转架式离心加速度过载模拟实验装置设计【三维SW】【含CAD图纸+PDF图】
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毕业设计（论文）外文翻译题目：RAPID CREATIVE DESIGN METHODOLOGY FROM CONCEPTUALDESIGN TO VIRTUAL ENTITY DESIGN从概念设计到虚拟实体设计的快速创新设计方法专业名称 机械设计及其自动化班级学号 05031311学生姓名 王军雷指导教师 许瑛填表日期年月日从概念设计到虚拟实体设计的快速创新设计方法Wang Yuxin同济大学机械工程系，上海200092 ，中华人民共和国摘要：随着生产制造全球化和竞争力集约化的市场发展，对企业来说，能够研发自己的产品以满足市场的要求是迫切需要的。因此，对设计工程师来说，提高产品的竞争力和降低产品设计的生命周期是两个需要被解决的关键问题。由于大多数3D软件是以参数和功能为基础的，在三维设计平台下，在设计过程中，结构的技术特征、组装和产品的制造特性是可以很容易的被评价和修改的，并通过虚拟样机的仿真，检查出产品要素之间的干扰，产品的设计方案就可以很快完成。然而，三维软件不能支持机械装置的概念设计。基于概念设计的再生方法，本文提出了一种系统的自动设计方法，为机械设备从概念设计到虚拟实体设计被呈送，用此方法，所有的产品设计过程从概念设计到结构设计，虚拟装配和仿真，直到虚拟实体原型都可自动进行。关键词：创新设计，虚拟设计1引言 随着生产制造全球化和竞争力集约化的市场发展，对企业来说，能够在第一时间里发展自己的产品以满足市场的需求是迫切需要。 参数技术和基础特征设计适用大多数的商业CAD软件。在3D发展环境下设计产品的主要优势是结构技术特征，合理装配和产品生产的特性可以实时轻松的被评价和修改。在3D软件装配工具的支持下，产品的虚拟样机便可以给出。通过这一虚拟原型模拟和检查产品要素之间的干扰，产品的设计方案的可以很快完成。在同一标准设计平台下，CAD / CAM / CAE技术和CAPP的集成的能力，依据应用程序接口的技术和数据的界面说明，使人们有可能加快产品的设计和制造的进程。但是，3D软件不能支持机械设备的概念设计。考虑到利用3D软件在加速产品设计和制造中的优势， 基于一系列我们以前的研究工作 1-8 ，在本文里，提出了支持机械设备自动虚拟样机设计的一种概念设计方法。在此方法中，采用字符串表示的创造机械设备概念体系的再生方法。体系结构确定后，由Barranov匹配链自动进行运动学分析。另一方面，在3D软件所提供的应用程序接口技术帮助下，在结构里公认元素是在虚拟的实体形式下建立选择类型元件。使用背景预览装配方法，机械设备在虚拟实体的形式下自动装配，以图解表现出来。因此，本文介绍的方法，所有的设计过程，从概念设计到结构设计、仿真、虚拟装配和虚拟实体原型设计都可自动进行。2 方法 2.1 方法论 图1是一个机械系统里快速创新设计系统的流程图。该系统由概念设计过程、符号组合识别过程、运动学分析过程、三维虚拟实体设计（或三维结构设计）过程、自动装配过程、虚拟仿真进程、修改和产品空间布局设计组成。最后，以规则为基础的概念设计,一系列的概念设计结果，这是符号组合的表示， 例如生产GCBKHEZIF（36）。 GCBKHEZIF(36) 字符方案IabcdCaetg AaghiGaCbe 基本机构串传动连杆b 连接连杆g Linkage地面 凸轮Caefg Aaghi 传动连杆e 输出连杆iGroove 输出连杆d 输出Mech Iabcd 基本机构 + 节点结构设计 动力学分析 空间布局预装配虚拟样机 GCBKHEZIF(36)图1 ：快速创新设计系统这些符号组合可以分解成若干个基本的机构，如齿轮、联动、凸轮等和它们之间的连接点等。在对基本机构进行运动学分析和虚拟结构设计后，基于基本机构的结构和它们的连接，可计算出复杂机械系统与符号组合相对应的空间布局。利用预装配技术，在三维空间里根据空间布局的结果，可将将虚拟的基本机构放在特定的空间位置。将平面运动学分析数据转换到空间运动学数据,结果就是基本机构所处的位置，最后，我们可以得到一个近似于概念设计的复杂机械系统的虚拟样机，结果由符号组合形式表达。由于所有的设计过程可以自动进行，设计成果和上述设计过程的数据可以被当前的设计过程使用，该系统可自动、高效率和系统的完成从概念设计到虚拟实体原型总设计的进展。通过这个系统，可以以虚拟实体的形式去评价概念设计的结果，而不是仅从经济价值的角度去评价。同时，在概念设计阶段和概念设计的解决方案中，可以尽可能的利用书面形式的设计规则。通过这种方式，从整个概念设计的成果中，可能会发现一些创新的概念设计结果。因此，借助这个系统，我们不仅能获得超越性能的创新设计，而且也减少了设计时间和产品研发费用.2.2概念组合的再生概念设计过程是以概念设计方法为基础法的规则，该方法已在2中阐述 。再生程序主要由三部分组成：设计定义问题、创新设计拓扑运营商的选择和再生。在设计定义问题的过程中，通过分析现有设计或虚拟的设计要求，设计者作出某些拓扑特点和设计要求的机构，并写下设计问题的再生规则和评价规则。设计规则如下： A(B)CD!EF再生规则和评价规则可以看做为设计要求行为的说明，如运动功能，还可以是拓扑特征的机构，如机构的自由度和/或结构等。如果试图尽可能多的找到设计问题的解决办法，再生规则应当只包含描述运动功能要求的规则；如果想从上述所有解决方案中选择更详细和优化的解决方案，以满足特定的设计要求，那么评价规则应增加。评价规则增加的越多，解决方案越微小，就会有更好的解决方案来满足特殊的设计要求。对于设计问题，再生规则和评价规则是可以互换的。为了方便起见，我们将再生规则和评价规则统称为设计规则。经过再生程序，生成一套以字符串表示的机构被设计规则收录，如GE000KBC （1）（P12），0EGCBK00（3）（P23）等给出的。这些字符串被称为再生代码或符号组合2.3符号组合的核对 在结束以概念设计方法规则为基础的概念设计后，概念设计结果以符号组合形式表达，例如，气相色谱= CE000ZGDF（9）。因为这个组合正好与图形载体相同，为标记图形载体中的每一个连杆，阵列如下：Gn=1，2，3，4，5，6，7n 在这个阵列中，最初的要素是图形载体的序号。在基本机构的核对中，如果一个基本机构是确定的，那么Gn中的元素应和基本机构的构成环节相一致，应设置-1 。在完成符号组合的的核对后，阵列如下：Gn=-1，-1，-1，-1，-1，-1，-1-1如果在这个阵列中某些内容不能为-1，这表明，符号组合为不能被分成基本机构的结合。用三个过程来确定基本机构： 基本机构的确定; 传动机构的确定; 其它基本机构的确定。基本机构有凸轮机构、齿轮机构、日内瓦轮机构、四连杆机构及其进化机构、五杆机构以及 Assur II 和 Assur III。传动机构意味着基本机构包含一个或多个传动元素，即在基本机构中存在传动环节。其它环节就是在Gn中未设置为-1的状态数字。举例来说，符号流程图NKJHFBCGZ （ 29 ）是一种有两个自由度的机构。阵列状态为： G 9 = （ 1,2,3,4,5,6,7,8,9 ） 最后鉴定结果是DataStr =“B8912B8765W58234 G8C79” (1)表达式（1）被称为基本机构字符串。它可分为两个部分：主要部分和次要部分。在这里，主要部分是B8912B8765W58234 ，次要部分是G8C79 。基本机构及其连接的信息已被列入的主要部分。在这个例子中，机构是由两个凸轮机构 B8912和B8765 以及五连杆机构W58234构成。传动连杆和地面连杆的信息被划到次要部分。在次要部分中，大写字母为功能代码，并有G.C和P.G和C被重新提出，在大写字母的右边，数字号码便是传动连杆和地面连杆。 在大写字母的右边P被再次提到，两个数字号码就是组成滑块配对的两个要素。例如，在G2C1P21 ，连杆2和连杆1组成一个滑块配对符号流程图核对的第二个目标是确定基本机构之间的连接。 鉴定方法是如下：判断两传动机构间的连接（标记为Ai ） 。 带有复合连接的机构，后置机构应该是一个带有两个输入度的差动机构，它只有一个传动连杆。因为带有平行连接的两个传动机构，如果第二个机构是一个差动机构，那么两个传动连杆必定存在。判断所有基本传动机构和中传动机构的连接 。对于两个基本机构的一系列连接，后置机构应该是一个单一输入的基本机构。然而，对于带有复式连接或者一系列连接的两个基本机构，后置机构应该是一个不同的机构。但是，对于带有反馈连接的两个基本机构，后置机构不应该是一个不同的机构。确定基本传动机构之间的连接基本传动机构之间的连接，可以是并行连接、并行连接、并行连接、复合连接和叠加连接。以该方法确定的连接和步骤相同。应当提及的是，所有的核对规则所依据的假设，是在当前机构的组合下，至少有一个传动机构。显然，上述的假设不能满足共同的案例。为满足假设，在基本传动机构连接的核对过程中，应更换基本传动机构。更换方法如下：让连杆Bi和Ai获得步骤当前的传动连接，并且Bi为当前的基本传动连接，然后判断所有Bi间的连接。把所有Bi更换为新的Ai ，并准备下一个周期。 计数+1 。 例如，通过核对过程中，符号组合GCBKHEZIF（36）分为基本机构及其连接，如图2所示 。 传动连杆2 连杆7 连杆9地面1 C1567 A1789传动连杆5 I1234 连杆4图2.基本机构及其连接的符号组合识别2.4符号组合运动学分析为了估计的动态行为和模拟syytem，运动学分析过程是必要的。运动学分析方法适用于以运动链为基础的方法和以基本机构为基础的方法的系统。在这里，以运动链为基础的方法作为例子。如果确定了1个自由度机构中的输入连杆与地面连杆，这一机构将成为一个带有0个自由度的刚性结构。这种严格的组织结构大致可分为基本Barranov桁架。当确定了带有N个连杆（N= 8）的1个自由度机构的输入连杆和输出连杆时，在参 4 中会出现五种Barranov桁架在参。一个连杆两个节点的链接必须保持一个固定的距离，在这样的条件下，这些Barranov桁架的位移职能可以成立。为这些Barranov桁架进行的运动学分析，是已经用VC+编程和封装了的一系列函数。如果用固定在地面的连杆和输入连杆，我们能够将一个机构自动的改变成一套Barranov桁架，那么带有1自由度的平面机构的位移分析将很容易解决。建模过程可以分解成以下步骤：（ 1 ）输入气相色谱生成码; （ 2 ）输入运动学参数; （ 3 ）表格刚性结构; （ 4 ）匹配Barranov桁架。 2.5自动装配构成复杂的机械装置的可能结构已经储存在数据库系统。在数据库中，在3D环境下建模。在三维软件提供的应用程序接口工具的帮助下，这些三维结构用基于特征接口的VC+封装。这些结构可以是二元连接、三元连接、四元连接、凸轮、齿轮、日内瓦元素，甚至特别定义的机械设备结构。当运动学分析过程结束时，该系统可以根据Rm,Jsm和Slm矩阵自动的识别结构来组成机械装置。在机构的模型界面下，输入适当的参数后，系统将自动生成结构的三维实体模型。在软件所提供的装配工具帮的助下，用该方法组装这些三维虚拟实体和人工组装一个复杂的机械装置。如机械装置太复杂而难于组装，那么通过人工的方法组装将花费更多的时间。为了实现再生系统的自动装配，采用了一种所谓的“背景预先安置”组装技术方法。这种方法是一种传动数据装配方法。这些数据说明了在空间下，三维虚拟实体应被占领。在软件所提供的应用程序接口工具帮的助下，我们编出程序，将这个三维虚拟实体放在需要占用的空间中。例如，在机械桌面（欧特克）的3D环境下，如果我们试图把一个三维虚拟实体放在需要占用的空间中，我们可以收入下列命令：ads_ command(RTSTR,”MOVE”,RTENAME,ent1,RTSTR,”, RT3DPOINT,p1,RT3DPOINT,p2,0) / /虚拟实体沿着参考点的形式P1至p2。 ads_command(RTSTR,”UCS”,RTSTR,”ZA”,RT3DPOINT,p2,RT3DPOINT,normal,0);ads_command(RTSTR,”rotate”,RTENAME,ent1,RTSTR,”, TSTR,”0,0,0”,RTREAL,angnorm,0);/ /虚拟实体沿前一个参考轴和当前轴使angnorm角旋转。 ads_ command(RTSTR,”UCS”,RTSTR,”ZA”,RT3DPOINT,p2,RT3DPOINT,cur _axil_point,0);根据VC+程序，所有的虚拟三维实体可以提出或装配在适当的位置。由于虚拟实体占用的位置是预先计算运动学分析的过程，利用背景预先安置的技术方法，再生组装可自动进行。这种自动装配方法对机械设备的修改、空间布局和完善是非常有效的。2.6空间布局快速创新设计系统作为机械系统的一个重要组成部分，空间布局的目标是制定机械系统之间的联系和符号组合占用最少的三维空间，以满足工业美学的要求。未来对布局问题的研究将考虑工业美学要求，因此，考虑基本机构间的连接，布局问题的重点是布局机械系统占有最小的立体空间。 为了实现这一目标，首先，在的复杂机械系统中，存在几个共同连接关系，概括为三种连接：串行连接、并行连接和关闭连接，然后基于转化矩阵，通过这些连接产生约束方程。然后，通过带有立方体模型的基本机构占用的空间，并在适宜功能的机械系统中处理制约和干扰，基于自适应遗传算法，计算出复杂机械系统的空间布局问题。3范例本文中，高速电池自动装配紧固件设备作为一个复杂机械系统的例子说明了该算法的有效性。如图1，根据高速电池自动组装紧固件设备的功能要求，在自动概念设计过程的帮助下，我们以符号的形式得到142个概念设计组合方案。下面的符号组合就是其中之一。在这个符号组合中基本机构如表1所示 。 表1.符号组合中的基本机构（2）（地面：C；传动：b）序号名称字符串序号名称字符串0齿轮Acbrd4齿轮Acdsl1齿轮Arcef5凹槽Iscmn2凸轮Begch6齿轮Amopc3联动Pgkjc7齿轮AokcrAcbrdArcef BegchPgkjc AcdslIscmn AmopcAokcr GcCb （ 2 ）如图1的自动识别过程，这些基本机构间的连接关系可以用下列矩阵形式表示 对称 1当S1代表连续连接时;P1代表并行连接; P3代表并行连接;“ 0 ”代表无连接;和“ 1 ”代表基本机构本身。 如图1，在虚拟结构设计程序结束后，每个基本机构的布局参数如表2。基于公式（3），每个基本机构的连接和布局参数如表2 ，利用本文提出的自适应遗传算法，在公式（2）中，阐述的符号组合空间布局解决方案在五百代的反复发展得到公认。布局的结果如表3，虚拟空间布局如图3所示。表2.基本机构的布局参数齿轮螺纹凸轮滑杆斜齿轮凹槽齿轮内齿轮Sk1687066970849025ak0719018027090180180180LK370105110115138218218207BK301608030122303718HK21060105110127128128207ak15501521.545101510bk802660960524555ck100262510160526095表3.高速电池自动装配紧固件设备的布局结果齿轮螺纹凸轮滑杆斜齿轮凹槽齿轮内齿轮k(O)09027000180180270Dk(mm)01825.935.746.57.515.5264结论本文介绍了以概念设计支持的机械设备自动虚拟样机的设计方法。对于有复杂功能要求的机械装置的创造性概念设计，基于创新设计理论，确定设计问后题，可以得到所有可能的新的解决方案。概念设计的结果以一系列的符号组合表示。通过符号组合的自动识别，结构和组合方案能得到承认，然后动力学分析过程将使这项组合自动进行。另一方面，通过结构的选择和组成部分的形式，以弥补该组合，这样就可以得出虚拟实体的组成部分了。基于“背景预先安置”组装技术，该方案以原型的形式自动组装。利用空间布局技术，所有子机构已经放到特殊的空间中。因此，此方法不仅支持概念设计，而且支持所有的设计流程，从概念设计到结构设计、仿真、虚拟装配和虚拟实体原型设计都可自动进行。由于该方法支持概念设计和虚拟实体设计的，所以使用这种方法，我们可以尽可能多的获取概念设计方案，然后自动的以三维虚拟实体的形式给出模拟。通过模拟，我们可以从中选择一个或多个方案，进行更详细的设计。 鸣谢作者非常感谢中华人民共和国高校教育部杰出青年教师教学与研究奖计划所提供的支持（No.1999076）。作者还非常感谢上海重点建设问题基金会提供的支持。参考文献 1 Wang, Y. X., Creative design methodology for mechanisms, Tianjin University Publish House, 19962 Wang, Y. X. and Yan, H.S., Computerized Rulesbased Regeneration Method for Conceptual Design of Mechanisms. Mechanism and Machine Theory, 2002, 37(9): 833-8493 Wang Y. X. Automatic identification of symbolic scheme based on basic mechanisms, Mechanism and Machine Theory, 2006 CIRP, Canada4 Wang, Y. X., Automatic displacement analysis of planar mechanisms with matching BKC method, Chinese J. of mechanical engineering, 2003, 39(1): 23-295 Wang, Y
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