机械系统运动方案设计研究

机械系统运动方案设计研究

作者：黄瑜

来源：《科学与财富》2015年第33期

摘 要：机械运动的设计方法有许多种，包括状态空间法，状态向量表示法等，各自都有在设计时的优越性。机械系统运动方案的设计在整个机械设计过程中起着关键作用，决定着机器的产量、使用功能及整体性能。设计过程蕴含着创新，一个好的机械运动方案就是一个创造发明，并从理论中探讨机械系统运动方案设计的规律性。 关键词：机械系统、状态空间法、状态向量表示法 1 引言

机械创新设计是指充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术成果，进行创新构思设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品（装置）的一种实践活动。运动方案创新设计是实现机械创新设计的关键一步，在机械创新设计中占有极其重要的地位。基于功能分析的机械系统运动方案创新设计方法，是一种既便于设计者掌握、又行之有效的方案创新设计方法。正是基于这样的使用价值，机械系统运动方案不断的提出新的设计方案。也正是如此，本课题论文将以机械系统运动方案设计方法研究为主，针对部分实际的机械系统进行分析，进而研究机械系统运动方案的评价方法。 2 状态空间法的机械运动方案设计

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。方案设计是一个艺术和科学相结合的复杂设计过程。前者可以为后者提供知识归纳，后者在描述其规律性的同时，也使方案设计的自动求解成为可能，并为计算机辅助设计技术的引入提供了必要条件。这已经成为近年来国内外在该领域研究的热点之一。计算机辅助方案设计的关键在于数学模型的建立及其算法的合理描述。以往，利用规则进行推理匹配求解的多，而以可计算求解的数学模型为基础进行自动求解的少。其难点在于难以用统一、有效的数学模型来描述方案设计过程。依据机械运动方案设计的状态空间理论，将给定的输入输出特征矢量，按照对偶矢量加法的性质，分解为多个对偶矢量的组合，进而转化为状态矩阵的分解，再从基本变换单元库中提取对应的基本变换单元集合，按序组合，从而获得方案设计的原理可行解。机构是机器的主要组成部分，机构在机器中以机构系统整体来完成机械产品的核心功能-运动和动力的传递和变换.因此，机构学中不研究机构系统设计原理是一种缺憾.也会使机构学在机械产品概念设计中无所作为.机构系统设计原理的深入研究将会为机构学开辟一个新的研究领域，也可以提升机构学在机械工程中的地位。

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3 机械运动方案相似设计

在机械产品设计过程中.最初的设计阶段称为概念设计。概念设计是“在确定任务之后，通过抽象化，拟定功能结构。寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解途径、得出求解方案，这一部分设计工作叫做概念设计”。

概念设计阶段在很大程度上决定着最终产品的性能、创造性、价格、市场响应速度和效率等，此外，据有关资料显示、虽然概念设计阶段实际投入的费用只占产品开发总成本的5%，却决定了产品总成本的70%，后续设计工作都是在概念设计基础上进行的，是对概念设计方案的详细设计、评价、筛选，创造性远远小于概念设计的设计阶段，而且详细设计阶段很难甚至不能纠正概念设计阶段的设计缺陷和错误。机械产品概念设计按照自动化程度划分为人脑设计、计算机辅助设计和设计自动化，现在的设计水平基本上处于 一阶段。本文的研究工作致力于实现第二阶段。概念设计研究方法很多，主要有系统设计法（功能分解法）、设计目录法、实例法、运动链发散创新设计法、键合图法等。系统设计法因符合人脑的思维而成为一种较为普遍接受的概念设汁方法，将产品看作一个系统，运用系统工程的方法去分析和设计。该方法将概念设计分为功能分解、功能表示及功能综合3个阶段。设计目录法收集功能的作用原理，整理、抽象、分类后建立具有一定结构的设计目录，通过问题的分类和识别、由功能特征到作用原理特征的映射匹配、解的选择和评价等，得出适当的方案解。实例设计法根据设计要求和产品特征，建立产品的实例模型，并采用面向对象技术描述实例，建立产品实例库，基于设计要求和实例模型进行实例推理，从而获得产品设计的相似实例，进而通过基于设计和制造的知识对产品相似实例进行评价和修改获得产品概念设计的优化解。 4. 用键合图法实现机械运动方案设计

键合图理论是20世纪50年代末提出。与其他的分析方法相比，键合图法可以用统一的方式处理多种能量形式并存的系统，可以直观地揭示组成系统各元件间的相互作用及能量转换关系，加深人们对系统结构的认识，因此特别适合于液压系统中多能量域的相互作用模拟。键合图是一种基于功率流图形化表达的系统动力学仿真的方法。它借助能量守衡原理将描述系统的各种物理参量统一地归纳成4种广义变量：势变量、流变量、变位变量、动量变量。其中势、流为功率变量，变位变量及动量变量为能量变量。在液压系统中，势变量和流变量分别对应于压力和流量，变位变量和动量变量是体积和压力动量。键合图是彼此间用功率键连接起来的键图元的集合，连线代表功率的流动。如图1所示，功率键用一直线段表示，其上的半箭头表示功率的流向，构成功率的两个变量分别写在直线的两侧，其中势变量 为流变量。图中的短线表示两个变量的因果关系，称为因果线。因果线画在功率键上带箭头的一端，表示势变量是因，流变量是果。图1中因果线画在功率键上无箭头的一端，表示该功率流中流变量是因，势变量是果。每根功率键上的功率大小等于e和f的乘积。 图1 功率键示意图

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在标准键合图理论中，采用表征基本物理性能和描述功率变换与能量守恒的基本定律的元件 J。一般来说，总共有3类作用不同的元件：① 源元件，包括势源和流源，是至少有一个功率变量不受系统影响的元件；② 结点元件，包括0结点（表示物理系统并联）、1结点（表示物理系统串联）、变器和回转器（均表示能量的转换，前者不改变势变量与流变量的作用，后者改变），结点元件表征了系统中功率的转换与汇合；③ 状态元件，包括阻性元（消耗功率）、容性元和惯性元（均不消耗功率，但在动态系统中完成能量的存储与释放），由它们决定系统的状态。一般系统的键合图模型都是由这9种基本元件构造的。在实际建模过程中，可以作为的建模参考，直接根据键合图中的对应元件建模。 5.设计目录法的方案设计

设计一种机械时，实现总功能要求是根本目的，而具体的运动设计方案却可能有很多种。就是说，对于同一运动功能的机械而言，他可以由不同传动原理，不同的基本机构及不同的组合方法来实现。为使设计过程科学化，程序化，并帮助设计人员迅速获得准确，丰富的信息，编制了不同的设计目录。这些设计目录一般可以分为3类：（1）对象目录。主要提供原始数据，如材料的物理与工艺性能，型材的断面尺寸，重量，规则物体的表面积，体积，中心位置，转动惯量，构件数一定的平面运动链等。（2）解法目录。他是针对给定功能的解决方案或技术物理效应的排列表，按基本的功能分类排列的。（3）工作目录法。包括了设计中行之有效的一些通用方法及其使用条件等。上述的3种设计目录中，与运动方案设计关系最为密切的是解法目录。由于国内外情况与应用范围不同，我国目前还没有建立完整的、系统的、权威的设计目录。自己可以有针对性的编制适用于某类设计问题的设计目录。编制方法通常是：基本功能为纵行，横排则列出实现该种功能的所有相应的常用机构。 6.结论

本文介绍了主流的一些设计方法。键合图法实现机械运动方案设计、机械运动方案相似设计、状态空间法的机械运动方案设计、设计目录法等设计方法并对方法进行了阐述。 参考文献

[1] 张继忠.基于功能分析的机械系统运动方案创新设计 [J].机械设计与制造，2004，（4）：75-76

[2] 机械系统运动方案设计方法探讨[J]. 洛阳工业高等专科学校学报. 2003， 13（01）：50-55

作者简介：黄瑜，男，1991.11.18，西华大学机械电子工程，四川省仁寿县 单位：西华大学机械工程学院 邮编610039