用Solid Works软件建立其拟合修正后的模型,进而通过Hyper Works有限元软件对机构进行静力学分析。仿真结果表明:与同构型的传统并联机构相比,拓扑优化后的空间柔顺并联机构具有相同的微动特性,因而验证了空间并联机构的拓扑优化设计方法的有效性。     

3-RPC型柔顺并联机构结构设计

针对目前并联机构精度低,无法满足高精度要求的现状,提出对传统并联机构进行优化设计。首先,以传统并联机构构型3-RPC为基础建立微分运动矢量映射关系Jacobian矩阵。建立空间3-RPC柔顺并联机构的拓扑优化SIMP模型并运用OC算法求解,将实体模型导入有限元软件中进行拓扑优化设计。其次,在Ossmouth中对优化好的构型进行过滤及光顺处理并导出进行二次建模。最后,运用曲线拟合方法对拓扑后的构型轮廓进行拟合修正,采用Solid Works软件建立其拟合修正后的模型,进而通过Hyper Works有限元软件对机构进行静力学分析。仿真结果表明:与同构型的传统并联机构相比,拓扑优化后的空间柔顺并联机构具有相同的微动特性,因而验证了空间并联机构的拓扑优化设计方法的有效性。     

张拉整体基本形体稳定构型理论

提出用统一的几何参数描述一维、二维、三维不同空间维数结构,通过几何参数变化,实现不同维数结构的无缝演化。以基本形体结构的几何参数和分形参数为基础,提出应用节点力平衡法,构建张拉整体基本形体稳定构型理论。建立了主分形参数与辅助分形参数及构件空间位置、结构几何参数的数学分析模型。确立出主分形参数与辅助分形参数构建自应力稳定基本单元结构,必须满足的映射关系。分析得出自应力稳定状态下,各个构件力密度间的函数关系。应用节点广义坐标结合构件连接矩阵、构件内力密度、系统力平衡,编写Matlab程序;输入基本体包络几何参数和主分形参数,程序即可自动完成辅助分形参数确定及所有构件矢量计算及其空间布置方式,实现自应力稳定基本单元自动构型。对于不同的分形参数构建起的自应力稳定结构进行分析比较,给出分形参数与结构几何参数、力密度、辅助形体参数之间的函数关系及变化趋势。     

基于知识重用的开关柜设计技术研究

为更好地利用已有的开关柜设计知识提高产品设计效率,分析了开关柜产品的结构特点和设计知识特点,提出了开关柜产品的整机及功能元知识的表达方法,并给出了功能模块的配置规则及范例相似性判别准则.进一步分析了开关柜的配置设计知识的组成及实现配置的方法,采用基于范例推理和配置规则技术,建立了一个开关柜辅助设计系统,并给出了HXGN-12型开关柜设计的应用实例.实例表明,该系统在缩短产品设计时间等方面是有效的.     

轻质点阵结构的参数化建模及力学性能研究

针对点阵材料结构设计困难的问题,建立了由长方体空间衍生的胞元结构数学模型,并构建了胞元结构和试件的参数化模型及力学性能研究系统。对5种典型胞元构成的试件通过改变胞元尺寸大小及数量或支柱截面半径,使其具有相同几何形状、外形尺寸以及质量;采用有限元法分析试件分别受到拉伸/压缩、弯曲、扭转载荷及模态的力学性能。通过研究得到胞元结构试件力学性能的数据,提出在各种载荷下点阵材料的设计方法,并通过实例验证该方法的正确性及可靠性。     

A Heuristic State–Space Approach to the Functional Design of Mechanical Systems

This paper presents a knowledge-based approach for automating the functional design of mechanical systems. By using our proposed automated functional reasoning strategy, which is based on a heuristic search method, a set of physical behaviours can be reasoned out automatically from the desired functions. The interconnection of these behaviours is possible when the functional outputs of one are compatible to the corresponding functional requirements of the next one. Though the design space for behavioural configuration is very large, by defining its heuristic evaluation function as a fuzzy multicriteria decision-making (FMCDM) problem, the proposed heuristic search method can lead to a near optimum design solution in a reasonable time. A case study for the automated functional design of an automatic assembly system is given to illustrate the operation of the proposed heuristic search method, and to show its effectiveness in functional reasoning and optimizing the final design.     

六足机器人整机运动学分析及构型选择

六足机器人整机构型设计和整机运动学模型是机器人样机研制和行为控制的基础。利用GF集理论阐明了六足机器人整机构型设计的实质即为解决机械腿在机身平台上的布局问题,并基于仿生学原理给出了5种整机构型。介绍了一种三自由度并联驱动腿部机构,并利用闭环矢量链及求导的方法建立了基于该腿部机构的六足机器人整机运动学模型。本文给出了六足机器人整机运动学理论及仿真算例,推导出了速度、加速度的理论值及仿真值的拟合图。拟合结果表明:角速度、角加速度的理论值与仿真值的最大误差量级分别为10~(-2)(°)/s和10~(-3)(°)/s~2,验证了理论模型的正确性。基于该理论模型,绘制了不同构型下该并联驱动腿的六足机器人的工作空间分布图,选择了工作空间较大的两种整机构型,并对这两种构型下的六足机器人的运动学性能进行对比分析,选择了一种能够更好发挥该腿部机构综合运动能力的整机构型。本文的研究为该六足机器人的后续研究奠定了理论基础。所使用的整机运动学建模方法对其他六足机器人也实用。     

多目标评价方法在高速公路养护机械配置中的应用

结合高速公路养护机械配置的实际状况,运用德尔菲法和层次分析法相结合的方法,建立养护机械配置方案评估模型和评价体系,并采用模糊综合判断法进行实例验证,将公路养护机械中一些定性问题转化为定量问题,使公路养护机械配置评价具有可比性与可行性,从而促进公路养护施工机械化整体水平的提高.     

空间相机碳纤维框架的设计与优化

设计了一个应用于轻小型空间相机的碳纤维框架。根据光学系统中各光学元件的空间分布特点,通过比较选择结构性能和工艺性能优异的M40J碳纤维复合材料完成了相机框架的结构设计,并使用TC4预埋镶嵌的方法解决了碳纤维框架接口精度低的问题。对碳纤维框架进行区域划分,采用集成仿真与优化设计方法、遗传算法全局寻优与单纯型下山法局部寻优的组合优化策略对碳纤维框架各区域结构参数进行优化设计。经过优化,碳纤维框架包含TC4预埋件的总质量为15.6kg,仅占相机整机质量的18.4%,相机的一阶频率达104.8Hz。最后通过力学环境试验得到相机整机一阶频率为102Hz,与仿真结果相符,进一步验证了设计的合理性和正确性。文中提出的碳纤维框架方案对轻小型空间相机设计有一定的借鉴意义。文中所采用的优化方法可广泛应用于空间相机光机结构设计中,能大幅度提高设计效率,缩短研制周期。     

基于MATLAB的空间曲线啮合传动机构设计计算系统

在微小弹性啮合轮传动机构的设计计算中,空间啮合曲线的设计计算是最基本的设计计算.在前期研究已经建立的空间啮合曲线方程基础上,基于MATLAB系统建立了一个通用的空间曲线啮合传动机构的设计计算系统,该系统为空间啮合曲线的设计计算提供一个基础平台.通过系统界面输入主动轮钩杆的空间曲线方程及其他有关参数,此系统可以自动设计计算得到与其共轭的从动轮钩杆的空间曲线方程及其他参数.     

基于通用物料清单的配置设计方法研究与实现

为了在配置设计中更好地支持通用机械产品研发中的创新,采用通用物料清单来表达产品族的完全产品结构,并引入类单元表示可以变化的模块.由配置类单元产生组合变型,用变型类单元处理单元自身变型,并分析了这两种变型的产生机理.基于变量配置技术建立通用物料清单的配置模型,通过分层配置,生成具体产品结构,应用装配克隆技术生成具体产品的通用物料清单,最后给出了配置设计过程和实现结果.通过在企业的应用表明,该配置设计方法可以实现基于订单的快速设计.