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      基于狀態(tài)空間方法的數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

      2020-02-11 04:41:46王超徐世福程子川
      機(jī)械工程師 2020年1期
      關(guān)鍵詞:分水方案設(shè)計(jì)特性

      王超, 徐世福, 程子川

      (寧波大學(xué) 科學(xué)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,浙江 寧波315212)

      0 引 言

      針對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)問(wèn)題,以大連理工大學(xué)的王德倫教授[1-2]提出的狀態(tài)空間方法作為理論支撐,在此基礎(chǔ)上建立Excel表格數(shù)據(jù)庫(kù),本文采用王德倫教授提出的狀態(tài)空間方法,以張德珍[3]的44種基本變換單元為對(duì)象,對(duì)分水板固定機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行應(yīng)用,得到方案解,再以運(yùn)動(dòng)鏈的拓?fù)涮匦孕阅茏鳛樵u(píng)價(jià)指標(biāo),結(jié)合實(shí)際使用過(guò)程對(duì)方案進(jìn)行簡(jiǎn)要評(píng)述,完成創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

      1 基于狀態(tài)空間方法的Excel表格數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

      根據(jù)狀態(tài)空間方法的了解與歸納,得知狀態(tài)空間方法實(shí)則是空間上的路徑規(guī)劃問(wèn)題,通過(guò)設(shè)計(jì)要求提取出輸入端與輸出端的運(yùn)動(dòng)方向及運(yùn)動(dòng)類(lèi)型,建立相應(yīng)的特征狀態(tài)矢量,得到相應(yīng)的狀態(tài)變換矩陣,再通過(guò)特征值及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)約束后匹配基本變換單元數(shù)據(jù)庫(kù),得到相應(yīng)基本變換單元解。由上述總結(jié)出該理論主要的篩選參數(shù)為輸入端與輸出端的運(yùn)動(dòng)類(lèi)型、運(yùn)動(dòng)方向、機(jī)構(gòu)傳遞特征值,以及機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)??赏ㄟ^(guò)圖1所示的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行篩選得到基本變換單元進(jìn)行可行性組合得到。

      2 應(yīng)用

      2.1 分水板固定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

      結(jié)合實(shí)際使用過(guò)程,歸納出以下要求:

      1)分水板原理?;谑忻嫔纤廴莘e不可變,故提出一種可調(diào)節(jié)節(jié)水水槽,其原理利用隔板進(jìn)行水槽空間分隔,如圖2所示。

      2)工作性能要求。a.在保證強(qiáng)度和剛度的條件下,機(jī)構(gòu)總質(zhì)量不能過(guò)大,且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,分水板壓緊固定后,不會(huì)輕易松動(dòng),維修方便;b.分水板長(zhǎng)期處在潮濕環(huán)境中,要求機(jī)構(gòu)具備良好的防水性;c.分水板與水槽側(cè)面的軌道構(gòu)成移動(dòng)副,能夠光滑地自由移動(dòng)。

      圖1 基本變換單元各數(shù)據(jù)庫(kù)

      2.2 基于Excel數(shù)據(jù)庫(kù)篩選

      基于運(yùn)動(dòng)要求和性能要求,對(duì)插秧機(jī)構(gòu)進(jìn)行狀態(tài)空間方法設(shè)計(jì)。方案設(shè)計(jì)流程如下:

      圖2 節(jié)水原理

      1)輸入端與輸出端運(yùn)動(dòng)方向及運(yùn)動(dòng)類(lèi)型條件。設(shè)定分水板固定機(jī)構(gòu)的輸入方向?yàn)閄軸并繞其旋轉(zhuǎn);輸出運(yùn)動(dòng)方向朝Y軸,并沿Y軸移動(dòng),如圖3所示。

      2)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)約束。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)約束設(shè)定為往復(fù)狀態(tài)3,再通過(guò)篩選條件得到,如圖4所示(注:數(shù)據(jù)庫(kù)中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)類(lèi)型為:1為同向;2為反向;3為往復(fù))。

      圖3 輸入端與輸出端基本條件篩選

      圖4 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)條件篩選

      3)狀態(tài)變換矩陣分解?;趦蓚€(gè)基本變換單元串聯(lián)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì),其原理利用空間狀態(tài)方法的6×6狀態(tài)變換矩陣進(jìn)行矩陣分解,得到兩個(gè)6×6子狀態(tài)變換矩陣,子狀態(tài)變換矩陣與狀態(tài)變換矩陣性質(zhì)相同。其分解為Aij=Ai1A1j+Ai2A2j+Ai3A3j+Ai4A4j+Ai5A5j+Ai6A6j。

      4)傳遞特征值。經(jīng)過(guò)上述3步,對(duì)機(jī)構(gòu)的特征值定為cv組合或vc組合以及單個(gè)解形成如表1的組合解。

      表1 運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)可行解

      3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案選取及評(píng)價(jià)

      3.1 機(jī)構(gòu)的一般化

      從上述篩選組合得到的29種機(jī)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求及機(jī)構(gòu)原理篩選出的方案。選出3種方案作為設(shè)計(jì)結(jié)果,再經(jīng)由一般化,將該原始機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化成只具有桿和回轉(zhuǎn)副的一般化運(yùn)動(dòng)鏈,列舉在表2中(其中,R為轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng),T為移動(dòng)運(yùn)動(dòng))。

      表2 方案及其運(yùn)動(dòng)鏈圖

      3.2 運(yùn)動(dòng)鏈拓?fù)涮匦跃仃嚨慕?/h3>

      用李樹(shù)軍[4]的運(yùn)動(dòng)鏈和機(jī)構(gòu)的拓?fù)涮匦约捌湫阅茉u(píng)價(jià)方法,對(duì)兩種方案建立起運(yùn)動(dòng)鏈拓?fù)涮匦跃仃嚕?duì)其進(jìn)行特性描述[5]。其中特性描述包括以下3點(diǎn):1)KIC表示共環(huán)件數(shù)較多,其值越大,表明其運(yùn)動(dòng)分析越復(fù)雜;2)DYC表達(dá)了運(yùn)動(dòng)鏈中各構(gòu)件的平均慣性效應(yīng),當(dāng)DYC值較大時(shí),其慣性影響小,動(dòng)力學(xué)性能好;3)一個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈的EFC值大,表明其功率損失小,傳動(dòng)效率高。

      將表2中兩種方案通過(guò)特性描述得如表3所示。

      表3 計(jì)算值

      根據(jù)表1中KIC、DYC、EFC,計(jì)算后得到最優(yōu)解為方案1和方案2,將其繪制三維圖,如圖5和圖6所示。圖5中,轉(zhuǎn)動(dòng)旋桿2帶動(dòng)滑塊3下移,滑塊3通過(guò)連桿4使側(cè)壓緊板5移動(dòng),膠固在旋桿2上的擋環(huán)7下推下壓側(cè)板6,壓緊彈簧9始終擠壓各壓緊板。圖6中,轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿4帶動(dòng)短桿2旋轉(zhuǎn),短桿2帶動(dòng)長(zhǎng)桿3轉(zhuǎn)動(dòng),滑塊1向兩側(cè)移動(dòng)。

      圖5 螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)螺母移動(dòng)的螺旋機(jī)構(gòu)——橢圓機(jī)構(gòu)

      圖6 曲柄滑塊

      4 結(jié) 論

      本文基于特征狀態(tài)空間方法,建立了Excel表格數(shù)據(jù)庫(kù),應(yīng)用在兩個(gè)基本變換單元串聯(lián)機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì),以分水板固定機(jī)構(gòu)為例,通過(guò)篩選條件進(jìn)行匹配組合,得到29種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求從中選取兩種方案作為設(shè)計(jì)結(jié)果,基于運(yùn)動(dòng)鏈和機(jī)構(gòu)的拓?fù)涮匦约捌湫阅茏鳛樵u(píng)價(jià)指標(biāo),完成了方案設(shè)計(jì),為后續(xù)詳細(xì)尺寸設(shè)計(jì)、力學(xué)分析、三維運(yùn)動(dòng)仿真等階段提供了基礎(chǔ)。

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