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混联机械系统方案计划设计特征状态空间理论跟方法文档
第42卷第12期 机 械 工 程 学 报 Vo1.42 No.12
2006年 12月 CHINESEJOURNALOFMECHANICALENGINEERING Dec. 2006
混联机械系统方案设计特征状态空间理论与方法*
张利萍 王德伦
(大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室 大连 116024)
摘要: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。
关键词:概念设计 混联系统 对偶矢量 特征状态空间
中图分举号:TH122
和组合方式的数学建模两子部分。在文献阎串联方
0 目1台 案设计的基础上,同时基于多自由度基本机构和混
联系统组合方式[[6]的研究,建立机构单元与组合单
方案设计是产品概念设计的重要阶段,对系统 元的(广义)特征状态方程,提取(广义)特征状态矢
运动性能、制造性能和可维护性等方面有重要的影 量,分别映射为特征状态空间元素,构建起混联系
响作用。UMEDA等[[1]将传统的定量描述方法转化 统的特征状态空间模型。把混联系统的运动方案设
为定性模型,非常适合于定量信息不足的概念设计 计过程转化为特征状态空间中空间元素的性质分析
早期阶段。GOEL[2]采用基于实例类比推理的方法具 与应用问题。
有较强的知识表达效果,但需大量良好的设计实例
才能有效工作。YAN[31提出了颜氏创造性机构设计 1混联机械系统与特征状态方程
的系统方法,把原始机构转换成一般化运动链,运
用数目综合理论得到一般化运动链图谱,根据设计 研究机械系统构成要素及要素组合关系的表达
要求,特定化运动链图谱,获得机构图谱,而图信 与性质是混联运动方案设计的基础。
息往往忽略掉很重要的运动功能特征信息,难以实 1.1混联机械系统
现不同功能属性之间的映射。KOTA等4[[]提出矩阵 混联机械系统的运动功能往往是通过若干基本
量化方法建立机构的数学模型,强调机构本体运动 机构以不同的方式串联、并联或者混联组合实现,
特征的可操作性,设计单元由运动转换矩阵及一个 系统的组合特征由系统元素(基本机构及其组合方
可操作的约束矢量表示,但研究限于定轴的单输入 式)的性质决定。基本机构作为特征分析和机构组合
单输出运动。 的基本单元,是系统功能变换特性等分析的基础。
现有方法只能表达单自由度基本机构,系统综 组合方式是系统不同形式传递形态的体现。
合仅停留在连接关系相对简单的组合系统(如串联 以缝纫机针与下送料牙同时推进送料机构
组合),研究的多是某些特定组合特性,讨论往往局 (图la)为例,该系统为多输入多输出型。在该机构
限于具体组合系统的运动学和动力学问题,没有形 中,机针3与‘送料牙7配合同步送料,抬牙曲柄9
成通用的分析复杂系统的统一有效的理论体系,且 和送料摆杆6通过2自由度五杆机构使送料牙7实
由于机构本身的复杂性、机构组合方式的多样性及 现下送料运动;摆杆6与缝纫机上回转曲柄1共同
其间藕合关系的不透明性,尤其是对多输入多输出 驱动产生针杆3的运动:一方面随摆杆4摆动(牵连
基本机构参与的串、并联混联组合系统综合方法的 运动),另一方面沿移动副方向作上下运动(相对运
研究更是棘手。 动)。机针刺入缝料后与送料牙配合实现的同步运动
分解机械系统的数学建模过程为基本机构单元 关系通过基本机构单元,如单自
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