机械系统综合

1、机械系统分析与综合学习研究报告机械系统分析与综合是研究在规定完成的任务情况下，进行机械元件的最佳 综合，使系统的输入与输出保持某种因果关系的一门课程。在本课程的学习中， 要求完成的任务是提出在自己学习、工作、生活中发现或遇到的与机械系统有关 的5个问题，并通过分析思考，提出不少于5个的解决方案，并对每个方案的特 点分析比较，选出最佳方案，从而完成本课程的学习。摘要本文简要概述了机械系统创新设计的基本思路和主要过程，介绍了三种不同 的机构结构综合方法。基于上述方法，本文对生活中的一些不便之处做了现象说 明、问题分析，并提出了一些解决方案，通过对比其中的解决方案，选出最优并 优化。1、机械系统创新

2、设计的基本思路、主要过程机械系统创新设计是一个创造性很强的活动，其思维过程是形象思维和抽象 思维综合作用的结果。目前主要是利用CAD，并以逻辑思维为基础，再结合知 识工程和专家系统的方法来实现设计。通常的方案设计可表达为两个映射：需A功A结求能域域域+图1.1 方案设计映射关系图方案创新设计阶段主要有两个任务：首先是建立技术系统的功能结构，然后 通过选择相应于功能结构中的每个功能载体，并组合这些被选择的功能载体形成 整个技术系统的设计方案。由需求域到功能域的映射过程最能体现设计者的创造 能力，这一过程涉及到对设计思维规律和创造性机理的认识水平，涉及到所需的 专业知识水平等一系列问题。从功能到结

3、构的映射，实际上是功能结构图的每一 个分功能与能实现该功能的结构进行匹配，一般来说，总体功能能包括许多分功 能，而每一个分功能可以由不同的结构来实现，因此存在组合、协调和评价筛选 的问题。2、机构结构综合方法简介机械结构综合方法有很多，现本文主要介绍3种：基于结构类型变异机构综 合方法、集成功能推理及结构推理的方案创新设计过程模型和基于螺旋理论的综 合方法。2.1基于结构类型变异机构综合方法自图论理论被应用于机构设计中后，它在机构分析与综合方面的应用得到了 深入的研究。这个方法中，封闭的图代表机构，顶点代表连杆，边代表运动副。 图可以用矩阵（如邻接矩阵和关联矩阵）来表示、分析和计算。该方法还包

4、括 如下几个环节：1、根据用户需求提出机构创新设计任务与技术要求：（1）、拓扑结构需求（如运动性质）、基本回路数、运动副类型及数目、构 件类型及数目、主动副类型及其位置；（2）、功能性要求（如输出构件数目及位置、输出构件的任务等）；（3）、约束条件（如运动精度、刚度及制造、装配、成本等方面的约束）。2、结构类型综合。通过结构类型综合列出满足设计任务要求的全部结构类 型并以适当形式表示。3、优选结构类型。根据功能要求和约束条件，筛选出好的结构类型。2.2集成功能推理及结构推理的方案创新设计过程模型集成功能推理及结构推理的方案创新设计过程模型是基于功能推理和基于 结构推理有机联系在一起而形成的方法

5、。该设计过程的主要步骤有：（1）根据设计要求，建立功能结构图，并寻找满足各子功能要求的功能载体， 组合成为原始机械方案；（2）将原始机械方案抽象化为表达机械方案联系信息的运动链表示，并记录 原始方案一些约束信息，如自由度、杆数等；（3）运动链发散。列举所有与抽象化表示的运动链具有相同自由度、杆副类 型及杆数的非同构运动链；（4）机械方案元型集的生成。对筛选的运动链进行机架识别、原动件识别、 杆组识别，形成用连杆和转动副表达的机械原型；（5）候选方案集的生成。将以上生成的机械方案元型通过类型替代，形成候 选方案集。并进行方案的评价决策，得到最优方案。2.3基于螺旋理论的综合方法螺旋理论自1978

6、年用于机构学研究以来，众多学者又推动了其应用与发展。 比较系统的观点是约束螺旋综合方法。主要观点有：1、机构的拓扑结构用传统符号法表示，并附上、下标表示运动副轴线之间 的几何关系；2、运动螺旋系用于描述机构两构件之间瞬时相对运动特征，约束螺旋系用 于描述两构件之间的瞬时约束特征，两者为互易螺旋系。一般地，螺旋系的 Plucker坐标含有机构运动位置参数，并与选取的定坐标系有关。3、给出了用于结构综合的两个数学公式和一个机构自由度公式，公式含有 运动位置参数。运动螺旋系的并运算公式T = jTb（2-1）约束螺旋系的并运算公式、二 JW（2-2）自由度公式F = d （n - g -1） + f

7、 + vii=1（2-3）v =尤 q -人 p - ki14、螺旋系的运算规则：线性运算。螺旋系的相关性判定与定坐标系无关。 应用此方法的一般步骤有：（1）获得期望自由度，建立机构运动螺旋系，求出反螺旋，建立机构约束螺 旋系；（2）查找有关表格，建立分支约束螺旋系，求出反螺旋，建立分支运动螺旋 系；（3）对运动螺旋系进行线性组合，判断分支运动链结构是否满意，若满意就 进行下一步，不满意返回步骤（2）；（4）构建符合对应几何条件的并联机构，并判断是否为瞬时机构，若为瞬时 机构，可直接得到期望机构，若不是瞬时机构返回步骤（2）。基于螺旋理论的综合方法的运算规则主要是线性运算，可以得到瞬时机构与

8、瞬时自由度，但对于存在几何条件较弱的机构，非瞬时性判定比较困难。3、实例分析3.1多功能折叠凳3.1.1现象说明随着社会与经济的发展，人们对现代生活的要求也越来越高，特别是对家居 用品的要求不单纯是功能需要，更是装饰美观的需要、更是彰现个性的需要，本 着“方便，物美价廉”的要求去挑选。在都市生活中，由于家庭，办公场所，商 场，超市，图书馆等地方均需要达到够高，比如整理柜子顶上的物品、换洗窗帘、 换电灯泡等都有一定的难度，通常我们都会使用梯子，而梯子在本来面积就狭隘 的公寓里显得颇占面积，放到仓库里，到要用时又显得比较麻烦，如何协调这之 间的矛盾成了需要解决的问题。3.1.2问题分析这个现象说明

9、人们在平常居家生活过程中经常会遇到“够高问题”，也即是 人与所需物体之间总有一段距离，所以我们所需做的就是设法缩短人与物体之间 的距离。距离的缩短大致可分为两种情况：一是降低物体的高度；二是提高人的 高度。3.1.3方案设计根据上述问题的分析，可提出以下集中方案的设计：1、根据降低物体高度的设想，我们考虑可以把窗帘做成上下可调式，在窗 帘的上方设计一个机械结构来固定窗帘，并在下面设计一个类似开关的机构控制 上面的固定架。当放开固定架时，可以通过窗帘两边的拉链来控制窗帘的上下拉 动，从而完成窗帘的收放动作。2、从提高人的高度方面考虑，可以设计一种折叠凳能够同时实现集凳子， 梯子等功能。从实现结构

10、上来说，这种凳子可以做成液压性。设想是把凳子的四 条腿用液压缸代替，通过液压系统的传送功能，使人站上后能够控制凳子的升高， 升到预定高度后可以手动固定。3、凳子通过变换机构也可以做成“梯子型”，只是需要把凳子的腿做成可 折叠形，当需要用到时，把凳腿打开后便能实现升高这一功能。不过新的问题又 出现了，凳腿打开处，也即与作为凳子时，地面接触处这一转角的地方应采用什 么机构才能保证它的功能？在连接处，我们曾考虑用弯管套筒连接，用两个曲率 半径一样但自身半径不同的管子相互配合，在要打开时把直径小的弯管套进大弯 管里，当梯子使用时通过弯曲处受力来保持平衡。4、为了方便好用，在“拐角”处可以考虑采用简单的

11、铰链连接，整体可以 考虑做成“裤衩型”。当要展成梯子使用时，可以拉开凳面，在凳腿中间处设计 有两根强度很高的角铁连接，故可以承受相当的力，这时通过铰链连接处把凳腿 旁的两个附加小腿打开，并用套筒套紧，从而可以避免展成梯子后产生晃动。当 要收起时，将套筒在铝管上做适当滑动，通过套筒的卡槽与钢管的突出销子处相 扣，从而可以固定套筒使其不能滑下。这种铰链连接操作简单方便。3.1.4方案比较第一种方案可以节约空间体积，减少占地面积，且收拉方便，缺点是只能实 现单一物体的升降，不能实现人的主动够高，例如当灯泡需要换时还是比较麻烦。 第二种方案液压型升降凳可以较好的完成规定的功能，但考虑到液压系统的制作

12、复杂而且要密封的紧密，且液压缸等制作成本与技术要求高，增加液压装置会导 致凳子庞大沉重等问题。第三种方案“拐角”处采用弯管套筒连接，升高后能够 保持稳定，但是市场上并无理想中的空心弯管，与所需直径不符，要想把小弯管 套在大弯管上，需特别加工定制，且加工工艺较高。第四种方案，设计铰链连接， 整体做成“裤衩型”，简单易操作，节约和最有效地利用了空间，且能实现所需 功能。经过以上综合比较，初定第四种方案。3.1.5方案优化当作为凳子使用时的结构简图为:图3.1凳子结构简图当作梯子使用时的结构简图为：图3.2梯子结构简图折叠凳整体效果图为：图3.3折叠凳效果图再进一步考虑，当用作梯子时，可以考虑把凳面

13、处分成两块，在中间设计 个可伸缩机构，这样可以凳子又可以改造为一个简易晾衣架。在此不再鳌述。3.2电梯乘坐时间优化3.2.1现象说明随着高层智能化建筑的不断出现，作为主要的垂直运输工具的电梯得到了越 来越广泛的应用，电梯控制技术也得到了迅速发展，但还是有不少问题亟待解决。 比如如何缩短乘坐电梯的等候时间（特别是在高峰上班期），如何最优化电梯到 达目标楼层的时间等，研究这个问题具有很大的现实意义，一方面可以减少出行 的时间，去创造更多的剩余价值，另一方面可以提高乘坐电梯的舒适感，使得电 梯乘坐更具人性化、智能化。3.2.2问题分析电梯群控的复杂程度是由电梯群控系统的特性所决定的，具体表现在电梯群

14、 控系统所固有的不确定性、多目标性和扰动性等几个方面。如何最小的缩短乘客 到达目标楼层的时间本质上是以乘客的侯梯时间最短为原则，对多台电梯如何进 行调度的问题，这主要涉及到三个因素的影响：相对距离（指电梯从当前位置到 目标楼层需要经过的距离），梯内人数（如果梯内人数较多表示停站次数也较多， 如果梯内人数已经饱和则预示着外面的人不能再进入电梯）和停站次数（电梯从 当前位置到目标楼层过程中会发生的停站次数）。大的方向可以从两方面来考虑: 一是缩短等候电梯的时间；二是加快电梯的上下运行的时间。3.2.3方案设计根据上述问题的分析，可提出以下几种方案的设计：1、根据梯内人数，实时判别所需停站的次数。在

15、电梯运行过程中，电梯的 启停动作占据了很大一部分时间。所以我们可以设想，先根据实验得出一个电梯 最多能容纳多少人（不是安全人数，是根据体积上最多能容纳多少人），然后应 用计算机的图像处理技术识别轿厢里的乘客数，当乘客数达到或超过容纳人数极 限值时，可以采用控制技术来实现电梯的“直达”一一直接到达最近的目标楼层。 这样即节省了梯内乘客的出行时间，又避免梯外乘客出现误判而增加等候时间。2、除了上文的根据图像识别来，还可以考虑根据重量（非安全重量）来识 别人数。可以根据实验得出每天乘坐电梯乘客的平均体重的阈值范围，当有人乘 坐电梯时，与电梯的实际最多容纳量相比较，当达到或超过人数极限值时，方法 同上

16、，采用控制技术来实现电梯的“直达”。3、上面两种方案都是根据梯内人数的数量控制停站次数来达到缩短乘客等 候的时间的目的。现考虑使用缩短等候电梯的时间来提高乘客的舒适度。具体方 案为：把电梯系统的选层信号盘改在电梯轿厢外的侯梯厅内，乘客在侯梯厅通过 楼层盘选择自己要前往的目标楼层，电梯管理系统将所有选定的内呼信号进行存 储并统一进行派梯规划，群控派梯中心得到派梯结果后，在选层盘或显示系统中 给出信号通知乘客到指定的电梯外等候，从而达到电梯乘客目的层客流的管理来 实现快速出行。4、基于搜索算法也可实现缩短电梯等候时间。当有选层信号按下时，系统 自行搜索满足约束条件的最优方案，控制某个电梯到达用户层

17、，而后不再考虑对 该层的呼叫（即只有一部电梯到达用户层，当用户层电梯驶离时再重新分配）。 其约束条件是侯梯时间，行程时间及轿厢拥挤度加权和最小。5、针对上行高峰期或下行高峰期，由于乘客及召唤的分散性（如下行高峰 期），电梯从高层站向下运行时，往往在上部的层站就已经趋于满载，可通过采 用分区服务的方式来提高电梯的整体运送能力。实现方法是根据电梯台数和建筑 物层数将电梯划分为固定的运行区域，调度一组轿厢服务于通常毗邻的楼层，各 部电梯仅响应自己本分区域的层站呼叫。3.2.4方案比较方案一根据图像识别来控制电梯，不失为一种先进的方法，但其制作成本较 为高昂，难以普及和推广；方案二根据重量进行检测，易

18、于操作，方便可行；方 案三的目的层预约控制系统使得电梯的客流管理基本理念反生改变，另可通过软 件实现群控。但缺点是国内要想实现预约控制，除要掌握必须的群控系统核心技 术外，乘客的相关素质还应进一步提高；方案四能够实现响应最快，但是缺乏灵 活性，使得指派电梯改组变得困难；方案五难以适应时变的交通特性。3.2.5方案优化电梯群控技术是一个动态离散事件系统，其建模、分析、优化都很复杂，所 面临的问题也是基于当前的状态和历史数据，找到一个派遣程序来决定什么时间 或是地点，轿厢是应运行还是停止。而系统的建立还应根据具体楼层建筑的高度、 交通量等因素来考虑，也即是“具体问题，具体分析”，这样才能达到电梯群

19、控 的最优化，才能实现乘客侯梯时间的最短，快速出行。3.3灯光照明亮度3.3.1现象说明生活中常常碰到的这样一个现象：一家人晚上有人看电视，有人要睡觉，开 灯会影响到睡觉的人，不开灯则会使得看电视的行动不方便。针对这个现象，笔 者就考虑能不能设计一种装置来调节灯光的亮度，从而来解决上述的矛盾。这样 以来就可以通过控制顶灯及壁灯的灯光强度调至适合看电视或读书时的状态，另 还可将客厅内灯光调至较为适合家人朋友聚会时的状态，能够满足聚会气氛的需 要，同时又实现了节能的效果。3.2.2问题分析家庭生活中的灯具使用一般分为两种：白炽灯和荧光灯。白炽灯的工作原理 是将灯丝通电加热到白炽状态，利用热辐射发出

20、可见光；荧光灯的工作原理是利 用低气压的汞蒸气在通电后释放紫外线，从而使荧光粉发出可见光，它属于低气 压弧光放电光源。所谓灯光调节，其实就是根据家中某一区域的使用功能、不同 的时间、室外光亮度等来控制照明。根据工作原理的不同，调节白炽灯可通过控 制白炽灯两端电压来控制亮度。3.3.3方案设计1、标准安装的墙壁开关是最普通的控制方法，仅有打开和关闭两种状态。当 用到一些白炽灯照亮时可在开关中加入一些人工调光装置（类似于吊扇的无级调 速），能够连续调节灯光的亮度或通过固定设置的档位调节灯光的亮度，从而满 足人们对不同生活环境的照度要求。2、设计一个反馈调节电路，通过照度传感器检测房间内部光的照度，

21、包括 自然光照和人工光照，将测量值与预先设定的照度值相比较，如实际值与预设值 有差异，则自动调节人工光照，使之满足房间照度的要求。因为场景本身就是根 据人们对于不同场景的灯光需求来设置的，它可由调控系统自动调用。3、因为低电压时日光灯甚至不能启动，所以通过调节日光灯两端的电压来 调节灯管的亮度不适宜，可以考虑基于微控制器和采用相位控制的交流调压电路 的新型日光灯亮度自动调节控制。具体解决方法为：系统上电启动时，微控制器 对系统进行初始化，然后读取手动控制开关状态。当用户设定手动控制开关闭合 时，微控制器直接设定双向晶闸管导通触发角，控制双向晶闸管保持导通状态， 此时，亮度自动调节控制系统不产生

22、作用。当手动控制开关打开时，微控制器采 样光敏传感器输出的环境光照信息，并和程序设定的光照信息作比较，计算出新 的双向晶闸管移向触发角，输出到移向触发器，控制双向晶闸管的导通。4、设计一个调光器来控制灯的亮暗程度。调光器由主器和子器构成，其中 调光器所能附带的子器数量主要由主器的驱动能力和实际需求所决定。调光器的 设计主要是以单片机为中心进行设计，包括电源驱动模块，电压比较电路，双向 可控硅调光电路等。软件部分的设计可以分为几个独立的模块，并能保证可以实时检测按键操作、调光等服务。3.3.4方案比较方案一便于操作，成本低，但由于低电压时日光灯甚至不能启动，所以这种 方案只能用于调节白炽灯；方案

23、二可以实现智能化控制，无需人工干涉，缺点是 当需要改变亮度时，操作繁琐，缺乏灵活性；方案三具有结构简单、可靠性高、 成本低等优点，在满足使用者光照强度的要求下，可以达到节约能源的目的；方 案四运用功能日趋完善的MCU（单片机）技术，只要结合比较少的外围电路，就 能由软件实现功能完善，并且实用的照明控制，在降低电路设计复杂度、提高软 硬件模块复用能力的同时，还提高了调光器的集成度、稳定性、抗干扰能力和功 能可扩展性，但软件硬件应用较多，结构组成较为复杂，若有损坏不易维修。3.3.5方案优化通过比较几种不同的方案可以发现方案四是最为可行的，单片机的使用也为 按键控制留下了灵活的发展空间，如可通过程序对按键进行多功能使用设置，实 现长按和短按不同的功能；可以设定场景，记录想保存的灯光亮度等。若采用电 路模块复用技术，很容易在进行一定接口修改基础上，用于与其他智能系统进行 联立形成“智能生活”，本文在此不再鳌述。4、心得体会经过一个学期机械系统分析与综合的学习，我初步掌握了解决问题的基本思 路：遇到一种现象或问题，首先应分析