公理化设计之实验体系设计

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1、公理化设计之实验体系设计第1章绪论1.1引言随着科技的发展，传统机械学与现代科学诸如计算机信息，电子学之间的交互越来越紧密。在这过程中，机构学获得了许多新的研究领域，同时，现代机构学的发展又反过来推动了机械设计，控制技术等学科的发展。另一方面，在科技和经济不断发展的当今社会，多样化，个性化的需求渐渐成为市场的主流，人们对机器提出了诸如系统化，柔性化等的要求。生产需求渐渐从一种机械完成单一任务向同时完成多种或者多组运动演变，而且有些情况下更是期望输出运动能够实时可调。动力方面，传统的机械系统驱动电机通常以恒定速度运转，通过齿轮，链条等传动机构的功率传递，获得单一输出运动。这类机械

2、系统的优点在于较高的承载能力，运行速度，成本低，比较适合高速大批量生产的任务，而其自身的不足在于缺乏柔性，对于变化着的需求和任务的适应性不够。如果从驱动件的可控性这个角度来说，传统机械装置可以称为实时不可控机械。那么，由伺服电机等实时可控电机来驱动的机械装置可称为实时可控机械。伺服马达既可以实现在线控制和离线编程[4]，又具有良好的可控性，能根据任务要求变化实现多种运动输出，因而由伺服电机作为驱动元件的系统能满足生产柔性化的要求。但是多个伺服电机的使用会导致设备成本的上升，驱动功率的增大[5]；同时，输出运动对伺服电机的加速特性的要求，导致其功率消耗增加，线圈处产生大量的热量。

3、可见，高负荷和高速度生产要求下并不适合用伺服电机。随着社会发展，生产者对机械系统提出了越来越奇刻的要求：既能高速高精度运转，又具有一定柔性且成本合适。将伺服机电系统和传统机械系统联合起来综合考虑，取长补短不失为一条捷径，从而混合驱动机构应运而生。通过伺服电机和常速电机分工，该闭环系统既能以高速，高精度甚至高负载运转，又具有一定柔性。系统中常速电机提供主要动力；伺服电机则承担较小的动力，调节输出轨迹，承担调节作用。..1.2研究现状综述为了确定混合驱动实验系统所要实现的功能，首先需要对混合驱动机构有较好的了解，熟悉相应的研究现状，其次对相应的实验系统进行回顾，对于不足之处进行改善

4、，以作为借鉴。混合驱动机构的概念最早由Tokuz提出，开创性的利用常速电机和伺服电机的组合来驱动一个曲柄-滑块机构在完整的系统模型和实验方案基础上，通过理论分析和实验验证，结果表明，在某些特定情况下，混合驱动机械系统对伺服电机的功率需求小于全用伺服电机驱动的。然而，他们的研究并未直接采用常速电机，而是以伺服电机代替。Greenough[2]以实现运动柔性输出时伺服电机所需的驱动功率最小为目标函数针对七杆混合机构柔性输出进行了优化设计。结果表明，与全伺服驱动系统相比，该混合系统中伺服电机的功耗降低了70%。但是，他们缺少对轨迹跟踪的考虑，也没有建立完整的动力学模型和考虑控制策略。

5、在Herman的研究中，差动轮系被用来作为驱动机构而带动凸轮机构实现变近，远休止时间的柔性输出运动[28]。其仿真显示，实现同一特定的输出运动规律时，与全伺服输入机构相比，混合机构中伺服电机峰值功率和转矩只是前者的1/20和1/10。Kato研究/一种混合传输机构，其中一个电机用来输送材料，另一个用于控制传输带的张力P.R.Ouyang[i]对很合驱动五杆机构的实验装置进行了研究。第2章设计基本理论2.1设计研究分层设计是人类的基本活动，经常也被看作是艺术活动，如陶器制作，绘画等。正是设计活动中体现的人的主观能动性，使得这一项基本活动在任何时刻都具有强大的魅力。随着社会的发展，

6、产品竞争加剧，设计理论与方法的需求不断上升，特别是到了20世纪60年代，对设计的研究得到了空前的关注，设计方法也变得越来越系统，种类也越来越多。正是这些研究，使设计由艺术转变为科学与艺术的结合，设计中科学的一面是设计者能更好地理解设计过程；艺术的一面是设计者的灵感及创造性的发挥。关于设计的大量研究集中三个层面：设计哲学，设计理论与方法及应用。三者相互有一定的界限，又相互影响。设计哲学从哲学的高度定义设计问题，设计目标及设计过程，更加着眼于心理学及认知层面。这一类在服装设计，建筑外形设计，雕刻等传统艺术领域有较大的体现。设计思维，设计能力，心理学基础等都是设计哲学的研究内容。设计

7、理论及方法依据设计哲学的研究结果，综合设计实践，通过建立设计过程模型及一系列抽象出来的，通用的知识库等来支持设计者有条理地达到设计目标。设计理论及方法在具体领域中又会衍生出各自庞大的知识体系，例如机械设计及理论中有限元分析，优化设计和反求工程等。..2.2设计过程模型设计是一个复杂的过程，设计过程模型是对真实设计过程的一种抽象，并能反过来知道实际的设计流程。设计起始于用户需求，终止于满足用户需求的产品详细描述。在这期间，设计是一个从抽象概念到具体描述变换的进化过程。在初级阶段，用户的需求不够