基于因果行为模型的机械运动系统方案求解

第13卷第11期计算机集成制造系统Vol.13No.112007年11月ComputerIntegratedManufacturingSystemsNov.2007

文章编号:1006-5911(2007)11-2086-06

收稿日期:2006-09-28;修订日期:2007-04-28。Received28Sep.2006;accepted28Apr.2007.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50575026);辽宁省教育厅科学技术研究资助项目(20060072)。Foundationitem:ProjectsupportedbytheNationalNaturalScienceFoundation,China(No.50575026),andtheScience&TechnologyResearchFoundationofLiaoningProvincialEducationDepartment,China(No.20060072).作者简介:张建明(1973-),男,山西文水人,大连大学先进设计技术中心讲师,主要从事数字化设计的研究。E-mail:zjm_james@hotmail.com。

基于因果行为模型的机械运动系统方案求解张建明1,王建维2,魏小鹏1(1.大连大学先进设计技术中心,辽宁 大连 116622;2.大连理工大学机械工程学院,辽宁 大连 116024)

摘 要:从机械运动系统的多能复合特征出发,提出了基于因果行为模型的方案求解方法。采用键合图建模运动行为语义,提取了输入输出的能量类型、变化与约束特征。通过有向图联结基本行为,建立因果行为模型来描述系统的复杂行为。建立了相应的方案求解过程模型,其中方案创新主要通过正向推理组合基本元件,方案变型则通过在约束下扩展行为模板实现。最后,以工业高速平头锁眼机运动方案为例,验证了该方案的可行性。关键词:运动方案设计;因果行为模型;有向图;键合图中图分类号:TH122 文献标识码:A

ConceptsolvingofmechanicalmotionsystembasedoncausalbehavioralmodelZHANGJian-ming1,WANGJian-wei2,WEIXiao-peng1(1.AdvancedDesignTechnologyCenter,DalianUniversity,Dalian116622,China;2.SchoolofMechanicalEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)Abstract:Fromtheperspectiveofthecouplingcharacteristicsofmult-ienergyflows,acausa-lbehaviora-lmode-lbasedapproachforthemotionalschemesolvingofmechanicalsystemwaspresented.Thebehaviorwasmodeledwithbondgraphs,andthefeaturesofmotiontype,changeandconstraintofinputandoutputportswereextracted.Bylinkingthebasicbehaviorswithdirectedgraph,thecausalbehavioralmodelwasconstructedtodescribethesys-tem'scomplexbehavior.Solvingprocessmodelformotionalschemedesignwasalsoestablished,whichincludedcre-ativeandvariantsolving.Theformerwasimplementedbycombiningthebasicelementswithpositivereasoning,andthelatterbyextendingthebehavioraltemplatewithconstraints.Finally,adesigncaseofhigh-speedlockstitchstraightbuttonholingsewingmachinewasgiventodemonstratethefeasibilityoftheproposedapproach.Keywords:motionconceptdesign;casualbehavioralmodel;directedgraph;bondgraph

0 引言运动方案求解是机械系统概念设计的核心任务,也是计算机辅助设计较为薄弱的环节,国内外学者已对此进行了研究。文献[1]基于输入输出的运动类型和约束关系,建立了机械系统的行为模型,并通过多阶段的约束优化实现运动方案求解。文献[2]基于运动变换矩阵和操作矢量,定义了基本运动单元,通过矩阵分解实现产品运动方案的求解。文献[3]采用输入输出特征描述运动关系,通过包含已知解的递归问题定义来实现运动方案设计。文献[4]基于功能)行为)载体求解空间,建立了多层混合映射的运动方案求解过程模型。概念设计过程可以定制为变型设计和创新设计两种[5]。其中,变型设计是在原有方案的基础上进行改进,创新设计则基于设计要求生成新的方案。第11期张建明等:基于因果行为模型的机械运动系统方案求解方案求解是功能驱动的。功能代表技术系统的输入和输出,以完成任务为目的的总的相互关系。通常,技术系统服务于一种技术过程,传输或改变着能量、物料和信号[6]。机械运动系统是机、电、液多能量流复合的技术系统,工作过程中主要实现能量的传递和转换。为此,本文从机械运动系统的能量复合特征出发,通过有效建模其行为特性,提出了基于因果行为模型的运动方案求解方法,以丰富机械运动方案的求解途径。

1 行为建模111 行为特征机械系统通过基本元件的协同作用实现其运动功能。在系统工作过程中,元件或消耗能量或存储能量,或者将一种能量转换为另一种能量。在工作过程中,元件具有动态的行为特征,从能量角度可建立其行为黑箱模型,如图1所示。

在工作过程中,元件通过输入输出接口实现相互之间的联结,其接口具有如下特征:(1)能量类型特征接口类型反映出接口处能量的属性。在键合图方法中,输入输出接口的物理状态可用势、流、势积和流积四种变量描述[7]。通常,元件接口属于特定的能量类型,包括机械平移、机械转动、液、电四种,对应着具体的物理变量。其中,势积和流积分别是势和流的积分表示。例如元件接口为机械平移类型,其状态可由对应的势和流,即力与速度描述。(2)动态变化特征在工作过程中,元件的输入和输出往往是动态变化的,表现在状态变量的大小与方向的变化上。本文采用分段轨迹法[8]建模,以描述这种动态变化特性。考虑一个工作周期,接口的状态变量可能是动态的,如曲柄滑块和凸轮顶杆,输出位移的正反向变化。依据状态变量的变化形式与轨迹形状,可将工作周期t离散为n个时间区段。在每一区段中,对应的变量变化轨迹可由特定的时间函数来描述。表1列出了常见的六类时间函数,其中y表示变量,t表示时间,m1,m2和c为常系数。表1 时间函数序号时间函数1y=c,cX02y=m1#t+c,m1X03y=m1#sint+c,m1X04y=m1#logt+c,m1X05y=m1#exp(t)+c,m1X06y=m1#t2+m2#t+c,m1X0 时间函数反映出状态变量在各区段的大小变化。如图2所示,轨迹1和轨迹2均可由正弦类时间函数描述,它们的函数类型相同。不同的是,轨迹1的变量大小随时间改变而方向不变,轨迹2的变量大小和方向均随时间变化。实际上,这两条轨迹描述了两种变化,如振动压力脉冲和滑块往复运动。尽管依据时间函数中的系数能将这两条轨迹区分开,但却无法区分轨迹3和轨迹4。因此,还需要对状态变量的方向变化加以标识。因为时间为正,变量的变化轨迹处于一、四象限中,其中第一象限表示正向,第四象限表示反向。所以,可以采用不同的符号标识出轨迹所处的位置,以反映其方向变化,如表2所示。表2 方向变化的符号标识符号变化方向所处象限0正反往复一、四象限1正向第一象限2反向第四象限 在方案求解中,对于元件的动态输入和输出,无需给出具体的时间函数关系式,只需确定一个工作周期内函数的类型与方向变化即可,并表示为二元组的形式:(函数序号,方向变化)。图3所示为直动推杆抛物线型盘形凸轮机构的推杆输出速度变化轨迹,可分为推程(0,t1)和回程(t1,t2)两个区段,若推程方向为正向,相应的动态变化可表示为(2,1)和(2,2)。(3)约束特征输入输出的约束包括空间约束、性能约束和关

2087计算机集成制造系统第13卷系约束。空间约束反映输入输出在空间位置方面的约束特征,由空间坐标X,Y和Z轴确定。通常,元件输入输出满足一定的空间约束关系,如平行和垂直。以锥齿轮传动副为例,其输入输出满足垂直关系,因此当其输入为X轴向时,输出确定为Y轴向或Z轴向。性能约束反映输入输出在性能方面的约束特征,是对元件性能的一种定性描述。如凸轮机构运行轨迹理想、力学性能差、适用低速;齿轮齿条机构运行平稳、适用低速等。将性能约束与元件之间的关系用产生式规则表示,可形成规则库。关系约束反映输入输出在大小方面的约束特征,表示为变量的函数关系式。例如,直齿轮传动机构的关系约束为其速比,其关系约束为XI/XO=[5,8],表示输入和输出速比减少5~8。112 因果行为模型在系统工作过程中,能量通过接口从一个元件流入另一元件中,通过能量的交互实现动作原理,这种元件之间的能量依附关系可称为因果关系。当两个元件互联时,它们之间的物理效应必须相容,要求二者的联结接口不仅能量类型相同,且动态变化也要一致。本文采用有向图描述元件之间的能量交互,用形成的因果行为关系来表示系统的复杂行为。图4为基于有向图建立的因果行为模型,其中节点表示元件行为,边表示联结关系,方向表示能量的流向,I1表示系统的输入,O1和O2表示系统输出。据此可辨识出系统中不同类型的能量行为,如B4存储能量,B6消耗能量,B1~B3,B5,B7~B9转换能量。

2 方案创新过程模型设计方案的创新求解基于设计要求,通过正向推理生成系统行为,进而组合基本元件来实现,求解

流程如图5所示,包括三个基本步骤。211 功能分解技术系统通常包含多个输入和输出,直接进行求解比较困难,因而需要进行功能分解,形成以单输入单输出的分功能为节点的功能结构,如图6所示。

212 行为子图的生成若将输入和输出要求作为因果行为图中的两条边,则功能求解为一路径规划问题。在设计开始时,输入和输出之间是非连通的。本文采用正向推理策略,扩展生成有向图实现其连通:基于输入特征,从行为库中获取满足输入要求和附加约束的行为单元,获得其对应输出,实现行为子图的第一层扩展;比较单元输出和系统的输出要求,若二者一致则进行标识,否则将该输出重新作为输入,进行下一层扩展。如此类推,最终可生成行为子图,获得连通输入输出要求的多条路径。在扩展过程中,若不对子图