（机械电子工程专业论文）计算机辅助机械系统运动方案软件设计与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 机械系统运动方案设计是机械产品制造的关键环节，也是最具创造力的环节。运动 方案设计的研究工作对促进机械产品创新、智能设计发展具有重要意义。本文基于混联 机械系统方案设计的特征状态空日j 建模与求解理论，构建计算机辅助机械系统运动方案 设计模型，开发出计算机辅助运动方案设计软件系统，作为国家8 6 3 项目“机械产品智 能化设计特征状态空间模型与其集成系统”中运动方案设计的软件实现工作。 建立基本机构单元知识库。从运动功能特征知识转化角度，分析基本机构单元输入 输出之间运动特征转换关系即状态变换方程，将其运动传递过程转化为运动特征状态的 变换，提取基本机构单元输入输出运动变换知识表达即变换矩阵特征信息，将特征信息 转换成计算机能够识别的数据结构。 实现系统需求输入输出运动功能变换信息提取及转化。研究组合单元运动变换的内 在联系与运动特征间的转换规律，依据组合单元，分析系统输入输出自j 运动变换特性即 广义特征状态方程，提取其知识表达即广义系统变换矩阵特征信息。 设计变换矩阵分解算法流程。由系统输入输出运动信息，选择匹配的组合单元，进 行广义系统变换矩阵特征分解，并将此过程中的运动变换信息进行提取与转化，完成分 解算法设计模型；应用广义方向坐标变换函数，得到变换矩阵在基本坐标系及系统坐标 系下的转换规则。 由运算流程，实现系统状态变换矩阵串联递归分解算法，并联、混联分解算法，实 现了状态变换矩阵( 包括类型、方向) 的自动分解。同时，结合关系型数据库系统对运 动方案设计知识库的组织管理( 包括基本变换单元信息的存储、提取操作及数据流间的 复杂关系建立) ，实现查询算法和特征校验算法，完成方案自动求解。 依据上述设计流程，应用企业级数据库系统s q ls e r v e r2 0 0 5 作为数据平台构建系 统数据模型，采用a d o n e t 及x m l 技术进行数据访问，v i s u a ls t u d i 0 2 0 0 5 为开发工 具并结合各种设计模式初步实现计算机辅助方案设计软件系统。 将开发的软件系统应用于生产实际中，进行多个设计实例的自动计算，得到了满足 实际需求的解，并为后续设计模块提供了基础平台，实践表明此软件系统可行、有效。 关键词：机械系统；方案设计；软件平台 计算机辅助机械系统运动方案软件系统设计与实现 c o m p u t e ra i d e ds o t t w a r ep l a t f o r mf o ra u t o m a t e dc o n c e p t u a ld e s i g no f m e c h a n i c a ls y s t e m a b s t r a c t m o t i o nc o n c e p t u a ld e s i g ni sp i v o t a la n dc r e a t i v es t e pi nm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r e , i t s r e s e a r c hi sv e r yi m p o r t a n tf o rf a c i l i t a t i o no fi r m o v a t i o no fm e c h a n i c a lp r o d u c ta n d d e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n td e s i g n 1 1 1 em o d e lo fc o m p u t e ra i d e df o ra u t o m a t e dc o n c e p t u a l d 韶i g nb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i cs t a t es p a c et h e o r ya n dt h ea u t o m a t e dc o n c e p t u a ld e s i g n m e t h o d o l o g yf o rt h em e c h a n i c a ls y s t e mi sf o u n d e da n dt h en e wc o m p u t e ra i d e ds o f t w a r ef o r i ti sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r , w h i c hi sp a r to fp r o g r a mn a m e dt h ec h a r a c t e r i s t i cs t a t es p a c e m o d e la n di n t e g r a t i o ns y s t e mo fm e c h a n i c a ls y s t e mi n t e l l i g e n td e s i g nt h a ti sh i t e c h r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a mo f c l l i n a 1 1 l ed a t a b a s ef o rb a s i cu n i ti n f o r m a t i o ni sc r e a t e d m o t i o nt r a n s f e r r e l a t i o nn a m e l y k i n e m a t i c a ls t a t et r a n s f o r m a t i o ne q u a t i o nb e t w e e ni n p u ta n do u t p u to fb a s i cu n i ti sa n a l y z e d f r o mt h ev i e wo fk i n e m a t i cc h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o nt r a n s f o r m a t i o n , a n dt h e ni t st r a n s f e r p r o c e s si sc o n v e r t e di n t oc h a r a c t e r i s t i cs t a t et r a n s f o r m a t i o n t h u sk i n e m a t i c a lt r a n s f o r m a t i o n e x p r e s s i o nn a m e l ym o t i o nt r a n s f o r m a t i o nm a r xi n f o r m a t i o no f b a s i cu n i ti so b t a i n e di no r d e r t oi tc h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o ni st r a n s l a t e di n t od a t as t r u c t u r et h a tc a nb ei d e n t i f i e db y c o m p u t e r t 1 l ee x t r a c t i o na n dt r a n s f o r m a t i o no ft h ed e s i g nr e q u i r e m e n to fi n p u ta n do u t p u t k i n e m a t i cf u n c t i o n st r a n s f o r m a t i o ni sr e a l i z c d t h ei r l r l e rr e l a t i o no ft h ek i n e m a t i c a l t r a n s f o r m a t i o no f c o m b i n a t i o np a r e r n si ss t u d i e d t h et r a n s f o r m a t i o nr u l eo f c h a r a c t e r i s t i co f k i n d t l t a t i ec h a r a c t e r i s t i ci sr c s e a r c h e dt o o a c c o r d i n gt oc o m b i n a t i o np a t t e r n s ，i n f o r m a t i o n e x p r e s s i o nn a m e l yt r a n s f o r m a t i o nm a r xc h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o no fg e n e r a l i z e ss y s t e mi s e x t r a c t e dw i t ha n a l y z i n go fk i n e m a t i c a ls t a t et r a n s f o r m a t i o ne q u a t i o nb e t w e e ni n p u ta n d o u t p u to f s y s t e mn a m e l yg e n e r a l i z e dc h a r a c t e r i s t i cs t a t ee q u a t i o n s 1 1 1 ed e c o m p o s i t i o na l g o r i t h mf l o wo f t r a n s f o r m a t i o ne q u a t i o ni sd e s i g n e d 1 1 l em a t c h i n g c o m b i n a t i o np a t t e r ni sc h o s e nw i t l lt h ei n p u ta n do u t p u tt r a n s f o r m a t i o ni n f o r m a t i o no f s y s t e m t h ee x t r a c t i o na n dt r a n s f o r m a t i o nf o rc h a r a e t e r i s t i ci n f o r m a t i o ni ng e n e r a l i z e ss y s t e ms t a t e m a t r i xi si m p l e m e n t e di no r d e rt oc o m p l e t et h ed e s i g nm o d e lo fd e c o m p o s i t i o na l g o r i t h m ， t h c r it h et r a n s f o r m a t i o nr u l eo fm a t r i xi nb a s i cc o o r d i n a t e sa n ds y s t e mc o o r d i n a t e sa r e o b t a i n e dw i t hg e n e r a l i z e so r i e n t a t i o nc o o r d i n a t e st r a n s f o r mf u n e t i o i l i i 大连理工大学硕士学位论文 n ea l g o r i t h mo fm a t r i xd e c o m p o s i t i o ni ns e r i e sa n di n p a r a l l e la r ei m p l e m e n t e di n a c c o r dw i t ho p e r a t i o np r o c e s s ，m e a n w h i l et h e s ea l g o r i t h m sa l s oc a nb ea r r a n g e df l e x i b l yi n d i f f e r e n tt o m b i n a t i o np a t t e m s t h es y s t e ms t a t em a t r i xc a nb ed e c o m p o s e di n t oa l lo r d e r e d s e q u e n c eo fs u b - m a t r i c e si nt y p ea n do r i e n t a t i o nw i t ht h o s ea l g o r i t h m s m o r e o v e r ，t h e k n o w l e d g ed a t a b a s e w i t hr d b m si sm a n a g e dt os t o r ea n do p e r a t et h eb a s i c u n i t t r a i l s f o r m a t i o ni n f o r m a t i o na n df o u n dc o m p l i c a t e dr c l a t i o nb e t w e e nd a t af l o w ，t h e ns e a r c h a l g o r i t h ma n dc h e c ka l g o r i t h mf r o mc h a r a c t e r i s t i c a r ei m p l e m e n t e ds ot h a ta u t o m a t i c c o n c e p t u a ld e s i g ni sa c h i e v e di nt h e o r y a c c o r d i n gt od e s i g np r o c e s s ，s y s t e md a t as t r u c t u r em o d e li sb u i l tu pb ys q ls e r v e r e n t e r p r i s ea n dd a t ai n t e r a c t i o nb e t w e e nd a t a b a s ea n ds y s t e mi ss u p p o r t e db ya d o n e ta n d x m ls ot h a t c o m p u t e ra i d e ds o f t w a r es y s t e m f o ra u t o m a t i cc o n c e p t u a ld e s i g nc a nb e d e v e l o p e db yv i s u a ls t u d i o2 0 0 5a n ds o m ed e s i g np a t t e r n s w h e ns o m ei n s t a n c e sa r eu s e d ，t h i ss o f t w a r es y s t e mt h a ti sb a s i cp l a t f o r mf o rc o n t i n u e d m o d e lc a nc a l c u l a t ea u t o m a t i c a l l ya n dg e tt h er e s u l tm e e t st h er e q u i r e m e n ti np r a c t i c e ，w h i c h p r o v e si t sf e a s i b i l i t ya n da v a i l a b i l i t y k e yw o r d s ：m e c h a n i c a ls y s t e m ：c o n c e p t u a ld e s i g n ：s o f t w a r ep l a t f o r m 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：生堡塾日期：鲨z ：! 乙 大连理j 二大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：攫熟 导师签名：壹亟 竺互年垦月- 三堡日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 论文背景及来源 产品设计是现代制造业中的先行军，随着现代科技水平的飞速发展，创新设计同益 成为企业重点关注的焦点。设计的本质是创新，设计与人类的生产活动密切相关，它是 把各种先进技术成果转化为生产力的一种手段和方澍“。以往，由于类比设计、测绘后 原样复制的常规设计在设计领域中占主导地位，大部分是针对性的产品设计，设计对象 和解决问题的范围比较狭窄，设计人员缺乏有效的设计方法指导，没有形成真正意义上 的计算机辅助概念设计理论及其a c a d 软件系统，方案设计一度没有受到足够的重视。 然而，随着产品市场竞争的加剧，用户有了更大的选择空间，同时对产品也提出了更多、 更高的要求。那些性能优越，价格便宜，设计制造周期短的产品显然具有更大的优势。 而这一切都与产品的设计尤其是产品的方案设计密不可分。据统计，设计阶段实际投入 的费用虽然仅占总成本的5 ，却决定了产品总成本的7 0 1 2 。由于方案设计是产品设 计的瓶颈所在，其设计结果将直接影响后续的诸多设计、制造等环节，并且在这一阶段 所造成的设计失误很难用后续更为详细的细节设计来弥补【3 】，因而方案设计问题需要加 以重视。 随着机械产品的设计需求程度不断提高，机械系统运动多而复杂，而且对运动形式、 运动规律和动力性能等都有越来越高的要求，因此，机械工程中将越来越广泛地应用机 构的串、并联组合及其混联系统。如何将简单机构以不同的方式进行组合来实现特定的 复杂运动，是机械运动方案创新设计的研究热点之一，而且这些研究的重点都在于从数 学上建立系统运动方案设计模型，给出理论上的方法，但是，在实际应用过程中，这些 理论方法能否结合当前先进的计算机技术，开发出运动方案设计的软件工具，将这一系 列理论方法转化成为方便设计人员所使用的工具，现在机械设计领域值得重视的问题。 机械系统的运动方案设计研究日益受到重视，但由于机构本身的复杂性、机构组合 关系的多样性及其间耦合结构的不透明性，给系统中组合关系的分析、建模和组合特征 传递等研究工作带来一定的困难。同时，多自由度的机构在实际应用中也十分常见，由 于运动关系与功能分析的复杂性，加之其运动特征提耿困难，还没有形成对其统一的特 征表达体系，以往的概念设计也一直没有能力将其囊括其中。计算机辅助方案设计的研 究正处于计算机技术从以往的辅助尺度设计到现在的辅助方案设计，已经能够更好的服 务于设计领域。而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 计算机辅助机械系统运动方案软件系统设计与实现 述，以往基于不同的理论及方法，开发了各种形式的计算机辅助方案设计系统，以数学 方法为理论基础，进行方案设计的系统开发却鲜有人为。 本课题是国家8 6 3 项目“机械产品智能化设计特征状态空间模型与其集成系统” 的子课题。此项目主要内容包括开发覆盖整个产品设计流程、集成不同的设计阶段的功 能模块的智能化辅助设计软件集成平台，提供需求分析，计算求解到综合评价的一体化 的辅助设计功能，实现运动方案设计、尺度综合、结构方案设计、系统仿真与强度分析 等各功能模块的集成，构建可在实际应用时自动收集专家经验、具有学习功能的知识库。 包括6 个模块：运动方案设计模块、尺度综合设计模块、结构方案设计模块、系统仿真 与强度分析模块、知识库维护模块、系统控制与用户管理模块。各模块结构关系如图1 1 。 图1 1 系统构成模块间结构关系图 f i g 1 1 r e l a t i o ng r a p h i co f s y s t e m sm o d e l i n g 从图1 1 可以看出，本课题作为项目的第一个模块，结合实际应用场合，根据输入 输出运动功能要求，按照矩阵分解算法及综合求解算法，从数据库中查询对应的基本变 换单元进行有序组合，输出运动方案设计的可行解；研究现有的机械系统运动方案设计 理论方法，开发出系统运动方案设计工具软件，希望能为生产实际中有设计经验的人提 供一种参考，为没有设计经验的人提供一种向导。简化系统运动方案设计步骤，增强了 一2 大连理工大学硕士学位论文 机构自动化选型的柔性和可靠性，从而为机械产品设计提供准确、快捷的条件，提高机 械产品设计的性能和质量，降低制造成本与维护费用等，是产品设计过程可数字化、可 计算机化至关重要的一步。 1 2 运动方案计算机辅助设计 1 2 1 方案设计理论综述 方案设计是产品概念设计的重要阶段，对系统运动性能、制造性能和可维护性等方 面有重要的影响作用。由于方案设计阶段知识表达的抽象性和过程建模的复杂性，缺少 成熟的设计理论与方法支持。随着研究的发展，目前国内外学者在方案设计内涵、方案 建模方法及设计理论、机械系统组合理论、方案求解过程模型理论等方面，取得了不同 程度阶段性的成果。 ( 1 ) 基于人工智能理论的研究推理方法 自1 9 8 3 年d c b r o w n 最早提出关于人工智能在机械设计中应用的研究论文以来大 量文献报告了方案( 概念) 设计及专家系统在机械设计各方面的应用成果【4 1 。上海交通 大学的邹慧君教授【5 ，6 】应用该方法，建立了多层推理系统的总体结构模型，知识的表示， 采用面向应用的规则方法，框架式的知识结构，对8 杆变行程发动机进行了方案设计。 宋玉银【7 】基于所提出的实例模型概念，根据设计要求和产品的特征，建立产品的实例模 型，采用面向对象技术描述实例，建立实例库，基于设计要求和实例模型进行实例推理， 对龙门铣床的六类进给箱进行了方案设计，获得相似实例。i s s a ，s h a n ，c h e w 8 】等采用类 比推理并结合运动链的连通图表示，对机构方案进行设计，开发出s m a r t s ( s y n t h e s i so f m e c h a n i s m su s i n ga n a l o g i c a lr e a s o n i n gt e c h n i q u e s ) 系统。s u n 和c h e n 【9 】则将输入问题 和实例采用7 位代码表示，并使用索引规则进行索引，开发了一个模型混合设计系统。 功能原理目录法将设计任务或分功能的解汇编为目录，从而方便检索查询。冯培恩等【1 0 , 1 1 】 研制了实现分离功能的原理方案设计目录，在此基础上迸行特征建模与作用原理求解。 ( 2 ) 基于图和树理论的特征符号建模方法 运用图和树理论的特征符号表达方案源于对机构简图及设计示意图知识的理解。运 用图和树理论的特征符号表达方案源于对机构简图及设计示意图知识的理解。图论的方 法于1 9 6 4 年首次被应用到运动链和机构中来1 1 2 , 1 3 】。1 9 6 9 年a m h e i m 1 4 】提出可视化思考 的概念，1 9 9 0 年r a d c l i f f e 和【船提出个可视化思考模型【1 5 】。a r t o b o l e v s k y i m l 对机构依 其功能建立了简图册。f r a n zr e u l e a u x 1 1 最先研究了机构的各要素问的相对运动，按照 不同的运动副构成对机构进行分类，并开发了符号表达类似于化学中的元素组成。运动 链的图构成方式为：运动副间的连接作为图的顶点，用圈表示；运动副作为图的边用直 计算机辅助机械系统运动方案软件系统设计与实现 线表示。应用图的优点在于可以形象化表示顶点与边之间是否具有联结关系，体现了在 不考虑尺度的前提下，机构的一种拓扑关系。通常顶点与边之问的关联关系可以用关联 矩阵描述，而为了在计算机上表示图，利用图的邻接矩阵来描述更为方便。其构建方式 如下： 设图的顶点集v ( g ) = “，v 2 ) ，令 f l 若v i 与v i 邻接； a # 2 1 0 若v ；与v ；不邻接或i ：j 以曲柄滑块机构为例，其运动链的图及邻接矩阵如图1 2 所示。 图1 2 运动链的图及邻接矩阵表示 f i g 1 2g r a p hr e p r e s e n t a t i o n o f t h es l i d e r - c r a n k m e c h a n i s ma n d t h e i n c i d e n c e m a t r i x 台湾成功大学的颜洪森教授【埔 1 9 】基于机构分析理论将一个已有机械中的机构( 多数 是刚性杆系机构) 抽象转化为运动链，然后基于某些原则及约束条件，演化出众多的再 生运动链，从中选择一个不同于原运动链的、具有较好性能的新运动链从而诞生一种 新机构；1 9 9 8 年【刎提出用树状图( t r e e - g r a p h ) 表达加工中心拓扑结构。国内褚金奎【2 l 】 提出了邻接链表和关联链表法。该方法与传统的邻接矩阵和关联矩阵相比，更加直观、 简单。尤其在机构的同构及拓扑对称性的判断中，优越性很显著。杨廷力先生提出单开 链迭加法阱】，利用现有的机构结构，根据一定的规则，把结构单元依次迭加到已构成的 机构上去，形成更复杂的机构。d o b r j a n s k y 和f r e n d e n s t e i n 2 3 烽人定义了多种邻接矩阵 并归纳了它们之间的关系。由这些邻接矩阵可以寻找到相应的结构。由于同一个运动链 图的顶点标号顺序可以不同，造成邻接矩阵不同，产生回掏问题。采用邻接矩阵的特征 多项式判别及其它方法可以解决同构问题【卅。 ( 3 ) 基于矩阵理论的方案数学建模方法 该方法主要根据给定的运动要求和特征，从已经构建的机构类型库中选择恰当的机 构进行匹配，从而获得符合设计要求的机械运动方案。m i c h i g a n 大学的s r i d h a rk o t a 2 5 1 - 4 - 1j j 驴j 口 口j 口j j 口j 口 口j 口j 。l 大连理工大学硕士学位论文 提出矩阵量化方法建立机构的数学模型，是形成设计问题可计算方法的新的基础，机械 领域的设计空间不断地被分解成功能子空间，设计单元由运动转换矩阵以及一个可进行 操作的约束矢量来表示。设计任务通过对参数矩阵和矢量的操作处理，进行一个定性的 机械运动的仿真。k o t a 2 6 , 2 7 】研究了串联机构组合情况下的运动方案求解问题，定义的机 构限于单自由度刚性单元，对于机构单元的讨论只有一种形式一常用的单输入输出型， 组合系统也只有一种单输入单输出形式。没有涉及单自由度机构的多输出情况( 这种机 构常在组合机构中起分路传动的作用) 以及多自由度的机构单元、及其并联、混联组合 情况等等。邹慧君等【2 8 针对组合机构的类型和组合机构的功能特点进行了分析，对串联 系统的设计过程模型、运动功能的表达、分解计算等进行了研究。王知行等【2 9 】运用虚拟 现实技术，进行组合机构方案设计，使得方案设计方便直观，为可视化设计与仿真提供参 考。大连理工大学王德伦掣3 0 , 3 1 】提出运动方案设计的状态空间方法，解决了单自由度机 构串联组合的运动方案设计问题，没有涉及混联组合机构的设计，作为状态空间方法的 初步尝试。张丽萍【3 2 】在组合元素基础即基本机构单元分析基础上，研究混联组合方式， 构建机构单元及其基本组合单元的运动功能与运动特征的信息表达体系，提出混联机械 系统运动方案设计的新方法。 1 2 2 软件系统设计 运动方案计算机辅助工具软件开发，结合实际应用条件，现在研究开发正处于初始 状态。上海交通大学机械学与设计自动化研究所邹慧君等以机械运动系统作为概念设计 的对象，用组合分类法对机构分类，建立相应的存储和编码规则，以二元逻辑推理和模 糊综合评价相结合的方法建立推理机制，得出可行的方案解，开发了“机构系统方案设 计专家系统” 3 3 , 3 4 ，并在此基础上提出了基于功能一行为一结构的机械运动系统概念设 计方法【3 ”。唐林【3 6 】提出基于集合理论的人机结合选型策略，将机构自动化选型系统分 为问题空问和解空间两大部分，建立了基于集合理论的人机结合式机构自动化选型模式。 从问题空间到解空间对运动特性和功能质量采用不同的映射方式，即由计算机精确推 理，选择满足运动功能要求的机构，形成新解空间n 1 j ；由人类根据o j 中机构的功能 质量选择符合功能质量要求的可行机构和最优机构。 以上文献都是将具有运动行为知识和机构知识的机构进行合理分类，然后建立相应 的计算机编码和存储原则，使得机械运动方案在求解初期快速高效的构建满足基本运动 特征的初步解集合，然后采用启发式运动行为匹配传播原理和匹配传播真值表进行机构 型综合，匹配传播原理的启发式机制将复杂运动需求分解为简单的运动需求后进行求解， 从而实现了自项向下的复杂运动需求的求解。从求解的过程中我们可以看到，该方法缺 计算机辅助机械系统运动方案软件系统设计与实现 乏统一有效的数学模型来描述方案设计过程及输入输出要求、对应的关系等，仅仅从数 据标准化技术和机构组合分类角度建立基本知识库，并在此基础上建立软件平台，但由 于机械运动方案设计面向的行业广，对象多，要求各不相同，实际应用中实例获取还存 在着诸多困难。 华中理工大学c a d 中心先后实现了多个机械方案设计专家系统，其中开发研制的 设计专家系统通用工具d e s t 尤为突出【3 n 。d e s t 采用基于框架、规则、方法的面向对 象的知识表示，提供推理机，既有较强的符号推理能力和数值计算能力。d e s t 的设计 推理工作分为3 个主要阶段，第一个阶段是将设计知识描述出来并编译为知识库目标代 码，即知识表示阶段；第二个阶段是根据当前的设计任务的需求，利用已有的知识内容 进行推理，得出备选的设计方案，即知识利用阶段；第三个阶段是对得到备选设计方案 通过人际交互实现冲突消解，然后进行方案评价，即设计决策阶段。由以上各个设计阶 段可以看到d e s t 主要功能结构为编译与推理。编译时只是表示的主要环节，推理则是 推理机基于知识库的协调工作。因此，d e s t 的推理方法还有赖于人工智能技术的支持， 而人工智能技术在当前还远未达到成熟实用程度。 张德圳3 8 】深入研究了串联机械系统运动方案设计的理论及方法问题，概括了基于 状态空间方法的方案设计系统的体系结构，实现了机械运动方案设计系统的计算机辅助 设计功能，开发了应用设计系统。此系统针对单输入单输出运动方案自动求解给出了解 决方案，但是多输入多输出系统以及多自由度机构并没有涉及，因此，还需在此方法基 础上，将并联、混联、多自由度问题考虑进去，建立有效的数学模型进行计算求解，获 得广义上的机械系统设计方案。 1 3 论文主要工作 本文主要研究目标为基于混联机械系统运动方案理论，开发便于进行机械系统运动 方案辅助设计的基础功能平台，以便各个模块能够在此平台上进行开发拓展。因此，主 要工作体现在以下几个方面： ( 1 ) 分析基本机构单元运动变换，提取机构运动特征信息按照一定规则编码，存储 为计算机可识别方式，建立基本机构单元知识库，采用关系型数据库管理系统加以管理， 作为后续方案求解的基础。 ( 2 ) 分析串联系统和并联系统机构间运动转换性质，实现系统输入输出运动变换特 性即系统变换矩阵串联分解函数m a t r i x d e p o s e c 、并联分解函数m a t r i x d e p o s e b ；根据各 一6 大连理工大学硕士学位论文 自系统连接方式，完成串联系统特征校验“与”运算相关5 个函数及并联系统特征校验 “或”运算相关5 个函数。 ( 3 ) 研究不同组合单元运动变换的内在联系与运动特征间的转换规律，了解各种组 合单元中串联与并联依存关系，从而得到不同组合方式下调用串联分解函数、并联分解 函数以及并联交验校验函数和串联校验函数的规则。 ( 4 ) 由分解结果查询基本单元知识库，为避免过多消耗系统资源，针对不同组合单 元实现分解结果封装函数s e t d a t a t o x m l f i l e 、s e t d a t a t o x m l f i l e f o r b ，s e t d a t a 而舸扛研b f o r z c ，将保存在数据字典中分解结果以x m l 格式封装，方便进行方案查找运算。 ( 5 ) 根据运动方案求解设计流程，应用v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 ，s q ls e v e r 开发平台，开 发计算机辅助机械系统运动方案设计软件系统，并通过实例验证此软件系统的可行性。 计算机辅助机械系统运动方案软件系统设计与实现 2 机械系统运动知识表达与转化 机械系统的方案设计就是要在给定的设计约束条件下，如系统输入输出端的运动类 型、运动的连续间歇性、运动的往复性等，用一定形式的结构来实现功能要求。在机械 系统运动方案计算机辅助设计过程中，需要定义规则，把系统运动输入输出特征功能信 息转化为计算机能够识别的语言，以便被计算机识别，为后续的求解运算打下基础。 2 1基本机构单元特征信息提取转化 2 1 1 基本机构单元分类 在机械系统运动方案中，把机械系统看成是由若干个机构单元组成。因此，基本机 构单元可以被认为是构成运动方案的基础。文献【3 9 1 定义了4 4 中单自由度基本机构单元， 但是由于机械系统输入输出的复杂性，因此引用以下定义：由单闭环运动链形成的多自由 度机构成为多自由度闭环基本机构，简称为多自由度基本机构【删。 根据输入输出数目可以对基本机构单元分类为：单自由度基本机构单元和多自由度 基本机构单元。基本机构单元都具有特定的运动变换功能。根据输入输出端的相对运动 规律，每个基本变换单元的运动变换功能包含了前面提到的动作功能： ( 1 ) 输入输出端的运动类型变换，如两自由度基本机构单元r r r r r - i 能够将输入杆 1 转动、输入杆4 转动变换为输出杆2 平面运动类型，齿轮齿条机构能够将齿条的移动 变换为齿轮的转动类型。 ( 2 ) 输入输出端的运动方向性变换，如蜗杆蜗轮机构能够将输入端蜗杆的角速度方 向变换为输出端蜗轮与之垂直的角速度方向。 ( 3 ) 输入输出端运动的单向、往复性变换，如曲柄摇杆机构能够将曲柄的单向转动 变换为摇杆的往复摆动。在所有的基本变换单元中，由于输入端可能存在单向或往复性 运动，同时输出端亦可能存在单向或往复性运动，故输入输出端单向、往复性变换存在 四种组合形式。在本文，把移动总当作往复运动来处理，否则基本变换单元的构件将存 在无限大的尺度。 ( 4 ) 输入输出端运动的连续、间歇性变换，如槽轮机构能够将主动销轮的连续转动 变换为从动槽轮的间歇转动。在所有的基本变换单元中，如果输入输出端均做连续运动， 则基本变换单元实现的是一种连续运动，否则，其它的几种组合情况，基本变换单元均 视为做间歇运动。在本文，把往复摆动与往复移动均看作连续运动。 8 丈连理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 基本变换单元的速比特征，由于输入输出端都存在一定的运动规律，则基本变 换单元的速比也表现出一定的特征，如常量、变化等。 2 1 2 基本机构单元的功能特征提取 机械运动变换形式多种多样，这种变换就是把机械从某种给定的状态转变为另一种 想要的状态。以基本机构作为特征分析和系统组合的基本单元【3 8 9 1 ，是组成类型及功能 变换特性等运动分析的基础。针对基本机构输入、输出的运动变换情况，提取运动功能 特征，这些特征是机构运动变换性能的重要指标，主要有： ( 1 ) 输入输出运动类型【m ，】：转动r 、移动t 、螺旋h 、平面p ； ( 2 ) 输入输出运动轴线方向【m d 】：包括x 轴、y 轴、z 轴； ( 3 ) 输入输出轴线关系 m a 】：平行l 、垂直e ； ( 4 ) 输入输出数目【 t 】：单输入单输出s i s o 、单输入多输出s i m o 、多输入单输出 m i s o 与多输入多输出m i m o ； ( 5 ) 相对运动特征【 t 】：速比 ( 线性c 、非线性v ) ：相对运动特性i f 】( 连续性 豇、间歇性巧) ：运动单、双向性i n 】( 往复性d 、单向性d + d ) 等。 系统功能特征定义图2 1 所示 图2 1 运动功能特征模型 f i g 2 1s k e t c h ys p e c i f i c a t i o no f t h ek i n e m a t i c sf u n c t i o nc s f i c s 运动的单向性和往复性中输入输出相对运动方向有单向且同向d l 、单向且反向砬、 输入运动为单向到输出运动为双向d 3 、双向到单向d 4 及输入、输出运动均为双向b 五 种基本类型。由相对运动方向矢量d = + 一+ 一 7 建立如下转换关系： 0 = 【d 】三k ( 2 1 ) 计算机辅助机械系统运动方案软件系统设计与实现 具有转换特征的用逻辑值“1 ”来表示，其中常见的 d 矩阵的对应形式： r j0 口1f o1 口1f o0 口r o0j 1r j0 口 d 1 2 i ：；3 i ，d 2 2 i ；2 ：l ，d 32 i ：2 i ，d 4 2 i ：2 ；i ，b 2 i ：；：i q 力 基本机构的相对运动方向通常为上面几种基本形式的组合，如双摇杆机构只能实现 往复运动，即双向到双向n ；曲柄滑块机构既可以单向到双向，也可以是双向到双向， 其相对方向特征形式为b ，= b + d s 。此外d 0 表示输入、输出运动单向、双向均有可能 2 1 3 基本机构单元的知识转化 系统运动功能依靠基本机构单元或者基本机构单元组合来实现，在已知系统运动需 求的情况下，必须通过数学建模，进行功能分析，运算得到满足系统需求的基本单元， 这是一个借助于计算机来实现的复杂的数学运算过程。因此，必须对基本机构单元的功 能特征信息进行抽象，转化成计算机能够识别的语言。对已经提取基本单元重要的特征 信息进行编码，即可实现知识转化过程。 基本变换单元按照输入输出端的不同运动形式，具有转动、移动与螺旋等类型特征； 而基本变换单元的输入输出速度矢量又有大小与方向特征，在笛卡尔坐标系中可以沿着 x 、y 和z 轴方向进行投影，并获取相应分量的大小。为了能同时表达类型、方向及大小 等特征，可以建立多维特征矢量来表示。这样，我们把上述速度矢量进行了拓展，将基 本变换单元的输入矢量与输出矢量的分量用参数特征定性表示，分别称为基本变换元的 输入特征矢量和输出特征矢量，统称为状态特征矢量【3 引。根据不同类型基本机构的运动 方程分析，提取其内部特征转换关系并抽象为数学表达形式，建立基本机构运动传递的具 体特征状态方程【3 9 1 。根据不同输入输出矢量，可以得到不同形式的状态方程，如表2 1 所示。 通过输入特征矢量与输出特征矢量与外部联系起来，实现运动变换功能，因此，可 以用状态变换矩阵描述机械运动基本变换单元的功能与输入输出知识，建立各类基本变 换单元的状态变换矩阵【3 9 】信息存储模型为机械运动方案设计提供基本知识源。从表2 1 可以看出，由于输入输出数目的不同，每个状态方程中所包含的矩阵个数是不同的，基 本单元特征信息的转化实质上是单元所对应矩阵所包含的特征信息的转换。 多输入与多输出特征矢量问对应多个不同的特征状态矩阵，每个特征状态矩阵中的 非零值位置由输入输出间的运动类型【m ，】和方向【m ，】变换特性决定。其输入输出端的 运动类型可为转动r 、移动a 螺旋运动h ( h 可以分解为r 和r 同向运动) 或平面运 大连理工大学硕士学位论文 动尸，同时运动类型可对应x ，y ，z 坐标轴及其他任意方向。基于上述运动类型，在此提 出广义运动方向4 ”，是为了整体表达可分解的复合运动类型( h 、p 等) 的广义坐标轴 表2 1 基本机构单元特征状态方程 t a b2 1t h ec h a r a c t e r i s t i cs t a t ee q u a t i o n so f b a s i cm e c h a n i s mu n i t s 基本机构单元义特征状态模型基本机构单元广义特征状态方程 s 肼o m i s o m i m o 么+ = 【一，4 】 乏： a ， h 。 a ：j l r a - ：j 方向，共计1 2 种。以集合形式可表示为： g 【 l ：m = r ，t ，日，p ) = b ，r ，足，乃，以，日，够，只，只， ( 2 3 ) 由式2 3 ，可以知道在基本机构输入输出中存在复合运动时，可以在使用广义运动 方向来表达这些运动在坐标轴上的投影，因此可以将变换矩阵扩展为广义变换矩阵，在 此矩阵中非零值元素唯一。 ( 1 ) 运动类型方向特征信息转化 根据广义运动方向，编码( 1 - 1 2 ) 来表示r ，l 风p 在坐标轴上投影。编码规则 为：令足为1 ，置，为2 ，z 为4 ，其他运动类型依次类推。基本机构单元类型方向信息 的转化过程其实就是根据基本机构输入输出，