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可变功能机械系统概念设计的相似模型构建研究  

2017-09-14 21:50:41|  分类: 嫦娥飞天——中华 |  标签: |举报 |字号 订阅

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  一般的机械系统通常只具有一个或多个固定的功能,但这种系统在某些特定的情况下不能满足应用需要,如占地面积有限、资源有限以及要求使系统升级方便的情况。本研究的可变功能机械系统是指一种通过改变系统中结构的连接或组成的方式进而获得新功能的特定的机械系统。该系统的可变是基于某些固件不变的基础上的,也就是说改变局部构件获得的新系统和之前的系统之间必定存在一定的相似性。研究可变功能机械系统的相似性,建立概念设计系统模型,为以后进行可变功能设计并将具有一定相似性的功能进行耦合提供了基础。

  机械系统的概念设计是产品设计的初步也是关键阶段,可以理解为在设计约束条件下,以客户产品功能需求为输入,设计结构方案为输出的映射过程。对于概念设计模型,文献[1-2]提出了一种设计知识的表达形式,将功能、行为和结构作为设计的3个层次,基于“功能-行为-结构(functional-behavior-struc?tureFBS)”模型解决设计问题。功能表达的是设计目的即“做什么”,行为表达系统“如何去做”,结构说明设计系统“用什么构件或元件去做以及他们之间的连接关系”。邹光明等、金熙哲等应用了功能行为的不同表达方式,提出了行为集合的表示方法,建立了行为集合分组的规则及分组评价规则和应用功能基来表达设计问题。邓益民等将机电产品功能和行为的几种表达方法进行了总结,并按照语义表达和句法表达两个方面对其进行了分类,据此提出了研究功能与行为表达方法的发展方向。

  1 可变功能机械系统概念设计模型

  可变功能机械系统由不同的分功能组成,且功能间会发生耦合。笔者基于FBS概念设计模型对可变功能机械系统进行研究,先将各分功能独立,分别建立自顶向下的设计模型,即先对功能进行分解,由功能-行为映射求解得到相应的行为层级结构,分析相应的行为模型,得出映射层结构方案。

  2 相似模型构建

  2.1 功能序结构和行为序结构模型

  相似包括功能相似以及行为相似,功能具有相同的效果不代表行为也具有相似性。研究系统相似度时需要衡量功能相似度和行为相似度不同的权重值,建立相似模型,从系统的角度将不同的功能及其行为映射用序结构表达出来,用系统要素的方式进行模型构建。

  2.2 基于序结构的相似模型构建

  由相似第一定律即序结构定律可知,不同类型、不同层次系统存在一定的序结构,当系统序结构存在共同性时,系统之间出现相似特性,相似性大小随序结构的共同性程度增大而上升,反之则下降。上节已将可变功能机械系统概念设计中的功能层和行为层用序结构进行表达来探索功能和行为的相似性,本节在此基础之上运用数学建模对相似度进行计算。可变功能机械系统具有一定的相似性,即相似度大于零,某些功能或行为能通过改变一些系统组成就能形成新的功能系统,若是没有相似性即相似度为零,那么整个分功能系统就转变成了多功能的单个系统的集合,不在本研究的研究范围之内。

  3 实例分析

  笔者选取典型的可变功能机械系统进行研究,选取如图6所示的机床作为研究对象,通过更换不同的刀具执行机构可以获得钻孔,扩孔和铰孔3个不同的功能。可以看出,这是一种通过改变系统执行机构达到改变功能的情况。

  4 结束语

  机械系统往往有很多复杂的功能系统组成,通过系统间的协调和配合完成一定功能,从而实现机械能变化,代替人类劳动的作用。可变功能机械系统正是为了更好地利用环境资源、增加设备利用率而产生,以适应劳动过程中不同的需求。相似性是存在于大自然中最普遍的特性,在对可变功能系统研究中,研究者通过探索系统相似性,建立概念设计相似模型,可以从定量角度描述系统间的共性,进而基于一定的相似度进行可变功能创新设计。

  为此,本研究提出了将FBS模型与经典相似理论相结合的方法构建概念设计相似系统模型,建立了基于输入/输出流的序结构模型,对序的概念做了进一步的阐述,通过序结构建立相似序,得出了构建相似系统模型的具体步骤,并通过数学模型计算获得具体的相似度数值。

  前文的分析和案例均表明,该模型符合设计过程中设计人员的认知过程,对相似性进行了可靠地描述,有利于机械系统的创新设计,为可变功能机械系统的相似度研究提供了方法和依据。

 

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