考虑成本的机构功能综合设计方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑成本的机构功能综合设计方法。本方法通过下述具体操作步骤实现的：（1）定义运动状态模型；（2）定义基于功能表达模型的运动状态对模型；（3）建立基于图论的面向机构功能综合模型；（4）利用基于运动状态对的K-低成本的机构功能综合算法进行机构功能综合求解。针对现有的机构功能设计方法没有充分考虑成本因素对机构设计的影响。本发明专利技术旨在综合考虑机构所需功能的可能功能组合，有效地实现了降低成本的机构功能综合。本发明专利技术所示的机构功能综合方法不仅可以应用于机构设计，而且可以解决其它的产品设计问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于一种机械产品机构功能综合设计方法，特别是一种。
技术介绍
机构在机械产品设计中占有很重要的位置，功能上，机构除了直接满足和达到产品的基本功能外，还对改善和扩展产品功能起到直接作用。机构设计的合理与否也将影响到产品的操作性能、安全性能及使用寿命等方面。同时在机构功能设计过程中，设计人员不仅要考虑到技术因素，还要考虑到成本因素，把成本因素作为和技术要求同等重要的参数对机构设计方案进行评价，并及时修改方案，可以达到从源头进行机构成本控制的目标。 目前的机构功能设计方法较多，诸如基于广义力矢量图的功能结构生成方法，但其矢量图难以具体化，实用性较差，或者是基于功能矩阵变换的功能分解方法，但该矩阵变换算法盲目性较大，效率较低。此外，目前的机构功能设计方法并没有充分考虑成本因素对机构设计的影响。本专利技术旨在综合考虑机构所需功能的可能功能组合，有效地实现了降低成本的机构功能综合。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种，以实现通过设计来降低产品成本。 本专利技术所述问题是通过以下述技术方案实现的:1、定义运动状态模型功能通常可以表示一个系统输入和输出状态的转换关系从而达到满足用户需求的目的。而运动功能则可以被认为是输入运动状态和输出运动状态之间的转换，其中包括形式、方向、大小、稳定性、连续性、间歇性、往复性等多种运动特性。基本运动状态可用包含五种运动特征的矢量表示，具体如下:[运动形式，运动方向，稳定性，连续性，往复性]τ 运动特征几乎包含了所有机构元素的功能属性。特征含义和相关属性定义表示如下:(I)运动形式:根据机构输入和输出状态，运动形式可以分为转动(Rotat1n)、平动(Translat1n)和螺旋运动(Helix)三种形式,分别用R, T, H表示。 (2)运动方向:平动的方向可用笛卡尔坐标系中的±X轴，±￥轴或土Z轴表示，而对于转动和螺旋运动可用绕X轴，Y轴或Z轴的逆时针旋转方向表示。 (3)稳定性:平动、转动或螺旋运动的速度恒定不变则用I表示，否则为O。 (4)连续性:平动、转动或螺旋运动具有连续性则用I表示，否则为O。 (5)往复性:输入或输出运动状态是来回运动的则用I表示，否则为O。 2、定义基于功能表达模型的运动状态对模型如图1所示，运动功能可以表示为输入/输出运动状态的转换。一对输入/输出运动状态，则称之为运动状态对。运动状态对由输入运动状态和输出运动状态组成。根据运动状态的运动功能粒度，解决方案相应的会有不同的层次。 需要提及的是一种机构可能包含一些运动状态对的不同表达，同时，不同的机构可能拥有相同的表达形式。例如图2所示的曲柄滑块机构的功能可以表示为[R，+X，O, I, I]τ— [Τ，+Υ，1，0，0]τ。3、建立基于图论的、面向机构功能综合模型 3.1定义①节点:在图3所示的面向机构功能综合的、基于图论的单元表达模型中，节点Vi表示机构的运动状态。 ②有向边:有向边是从源节点(源运动状态节点Vi)指向目的节点(目的运动状态节点V」)。有向边被用于表明一个机构从某一源运动状态到目的运动状态的运动状态转换。 ③权重:从源节点到目的节点的有向边的具体权重Wi/被用于表示相应机构的成本。例如Wi/被用于表示从源节点(源运动状态节点Vi)到目的节点(目的运动状态节点的第η种机构方案的成本。由于有多种机构满足从源节点到目的节点的转换要求，所以对于有向边可能会有一些权重 Wlj11,定义为 Wij= (Wij1, Wij2, Wij3,...，WijnI ο 例如，某种机构功能为[Τ, +Ζ, O, O, 1]-> [R, +X，O, I, I],节点Vi表示源运动状态[τ, +Ζ, O, O, I],目的运动状态Vj则表示为[R，+Χ,Ο, I, I]。如果有向边相应的权重为120，那么意味着机构原型的成本为120元。由于完成两个动态元素节点的连接有多种解决方案，因此将可能有包含一些数据(Wij1, Wij2，…，Wijn)的边存在。 3.2运动状态空间建模为了实现机构功能综合，首先必须构建结合机构原型知识的运动状态空间。由于各个运动状态只包含有限个变量，如R，T, +X，O, I等，因此容易详细地列出所有可能的运动状态从而构建运动状态空间，具体如图4所示。然后通过赋予相应成本的有向边建立这些运动状态之间的联系。例如，从输入运动状态[R，+X，O, O, 1]7到输出运动状态[T，+Y，I, I, O]τ的有向边表示相对应的运动功能:[R, +X，O, O, 1]τ- [Τ, +Y，I, I, 0]τ。如果存在任何机构可以作为潜在的机构解决方案从而实现各个动态元素对的转换，在考虑成本权重的情况下，建立运动状态空间中的存在对应的两个节点的联系。由于在运动状态对的转换中可能存在许多潜在的机构解决方案，因此对于运动状态对可能存在包含一组成本Wu的有向边。例如知识工程师检查机构资源库中的所有机构，并且发现功能[R，+X，O, 0，1]τ — [Τ, +Y，I, I, O]τ能够通过一些机构原型完成，如曲柄滑块机构或者凸轮从动机构；然后他们连接相应的节点[R，+X，O, O, 1]τ和[Τ，+Y，I, I, 0]τ,并且在相应的运动状态对的有向边上添加Wij1和wu2。显而易见，运动状态空间将有利于后续的设计综合并且包含了明确的输入和输出运动状态。 当所需的功能被定义为输入和输出运动状态，获得解决方案的最简单方法是检查运动状态空间中的两个相对亦节点是否连接。如果节点连接，重新得到经功能索引的解决方案列表。但是经常存在从初始节点(输入运动状态)到所需节点(输出运动状态)两个对应节点间并未连接的情况，这意味着并不存在直接实现所需的功能的机构原型。对于这种情况，可以应用功能综合方法生成满足所需功能的可能功能组合。 4、基于运动状态对的K-低成本的机构功能综合算法 4.1定义G:加权有向图，也就是运动状态空间。 V:运动状态空间的节点集，V=Iv1, V2, V3,…，vn}。 E:运动状态空间的有向边集合。 Linitia1: G序列连接Ibpb2,...，bj，其中Id1是图中的一个节点。 Lexclude: H序列连接Ic1, C2,...，cH}，其中C1是图中的一个节点。 S:从Linitial开始并且排除Lexdude的原点O和终点d之间的非循环路径集 S<K>，<Subsetnumber>.包含第K种最短路径集的子集数的子集。 Scu:所有路径集合。 P(S):包含每个子集S的最短路径，它由连接{{Linitial}，ai，a2，...，a,}组成，其中％是图中的一个节点。 S1:从连接序列 Linitiali=HLinitialK alr a2,, a^}开始且排除连接Lexcludei= {{Lexclude} ; aj的原点ο和终点d之间的非循环路径集。 f:路径中不满足约束(f=0 Vfe {1,2，...，q})的第一条连接(如果存在)。 R:排除的路径集，L—严{仏—}; aj,其中％是图中的一个节点。 4.2基于运动状态对的K-本文档来自技高网...

【技术保护点】
考虑成本的机构功能综合设计方法，其特征是: 通过下述具体操作步骤实现的：（1）定义运动状态模型；（2）定义基于功能表达模型的运动状态对模型；（3）建立基于图论的面向机构功能综合模型；（4）利用基于运动状态对的K‑低成本的机构功能综合算法进行机构功能综合求解。

【技术特征摘要】
1.考虑成本的机构功能综合设计方法，其特征是:通过下述具体操作步骤实现的: (1)定义运动状态模型； (2)定义基于功能表达模型的运动状态对模型； (3)建立基于图论的面向机构功能综合模型； (4)利用基于运动状态对的K-低成本的机构功能综合算法进行机构功能综合求解。2.根据权利要求1所述的考虑成本的机构功能综合设计方法，其特征是:所述步骤(I)定义运动状态模型是:基本运动状态用五种运动特征的矢量表示如下: (1)运动形式:根据机构输入和输出状态，运动形式可以分为转动(Rotat1n)、平动(Translat1n)和螺旋运动(Helix)三种形式,分别用R, T, H表示； (2)运动方向:平动的方向可用笛卡尔坐标系中的±X轴，±￥轴或土Z轴表示，而对于转动和螺旋运动可用绕X轴，Y轴或Z轴的逆时针旋转方向表示； (3)稳定性:平动、转动或螺旋运动的速度恒定不变则用I表示，否则为O; (4)连续性:平动、转动或螺旋运动具有连续性则用I表示，否则为O; (5)往复性:输入或输出运动状态是来回运动的则用I表示，否则为O。3.根据权利要求1所述的考虑成本的机构功能综合设计方法，其特征是:所述步骤(2)定义基于功能表达模型的运动状态对模型是: 一对输入/输出运动状态称为运动状态对，运动状态对由输入运动状态和输出运动状态组成； 根据运动状态的运动功能粒度，解决方案相应的会有不同的层次； 需要提及的是一种机构可能包含一些运动状态对的不同表达，同时，不同的机构可能拥有相同的表达形式； 例如图2所示的曲柄滑块机构的功能可以表示为[R, +X，O, I, 1]τ — [T, +Y，I, O, 0]τ。4.根据权利要求1所述的考虑成本的机构功能综合设计方法，其特征是:所述步骤(3)中的建立基于图论的、面向机构功能综合模型: (3.1)定义 ①节点:在图3所示的面向机构功能综合的、基于图论的单元表达模型中，节点Vi表示机构的运动状态； ②有向边: 有向边是从源节点(源运动状态节点Vi)指向目的节点(目的运动状态节点Vj)； 有向边被用于表明一个机构从某一源运动状态到目的运动状态的运动状态转换； ③权重: 从源节点到目的节点的有向边的具体权重Wi/被用于表示相应机构的成本； 例如Wi/被用于表示从源节点(源运动状态节点Vi)到目的节点(目的运动状态节点Vj)的第η种机构方案的成本； 由于有多种机构满足从源节点到目的节点的转换要求，所以对于有向边可能会有一些权重 Wi/,定义为 Wij= (Wij1, Wij2, Wij3,...，WijnI ； 例如，某种机构功能为[Τ, +Ζ,Ο,Ο, 1]-> [R, +Χ,Ο, I, I],节点Vi表示源运动状态[Τ, +Ζ, O, 0，I]，目的运动状态Vj则表示为[R, +X，O, I, I]； 如果有向边相应的权重为120，那么意味着机构原型的成本为120元； 由于完成两个动态元素节点的连接有多种解决方案，因此将可能有包含一些数据(Wij1, Wi/,…，Wi/)的边存在; (3.2)运动状态空间建模 为了实现机构功能综合，首先必须构建结合机构原型知识的运动状态空间；由于各个运动状态只包含有限个变量，如R，T, +X，O, I等，因此容易详细地列出所有可能的运动状态从而构建运动状态空间，具体如图4所示； 然后通过赋予相应成本的有向边建立这些运动状态之间的联系； 例如，从输入运动状态[R，+X，O, O, 1^到输出运动状态[T，+Y，I, I, 0]τ的有向边表示相对应的运动功能:[R, +X，O, O, 1]τ- [Τ, +Y，I, 1，0]τ ; 如果存在任何机构可以作为潜在的机构解决方案从而实现各个动态元素对的转换，在考虑成本权重的情况下，建立运动状态空间中的存在对应的两个节点的联系； 由于在运动状态对的转换中可能存在许多潜在的机构解决方案，因此对于运动状态对可能存在包含一组成本Wij的有向边； 例如知识工程师检查机构资源库中的所有机构，并且发现功能[R，+X，0，0，1]τ — [τ, +Y，I...

【专利技术属性】
技术研发人员：何斌，黄山，张鹏昌，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31