平面机构类型综合与机构方案创新设计研究

论文摘要

机构学的主要任务是完成机构创新设计。机构创新设计的目标是从所期望的机构功能出发,创造、发明新机构以实现其预期功能。其中提出满足预定功能要求、具有优良工作品质及经济性的独创性结构类型,是机构创新设计中最具有创新性而又是最为困难的任务之一。因此机构结构方案的创新设计就成了机械系统运动方案设计的最重要的基础。机构的类型综合是研究机构结构组成的有效方法,可为机构的创新设计提供各种可资比较的方案,是创造性构思、发明、创新设计新机构的基础。本文以平面机构为对象,以方案创新设计为主要目标,对运动链类型综合、结构简图自动绘制以及方案设计自动创成,从理论和方法上进行了深入系统的研究,为机械创新设计提供理论基础。论文的主要工作与成果体现在以下几个方面:针对平面机构闭式运动链的结构特征,提出了分类码与同构码的概念。以分类码对运动链进行分类,不仅各类运动链的机构组成学意义明确,而且运动链类型细化。采用分类码与同构码相结合的码谱法进行运动链同构识别,可使同构识别时的运算量大幅度减少。同时,对运动链的同构识别问题进行了深入研究,在定义了新的结构恒量序列后,提出了运动链同构识别的距离和序列法。对多杆多自由度平面单铰闭式运动链,在综合出连杆序列、缩杆序列、构件度序列以及基杆联结度序列后,提出了基杆构型树法来完成其类型综合。其综合的规律性强,综合中得到的结果有利于后续刚性子链消除与同构识别处理。同时,对运动链中存在的刚性子链消除方法进行了较深入、全面的研究。根据运动链拓扑图,采用广度优先生成树法生成运动链的独立回路,由回路的加减运算,结合回路交叉检测,提出了最大环路法对平面闭式机构运动链简图进行自动绘制。将其应用机构设计中,可提高设计效率。基于定义的设计规则和选择的图形载体,将设计要求按设计规则进行符号化,将构件的功能用功能字符描述,使创成的方案用符号来表达,便于计算机对设计规则进行逻辑推理得到符号设计方案,从而了实现机构方案创新设计的计算机自动生成。同时,提出了用相似码法来判别运动链中构件的相似性,可有效地抑制机构方案创新过程中同构设计方案的产生。最后,提出了一种新型脉动式无级变速器传动机构实现原理,并采用基于设计规则的机构创新方案设计方法,对其方案设计进行了创成,完成了其变速装置的结构设计,并对该无级变速器的运动特性进行了研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 选题背景与研究意义
• 1.1.1 机构学创新发展的需要
• 1.1.2 机构综合理论与方法创新发展的需要
• 1.1.3 现代社会机械工业高速发展的需要
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 机构类型综合
• 1.2.2 运动链同构识别
• 1.2.3 运动链结构简图自动绘制
• 1.2.4 机构方案创新设计
• 1.3 主要研究工作
• 2 平面闭式运动链机构的分类方法
• 2.1 运动链表示及相关概念
• 2.1.1 缩杆与构件度
• 2.1.2 关联度和基杆联结度
• 2.1.3 缩杆邻接矩阵
• 2.2 运动链的分类码
• 2.2.1 分类原则
• 2.2.2 基本码
• 2.2.3 扩展码
• 2.3 运动链分类
• 2.3.1 分类方法
• 2.3.2 分类结果
• 2.4 小结
• 3 机构运动链同构识别
• 3.1 同构识别的含义
• 3.2 同构识别码谱法
• 3.2.1 同构码
• 3.2.2 码谱法算法
• 3.3 距离和序列
• 3.3.1 基杆树与基杆构型树
• 3.3.2 基杆树叶距
• 3.3.3 树叶距和序列
• 3.4 同构识别的距离和序列法
• 3.4.1 同构识别方法
• 3.4.2 距离和序列法算法
• 3.5 实例研究
• 3.5.1 实例1
• 3.5.2 实例2
• 3.6 小结
• 4 机构运动链类型综合
• 4.1 基本概念与公式
• 4.1.1 连杆序列
• 4.1.2 缩杆组成序列
• 4.1.3 基杆联结度序列
• 4.2 运动链类型综合方法
• 4.3 基杆构形矩阵的综合
• 4.3.1 基杆树
• 4.3.2 基杆构型树综合法
• 4.4 联结矩阵的综合
• 4.4.1 树叶距矩阵
• 4.4.2 缩杆的匹配
• 4.5 算例研究
• 4.6 刚性子链的消除
• 4.6.1 基本刚性链
• 4.6.2 刚性子链的性质
• 4.6.3 刚性子链的识别
• 4.7 结果分析与讨论
• 4.8 小结
• 5 机构运动链简图自动绘制
• 5.1 运动链独立回路
• 5.1.1 编号规则
• 5.1.2 广度优先生成树
• 5.1.3 确定独立回路
• 5.2 最大环路法
• 5.3 最大可行环路的生成
• 5.3.1 最大环路
• 5.3.2 内环关系
• 5.3.3 最大可行环路
• 5.4 运动链简图的自动绘制
• 5.4.1 内环规范化
• 5.4.2 简图自动绘制
• 5.4.3 支路处理
• 5.4.4 局部回路处理
• 5.5 实例
• 5.6 结果分析与讨论
• 5.7 小结
• 6 机构方案创新设计
• 6.1 基于设计规则的机构创新方案设计
• 6.2 设计规则的制定
• 6.3 确定图形载体
• 6.3.1 图形载体的预选
• 6.3.2 周转轮系对应特征关系
• 6.4 构件的相似性分析
• 6.4.1 相似性的类型
• 6.4.2 无功能构件相似性判别的关系码法
• 6.4.3 无功能构件相似性判别的相似码法
• 6.4.4 含功能构件的相似性判别
• 6.5 符号方案的推理
• 6.5.1 逻辑推理策略
• 6.5.2 机架的逻辑推理
• 6.5.3 重叠性与邻接性的逻辑推理
• 6.5.4 移动副的逻辑推理
• 6.5.5 符号方案的识别
• 6.6 方案创新设计实例
• 6.7 小结
• 7 新型脉动式无级变速器方案设计及其特性分析
• 7.1 内摆线的特性
• 7.2 确定设计要求与设计规则
• 7.3 传动机构设计方案
• 7.3.1 符号方案与运动简图
• 7.3.2 传动机构工作原理
• 7.4 变速原理及其结构
• 7.4.1 变速原理
• 7.4.2 变速装置结构
• 7.5 特性分析
• 7.5.1 瞬时输出角速度与瞬时传动比
• 7.5.2 平均输出角速度与平均传动比
• 7.5.3 输出速度的脉动度与变速比
• 7.6 小结
• 8 结论与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 附录：部分运动链结构简图