含約束復雜機械系統空間布局及工業(yè)美學研究.pdf

1、產品快速創(chuàng)新設計及其自動化是未來企業(yè)在快速多變的市場中取得生存的關鍵。為此，本課題組提出了基于三維設計平臺的產品快速創(chuàng)新設計理論體系，并已基本完成了機械系統符號方案的自動生成、符號方案的自動識別、各種基本機構庫的建立等工作?；谇捌诠ぷ?，本文對快速創(chuàng)新設計理論體系的后續(xù)模塊，即與符號方案對應的含約束復雜機械系統自動化空間布局設計和自動化虛擬裝配設計進行了深入研究。此外對創(chuàng)新設計理論體系中的美學設計進行了研究，提出了一種產品外

2、形美學設計方法。主要內容如下:(1)本文給出了一種適合復雜機械系統的空間布局表達方法，該方法包括基本機構的連接關系表達和基本機構的空間位置表達。首先分析了基本機構的各種組合方式，提出了適合于機械系統空間布局的3種基本機構連接關系，并給出了對應的三種布局模型。根據基本機構輸入輸出軸的特點，建立了一種適合各種基本機構的長方體布局模型，實現基本機構空間位置描述。在此基礎上，研究了各種類型基本機構布局空間的確定方法，并編制程序實現了

3、布局參數的自動生成。(2)基于前期符號識別結果，研究了含約束的復雜機械系統自動化空間布局優(yōu)化算法。根據含約束復雜機械系統的特點，建立了適合于空間布局優(yōu)化的數學符號模型。采用自適應遺傳算法，將機械系統中各基本機構的布局干涉情況、連接關系以及輸入輸出軸方向和夾角約束等作為構造適應度函數的重要組成部分，利用十進制編碼中的整數編碼方法對各基本機構編碼生成初始種群，通過選擇、交叉、變異等操作，實現了復雜機械系統的空間布局優(yōu)化。(3

4、)采用面向對象技術及SolidWorks二次開發(fā)技術，基于“后臺預置”裝配方法，實現了對應上述符號方案布局優(yōu)化結果的復雜機械系統自動化虛擬裝配。通過讀取布局優(yōu)化模塊存儲的各基本機構相對布局系統全局坐標系的坐標變換矩陣，并依據基本機構布局模型的第一構件坐標系與基本機構三維實體模型坐標系的差異，對其坐標變換矩陣進行適當修正后，采用“后臺預置”裝配技術將組成復雜機械系統的各基本機構“預置”到特定的布局空間，從而實現三維虛擬樣機的自

5、動化生成。(4)提出了一種基于美學特征的參數化產品外形設計方法。該方法運用形態(tài)控制參數表達產品的形態(tài)要素，通過改變形態(tài)控制參數，實現形態(tài)要素的放大、縮小、變形及組合，從而可獲得不同外觀創(chuàng)意設計效果的產品外形。文中以工業(yè)縫紉機外形設計為例，基于UG平臺及其二次開發(fā)技術UG/OPEN API，實現了工業(yè)縫紉機的外形美學設計，證明了該方法的可行性。(5)提出了一種含外形容器約束的復雜機械系統自動化空間布局方法。該方法將布局容器區(qū)

6、分為凸面體和凹面體兩種類型。針對布局容器的凹凸性，給出了兩種不同的干涉檢驗方法。文中采用自適應遺傳算法實現復雜機械系統的空間布局優(yōu)化，初始種群可隨機產生也可通過人機交互方式產生，人機交互方式用來控制機構組合中起始機構在全局坐標系中的擺放位置及姿態(tài)，從而可盡快生成初始種群?；诓季謨?yōu)化結果，采用“后臺預置”裝配技術，實現對應機械系統在布局容器內的自動虛擬裝配。本文的主要特色及創(chuàng)新點如下:(1)將布局設計引入到基于三維設計平臺

7、的產品快速創(chuàng)新設計理論體系當中，并基于前期工作，實現了含約束復雜機械系統的自動化空間布局，從而使得由基本機構組成的復雜機械系統既可滿足產品的工業(yè)美學設計要求，又可滿足產品的壽命和可靠性要求。(2)完成了基于三維設計平臺快速創(chuàng)新設計理論體系中虛擬樣機的自動生成模塊。從而使得在三維虛擬樣機的層面上，從眾多的創(chuàng)成設計方案中快速遴選出最具有創(chuàng)新性的設計方案成為可能。(3)提出了基于美學特征的產品參數化外型設計方法。該方法將美學形態(tài)