张德珍[1]2003年在《串联机械系统运动方案设计的状态空间理论与方法的研究》文中认为本论文在国家自然科学基金(No．50075012，50275016)的资助下，结合工程设计实际，对机器创新方案的机构与结构并行设计理论与方法进行了研究。 本文首先从运动变换的角度定义了广义单自由度机械运动基本变换单元，归纳总结了常用的基本变换单元。其次，在基本坐标系中，通过建立状态方程来描述基本变换单元输入、输出特征矢量(统称状态特征矢量)及状态变换矩阵之间的相互关系。其中，前者按照输入输出端的不同运动类型、速度矢量的大小及方向特征，以6维矢量形式表示；而后者作为输入、输出特征矢量之间的纽带，描述了基本变换单元的功能与特征。再次，阐述了状态变换矩阵的形成过程，通过泰勒级数展开，提取其非零元素的特征，并按照传递特征值对基本变换单元加以分类，归纳了状态变换矩阵的性质。为了解决方案设计过程中知识表达问题，建立了基本变换单元的状态变换矩阵信息存储模型。本文接着引入状态空间的概念，并在状态空间中进一步讨论并获得了基本变换单元特征矢量对及其集合的性质。基于状态空间理论，本文深入研究了机械运动基本变换单元的组合方法。获得状态变换矩阵在基本坐标系及系统坐标系下的转换规律、机械系统的传递函数特征值及其性质。按照状态空间中对偶特征矢量的运算规则，在已知系统的输入输出特征矢量的情况下，通过数学推导求解，将形成的系统状态变换矩阵分解为多个状态变换矩阵的乘积，再通过各状态变换矩阵到数据库中寻找相应的基本变换单元集合，然后进行按序组合，进而从理论上获得相应的方案设计可行解。 根据建立的数学模型，本文提出了相应的按位存储数据结构以及树型递归分解算法，实现了状态变换矩阵(包括类型、方向及变换特征)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)，提出了方案设计的综合求解算法，实现了在计算机上进行方案设计的可计算自动求解。 本文对机械运动设计方案的可视化方法进行了探索，实现了基于Solidworks特征造型系统的寄生式叁维模型表达目的。此外，对方案设计获得的诸多可行解优选问题，还运用模糊综合评价方法进行了简单评价，明确了针对轻工业服装机械行业所必须考虑的评价因素。 本文最后综述并实现了机械运动方案设计系统的开发。概括了方案设计系统的体系结构，分析了数据库的组织结构，描述了系统的实现功能。将本文提出的状态变换矩阵方法应用于生产实际中，进行多个设计实例的可计算自动求解，实践表明该方法可行、有效。
张利萍[2]2006年在《机械系统方案设计的特征状态空间理论与方法》文中研究说明本论文在国家自然科学基金(No．50475154)的资助下，结合工程设计背景，建立了机械系统运动方案设计的特征状态空间理论与综合指导算法，得到了复杂混联机械系统的创新设计数学模型。本文首先从机械运动功能特征转换的角度定义了多自由度基本机构单元，归纳总结了常用单自由度与多自由度机构及其机架变异的机构单元，将其运动传递过程转化为运动特征状态的变换，提出阶跃函数作用速度矢量方程特征离散化，并抽象为多自由度基本机构的输入与输出特征矢量，建立了机构单元的运动功能与运动特征变换的定性分析和定量表达方法，由此导出单自由度基本机构单输入多输出和多自由度基本机构多输入多输出，且其输入、输出构件可为定轴或非定轴运动的特征矢量表述及其运动传递特征状态方程。针对复合机构单元的数学建模，提出了运动构件的相对运动特征状态向绝对运动特征转化的功能特征状态分析方法，深入研究了机构单元相关组合特征属性与复合运动功能约束关系，依据固结关系确定的特征矢量转化因素，将单元机构的特征状态方程与矢量坐标转换关系计算相融合，推导出复合运动固结构件特征状态矢量合成公式，以此提出迭合式复合机构单元建模转化依据，建立附加机构的相对运动特征状态方程向描述绝对运动的特征状态方程的转化过程，并总结出其数学建模的过程模型。定义多个机构单元的串、并、混联等组合方式及其典型组合单元的数学模型，并探讨了组合系统运动变换的内在联系与运动特征间的转换规律，深入分析组合关系的重组计算与功能传递方式等关键问题，利用组合模型理论建立广义特征状态方程，采用分层特征模式并结合定性知识数学建模，抽象出实际的机械系统功能特征的数学模型。构建组合系统运动变换的广义特征状态组合模型来传递输入输出特征属性，表达机构单元及其组合功能特征的拓扑关系。对特征状态空间与混联机械系统之间的映射规则及特征转化规律进行探讨，确定特征状态空间的结构及其构成元素的性质，进一步讨论对偶矢量间运算规则和度量方式，由此阐明特征状态图理论，并将功能约束通过特征状态空间映射到混联系统综合的求解空间，使得运动方案设计问题转化为特征状态空间中特征状态图的分解与连接匹配问题，在特征状态空间模型的不断分层细化之中，确定解空间的区域，通过特征状态图的计算规则，获得混联机械系统综合可行解(集)。依据建立的数学模型，提出了相应的设计知识转换方法，建立合理的数据存储结构与知识库的组织管理，包括基本单元信息的存储、提取操作及数据流间的复杂关系，结合组合关系的逻辑计算规则，提出方案设计综合求解的可自动计算算法，完成状态变换矩阵中类型、方向及特征属性值的自动分解，由此实现机械运动方案设计系统的开发。将本文提出的特征状态空间理论及设计空间的转换求解思想应用于生产实际中，产生设计实例的自动求解多方案，验证了该设计理论的正确性与综合方法的有效可行。至此完成数学建模形式、定量算法操作和设计指导理论的有机结合，开辟混联机械系统的自动方案设计的新途径。
张利彬[3]2016年在《串联机械系统运动方案的计算机辅助设计》文中研究表明本文以串联机械系统为对象,研究了串联机械系统运动方案的计算机辅助设计方法。基于状态空间方法建立了串联机械系统的状态变换模型,研究利用运动方案设计的状态空间方法进行构型设计、尺度设计和运动性能分析的设计流程；同时,为了实现设计方案的数字化表达,进一步研究了机构运动简图自动化生成的方法；分析运动方案的算法逻辑,开发了相应的机械系统运动方案设计软件,实现了机械系统运动方案的计算机辅助设计。本文研究和发展了机械系统运动方案设计的状态空间方法。通过对构件的运动状态分析,将特征状态空间方法进行拓展,建立机械系统的状态空间模型。通过定义活动构件的运动状态参数,由机构单元的输入输出构件的状态变换,推导出机械系统的输入与输出状态的变换模型。建立状态空间,将运动方案设计问题转化为状态空间中从初始运动状态到最终运动状态间的路径规划问题。利用机械系统运动方案设计的状态空间方法,分别进行构型综合,尺度综合和运动分析。基于构型与尺度设计的结果,研究机构运动简图自动化生成的方法。选择基本机构单元作为绘图图元,建立基本图元库。根据实际的输入输出轴线,利用坐标系变换,实现基本图元的连接,并对机构单元进行适当的姿态调整与尺寸驱动,从而得到叁维空间内机构运动简图。将绘图过程流程化。借助于CAD绘图软件,实现机构简图的自动化绘制。基于串联机械系统运动方案的设计过程,分析构型方案设计,尺度设计,机构简图生成以及运动性能分析的设计流程。研究适合计算机辅助设计的算法逻辑,并绘制了关键步骤的算法流程图。利用Visual Studio 2012软件开发平台,开发机械系统运动方案设计软件。对软件进行模块划分,将软件分为构型设计、尺度设计、简图生成和运动分析四个功能模块。各模块间实现数据传递,分别得到满足设计要求的构型,尺度,机构运动简图以及运动性能。使用机械系统运动方案设计软件,以冲压机为例,进行运动方案设计,验证了软件的可行性。
摆建品[4]2007年在《计算机辅助机械系统运动方案软件设计与实现》文中提出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间建模与求解理论，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863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，分析系统输入输出间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SQL Server 2005作为数据平台构建系统数据模型，采用ADO．NET及XML技术进行数据访问，Visual Studio2005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。
韩泽光[5]2007年在《机械系统运动与结构方案集成设计理论与方法》文中研究说明产品竞争力的关键在于创新性产品设计,而产品设计的关键又在于方案设计,因此研究计算机辅助方案设计理论与方法已成为现今设计技术发展的必然。然而,作为产品设计的重要环节——方案设计(包括原理运动方案设计与结构方案设计)所遇到的困难以及方案设计的结果难以与下游细节设计融合阻碍了计算机集成技术的实现。本论文是在国家自然科学基金(No.50075012,50275016)和辽宁省教育厅科研项目(No.20060719)的资助下,结合工程设计实际,以机械系统为研究对象,围绕产品的运动方案设计和结构方案设计集成展开了一系列深入细致的研究,提出了一些新的思想、理论、模型和方法。本文重点进行了以下几方面的研究:(1)提出表达产品整个生命期内设计需求的统一模型,从运动变换的角度定义了机械运动基本变换单元,建立了状态方程来描述基本变换单元输入、输出特征矢量及状态变换矩阵之间的相互关系,归纳总结了机械运动基本变换单元的知识库,建立基于状态空间理论的运动方案的求解技术。针对原理运动方案设计阶段解的语义表达难以向结构方案设计传递完整设计知识和进一步完成结构方案设计计算机求解的困难,又提出了基本变换单元的符号表达方法,制定了基本变换单元间符号运算规则,简化了设计方案解的表达,同时避免了符号方案解的疏漏,为下一阶段设计奠定了基础,获得了符合工程实际的原理运动符号方案可行解集。(2)分析了计算机辅助结构方案设计阶段对产品信息模型的要求,提出并建立了集功能与结构于一身的抽象表达——强连接集合元,并将它们作为结构方案设计阶段产品建模的基本单元,借此实现自顶向下、逐步求精的产品设计理念与求解模式。(3)在详细分析原理运动方案解的组成结构基础上,首次提出用运动副的结构方案来描述机械系统的骨架结构的方案设计方法,将运动副用与其形神相似的轴系来表达,建立了轴系的结构方程,实现了运动副结构的通用数学表达。(4)探讨了运动副轴系结构布置设计的有关理论和方法。针对运动副轴系的结构特点,定义了表达运动副轴系抽象功能结构的强连接集合元的符号,建立了运动副轴系的强连接集合元符号布置运算方法;为了使运动副轴系的结构方案显式化,提出了强连接集合元的装配单元——强连接零件集概念,定义了强连接零件集自身和其组成元件的符号,以及组成元件间装配关系的表达方法,并制定了运动副轴系的装配结构布置方案的运算规则,实现了各种运动副轴系的结构方案设计。(5)建立了基本变换单元及机械系统结构方案设计知识库以及结构方案设计的状态方程,获得机械系统结构方案设计的数学表达,制定了相应结构方案的运算规则,通过该方程传递函数变化完成了机械系统抽象符号和装配符号结构方案设计;提出了结构方案表达的数据结构——二维双向链表,完成结构方案设计过程中布置信息的传递,实现了定、变速机械系统布置结构多方案设计。(6)将面向对象技术用于产品强连接集合元和强连接零件集的表示,实现了产品设计各个阶段信息互通和不断充实完善的目标,实现了向下游细节设计提供丰富充足的设计信息的目标,为解决CAx数据孤岛探索了一条新路。该方法对于解决方案设计与细节设计数据难以融合这一瓶颈问题具有一定的理论意义和实用价值。(7)在上述研究的基础上,应用VC++6.0技术开发了基于状态空间的机械传动系统结构方案辅助设计软件,并将其应用于生产实际中,设计实例说明该方法是可行、有效的。
马雅丽[6]2011年在《机械系统方案设计的能量特征状态模型》文中认为本文提出了机械系统方案设计的能量与结构特征状态的系统化建模方法,建立了运动方案设计的能量特征状态模型、结构布局方案设计的结构特征状态模型和复杂零件结构方案设计模型；解决了系统运动方案和结构布局方案设计过程难于数学描述的难题。论文工作在国家自然科学基金(No.50075012和No.51075051)和国家科技重大专项(No.2009ZX04014-034)课题资助下完成。主要研究工作如下。本文首先提出机械系统运动方案设计的单元能量特征状态建模方法。系统传递的能量状态表现为运动和动力特征状态。基此定义实现运动和动力特征状态变换的功能载体为基本能量单元；提取能有效描述运动和动力特征状态的一组最少特征变量,构建基本能量单元的能量特征状态向量。其次,提出基本能量单元机架的能量特征状态为单元的初始特征状态,有效地解决了具有相对机架的基本能量单元的能量特征状态建模问题。第叁,利用状态空间理论模型,建立了包含机架能量特征状态的基本能量单元非零初态的能量特征状态方程,从而实现了基本单元输入输出能量特征状态的模型描述。本文采用单元组合方法研究机械系统运动方案设计的能量特征状态建模。论文首先研究单元组合方式及约束,明确单元组合过程即是引入约束的过程,并建立单元组合连接约束方程描述其组合过程。其次,综合基本能量单元的能量特征状态模型和单元组合连接约束模型,构建了机械系统运动方案设计的能量特征状态模型。非零初态的基本能量单元能量特征状态模型和连接约束方程构建的系统模型,不仅实现了串并联等组合方式的运动方案设计能量特征状态建模,而且便捷地实现了单元迭加式组合方式的运动方案设计建模。本文提出了机械系统结构布局方案设计的结构特征状态建模方法。机械系统中的固定运动轴线的构件及固定支承的位置具有不变性,且在一定程度上反映了系统结构构成的空问布局。基此,论文首先提出系统结构特征状态是结构方案设计域中的一一种特殊的稳态。进而有效应用状态空间理论模型构建机械系统结构布局方案设计的结构特征方程。该方程架构了运动特征状态空问与结构特征状态空问映射的桥梁。其次,本文提出基本能量单元、构件方位特征方程、构件运动副连接约束方程的构建方法,并推导出运动副的方位特征模型。最后,基于基本能量单元组合的方法,研究系统结构布局方案设计的结构特征状态的系统化建模方法。机械系统支承零件的静动态性能直接影响系统的总体性能。本文提出了基于功能约束和性能的复杂机械零件的结构方案构型设计方法,建立了基于能量特征状态和结构方位特征映射的零件结构构型设计模型。本方法将复杂机械零件的结构方案设计分为物理模型设计和结构模型设计。引入载荷及其位置约束、形状和尺寸等功能约束,建立零件物理模型；利用结构拓扑优化技术实现零件满足零件性能需求的概念模型设计,最终获得零件结构方案构型。最后,通过实例验证了本文所提出的机械系统运动方案设计的能量特征状态建模方法、结构布局方案设计的结构特征状态建模方法和功能和性能的复杂零件结构方案设计建模方法的有效性和系统性。
王德伦, 张德珍, 马雅丽[7]2003年在《机械运动方案设计的状态空间方法》文中研究说明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。
张德珍[8]2005年在《基于状态空间方法的机械运动方案设计的理论基础》文中进行了进一步梳理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。
张德珍[9]2005年在《基于状态空间方法的机械运动方案设计的综合求解及算法实现》文中进行了进一步梳理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。
刘勇[10]2005年在《平面机构轨迹综合及其计算机辅助创新设计方法研究》文中研究说明当今信息时代,科学技术飞速发展,传统学科正在信息技术带动下焕发新的活力,各学科之间不断相互补充、交叉、渗透,从而使其理论研究范围和应用领域得到不断拓展。传统机械学在其研究对象、内容、理论与方法等方面也正经历着深刻变革,以使自身提高到与信息产业革命及其他学科发展相适应的层次,其中机械创新设计方法就是一个非常活跃的研究领域。本文借鉴国内外相关研究成果,以平面机构轨迹综合与创新设计理论为重点研究对象,将新型计算智能方法与创新设计理论引入其中,为平面机构轨迹综合与创新设计理论提供了一种新的研究途径。将人工免疫算法用于平面机构的直接和间接近似综合,对目前基于定量描述轨迹特征的机构轨迹综合方法进行了改进。在直接综合方法中采用了免疫网络多峰优化算法以解决优化算法普遍存在的解的相似性问题,该方法不仅具有良好的全局收敛性和鲁棒性,而且可以同时求得多个候选解; 在间接综合方法中则利用免疫计算方法在模式识别方面的优良特性,采用不同免疫计算方法模型对轨迹曲线进行聚类、分类和检索,提出了一种新的基于免疫计算的间接综合方法。借鉴颜氏机构创新设计方法学的创新策略,并将机构轨迹综合方法应用于机构创新设计,提出了基于轨迹特征的平面机构创新设计方法。随后对其重要支撑技术机构同构判定方法和机构运动链草图的自动绘制方法进行了研究:对机构同构判定问题,首先将其转化为可降次的旅行商问题,然后采用蚂蚁算法和免疫计算方法进行了求解; 机构运动链草图的自动绘制本质上可视为运动链图的基本回路的排列问题,通过引入图论方法对其基本回路进行生成与排序,提出了一种基于回路配置的机构运动链草图自动绘制方法。此外,本文还对基于定性描述轨迹特征的机械运动方案设计方法进行了研究,提出了机械运动方案设计的多粒度共进化功能推理方法,该方法采用分类功能来描述机构单元及机械系统的运动特征信息,将机构单元和机械系统都看成运动功能变换函数,通过多粒度功能推理来生成机械运动变换单元的串联组合方案。基于上述理论方法研究成果,研制了计算机辅助机构轨迹创新设计原型系统,并通过织布机开口机构设计实例验证了其可行性和有效性。
参考文献：
[1]. 串联机械系统运动方案设计的状态空间理论与方法的研究[D]. 张德珍. 大连理工大学. 2003
[2]. 机械系统方案设计的特征状态空间理论与方法[D]. 张利萍. 大连理工大学. 2006
[3]. 串联机械系统运动方案的计算机辅助设计[D]. 张利彬. 大连理工大学. 2016
[4]. 计算机辅助机械系统运动方案软件设计与实现[D]. 摆建品. 大连理工大学. 2007
[5]. 机械系统运动与结构方案集成设计理论与方法[D]. 韩泽光. 大连理工大学. 2007
[6]. 机械系统方案设计的能量特征状态模型[D]. 马雅丽. 大连理工大学. 2011
[7]. 机械运动方案设计的状态空间方法[J]. 王德伦, 张德珍, 马雅丽. 机械工程学报. 2003
[8]. 基于状态空间方法的机械运动方案设计的理论基础[J]. 张德珍. 计算机集成制造系统. 2005
[9]. 基于状态空间方法的机械运动方案设计的综合求解及算法实现[J]. 张德珍. 计算机集成制造系统. 2005
[10]. 平面机构轨迹综合及其计算机辅助创新设计方法研究[D]. 刘勇. 华中科技大学. 2005
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