机械传动方案设计的状态空间法

机械传动 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计的状态空间法 1 ,21 韩泽光王德伦 1 . 大连理工大学机械工程学院 ,大连 ,116024 2 . 太原理工大学机械工程学院 ,太原 ,030024 摘要 :以状态空间为纽带 ,将机械传动的原理运动方案与结构方案结合 在一起 ,实现了计算机辅助方案设计的集成 。在原理运动方案求解时通过 扩大功能需求描述 ,引入相应的优化技术 ,实现了分解级数的自动确定 ,有 韩泽光 副教授 效地界定了原理方案的解空间 ,避免了解的组合爆炸和众多无意义解的生 成 ;由传递 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 确定的结构集合的卡氏积运算实现结构的多方案设计 ,为相 中图分类号 : T H122() 文章编号 :1004 - 132 ?200411 - 1008 - 04 关设计提供一种新思路 。 A Ne w Approach to Conceptual Design of Mechan ical Transmission by Means of State - space 关键词 :状态空间 ;运动 - 结构方案设计 ;卡氏积 ;计算机辅助方案设计 1 ,2 1Han ZeguangWang Delun 1 . Dalian U niversit y of Technology ,Dalian ,116024 2 . Taiyuan U niversit y of Technology , Taiyuan ,030024 Abstract : A met ho d integrating kinematical and st ruct ural co ncep t ual design of t he machine was achieved based o n t he state - space . As solving t he kinematical co ncep t ,t he p rogressing of search dep t h was auto matically co nfir med by enlarging t he descrip tio n of t he f unctio nal requirement s and using t he op timal technique ,t he solutio n space was effectively co nfir med , avoiding co mbine explo ratio n of t he solutio ns , and t he multi - plan design of mechanical st ruct ure was also co mpleted by t he Cartesian p ro duct operatio n of t he st ruct ural aggregatio ns co nfir med by t he t ransfer f unctio n . It is a new t ho ught fo r resolving interrelated de2 sign p ro blems. Key words : state - space ; kinematical and st ruct ural co ncep t ual design ; Cartesian p ro duct ; co mp uter aided co ncep t ual design 成 。真正帮助设计师完成辅助结构方案设计的研 引言 0 究还没有取得多大进展 ,这也是方案设计不能与 而今对机械产品的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 是 : 高精度 、低成本 、 下游设计融合的瓶颈所在 。为了将早期方案设计 多品种 、小批量 、人性化 ,因此设计是其实现的必 贯彻始终 ,就必须有一个比较完善的系统将方案 然手段 。据统计 ,产品成本的 75 %以上是由方案 设计阶段的非几何概念与描述设计目标和需求功 设计决定的 ,由此可见 ,方案设计是设计中最为重 能的几何形状集成到一起 ,并能为细节设计提供 要的部分 。它分为原理方案设计和结构方案设计 较 多 的 设 计 方 案 。由 此 , 我们提出状态空间法两大类 ,原理方案是创新的源头 ,而结构方案是原 来完 成传动系统原理和结构方 理方案的外在表现 。 案的 设 计 , 初 步 实 现 二 者 近十年来 ,为了实现设计创新及方案设计系 的统一 。 统化和自动化 , 许多学者做了大量的工作 , 主要 1 理论模型 有 : ?以 Kirschman 等为代表 ,解决方案设计的 1 2 功能分类方法学研究 ; ?以 Kota 等为代表的机 根据文献 5 的定义 , 4 3 和邹慧君等为代表的人工智能方案设计 。 等构概 念 设 计 的 定 性 矩 阵 表 示 ; ?以 Kannapan 机器的设计大致分为三个 上述研究都集中在原理方案设计阶段 ,且由于功 阶段 , 即 需 求 分 析 和 方 案 能 描述过粗会造成方案组合爆炸或无意义解的生 设计 ,细节设计 ,加工制造 收稿日期 :2003 - 09 - 10 图 1 方案设计流程图 和检验 。第一阶段的设计 ( ) 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 50075012 ,50275016 流程见图 1 。 1 . 1 传动系统的运动方案设计性方程 : ( )S h = x T + yB 3 在进行运动方案设计时 ,首先应完成产品功 式中 , S h 为某一轴系 ; T 为其传动功能块 ; B 为其支承功 ( ) 能需求 FR的表达 ,它是决定设计成败的关键 。 能块 ; x 、y 为大于等于零的正整数 , 表示传动与支承功能 此处采用面向对象方法将传动系统 FR 用五元组 块的数量 。 描述如下 : ) ( 若机器是由 n 根轴系组成的 , 应用式 3 并 )( ( ( α) )1 FR = f , i n , o , c V , V ,, r i n o 将其转化为矩阵 : ( 式中 , f 为产品功能 , 由输入输出间的运动特征 转动 、移 x yS h 111) 动等定性表示 , 如转动到转动 ; i n 为输入特征矢量 , i n = S hx y T 222) ωωωT,(; o 为 输 出 特 征 矢 T, , , T , y- i n z- i n x- i n y- i n z- i n x- i n ( )= 4 B ? ? ? ) ω( 量 , o = ;、Ti = T(ωωωT ,T,, , ,z- oi i x- o y- o x- o y- o z- o y S hx n nn) x- i n , y- i n , z- i n , x- o , y- o , z- o分别为输入和输出端沿 i ( ) 将式 4简写为 α) ( 轴的转动 和 移 动 分 量 ; c V , V ,为 输 入 输 出 参 数 的 i n o )( S = A ?F 5 关系 ; V 、V 分别为 i n 和 o 中的非 0 值 ; r 为设计性能 、成 i n o 式中 , S 为 轴 系 的 向 量 集 合 , S = { S h, S h, ?, S h} ; F 1 2 n 本和环境适应性等约束 , r = { r, r, ?, r} 。 1 2 n 为支承和传动功能块向量集合 , F = { T B } ; A 为功能状 基本运动单元组成求解知识库 , 其表示方法 态模板矩阵 。 与 FR 相似 。 从控制论的观点来看 , S 和 F 表示轴系的状 将上述功能需求写入状态方程 ( ) 态空间 , A 中的元素即为传递函数 。式 5即为组 F= A ?E o i n 成传动装置的功能结构方案 。 式中 , F、E分别为输出 、输入特征矢量 , 分别与 FR 中的 o i n 1 . 3 结构方案的运算 o 、i n 相对应 , 但各分量的取值分别为 1 或 0 ; A 为状态变 ( ) 式 5仅表示出组成机器传动链的轴系功能 换矩阵 , 其元素 a为传递函数 。 ij 通过反求总状态变换矩阵并对其进行分解即 块的数量 , 没有显式表示出各功能块结构及其在 [ 6 ] 可求得满足设计需求的运动方案。为了避免方 轴上的具体位置和布置方式 , 因而还不能得到其 案爆炸 , 采用约束优化来限制其解空间和分解级 1 . 3 . 1 功能块的结构符号 具体结构方案 , 为了实现结构方案的可视化 , 必须 数 , 具体确定方法如下 : 为了显示轴系的结构方案 , 经分析归纳和抽 s. t . = 0 ( )( ( ) ) α)( 2 cV , V ,jtk i n j t oj t j t ) ( max{ min f o, o} j t o 研究功能块的结构及其布局 。 象 , 将 定 轴 系 的 功 k = 1 , 2 , ?, p t = 1 , 2 , ?, n u j ( ) f o, o= | o- o| / V j t o jt o i n能块用图 2 的结构 ? [ 0 , 1 ] αα(αα) θθ= + - ?jt jtL L jt UL jtL L jt j t 符号 表 示 , 它 们 即 图 2 结构符号 为轴系结构的基本 式中 , o为设计需求输出 ; n u为当前级满足功能需求的 o j 2 中 , 每个小图下面的编号是功能块的结 单元 。图 运动方案总数 ; o为第 j 级第 t 个满足功能需求的运动方 j t 构代号 , 代号 1 为直轴传动 , 2 为曲轴传动 , 3 为偏 ) ) α) α( ( ( 案的输出 , o= V = f V ,;为内部变量 , 其jt ojt i n j t jt j t 心盘传动 , 4 为支承功能块代号 。 取值与设计需求和基本运动单元有关 , 通常为常数或 区 1 . 3 . 2 单一轴系的符号布局 ααα间 ;、分别为取值的下限和上限 。 j tL L jt UL j t ( ) ( )式 5中的传递函数 x 、y i = 1 , 2 , ?, n i i 若求得的目标函数趋于 0 , 则停止 ; 否则继续 的取值已经确定轴系的功能组成 , 其布置方案可 ( ) 直到其趋于 0 选最大值可避免过早收敛。j 即为 [ 7 ] 由传递函数 值 和 轴 系 结 构 基 本 单 元 的 卡 氏 积运动方案分解级数 。 运算求得 , 因篇幅所限 , 这里仅以代号 1 和 4 为例 1 . 2 传动系统的结构状态方程 来说明轴系的结构布局 。 求得满足功能需求的运动方案后 , 需完成该 ( ) 1当 x = 2 , y = 2 时 , 其结构布局见图 3a i i 方案的结构元设计及布局 。由机械传动系统的功 ( ) , 图 3d , 用集合 S C= a, a, a, a表示 。 1 1 2 3 4 ( ) 2当 x = 1 , y = 2 时 , 其结构布局见图 3e i i 能可知 , 轴系是其结构设计首要解决的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 , 因 ( ) , 图 3g , 用集合 S C= b, b, b表示 。 21 2 3 ( ) = 2 时 , 其结构布局见图 3 h 3当 x = 3 , y i i此 , 若将轴系定义为结构元集合 , 用通用的数学语 ( ) , 图 3j , 用集合 S C= c, c, c表示 。 3 1 2 3 ( ) 4当 x = 2 , y = 1 时 , 其结构布局见图 3k , 言来描述其结构方案 , 将十分适合该阶段设计信 i i ?1009 ? 息不精确和不完整的特点 , 大大简化设计过程 。轴 ( )表 1 方案设计解 部分 ) ( 用集合 S C= d表示 。 4 1 CD 解序号 1 k 2 k 1 锥齿轮传动 外啮合直齿轮传动 2 相交轴带传动 外啮合直齿轮传动 3 带传动 外啮合锥齿轮传动 4 相交轴带传动 外啮合斜齿轮传动 考虑空间布置 、制造成本等因素 , 选方案 3 为 合适运动方案 , 并对第二级进行结构设计 。该设计 图 3 单一轴系结构布置 的功能状态模板矩阵 2 2 A = 2 2 1 . 3 . 3 轴系间结构方案 轴系间结构方案可通过所有轴系结构布局集 由于 x = 2 , y = 2 , x = 2 , y= 2 , 则 S t = 1 1 2 2 合间的卡氏积运算得到 。设 CA 为某一轴系的结 S C×S C, 总共有 16 种结构方案 , 剔除输入端明 i 1 1 构布局集合 , S t 为机器的轴系结构方案集合 , 则 ( ) ( ) ( ) ( ) 显不合理的 a, a, a, a, a, a, a, a3 3 3 1 3 2 3 4 它们间关系表示为 及同构组合外 , 用本文的方法运算后最终求得单 m ( )S t = CA 6 i级圆锥齿轮减速器的 9 种结构方案简图见图 4 。 7 i = 1 CA = S Cl = 1 , 2 , 3 , 4 i l 式中 , m 为轴数 , 可通 过 运 动 方 案 设 计 得 到 , l 的 取 值 由 ( ) x 、y n = 1 , 2 , 3 , 4的值确定 。 n n ( ) ( ) 通过式 5、式 6可表示出文献 [ 8 ] 减速器 的结构布置简图 。 2 实例 设计 一 链 式 运 输 机 。电 动 机 驱 动 , 转 速 为 960r/ min ,功率为 3 k W , 链轮转速为 96r/ min , 输 入输出端相交 , 效率高 。 ( ( 由设计 要 求 可 知 , 其 FR = f : 转 动 到 转 图 4 锥齿轮传动结构简图 ) ( ) ) ( ( ( 动, , o : i n : n , 0 , 0 , 0 , 0 , 00 , n, 0 , 0 , 0 , i o 对上述结构方案进行方案评价 ,得到满足实 ) ) ( ( ) ( ) 0, c V , V , i : i = n/ n= 10, 承载能力 i n o io 际要求的方案 ,最终指导下游结构设计 。获取上 ) ) 高 , 运转平稳 , 成本低 ?。搜索基本变换单元满 足输入输出为转动 - 转动且满足约束的运动单 述最优结构方案后 ,再重点对支承和传动块进行 ( ) 元如下 :带传动 、链传动 、直 斜齿轮传动 、锥齿 较为细致的结构方案设计 。由于支承和传动块又 轮传动 、蜗轮蜗杆传动 , 编号为 1 、2 、3 、4 、5 、6 。以 有许多种结构形式 ,因此又可得到许多结构方案 , α带传动为例说明解级数的求解方法 。带传动的 j13 )( θ) θo= ?n/ 10 - n/ 2 + 2?/ n, 求得= 1 , o ii i α( )θθ ( ?[ 2 , 4 , 其= 2 + 4 - 2,?[ 0 , 1 , f o, j1 j1 3 结论 体现了结构方案设计的多样性和复杂性 ,其具体 3 3 3 3 3 3 f = 0115 。同理可得 , f 、f 、f 、f 和 f 分 j1 j2 j3 j4 j5 j6 3原理方案设计作为创新的源头 ,将其与结构 别为 0115 、0 . 23 、0 . 23 、0 . 23 和 0 , j = 1 。因 max f 设计方法另文详述 。 t 方案设计相结合 ,多年来一直是研究难题 。本文 ?0 , 继续向下搜索 。以上级的输出 n= n/ 4 为 o1 i 利用状态空间理论将原理运动方案设计与结构方 输入继续搜索 , 下一级满足功能需求的运动单元 案设计相结合 ,初步解决了计算机辅助传动系统 ( ) 仍为带传动 、链传动 、直 斜齿轮传动 、锥齿轮传 原理和结构方案设计方面的有关问题 ,为机械系 动 、蜗轮蜗杆传动 , 编号为 1 、2 、3 、4 、5 、6 。本级以 统的创新方案设计提供了一种新方法 。 α锥齿轮传动为例完成搜索运算 , 锥齿轮传动的 j5( )θθ α= 2 + 4 - 2,? [ 0 , 1 , ?[ 2 , 4 , 因此 j5参考文献 : 1 Kirschman C F , Fadel G M . Classifying Functio ns for ( ) ( θ) f o, o= | n/ 10 - n/ 4/ 2 + 2] | / n, 得 j5 o iii Mechanical Design. Journal of Mechanical Design , 3 3 3 θ= 0 . 25 , f = 0 , 同理可得其他 f = 0 , 因此 j5 jt () 1998 ,120 3:475,482 j = 2 , 结束 。部分设计方案见表 1 。 ?1010 ? 纸基蜂窝零件数控加工 装夹系统中填料方法的研究 吴福忠 柯映林 浙江大学机械与能源工程学院 ,杭州 ,310027 摘要 :提出一种基于摩擦吸附原理的装夹定位方法 。介绍了装夹定位 方法以及填料装置设计 、填料高度控制等内容 。以某型号飞机方向舵蜂窝 零件为例 ,研究了安全填料高度的计算方法 。实践表明 ,采用该装夹定位方 吴福忠 博士研究生 法 ,可以有效地提高蜂窝零件的加工精度和加工效率 。 () 中图分类号 : V261 . 97 文章编号 :1004 - 132 ?200411 - 1011 - 04 关键词 :纸基蜂窝 ;装夹定位 ;摩擦吸附 ;填料 Material Pouring Method in Pa per Honeycomb Parts Fixat ion System Wu Fuzho ng Ke Yinglin Zhejiang U niversit y , Hangzho u ,310027 Abstract :Wit h regard to t he high - speed machining of paper ho neyco mb part s of airplane , a new fixa2 tio n met ho d was st udied based o n t he f rictio n clamping p rinciple . As an impo rtant part of t he fixatio n sys2 tem , a new material po uring device was designed. And a po uring height co nt rol algo rit hm to avoid t he tool colliding wit h iro n pow der was described in detail . Wit h t his fixatio n met ho d ,t he manuf act uring p recisio n and efficiency of paper ho neyco mb part s of airplane can be imp roved greatly. Key words :paper ho neyco mb ;fixatio n ;f rictio n clamping ; material po uring 由于蜂窝芯材料的横向刚度很小 ,因此不能应用 引言 0 传统的方法进行装夹定位 。目前 ,通常采用以下 方向舵在飞机飞行过程中 ,特别是在转向时 , 三种装夹定位方法 :双面粘结带固定法 、隔膜法和 将承受巨大的纵向压力和横向拉力 。为了提高其 3 抗压强度 ,采用一种由 No mex 纸制成的形似蜂窝 乙二 醇 法。但 是 , 由 于 蜂 窝 壁 厚 仅 有 0 . 1 , 012 mm ,粘结 接 触 面 积 很 小 , 所 以 在 加 工 过 程 中 的零件填充在飞机方向舵内 。这种新型结构材料 会产生局部剥离和蜂窝壁弯曲变形现象 ,从而降 具有质量轻 、强度高 、密度低且可以根据需要在较 1 ,2 大范围内按照密度进行选择与调整等优点。 低零件的加工精度 。另外 ,装夹定位过程都是手 工操作 ,工作效率较低 ,劳动强度较大 ,不利于批 收稿日期 :2003 - 07 - 31 量生产 。为此 ,国内外学者对蜂窝零件加工的装 ( ) 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 50175102; 国防型号工 ( )程项目 00 - 1810 - 0785 夹定位方法进行了大量的研究 ,但由于军工应用 领域的特殊性 ,所以目前还很难从现有技术文献 2 Kota S. A Qualitative Mat rix Rep resentatio n Scheme 7 耿 素 云 . 集 合 论 与 图 论 . 北 京 : 北 京 大 学 出 版 社 , for t he Co ncep t ual Design of Mechanisms. The ASM E 1998 Design Auto matio n Co nference ,Chicago , 1990 8 张展 , 姚振甫 . 实用机械传动设计手册 . 北京 : 科学 3 Kannapan S M , Marshek K M . Design Synt hesis Rea2 出版社 ,1994 so ning : a Met hodology for Mechanical Design. Re2 ()编辑 卢湘帆 () search in Engineering Design ,1991 ,2 4:221,238 邹 4 作者简介 :韩泽光 , 男 , 1967 年生 。大连理工大学机械工程学院 慧君 ,顾明敏 . 机构系统方案设计专家系统初探 博士研究生 ,太原理工大学机械工程学院副教授 。研究方向为机 () 一———知识库管理系统的建立 . 机械设计 ,1996 , () 13 5:26,28 械产品的概念设计 、机械 CAD 等 。发表论文 16 篇 。王德伦 ,男 , 5 Pahl G , Beitz W. Engineering Design. Berlin : 1958 年生 。大连理工大学机械工程学院教授 、博士生导师 。 Sp ringer , 1984 6 王德伦 ,张德珍 ,马雅丽 . 机械运动方案设计的状态 () 空间方法 . 机械工程学报 ,2003 ,39 3:23,27 ?1011 ?