虛擬機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計實驗平臺的研究與實現(xiàn)

淮 妮，金 瑩，張小粉

(咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，機械創(chuàng)新設(shè)計已經(jīng)在傳統(tǒng)經(jīng)驗性創(chuàng)新的基礎(chǔ)上逐步轉(zhuǎn)向為計算機輔助機械創(chuàng)新設(shè)計。而機構(gòu)是機械產(chǎn)品的骨架，機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計是機械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的基礎(chǔ)。計算機輔助機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計可以幫助機械設(shè)計人員快速地完成設(shè)計任務(wù)，并通過可視化顯示，直觀地分析機構(gòu)設(shè)計方案[1]。另外，建立一個機械創(chuàng)新設(shè)計實驗室需50萬元以上的資金，對于多數(shù)高職院校比較困難，而虛擬機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計實驗平臺其功能與物理實驗室一樣，卻只需幾千元資金。因此，研究虛擬機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計實驗平臺，首先可以豐富高職院校“機械設(shè)計基礎(chǔ)”課程的實驗資源，提高學(xué)生的機械創(chuàng)新設(shè)計能力；其次，方便企業(yè)機械設(shè)計人員整體、全面地分析機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的方案，從而進一步提高機構(gòu)創(chuàng)新的水平。

1 計算機編碼表示法

計算機輔助機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)是為機構(gòu)知識尋找計算機能夠識別的數(shù)學(xué)模型[2]。計算機編碼方法是通過對機構(gòu)的運動行為、機構(gòu)的運動轉(zhuǎn)換功能屬性建立一套關(guān)鍵字定義規(guī)則，然后對其主關(guān)鍵字進行計算機編碼，從而實現(xiàn)機構(gòu)特征的形式化表達。

1.1 機構(gòu)運動行為四位編碼

機構(gòu)的運動行為一般指運動類型、運動的連續(xù)性、運動速率、運動方向4項基本特性。對機構(gòu)運動行為可以用四位編碼來表示(位次與相應(yīng)運動屬性必須對應(yīng))，見表1。

表1 機構(gòu)運動行為的四位編碼

1.2 基本機構(gòu)運動轉(zhuǎn)換功能屬性編碼

運動行為既可以是輸入運動，也可以是輸出運動，由輸入和輸出運動行為組成了基本機構(gòu)的運動轉(zhuǎn)換功能屬性，因此對輸入和輸出運動行為的四位編碼就是對基本機構(gòu)的運動轉(zhuǎn)換功能屬性的表達，見表2(四位編碼位次必須和表1一致，不可打亂)。

2 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)軟件是通過輸入程式化的任務(wù)需求，對數(shù)據(jù)庫進行搜索匹配，得到符合要求的機構(gòu)解并可視化演示，虛擬平臺軟件系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示[3]。

表2 機構(gòu)運動轉(zhuǎn)換功能屬性編碼

圖1 虛擬平臺軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖

各結(jié)構(gòu)模塊承擔(dān)的任務(wù)分別為：1) 輸入設(shè)計需求，輸入給定設(shè)計任務(wù)的程式化符號；2) 機構(gòu)功能知識模塊，即建立的機構(gòu)功能知識數(shù)據(jù)庫，供系統(tǒng)搜索匹配四位編碼；3) 機構(gòu)三維模型模塊，即建立的機構(gòu)三維模型庫，供系統(tǒng)可視化顯示；4)機構(gòu)解的映射方法，即搜索和匹配機構(gòu)功能知識數(shù)據(jù)庫的規(guī)則，通過此規(guī)則可實現(xiàn)機構(gòu)功能到機構(gòu)解的映射；5) 輸出機構(gòu)方案，將滿足需求的機構(gòu)方案以文字和可視化方式輸出。

3 數(shù)據(jù)庫的建立

根據(jù)設(shè)計需求得到相應(yīng)的機構(gòu)解的過程實際是對數(shù)據(jù)庫搜索和匹配的過程，因此需要建立相應(yīng)的機構(gòu)知識數(shù)據(jù)庫[4-5]。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，需要建立兩個數(shù)據(jù)庫:1)機構(gòu)知識數(shù)據(jù)庫，包括兩個表。①基本機構(gòu)運動行為表，具體包括4個字段，即運動的類型、連續(xù)性、速率性、往復(fù)性；②機構(gòu)功能屬性表，具體包括12個字段，即機構(gòu)序號、機構(gòu)模塊名稱、輸入屬性四位編碼、輸入屬性1～4、輸出屬性四位編碼、輸出屬性1～4。該數(shù)據(jù)庫建立了常見基本機構(gòu)的功能信息。2)機構(gòu)三維模型庫，具體包括3個字段，即機構(gòu)序號、機構(gòu)模塊名稱、三維模型存儲地址，該數(shù)據(jù)庫建立了常見基本機構(gòu)的三維模型。

4 機構(gòu)解的映射方法

根據(jù)以上創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫，只需要建立一套對數(shù)據(jù)庫搜索、匹配的方法，則可實現(xiàn)從機構(gòu)功能到機構(gòu)解的映射[6-7]。具體方法如下。

4.1 直接匹配

例如，要實現(xiàn)“單向勻速連續(xù)轉(zhuǎn)動→單向勻速連續(xù)移動”的運動功能轉(zhuǎn)換，可直接搜索相應(yīng)的輸入編碼1111、輸出編碼2111，得到的部分單一機構(gòu)解見表3。

表3 1111→2111運動轉(zhuǎn)換部分單一機構(gòu)解

4.2 拆分匹配

例如，要實現(xiàn)“單向勻速連續(xù)轉(zhuǎn)動→往復(fù)間歇移動”的運動功能轉(zhuǎn)換，搜索相應(yīng)的輸入/輸出四位編碼為“1111→2222”，沒有得到相應(yīng)的單一機構(gòu)解，則需要進行拆分匹配。首先搜索輸入為1111的基本機構(gòu)，得到的部分機構(gòu)解見表4。其次搜索輸出為2222的基本機構(gòu)，得到的部分機構(gòu)解見表5。最后將表4輸出編碼和表5的輸入編碼進行對照，查看是否存在相同的編碼，有則表示有解。如表4與表5可得到“1111→1222+1222→2222”和“1111→2112+2112→2222”兩組解，即將曲柄滑塊機構(gòu)的輸出端與凸輪滑塊擺桿機構(gòu)的輸入端進行串聯(lián)組合成新的機構(gòu)，將凸輪擺桿機構(gòu)的輸出端與擺桿滑塊機構(gòu)的輸入端進行串聯(lián)組合成新的機構(gòu)。

表4 輸入為1111的部分機構(gòu)解

表5 輸出為2222的部分機構(gòu)解

5 應(yīng)用實例

本文以.NET 為工具開發(fā)了虛擬機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計實驗平臺系統(tǒng)軟件[8]。以某一任務(wù)需求為例操作系統(tǒng)軟件。

任務(wù)需求：設(shè)計一個薄膜包裝設(shè)備的機械臂。電動機直接驅(qū)動，通過一些機械傳動裝置后,使機械臂做非勻速的上下往復(fù)運動,無其他特殊要求。第一級動力傳遞用萬向連軸器,要設(shè)計的部分是連軸器到機械臂的機械裝置,設(shè)計任務(wù)經(jīng)抽象化后為:將“連續(xù)單向的勻速轉(zhuǎn)動”轉(zhuǎn)換為“連續(xù)雙向的非勻速移動”。

具體過程如下:

1)分析任務(wù)需求。運動轉(zhuǎn)換為“連續(xù)、單向、勻速轉(zhuǎn)動→連續(xù)、雙向、非勻速移動”，四位編碼為“1111→2122”；2)運行系統(tǒng)軟件，選擇輸入形式1111、輸出形式2122；3)點擊 “單一機構(gòu)”按鈕，系統(tǒng)自動搜索機構(gòu)知識數(shù)據(jù)庫，直接匹配對應(yīng)的輸入輸出編碼，得到的單一機構(gòu)解如圖2所示，若選中曲柄滑塊機構(gòu)，再點擊“立體模型”按鈕，則系統(tǒng)自動搜索機構(gòu)三維模型庫，即可直接打開曲柄滑塊機構(gòu)的三維模型，如圖3所示；4) 點擊 “組合機構(gòu)”按鈕，系統(tǒng)自動搜索機構(gòu)知識數(shù)據(jù)庫，拆分匹配對應(yīng)的輸入和輸出編碼，得到的組合機構(gòu)解如圖4所示，若選中齒輪曲柄滑塊串聯(lián)組合機構(gòu)，再點擊“立體模型”按鈕，則系統(tǒng)分別搜索齒輪機構(gòu)和曲柄滑塊機構(gòu)的三維模型，并利用三維軟件的自動裝配功能將得到的單一機構(gòu)三維模型進行虛擬裝配，即可看到齒輪曲柄滑塊串聯(lián)組合機構(gòu)的三維模型，如圖5所示。

圖2 單一機構(gòu)解

按照以上設(shè)計需求操作實驗平臺系統(tǒng)軟件后，得到的機構(gòu)解共有5個，其中2個單一機構(gòu)、3個串聯(lián)組合創(chuàng)新機構(gòu)。后期使用過程中，學(xué)生可通過旋轉(zhuǎn)三維模型，直觀地了解每個機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點；對于機械設(shè)計人員，可對5個機構(gòu)直觀地進行分析對比，擇優(yōu)選用。

圖3 單一機構(gòu)三維模型

圖4 組合機構(gòu)解

圖5 組合機構(gòu)三維模型

6 結(jié)束語

本文用計算機編碼的方法建立了機構(gòu)知識數(shù)學(xué)模型，提出了一種拆分后搜索匹配的機構(gòu)功能到機構(gòu)解的映射方法，以.NET為工具開發(fā)了系統(tǒng)軟件，并按照一定的設(shè)計需求，實際操作軟件系統(tǒng)后得到3個組合創(chuàng)新機構(gòu)，成功驗證了虛擬機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計實驗平臺的可行性。但是該系統(tǒng)只分析了串聯(lián)組合機構(gòu)，沒有對并聯(lián)、疊加等復(fù)雜機構(gòu)進行分析，只實現(xiàn)了虛擬機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的初級階段，后續(xù)需不斷完善，使其能得到更豐富的機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方案。