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基于计算机智能识别的机构运动学与动态 静力学仿真软件的开发与拓展 林伟阳 游 玮 李东伟 翟仕伟 指导教师：陈明 摘 要：本文就“基于计算机智能识别平面机构运动分析与动力学软件中涉及的所有算法，数学模型及图形输入及识别思想做出了详细阐述。文章中详细给出了解决连杆机构、齿轮机构、凸轮机构及其组合机构的可视化输入和智能识别的方法；实现了运动学仿真，及完善了运动学路径和基于达朗贝尔原理的动态静力学路径自动求解算法，并开创性地基于吴文俊院士提出的数学机械化的思想，运用结识消元法给出了6R模块的运动学和动态静力学的成形计算方法，实现了6-R动态仿真。并就混合编程在CAE软件开发中的应用做出了有益的尝试，与阐述。 关键词：组合机构识别；运动学与动态静力学仿真；6-R杆组；数学机械化；解算路径识别 1. 绪论 1.1 课题研究的目的、意义 随着计算机普及，计算机在各学科领域中尤其在工程领域中的应用日益为世人所关注，CAD/CAM/CAE几乎已成为现代高技术在工程领域内应用的代名词，计算机构学作为一门有着一套完整理论体系的学科伴随着计算机性能的提高，其为人类的生产生活创造出了更多有用可行的机构方案，可以说古老的机构学又焕发出新的活力。 机构的运动分析和力分析是研究机构性能必要手段，无论在机构创新还是在合理使用现有的机构，正确快捷的分析都是十分重要的。传统单纯的矢量方程法，矩阵法在不同的机构需要单独编程，不容易建立通用软件，难以体现计算机辅助的优越性。 为此，我课题组拟建立一套适用性强，可充分满足实际工程中绝大多数机构仿真的解算算法，建立一个完整的解算系统，充分发挥计算机在现代工程领域中的应用。 此系统可在一个可视化的计算机平台上利用计算机对机构进行运动学和动态静力学仿真，省去了实物演示并进行数据采集的过程，从而有效降低了复杂机构的设计成本和缩短设计周期。 此软件除了为在工程上对机构方案创新设计提供支持外，在机械基础课程如机械原理的教学中可作为机械原理课程设计的CAI软件，而免去学生将大量的时间用于方案设计繁琐的计算中，利用现代化的手段提高学生的创造力和学习效率，具有很强的教学意义。 1.2 国内外研究现状分析 现在能实现复杂机构（包括高级杆组机器人运动机构）的运动学分析和动力静力学分析的软件中最成熟的要数美国Mechanical Inc.该公司研制的ADAMS(Automatic Dynamic of Analysis Mechanical System)软件。但其使用十分复杂，需要进行专业的使用培训，且使用授权价格昂贵，故在普通制造企业及高校很难普及。 并且其在核心算法上对于运动分析一般采用非线性方程组迭代求解，速度慢，需要构建多CPU工作站对仿真实体进行并行解算，特别是计算量随机构的复杂程度的提高而呈指数式上升，有时甚至不能收敛，造成系统不稳。 目前国内对机构分析仿真的研究有了一定的发展，但仍存在以下几点的不完善之处。 大多数工作只停留在概念的设想阶段，如指出可以用可视化的程序开发平台如Virtual Basic, Virtual C++构建机构仿真平台。或利用已有的机械设计平台如Autocad, Solidworks 进行二次开发，但大都没有成型、稳定、系统的软件问世。 2. 虽然有部分高等院校开发了机构分析软件，由于单纯的矢量方程法和矩阵法需要对各个不同的机构单独编程，故大多数的软件都采用机构函数模快的方法由人确定解算路径，然后按路径输入各种基本机构求解运动。缺乏计算机智能识别的过程，且大多数软件或函数包仅能分析一类机构（如只能进行连杆机构分析，缺乏对复杂组合机构的分析，或只能进行单纯的运动分析或力分析） 3. 目前我校在机械原理课程设计中所使用的较为成熟的计算机辅助系统是王知行，李瑰贤老师在93年开发的基于Quick Basic平台的函数包，使用者根据自己所设计的机构按解算顺序编制Basic程序，但由于受Quick Basic平台可视化，交互性的限制，用户不易排查程序或是机构本身错误，故对于对编程规则不太熟悉的用户来说，将会花大量的时间用于程序调试，用户使用起来并不不便。为此我校99级陈海永同学制作了交互式机构分析软件，但软件本身仅能对二级杆组和直齿齿轮机构进行运动分析，但该软件包缺乏合理的力分析解算模块和高级杆组的解算模块，因此应用范围受到局限。 2. 基本机构单元数学模型的建立 2.1 基本机构单元理论的概述 为使软件的解算模块适应于所有的各种复杂机构，由前人创立的基本杆组理论及拓扑学理论得到启发，我们将实际的复杂机构系统进行分解，归类成若干机构单元，分别建立数学模型，编制解算程序，并利用数学机械化及拓扑理论建立解算路经识别程序，建立各单元间的联系，做到复杂机构的“先分后合”。 我们将平面组合机构分为4大类基本结构单元，分别为：连杆类基本结构单元、齿轮基本结构单元、凸轮类基本结构单元、焊接类基本结构单元。 连杆机构基本结构单元一共分为7种，如图2-1所示：其中单构件结构单元2种，分别为Crank，TPL。双构件有5种，分别为RRR、RRP、RPR、RPP、PRP。 ………………………………省略部分为vip用户观看……………………………… 6. 结语 最有将本课题所研究的成果总结如下： 该软件在 Windows操作系统下，具有友好的交互性机构输入界面，可实现连杆机构（包括二级杆组和三级杆组）、凸轮机构、齿轮机构及其组合机构的运动学分析和动态静力学分析，最终做到仿真结果动态可视化输出。 这套软件开发在国内可以说是领先水平的，其相关算法的提出是计算机构学领域的一个突破。具有很强的教学和科研价值。目前本软件的著作权正在申请中。 在这软件的所涉及的算法中主要体现出了以下几个创新点： 1．提出了三级杆组（6-R）的解析法运动分析算法，实现了典型三级杆组的运动仿真和动态静力学仿真，为三级杆组的设计、分析和实际工程应用奠定了坚实的理论基础和研究工具（软件）。 2．提出了组合机构的识别算法，并顺利的应用与软件之中，完成了对组合机构的有效识别。 3． 对组合机构动态静力学分析中的复合铰链及解算路径的问题给出了完整的理论与方法，并在软件中实现，这也是以往同类软件或函数包所没有的。 7. 参考文献 [1] 王知行，李瑰贤，机械原理电算程序设计[ M ]，哈尔滨工业大学出版社, 1993 [2] 孟彩芳，机械原理电算分析与设计[ M ]，天津大学出版社，2000 [3] 张纪元，沈守范，计算机构学[ M ]，国防工业出版社，1996 [4] 吴文俊，数学机械化[ M ]，科学出版社，2003 [5] 何青，计算代数[ M ]，北京师范大学出版社，1997 [6] 王东明，消去法及其应用[ M ]，科技出版社，2002 [7] [美]Bill Locke，Visual C++ 程序设计——VB程序员指南[ M ]机械工业出版社，2002 [8] [美]Evangelos Petroutsos著，邱仲潘等译，Visual Basic 6从入门到精通，电子工业出版社，1999 [9] 梁崇高，阮平生，连杆机构的计算机辅助设计[ M ]，机械工业出版社，1987，13-15 [10] Anupam. Saxena, G.K. Ananthasuresh. A computational approach to the number of synthesis of linkages. Journal of Mechanical Design, Transactions of the ASME. [11] 褚金奎,严天宏，曹惟庆，齿轮连杆机构的通用运动分析算法及程序设计，西安理工大学学报，1999,15(3):13-18 [12] 吕传毅，曹惟庆，齿轮－连杆机构运动分析广义型转化法的基本理论，机械科学与技术．1995年6月 [13] 汤庸，结构化与面向对象软件方法[ M ]，科学出版社，1998 [14] 陈晓华，臧莉等，平底摆动从动件盘状凸轮机构解析法与CAD，吉林工业大学学报．1995, 25(3):80-85 [15] 吴玉光，摆动滚子从动件盘状凸轮机构基本尺寸的精确求解方法，机械设计 1996,5:14-17 [16] 曹惟庆，平面连杆机构分析与综合，科学出版社，1989:46-56 [17] 鲁墨武，张俸禄，用转化机构法作高级别平面连杆机构的运动分析，机械设计.1995，2：8-14 [18] 钮国辉，廖汉元，平面Ⅲ级机构运动分析的降级法和泰勒级数逼近法，武汉钢铁学院学报，1994,17（4）： 422-429 [19] 张纪元，陈守范，多项式整除与结式消元，南京理工大学学报，1994,2
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