含約束復雜機械系統(tǒng)空間布局及工業(yè)美學研究.pdf

1、產(chǎn)品快速創(chuàng)新設計及其自動化是未來企業(yè)在快速多變的市場中取得生存的關(guān)鍵。為此，本課題組提出了基于三維設計平臺的產(chǎn)品快速創(chuàng)新設計理論體系，并已基本完成了機械系統(tǒng)符號方案的自動生成、符號方案的自動識別、各種基本機構(gòu)庫的建立等工作?；谇捌诠ぷ鳎疚膶焖賱?chuàng)新設計理論體系的后續(xù)模塊，即與符號方案對應的含約束復雜機械系統(tǒng)自動化空間布局設計和自動化虛擬裝配設計進行了深入研究。此外對創(chuàng)新設計理論體系中的美學設計進行了研究，提出了一種產(chǎn)品外

2、形美學設計方法。主要內(nèi)容如下:(1)本文給出了一種適合復雜機械系統(tǒng)的空間布局表達方法，該方法包括基本機構(gòu)的連接關(guān)系表達和基本機構(gòu)的空間位置表達。首先分析了基本機構(gòu)的各種組合方式，提出了適合于機械系統(tǒng)空間布局的3種基本機構(gòu)連接關(guān)系，并給出了對應的三種布局模型。根據(jù)基本機構(gòu)輸入輸出軸的特點，建立了一種適合各種基本機構(gòu)的長方體布局模型，實現(xiàn)基本機構(gòu)空間位置描述。在此基礎上，研究了各種類型基本機構(gòu)布局空間的確定方法，并編制程序?qū)崿F(xiàn)了

3、布局參數(shù)的自動生成。(2)基于前期符號識別結(jié)果，研究了含約束的復雜機械系統(tǒng)自動化空間布局優(yōu)化算法。根據(jù)含約束復雜機械系統(tǒng)的特點，建立了適合于空間布局優(yōu)化的數(shù)學符號模型。采用自適應遺傳算法，將機械系統(tǒng)中各基本機構(gòu)的布局干涉情況、連接關(guān)系以及輸入輸出軸方向和夾角約束等作為構(gòu)造適應度函數(shù)的重要組成部分，利用十進制編碼中的整數(shù)編碼方法對各基本機構(gòu)編碼生成初始種群，通過選擇、交叉、變異等操作，實現(xiàn)了復雜機械系統(tǒng)的空間布局優(yōu)化。(3

4、)采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)及SolidWorks二次開發(fā)技術(shù)，基于“后臺預置”裝配方法，實現(xiàn)了對應上述符號方案布局優(yōu)化結(jié)果的復雜機械系統(tǒng)自動化虛擬裝配。通過讀取布局優(yōu)化模塊存儲的各基本機構(gòu)相對布局系統(tǒng)全局坐標系的坐標變換矩陣，并依據(jù)基本機構(gòu)布局模型的第一構(gòu)件坐標系與基本機構(gòu)三維實體模型坐標系的差異，對其坐標變換矩陣進行適當修正后，采用“后臺預置”裝配技術(shù)將組成復雜機械系統(tǒng)的各基本機構(gòu)“預置”到特定的布局空間，從而實現(xiàn)三維虛擬樣機的自

5、動化生成。(4)提出了一種基于美學特征的參數(shù)化產(chǎn)品外形設計方法。該方法運用形態(tài)控制參數(shù)表達產(chǎn)品的形態(tài)要素，通過改變形態(tài)控制參數(shù)，實現(xiàn)形態(tài)要素的放大、縮小、變形及組合，從而可獲得不同外觀創(chuàng)意設計效果的產(chǎn)品外形。文中以工業(yè)縫紉機外形設計為例，基于UG平臺及其二次開發(fā)技術(shù)UG/OPEN API，實現(xiàn)了工業(yè)縫紉機的外形美學設計，證明了該方法的可行性。(5)提出了一種含外形容器約束的復雜機械系統(tǒng)自動化空間布局方法。該方法將布局容器區(qū)

6、分為凸面體和凹面體兩種類型。針對布局容器的凹凸性，給出了兩種不同的干涉檢驗方法。文中采用自適應遺傳算法實現(xiàn)復雜機械系統(tǒng)的空間布局優(yōu)化，初始種群可隨機產(chǎn)生也可通過人機交互方式產(chǎn)生，人機交互方式用來控制機構(gòu)組合中起始機構(gòu)在全局坐標系中的擺放位置及姿態(tài)，從而可盡快生成初始種群?；诓季謨?yōu)化結(jié)果，采用“后臺預置”裝配技術(shù)，實現(xiàn)對應機械系統(tǒng)在布局容器內(nèi)的自動虛擬裝配。本文的主要特色及創(chuàng)新點如下:(1)將布局設計引入到基于三維設計平臺

7、的產(chǎn)品快速創(chuàng)新設計理論體系當中，并基于前期工作，實現(xiàn)了含約束復雜機械系統(tǒng)的自動化空間布局，從而使得由基本機構(gòu)組成的復雜機械系統(tǒng)既可滿足產(chǎn)品的工業(yè)美學設計要求，又可滿足產(chǎn)品的壽命和可靠性要求。(2)完成了基于三維設計平臺快速創(chuàng)新設計理論體系中虛擬樣機的自動生成模塊。從而使得在三維虛擬樣機的層面上，從眾多的創(chuàng)成設計方案中快速遴選出最具有創(chuàng)新性的設計方案成為可能。(3)提出了基于美學特征的產(chǎn)品參數(shù)化外型設計方法。該方法將美學形態(tài)