两移动三转动混联机构型综合

基于GF集理论提出一种系统有效的串联、并联混联机构型综合方法。首先介绍GF集的基本概念、运算法则,以及转动特征存在条件。然后通过分析混联机构结构的组成特点,基于GF集元素组合和转动轴线迁移定理,提出了设计混联机构型综合方法,根据机构的拓扑结构和结构参数之间的关系,建立了混联机构数综合方程,给出了混联机构型综合的具体步骤。之后根据混联机构型综合理论,完成了具有2T3R混联机构运动特征的构型设计,得到了大量新构型。最后,针对综合出的一种2T3R混联机构,通过混联机构末端分析方法,验证了所设计出混联机构的运动特征,从而证明了构型综合方法的正确性。     

基于分形理论的2T2R混联机构型综合

为综合得到具有两移两转运动特征的混联机构,基于分形理论和机构拓扑图,提出一种系统的混联机构型综合与分析方法。介绍了机构拓扑图和分形理论的概念及关系;叙述了机构的运动特征和运算法则,运动特征包括路径、支链和运动副的定义与表达形式,运算法则含有路径法则串并联计算规则;建立了混联机构与分形的关系模型,归纳出混联机构构型综合的具体步骤,并综合出具有两转两移运动特征的混联机构。提出混联机构运动特征的分析方法,并用该方法分析了所综合出的两转两移混联机构的末端运动特征,验证了该构型的正确性,证实了所述方法的可行性。     

基于分形理论的三转动混联机构型综合

基于分形理论和机构拓扑图,提出了一种有效的三转动混联机构型综合与分析方法。首先,介绍了机构拓扑图和分形理论的概念及联系;接着,叙述了机构的运动特征和运算法则;然后,根据上述条件建立了混联机构与分形的关系模型,从而归纳出混联机构构型综合的具体步骤,并综合出具有三转动运动特征的混联机构;最后,提出了混联机构运动特征的分析方法,并以此方法,分析了所综合出的三转动混联机构的末端运动特征,从而验证了该构型的正确性,证实本文所述方法的可行性。     

三平移混联机构型综合

针对三平移三自由度混联机构,基于分形理论和机构拓扑图,提出了一种有效的型综合与分析方法。首先,介绍了机构拓扑图和分形理论的概念及联系;其次,叙述了机构的运动特征和运算法则;再次,建立了混联机构与分形的关系模型,从而归纳出混联机构构型综合的具体步骤,并综合出具有三平移运动特征的混联机构;最后,提出了混联机构运动特征的分析方法,并按该方法分析了所综合出的三平移混联机构的末端运动特征,从而验证了该构型的正确性,证实了所提出方法的可行性。     

基于广义基本运动链正则解耦混联机构的型综合

混联机构兼具串联机构与并联机构各自的构型优势,是先进复杂机械装备的重要备选构型之一。依据机构输出运动特征进行位姿分离,通过移动特征正则输出平台模块,与姿态特征正则转动输出的运动副模块串联,构建广义基本运动链。结合正则运动的解耦特征,提出了运动链的正则解耦设计方法。以此为据,建立混联机构的解耦综合。以3T2R混联机构为对象进行了实例综合。研究表明:基于广义基本运动链的正则解耦设计方法可操作性强,对混联机构的解耦设计具有普适性。     

完全各向同性五自由度混联机构型综合

针对混联机构内部耦合性带来运动学分析困难的问题,基于G_F集理论提出了一种简单而有效的三移动两转动(3T2R)完全各向同性构型综合方法。介绍了G_F集的基本概念和运算法则。通过分析混联机构组成特点,提出了将并联、串联模块按照G_F集求和运算以及G_F集元素组合原则构造完全各向同性混联机构的方法,建立了混联机构数综合方程。同时给出了机构输入运动副选择原则和支链设计准则,确保了混联机构中各模块运动的解耦性。按照完全各向同性混联机构设计步骤,得到了构成完全各向同性3T2R混联机构各模块单元的组合形式。以其中一种组合形式为例,综合出了完全各向同性3T2R五自由度混联机构。基于约束螺旋理论,分析了所综合出的一种混联机构的自由度,通过ADAMS建模得以验证,通过对模型运动仿真,绘制出机构末端输出速度曲线,验证了完全各向同性构型综合方法的正确性。     

解耦混联机构的构型综合

为综合得到解耦混联机器人构型,基于GF集理论提出一种简单而有效的解耦混联机构型综合方法及其构型法则。首先阐述GF集的概念及运算法则;其次通过GF集元素组合和转动轴线迁移定理构造混联拓扑结构,并给出机构输入运动副选择原则和解耦分支设计准则,确保了混联机构运动解耦性;然后根据该构型综合原理,完成2T2R四自由度解耦混联机构型综合具体过程;最后,针对所综合的解耦混联机构,运用混联机构末端分析方法求解其机构的自由度,同时求得其雅克比矩阵,验证了该机构的解耦特性,进一步证明了该构型方法的有效性。     

基于状态空间方法的机械运动方案设计的理论基础

为解决机械运动方案的设计问题,提出了机械运动方案设计的状态空间方法,以基本变换单元为功能载体,构建了状态特征矢量,并推导获得了状态方程;提取了状态矩阵内非零元素的运动特征值,讨论了对偶矢量及状态空间的相关性质,得到了状态空间中运动变换特征矢量的运算规则,为应用状态空间方法实现方案设计的可计算自动求解提供了理论基础。     

一种新型多自由度混联运动平台的设计与仿真分析

以3-RPS三自由度并联机构为原型,设计了一种新型多自由度混联运动平台,研究其工作空间及动力学性能。采用欧拉法计算分析混联运动平台末端执行器的逆解,采用立体几何法计算分析混联运动平台末端执行器的正解。在MATLAB中采用数值搜索法求解混联运动平台末端执行器的工作空间边界,并将其与3-RPS机构的工作空间作对比。利用ADAMS对混联运动平台进行运动仿真,获得运动平台的动力学仿真数据,为后续实体平台的结构设计、运动控制和误差分析提供可靠依据。     

一种新型3-DOF混联机械臂的运动学基础分析

机械臂运动学基础性能分析是其控制和应用的基础。分析了一种新型3一DOF混联机械臂的运动学传递性能,定义了这种混联机械臂的速度传递性能评价指标,并研究了评价指标在定姿态工作空间内的分布规律,为这种混联机械臂的设计与控制奠定了理论基础。这种新型3-DOF混联机械臂具有工作空间大、运动灵活、刚度大和工艺性好等优点。     

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。     

基于改进Freeman-Newell模型的机械产品概念设计过程研究

在引入行为信息的基础上,对Freeman－Newell模型进行了改进,建立了基于功能和行为的载体认知模型,描述了设计过程中单元求解过程;基于该载体认知模型构造了概念设计过程模型－概念空间;采用布尔矢量/矩阵对概念空间中设计元素之间的关系进行了描述,使之便于计算机的表达和操作,在此基础上,给出了概念设计过程的形式化描述。最后以工业平缝机为例对所述模型和方法进行了说明。     

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。     

Guiding conceptual design through functional space exploration

Conceptual design is an early stage in the product design process, which has an essential effect on the product innovation. Existing approaches for conceptual design always focus on the mapping processes, such as function–behavior–structure, function–behavior–state, or function–effect–solution, etc. The function, effect, solution, behavior, structure, and state all have influential factors in the above mapping processes. The enlargement of functional space, effect space, solution space, behavior space, structure space, state space, and problem-solving space can bring more opportunities to product innovation. This paper is devoted to functional space exploration in conceptual design. Each function has its own hierarchies and configurations, as well as each effect has its own multivariate influential factors, both of which can provide tremendous and exploitable space of creative concepts. The problem-solving space will be enlarged through the functional space exploration, which can obviously bring more opportunities for product innovation. This paper is devoted to presenting a systematic approach based on the reasoning of functional space exploration to increase opportunities for product innovation in conceptual design. A process of functional space exploration is treated as a three-step process, first transforming original function to derivative functions, then mapping these derivative functions to effects, and finally exploiting these effects to quantitative or qualitative physical quantity space. The functional design of new devices for decreasing resistance of amphibious vehicles is given as an example, which demonstrates that the methodology is obviously helpful to increase opportunities for product innovation in conceptual design.     

基于域结构模板的机械产品概念设计方案生成

在公理化设计（Axiomatic design）理论的基础上,研究了机械产品要领设计方案生成的几个关键技术。讨论了要领设计的顾客需求驱动问题,提出了一种解决策略;针对公理化设计理论的不足,提出了域结构模板的概念,对公理化设计进行了扩展,并在此基础上构造了概念空间和概念推理网络;通过约束推理从概念推理网络中提取出有效概念空间,并给出了有效概念空间的分解算法;基于概念图（Conceptual graphs）分析了方案中设计实体之间的功能联系。以高速链式平缝机为例对所述概念设计方案生成方法进行了验证。     

机械传动概念设计解与动态性能分析集成建模

基于可扩展单元线性图(Extensible elementary linear graph,EELG)的改进模型,通过增设两个运动特征定义弧,用来描述机械传动组件,以得到包含运动学与动力学信息的拓扑矩阵以及运动特征矢量,实现机械传动概念设计解与动态性能分析的集成.其中拓扑矩阵自动生成系统动力学方程并求解,完成定量分析,而运动特征矢量则是对传动功能进行定性分析.在该模型基础上,构建机械传动功能原理解知识库,通过智能化求解模型,产生满足设计需求的多个原理解,并且自动仿真原理解的动态性能,为设计者优化选取设计方案、配置组件的类型及设定关键参数提供依据.     

虚拟设计环境下小型甘蔗联合收获机的概念设计

通过阐述概念设计定义及其特点，在三维虚拟环境下，建立小型甘蔗联合收获机的概念机构，提出对有工作约束条件，运动、动力特性复杂的机械系统，采用模块式虚拟装配及仿真；对各功能模块采用发散性创新设计，使样机方案不受子模块的约束，解决模块间结构与性能的协调性，通过对小型甘蔗联合收获机概念样机方案实例的仿真分析，说明运用虚拟环境的概念设计及其机构仿真，探讨了一种复杂机械系统的设计分析方法，可以简化机械系统设计开发过程，减少开发时间和成本。     

支持计算机辅助概念设计的机械产品创新过程动态建模

针对作为机械产品概念设计关键问题之一的过程建模,讨论机械产品创新过程中工作背景、市场需求等因素的变化对产品概念设计过程的决定性影响,在此基础上建立了环境—需求—功能—行为—结构(E-R-F-B-S)变量集映射动态模型,利用7种映射单元之间的有序组合归纳出4条产品创新链,为设计者在设计实践中的若干种创新思维过程建立简明的框架模型。通过确定创新链与有向图、有向图与稀疏矩阵的对应关系建立创新链的数学模型,进而提出并讨论创建以稀疏对称阵为输入变量的计算机辅助概念设计推理系统的合理构想。最后以辽河油田修井机传动系统的概念设计实例,说明创新链模型对机械产品创新过程的有效指导作用。     

具有迭代特征的复杂机械产品概念设计模型

针对机械产品概念设计的复杂性,提出一种基于迭代的功能－行为－机构－结构模型(FBMS)。从机械产品设计的特点出发,研究复杂机械系统的功能、行为、机构和结构之间的关系,揭示行为和机构在功能到结构转换过程中的桥梁作用,由此提出基于行为和机构的映射关系,进而结合设计过程的迭代特征建立基于迭代的FBMS模型。在综合考虑该模型中各要素特点的基础上,给出其形式化描述方法。通过对迭代设计过程中行为和机构作用特点的分析,给出迭代设计的具体步骤及相应的迭代算法流程。以一个具体机械产品设计为例,对FBMS模型的有效性进行验证,并对其整体特性进行分析。结果表明,该模型有助于机械产品概念设计阶段的机构组合创新,以及功能与结构之间的优化匹配。