機械系統(tǒng)綜合

1、機械系統(tǒng)分析與綜合學習研究報告機械系統(tǒng)分析與綜合是研究在規(guī)定完成的任務情況下，進行機械元件的最佳 綜合，使系統(tǒng)的輸入與輸出保持某種因果關(guān)系的一門課程。在本課程的學習中， 要求完成的任務是提出在自己學習、工作、生活中發(fā)現(xiàn)或遇到的與機械系統(tǒng)有關(guān) 的5個問題，并通過分析思考，提出不少于5個的解決方案，并對每個方案的特 點分析比較，選出最佳方案，從而完成本課程的學習。摘要本文簡要概述了機械系統(tǒng)創(chuàng)新設計的基本思路和主要過程，介紹了三種不同 的機構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合方法?；谏鲜龇椒ǎ疚膶ι钪械囊恍┎槐阒幾隽爽F(xiàn)象說 明、問題分析，并提出了一些解決方案，通過對比其中的解決方案，選出最優(yōu)并 優(yōu)化。1、機械系統(tǒng)創(chuàng)新

2、設計的基本思路、主要過程機械系統(tǒng)創(chuàng)新設計是一個創(chuàng)造性很強的活動，其思維過程是形象思維和抽象 思維綜合作用的結(jié)果。目前主要是利用CAD，并以邏輯思維為基礎，再結(jié)合知 識工程和專家系統(tǒng)的方法來實現(xiàn)設計。通常的方案設計可表達為兩個映射：需A功A結(jié)求能域域域+圖1.1 方案設計映射關(guān)系圖方案創(chuàng)新設計階段主要有兩個任務：首先是建立技術(shù)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，然后 通過選擇相應于功能結(jié)構(gòu)中的每個功能載體，并組合這些被選擇的功能載體形成 整個技術(shù)系統(tǒng)的設計方案。由需求域到功能域的映射過程最能體現(xiàn)設計者的創(chuàng)造 能力，這一過程涉及到對設計思維規(guī)律和創(chuàng)造性機理的認識水平，涉及到所需的 專業(yè)知識水平等一系列問題。從功能到結(jié)

3、構(gòu)的映射，實際上是功能結(jié)構(gòu)圖的每一 個分功能與能實現(xiàn)該功能的結(jié)構(gòu)進行匹配，一般來說，總體功能能包括許多分功 能，而每一個分功能可以由不同的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，因此存在組合、協(xié)調(diào)和評價篩選 的問題。2、機構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合方法簡介機械結(jié)構(gòu)綜合方法有很多，現(xiàn)本文主要介紹3種：基于結(jié)構(gòu)類型變異機構(gòu)綜 合方法、集成功能推理及結(jié)構(gòu)推理的方案創(chuàng)新設計過程模型和基于螺旋理論的綜 合方法。2.1基于結(jié)構(gòu)類型變異機構(gòu)綜合方法自圖論理論被應用于機構(gòu)設計中后，它在機構(gòu)分析與綜合方面的應用得到了 深入的研究。這個方法中，封閉的圖代表機構(gòu)，頂點代表連桿，邊代表運動副。 圖可以用矩陣（如鄰接矩陣和關(guān)聯(lián)矩陣）來表示、分析和計算。該方法還包

4、括 如下幾個環(huán)節(jié)：1、根據(jù)用戶需求提出機構(gòu)創(chuàng)新設計任務與技術(shù)要求：（1）、拓撲結(jié)構(gòu)需求（如運動性質(zhì)）、基本回路數(shù)、運動副類型及數(shù)目、構(gòu) 件類型及數(shù)目、主動副類型及其位置；（2）、功能性要求（如輸出構(gòu)件數(shù)目及位置、輸出構(gòu)件的任務等）；（3）、約束條件（如運動精度、剛度及制造、裝配、成本等方面的約束）。2、結(jié)構(gòu)類型綜合。通過結(jié)構(gòu)類型綜合列出滿足設計任務要求的全部結(jié)構(gòu)類 型并以適當形式表示。3、優(yōu)選結(jié)構(gòu)類型。根據(jù)功能要求和約束條件，篩選出好的結(jié)構(gòu)類型。2.2集成功能推理及結(jié)構(gòu)推理的方案創(chuàng)新設計過程模型集成功能推理及結(jié)構(gòu)推理的方案創(chuàng)新設計過程模型是基于功能推理和基于 結(jié)構(gòu)推理有機聯(lián)系在一起而形成的方法

5、。該設計過程的主要步驟有：（1）根據(jù)設計要求，建立功能結(jié)構(gòu)圖，并尋找滿足各子功能要求的功能載體， 組合成為原始機械方案；（2）將原始機械方案抽象化為表達機械方案聯(lián)系信息的運動鏈表示，并記錄 原始方案一些約束信息，如自由度、桿數(shù)等；（3）運動鏈發(fā)散。列舉所有與抽象化表示的運動鏈具有相同自由度、桿副類 型及桿數(shù)的非同構(gòu)運動鏈；（4）機械方案元型集的生成。對篩選的運動鏈進行機架識別、原動件識別、 桿組識別，形成用連桿和轉(zhuǎn)動副表達的機械原型；（5）候選方案集的生成。將以上生成的機械方案元型通過類型替代，形成候 選方案集。并進行方案的評價決策，得到最優(yōu)方案。2.3基于螺旋理論的綜合方法螺旋理論自1978

6、年用于機構(gòu)學研究以來，眾多學者又推動了其應用與發(fā)展。 比較系統(tǒng)的觀點是約束螺旋綜合方法。主要觀點有：1、機構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)用傳統(tǒng)符號法表示，并附上、下標表示運動副軸線之間 的幾何關(guān)系；2、運動螺旋系用于描述機構(gòu)兩構(gòu)件之間瞬時相對運動特征，約束螺旋系用 于描述兩構(gòu)件之間的瞬時約束特征，兩者為互易螺旋系。一般地，螺旋系的 Plucker坐標含有機構(gòu)運動位置參數(shù)，并與選取的定坐標系有關(guān)。3、給出了用于結(jié)構(gòu)綜合的兩個數(shù)學公式和一個機構(gòu)自由度公式，公式含有 運動位置參數(shù)。運動螺旋系的并運算公式T = jTb（2-1）約束螺旋系的并運算公式、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、螺旋系的運算規(guī)則：線性運算。螺旋系的相關(guān)性判定與定坐標系無關(guān)。 應用此方法的一般步驟有：（1）獲得期望自由度，建立機構(gòu)運動螺旋系，求出反螺旋，建立機構(gòu)約束螺 旋系；（2）查找有關(guān)表格，建立分支約束螺旋系，求出反螺旋，建立分支運動螺旋 系；（3）對運動螺旋系進行線性組合，判斷分支運動鏈結(jié)構(gòu)是否滿意，若滿意就 進行下一步，不滿意返回步驟（2）；（4）構(gòu)建符合對應幾何條件的并聯(lián)機構(gòu)，并判斷是否為瞬時機構(gòu)，若為瞬時 機構(gòu)，可直接得到期望機構(gòu)，若不是瞬時機構(gòu)返回步驟（2）。基于螺旋理論的綜合方法的運算規(guī)則主要是線性運算，可以得到瞬時機構(gòu)與

8、瞬時自由度，但對于存在幾何條件較弱的機構(gòu)，非瞬時性判定比較困難。3、實例分析3.1多功能折疊凳3.1.1現(xiàn)象說明隨著社會與經(jīng)濟的發(fā)展，人們對現(xiàn)代生活的要求也越來越高，特別是對家居 用品的要求不單純是功能需要，更是裝飾美觀的需要、更是彰現(xiàn)個性的需要，本 著“方便，物美價廉”的要求去挑選。在都市生活中，由于家庭，辦公場所，商 場，超市，圖書館等地方均需要達到夠高，比如整理柜子頂上的物品、換洗窗簾、 換電燈泡等都有一定的難度，通常我們都會使用梯子，而梯子在本來面積就狹隘 的公寓里顯得頗占面積，放到倉庫里，到要用時又顯得比較麻煩，如何協(xié)調(diào)這之 間的矛盾成了需要解決的問題。3.1.2問題分析這個現(xiàn)象說明

9、人們在平常居家生活過程中經(jīng)常會遇到“夠高問題”，也即是 人與所需物體之間總有一段距離，所以我們所需做的就是設法縮短人與物體之間 的距離。距離的縮短大致可分為兩種情況：一是降低物體的高度；二是提高人的 高度。3.1.3方案設計根據(jù)上述問題的分析，可提出以下集中方案的設計：1、根據(jù)降低物體高度的設想，我們考慮可以把窗簾做成上下可調(diào)式，在窗 簾的上方設計一個機械結(jié)構(gòu)來固定窗簾，并在下面設計一個類似開關(guān)的機構(gòu)控制 上面的固定架。當放開固定架時，可以通過窗簾兩邊的拉鏈來控制窗簾的上下拉 動，從而完成窗簾的收放動作。2、從提高人的高度方面考慮，可以設計一種折疊凳能夠同時實現(xiàn)集凳子， 梯子等功能。從實現(xiàn)結(jié)構(gòu)

10、上來說，這種凳子可以做成液壓性。設想是把凳子的四 條腿用液壓缸代替，通過液壓系統(tǒng)的傳送功能，使人站上后能夠控制凳子的升高， 升到預定高度后可以手動固定。3、凳子通過變換機構(gòu)也可以做成“梯子型”，只是需要把凳子的腿做成可 折疊形，當需要用到時，把凳腿打開后便能實現(xiàn)升高這一功能。不過新的問題又 出現(xiàn)了，凳腿打開處，也即與作為凳子時，地面接觸處這一轉(zhuǎn)角的地方應采用什 么機構(gòu)才能保證它的功能？在連接處，我們曾考慮用彎管套筒連接，用兩個曲率 半徑一樣但自身半徑不同的管子相互配合，在要打開時把直徑小的彎管套進大彎 管里，當梯子使用時通過彎曲處受力來保持平衡。4、為了方便好用，在“拐角”處可以考慮采用簡單的

11、鉸鏈連接，整體可以 考慮做成“褲衩型”。當要展成梯子使用時，可以拉開凳面，在凳腿中間處設計 有兩根強度很高的角鐵連接，故可以承受相當?shù)牧Γ@時通過鉸鏈連接處把凳腿 旁的兩個附加小腿打開，并用套筒套緊，從而可以避免展成梯子后產(chǎn)生晃動。當 要收起時，將套筒在鋁管上做適當滑動，通過套筒的卡槽與鋼管的突出銷子處相 扣，從而可以固定套筒使其不能滑下。這種鉸鏈連接操作簡單方便。3.1.4方案比較第一種方案可以節(jié)約空間體積，減少占地面積，且收拉方便，缺點是只能實 現(xiàn)單一物體的升降，不能實現(xiàn)人的主動夠高，例如當燈泡需要換時還是比較麻煩。 第二種方案液壓型升降凳可以較好的完成規(guī)定的功能，但考慮到液壓系統(tǒng)的制作

12、復雜而且要密封的緊密，且液壓缸等制作成本與技術(shù)要求高，增加液壓裝置會導 致凳子龐大沉重等問題。第三種方案“拐角”處采用彎管套筒連接，升高后能夠 保持穩(wěn)定，但是市場上并無理想中的空心彎管，與所需直徑不符，要想把小彎管 套在大彎管上，需特別加工定制，且加工工藝較高。第四種方案，設計鉸鏈連接， 整體做成“褲衩型”，簡單易操作，節(jié)約和最有效地利用了空間，且能實現(xiàn)所需 功能。經(jīng)過以上綜合比較，初定第四種方案。3.1.5方案優(yōu)化當作為凳子使用時的結(jié)構(gòu)簡圖為:圖3.1凳子結(jié)構(gòu)簡圖當作梯子使用時的結(jié)構(gòu)簡圖為：圖3.2梯子結(jié)構(gòu)簡圖折疊凳整體效果圖為：圖3.3折疊凳效果圖再進一步考慮，當用作梯子時，可以考慮把凳面

13、處分成兩塊，在中間設計 個可伸縮機構(gòu)，這樣可以凳子又可以改造為一個簡易晾衣架。在此不再鰲述。3.2電梯乘坐時間優(yōu)化3.2.1現(xiàn)象說明隨著高層智能化建筑的不斷出現(xiàn)，作為主要的垂直運輸工具的電梯得到了越 來越廣泛的應用，電梯控制技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，但還是有不少問題亟待解決。 比如如何縮短乘坐電梯的等候時間（特別是在高峰上班期），如何最優(yōu)化電梯到 達目標樓層的時間等，研究這個問題具有很大的現(xiàn)實意義，一方面可以減少出行 的時間，去創(chuàng)造更多的剩余價值，另一方面可以提高乘坐電梯的舒適感，使得電 梯乘坐更具人性化、智能化。3.2.2問題分析電梯群控的復雜程度是由電梯群控系統(tǒng)的特性所決定的，具體表現(xiàn)在電梯群

14、 控系統(tǒng)所固有的不確定性、多目標性和擾動性等幾個方面。如何最小的縮短乘客 到達目標樓層的時間本質(zhì)上是以乘客的侯梯時間最短為原則，對多臺電梯如何進 行調(diào)度的問題，這主要涉及到三個因素的影響：相對距離（指電梯從當前位置到 目標樓層需要經(jīng)過的距離），梯內(nèi)人數(shù)（如果梯內(nèi)人數(shù)較多表示停站次數(shù)也較多， 如果梯內(nèi)人數(shù)已經(jīng)飽和則預示著外面的人不能再進入電梯）和停站次數(shù)（電梯從 當前位置到目標樓層過程中會發(fā)生的停站次數(shù)）。大的方向可以從兩方面來考慮: 一是縮短等候電梯的時間；二是加快電梯的上下運行的時間。3.2.3方案設計根據(jù)上述問題的分析，可提出以下幾種方案的設計：1、根據(jù)梯內(nèi)人數(shù)，實時判別所需停站的次數(shù)。在

15、電梯運行過程中，電梯的 啟停動作占據(jù)了很大一部分時間。所以我們可以設想，先根據(jù)實驗得出一個電梯 最多能容納多少人（不是安全人數(shù)，是根據(jù)體積上最多能容納多少人），然后應 用計算機的圖像處理技術(shù)識別轎廂里的乘客數(shù)，當乘客數(shù)達到或超過容納人數(shù)極 限值時，可以采用控制技術(shù)來實現(xiàn)電梯的“直達”一一直接到達最近的目標樓層。 這樣即節(jié)省了梯內(nèi)乘客的出行時間，又避免梯外乘客出現(xiàn)誤判而增加等候時間。2、除了上文的根據(jù)圖像識別來，還可以考慮根據(jù)重量（非安全重量）來識 別人數(shù)?？梢愿鶕?jù)實驗得出每天乘坐電梯乘客的平均體重的閾值范圍，當有人乘 坐電梯時，與電梯的實際最多容納量相比較，當達到或超過人數(shù)極限值時，方法 同上

16、，采用控制技術(shù)來實現(xiàn)電梯的“直達”。3、上面兩種方案都是根據(jù)梯內(nèi)人數(shù)的數(shù)量控制停站次數(shù)來達到縮短乘客等 候的時間的目的?，F(xiàn)考慮使用縮短等候電梯的時間來提高乘客的舒適度。具體方 案為：把電梯系統(tǒng)的選層信號盤改在電梯轎廂外的侯梯廳內(nèi)，乘客在侯梯廳通過 樓層盤選擇自己要前往的目標樓層，電梯管理系統(tǒng)將所有選定的內(nèi)呼信號進行存 儲并統(tǒng)一進行派梯規(guī)劃，群控派梯中心得到派梯結(jié)果后，在選層盤或顯示系統(tǒng)中 給出信號通知乘客到指定的電梯外等候，從而達到電梯乘客目的層客流的管理來 實現(xiàn)快速出行。4、基于搜索算法也可實現(xiàn)縮短電梯等候時間。當有選層信號按下時，系統(tǒng) 自行搜索滿足約束條件的最優(yōu)方案，控制某個電梯到達用戶層

17、，而后不再考慮對 該層的呼叫（即只有一部電梯到達用戶層，當用戶層電梯駛離時再重新分配）。 其約束條件是侯梯時間，行程時間及轎廂擁擠度加權(quán)和最小。5、針對上行高峰期或下行高峰期，由于乘客及召喚的分散性（如下行高峰 期），電梯從高層站向下運行時，往往在上部的層站就已經(jīng)趨于滿載，可通過采 用分區(qū)服務的方式來提高電梯的整體運送能力。實現(xiàn)方法是根據(jù)電梯臺數(shù)和建筑 物層數(shù)將電梯劃分為固定的運行區(qū)域，調(diào)度一組轎廂服務于通常毗鄰的樓層，各 部電梯僅響應自己本分區(qū)域的層站呼叫。3.2.4方案比較方案一根據(jù)圖像識別來控制電梯，不失為一種先進的方法，但其制作成本較 為高昂，難以普及和推廣；方案二根據(jù)重量進行檢測，易

18、于操作，方便可行；方 案三的目的層預約控制系統(tǒng)使得電梯的客流管理基本理念反生改變，另可通過軟 件實現(xiàn)群控。但缺點是國內(nèi)要想實現(xiàn)預約控制，除要掌握必須的群控系統(tǒng)核心技 術(shù)外，乘客的相關(guān)素質(zhì)還應進一步提高；方案四能夠?qū)崿F(xiàn)響應最快，但是缺乏靈 活性，使得指派電梯改組變得困難；方案五難以適應時變的交通特性。3.2.5方案優(yōu)化電梯群控技術(shù)是一個動態(tài)離散事件系統(tǒng)，其建模、分析、優(yōu)化都很復雜，所 面臨的問題也是基于當前的狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)，找到一個派遣程序來決定什么時間 或是地點，轎廂是應運行還是停止。而系統(tǒng)的建立還應根據(jù)具體樓層建筑的高度、 交通量等因素來考慮，也即是“具體問題，具體分析”，這樣才能達到電梯群

19、控 的最優(yōu)化，才能實現(xiàn)乘客侯梯時間的最短，快速出行。3.3燈光照明亮度3.3.1現(xiàn)象說明生活中常常碰到的這樣一個現(xiàn)象：一家人晚上有人看電視，有人要睡覺，開 燈會影響到睡覺的人，不開燈則會使得看電視的行動不方便。針對這個現(xiàn)象，筆 者就考慮能不能設計一種裝置來調(diào)節(jié)燈光的亮度，從而來解決上述的矛盾。這樣 以來就可以通過控制頂燈及壁燈的燈光強度調(diào)至適合看電視或讀書時的狀態(tài)，另 還可將客廳內(nèi)燈光調(diào)至較為適合家人朋友聚會時的狀態(tài)，能夠滿足聚會氣氛的需 要，同時又實現(xiàn)了節(jié)能的效果。3.2.2問題分析家庭生活中的燈具使用一般分為兩種：白熾燈和熒光燈。白熾燈的工作原理 是將燈絲通電加熱到白熾狀態(tài)，利用熱輻射發(fā)出

20、可見光；熒光燈的工作原理是利 用低氣壓的汞蒸氣在通電后釋放紫外線，從而使熒光粉發(fā)出可見光，它屬于低氣 壓弧光放電光源。所謂燈光調(diào)節(jié)，其實就是根據(jù)家中某一區(qū)域的使用功能、不同 的時間、室外光亮度等來控制照明。根據(jù)工作原理的不同，調(diào)節(jié)白熾燈可通過控 制白熾燈兩端電壓來控制亮度。3.3.3方案設計1、標準安裝的墻壁開關(guān)是最普通的控制方法，僅有打開和關(guān)閉兩種狀態(tài)。當 用到一些白熾燈照亮時可在開關(guān)中加入一些人工調(diào)光裝置（類似于吊扇的無級調(diào) 速），能夠連續(xù)調(diào)節(jié)燈光的亮度或通過固定設置的檔位調(diào)節(jié)燈光的亮度，從而滿 足人們對不同生活環(huán)境的照度要求。2、設計一個反饋調(diào)節(jié)電路，通過照度傳感器檢測房間內(nèi)部光的照度，

21、包括 自然光照和人工光照，將測量值與預先設定的照度值相比較，如實際值與預設值 有差異，則自動調(diào)節(jié)人工光照，使之滿足房間照度的要求。因為場景本身就是根 據(jù)人們對于不同場景的燈光需求來設置的，它可由調(diào)控系統(tǒng)自動調(diào)用。3、因為低電壓時日光燈甚至不能啟動，所以通過調(diào)節(jié)日光燈兩端的電壓來 調(diào)節(jié)燈管的亮度不適宜，可以考慮基于微控制器和采用相位控制的交流調(diào)壓電路 的新型日光燈亮度自動調(diào)節(jié)控制。具體解決方法為：系統(tǒng)上電啟動時，微控制器 對系統(tǒng)進行初始化，然后讀取手動控制開關(guān)狀態(tài)。當用戶設定手動控制開關(guān)閉合 時，微控制器直接設定雙向晶閘管導通觸發(fā)角，控制雙向晶閘管保持導通狀態(tài)， 此時，亮度自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)不產(chǎn)生

22、作用。當手動控制開關(guān)打開時，微控制器采 樣光敏傳感器輸出的環(huán)境光照信息，并和程序設定的光照信息作比較，計算出新 的雙向晶閘管移向觸發(fā)角，輸出到移向觸發(fā)器，控制雙向晶閘管的導通。4、設計一個調(diào)光器來控制燈的亮暗程度。調(diào)光器由主器和子器構(gòu)成，其中 調(diào)光器所能附帶的子器數(shù)量主要由主器的驅(qū)動能力和實際需求所決定。調(diào)光器的 設計主要是以單片機為中心進行設計，包括電源驅(qū)動模塊，電壓比較電路，雙向 可控硅調(diào)光電路等。軟件部分的設計可以分為幾個獨立的模塊，并能保證可以實時檢測按鍵操作、調(diào)光等服務。3.3.4方案比較方案一便于操作，成本低，但由于低電壓時日光燈甚至不能啟動，所以這種 方案只能用于調(diào)節(jié)白熾燈；方案

23、二可以實現(xiàn)智能化控制，無需人工干涉，缺點是 當需要改變亮度時，操作繁瑣，缺乏靈活性；方案三具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、 成本低等優(yōu)點，在滿足使用者光照強度的要求下，可以達到節(jié)約能源的目的；方 案四運用功能日趨完善的MCU（單片機）技術(shù)，只要結(jié)合比較少的外圍電路，就 能由軟件實現(xiàn)功能完善，并且實用的照明控制，在降低電路設計復雜度、提高軟 硬件模塊復用能力的同時，還提高了調(diào)光器的集成度、穩(wěn)定性、抗干擾能力和功 能可擴展性，但軟件硬件應用較多，結(jié)構(gòu)組成較為復雜，若有損壞不易維修。3.3.5方案優(yōu)化通過比較幾種不同的方案可以發(fā)現(xiàn)方案四是最為可行的，單片機的使用也為 按鍵控制留下了靈活的發(fā)展空間，如可通過程序?qū)Π存I進行多功能使用設置，實 現(xiàn)長按和短按不同的功能；可以設定場景，記錄想保存的燈光亮度等。若采用電 路模塊復用技術(shù)，很容易在進行一定接口修改基礎上，用于與其他智能系統(tǒng)進行 聯(lián)立形成“智能生活”，本文在此不再鰲述。4、心得體會經(jīng)過一個學期機械系統(tǒng)分析與綜合的學習，我初步掌握了解決問題的基本思 路：遇到一種現(xiàn)象或問題，首先應分析