基于全拓扑信息的面向功能特性的机构广义综合理论研究

In concept design for product research and development, guiding mechanism is the first priority to achieve nonlinear movement preferred. Its available synthesis method, mainly based on Burmester's motion geometry, often falls into three major difficulties: 1)the limitation of structures to only linkage mechanisms, 2) the uncertainty of the mechanisms' functions and properties, and 3) to a large extent blindness in selection of synthesis parameters. This is exactly the greatest challenge currently in the field of mechanism: how to reveal and utilize the mapping rules between mechanism function properties and its dimensions. To solve this problem, this project, based on the earlier research, put forward the ideology of motion design for fuzzy guiding and geometry identifies transform, focusing research on mechanism function modules with full topology information, geometry identifier of fuzzy motion generation, and center projection transform of the function modules. The main purposes of this project are 1) establishing a new theory of universal mechanism synthesis, which can apply to approach any kinds of mechanism, 2) reaching high solvability and high reliability approaches to get an effective synthesis procedure, and 3) developing a practical synthesis tool to automatically generate mechanism modeling from conceptual design. Regarding the mechanism function modules as units and the function properties as the principal clues, this synthesis approach is quite straightforward. It is applicable to linkage and non-linkage mechanism, rigid and flexible mechanism, guaranteeing solution mechanism bear the desired function properties。

在产品研发的方案设计中导向机构是实现非线性运动的重要首选，常用的以Burmester理论为基础的导向机构的综合方法有三大难题：1)机构结构仅限于连杆机构、2)机构功能特性的不定性、3)综合参数选取时很大程度上的盲目性。这正是机构学目前面临的最大挑战：如何揭示和运用机构功能特性与尺寸之间的映射规律。为了解决这一难题，本项目在本课题组前期研究基础上提出模糊导向运动设计和几何标识变换的思想，重点研究全拓扑信息的机构功能模块、模糊导向运动的几何标识、功能模块的中心射影变换。拟1)建立可综合计算任意机构类型的新的机构广义综合理论；2)导出具有高度可解性和可靠性的求解算法，拟定出有效的综合方法；3)开发从概念设计到机构综合的自动建模的实用工具。整个综合计算以功能模块为单元，以功能特性为主线，保证求解机构具有预期的功能特性，算法直接简单，几何变换适用于综合计算连杆和非连杆机构、刚性和柔性机构等各种机构。

机构分析与综合是机构学的主要研究内容，尽管国内外学者已做过大量的工作，并取得了丰富的研究成果，但仍有许多设计问题未能完全解决。特别表现在以Burmester理论为基础的导向机构综合方法在机构结构类型限制和功能特性不定性这两个方面的缺陷，正是由于该类方法的核心是基于圆点和圆心点之间定长的原理，因而只适用于具有刚性构件的平面连杆机构，设计参数只是铰链的几何位置，无法反映机构特性的参数，因此综合结果只能反映机构的几何位置或尺寸大小，而无法预先控制机构的特性，不能确保满足整周转、运动顺序等运动特性的要求，导致综合求解的无效而需要迭代综合。. 为了解决这一难题，本项目提出了基于全拓扑信息的机构功能模块的广义综合方法。该方法以标准机构功能模块为基础，而功能模块源于大量机构研究的成果和各种成功的应用实例，综合计算时，以机构功能模块为可变几何模型，作为一个整体参加计算和变换，且各种类型的机构都可以被系统地处理为标准机构功能模块，如连杆和非连杆机构、刚性和柔性机构等，实现了“从功能特性到机构结构”的综合过程，而不是传统的“从机构结构到功能特性”的综合过程。项目主要研究内容为全拓扑信息的机构功能模块的建立，模糊导向运动的几何标识的提取以及功能模块的中心射影变换。首先建立起导向运动任务的参数化描述，根据给定的工艺过程或导向运动任务，在满足给定位置精度的前提下，对导向过程模糊化，进行模糊导向运动设计，提取几何标识特征参数；根据模糊化导向运动的特征和预期求解机构的传动特性，将运动任务几何标识与机构功能模块库的几何标识进行比较，预选出合适的机构功能模块，并确定基本尺寸型参数；根据预期的导向特性，建立几何标识的中心射影变换求解；通过功能模块的机构函数影响和模糊运动空间分配，对机构功能模块进行变换，实现对求解机构的几何定位，从而完成整个综合计算及过程，得到预期可行的求解机构。. 结合工程实际，本项目研究引入了模糊导向运动设计，为机构设计提供更大的选择范围和优化空间，提高了导向运动任务的可解性以及求解机构的实用性。含有全拓扑信息的机构功能模块可以由任意类型的机构构成，故综合方法适用于各种类型的机构，提高了普适性。后续研究将拓展该广义综合方法应用于柔性空间机构的运动综合。