淮 妮，金 瑩，張小粉

(咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)已經(jīng)在傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)性創(chuàng)新的基礎(chǔ)上逐步轉(zhuǎn)向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)。而機(jī)構(gòu)是機(jī)械產(chǎn)品的骨架，機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)是機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)輔助機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)可以幫助機(jī)械設(shè)計(jì)人員快速地完成設(shè)計(jì)任務(wù)，并通過可視化顯示，直觀地分析機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案[1]。另外，建立一個(gè)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室需50萬元以上的資金，對(duì)于多數(shù)高職院校比較困難，而虛擬機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)其功能與物理實(shí)驗(yàn)室一樣，卻只需幾千元資金。因此，研究虛擬機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，首先可以豐富高職院?！皺C(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程的實(shí)驗(yàn)資源，提高學(xué)生的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力；其次，方便企業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)人員整體、全面地分析機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方案，從而進(jìn)一步提高機(jī)構(gòu)創(chuàng)新的水平。

1 計(jì)算機(jī)編碼表示法

計(jì)算機(jī)輔助機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)是為機(jī)構(gòu)知識(shí)尋找計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)學(xué)模型[2]。計(jì)算機(jī)編碼方法是通過對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)行為、機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換功能屬性建立一套關(guān)鍵字定義規(guī)則，然后對(duì)其主關(guān)鍵字進(jìn)行計(jì)算機(jī)編碼，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)特征的形式化表達(dá)。

1.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行為四位編碼

機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)行為一般指運(yùn)動(dòng)類型、運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性、運(yùn)動(dòng)速率、運(yùn)動(dòng)方向4項(xiàng)基本特性。對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行為可以用四位編碼來表示(位次與相應(yīng)運(yùn)動(dòng)屬性必須對(duì)應(yīng))，見表1。

表1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行為的四位編碼

1.2 基本機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換功能屬性編碼

運(yùn)動(dòng)行為既可以是輸入運(yùn)動(dòng)，也可以是輸出運(yùn)動(dòng)，由輸入和輸出運(yùn)動(dòng)行為組成了基本機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換功能屬性，因此對(duì)輸入和輸出運(yùn)動(dòng)行為的四位編碼就是對(duì)基本機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換功能屬性的表達(dá)，見表2(四位編碼位次必須和表1一致，不可打亂)。

2 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)軟件是通過輸入程式化的任務(wù)需求，對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行搜索匹配，得到符合要求的機(jī)構(gòu)解并可視化演示，虛擬平臺(tái)軟件系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示[3]。

表2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換功能屬性編碼

圖1 虛擬平臺(tái)軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖

各結(jié)構(gòu)模塊承擔(dān)的任務(wù)分別為：1) 輸入設(shè)計(jì)需求，輸入給定設(shè)計(jì)任務(wù)的程式化符號(hào)；2) 機(jī)構(gòu)功能知識(shí)模塊，即建立的機(jī)構(gòu)功能知識(shí)數(shù)據(jù)庫，供系統(tǒng)搜索匹配四位編碼；3) 機(jī)構(gòu)三維模型模塊，即建立的機(jī)構(gòu)三維模型庫，供系統(tǒng)可視化顯示；4)機(jī)構(gòu)解的映射方法，即搜索和匹配機(jī)構(gòu)功能知識(shí)數(shù)據(jù)庫的規(guī)則，通過此規(guī)則可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)功能到機(jī)構(gòu)解的映射；5) 輸出機(jī)構(gòu)方案，將滿足需求的機(jī)構(gòu)方案以文字和可視化方式輸出。

3 數(shù)據(jù)庫的建立

根據(jù)設(shè)計(jì)需求得到相應(yīng)的機(jī)構(gòu)解的過程實(shí)際是對(duì)數(shù)據(jù)庫搜索和匹配的過程，因此需要建立相應(yīng)的機(jī)構(gòu)知識(shí)數(shù)據(jù)庫[4-5]。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，需要建立兩個(gè)數(shù)據(jù)庫:1)機(jī)構(gòu)知識(shí)數(shù)據(jù)庫，包括兩個(gè)表。①基本機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行為表，具體包括4個(gè)字段，即運(yùn)動(dòng)的類型、連續(xù)性、速率性、往復(fù)性；②機(jī)構(gòu)功能屬性表，具體包括12個(gè)字段，即機(jī)構(gòu)序號(hào)、機(jī)構(gòu)模塊名稱、輸入屬性四位編碼、輸入屬性1～4、輸出屬性四位編碼、輸出屬性1～4。該數(shù)據(jù)庫建立了常見基本機(jī)構(gòu)的功能信息。2)機(jī)構(gòu)三維模型庫，具體包括3個(gè)字段，即機(jī)構(gòu)序號(hào)、機(jī)構(gòu)模塊名稱、三維模型存儲(chǔ)地址，該數(shù)據(jù)庫建立了常見基本機(jī)構(gòu)的三維模型。

4 機(jī)構(gòu)解的映射方法

根據(jù)以上創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫，只需要建立一套對(duì)數(shù)據(jù)庫搜索、匹配的方法，則可實(shí)現(xiàn)從機(jī)構(gòu)功能到機(jī)構(gòu)解的映射[6-7]。具體方法如下。

4.1 直接匹配

例如，要實(shí)現(xiàn)“單向勻速連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)→單向勻速連續(xù)移動(dòng)”的運(yùn)動(dòng)功能轉(zhuǎn)換，可直接搜索相應(yīng)的輸入編碼1111、輸出編碼2111，得到的部分單一機(jī)構(gòu)解見表3。

表3 1111→2111運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換部分單一機(jī)構(gòu)解

4.2 拆分匹配

例如，要實(shí)現(xiàn)“單向勻速連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)→往復(fù)間歇移動(dòng)”的運(yùn)動(dòng)功能轉(zhuǎn)換，搜索相應(yīng)的輸入/輸出四位編碼為“1111→2222”，沒有得到相應(yīng)的單一機(jī)構(gòu)解，則需要進(jìn)行拆分匹配。首先搜索輸入為1111的基本機(jī)構(gòu)，得到的部分機(jī)構(gòu)解見表4。其次搜索輸出為2222的基本機(jī)構(gòu)，得到的部分機(jī)構(gòu)解見表5。最后將表4輸出編碼和表5的輸入編碼進(jìn)行對(duì)照，查看是否存在相同的編碼，有則表示有解。如表4與表5可得到“1111→1222+1222→2222”和“1111→2112+2112→2222”兩組解，即將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的輸出端與凸輪滑塊擺桿機(jī)構(gòu)的輸入端進(jìn)行串聯(lián)組合成新的機(jī)構(gòu)，將凸輪擺桿機(jī)構(gòu)的輸出端與擺桿滑塊機(jī)構(gòu)的輸入端進(jìn)行串聯(lián)組合成新的機(jī)構(gòu)。

表4 輸入為1111的部分機(jī)構(gòu)解

表5 輸出為2222的部分機(jī)構(gòu)解

5 應(yīng)用實(shí)例

本文以.NET 為工具開發(fā)了虛擬機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)軟件[8]。以某一任務(wù)需求為例操作系統(tǒng)軟件。

任務(wù)需求：設(shè)計(jì)一個(gè)薄膜包裝設(shè)備的機(jī)械臂。電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，通過一些機(jī)械傳動(dòng)裝置后,使機(jī)械臂做非勻速的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng),無其他特殊要求。第一級(jí)動(dòng)力傳遞用萬向連軸器,要設(shè)計(jì)的部分是連軸器到機(jī)械臂的機(jī)械裝置,設(shè)計(jì)任務(wù)經(jīng)抽象化后為:將“連續(xù)單向的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)”轉(zhuǎn)換為“連續(xù)雙向的非勻速移動(dòng)”。

具體過程如下:

1)分析任務(wù)需求。運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為“連續(xù)、單向、勻速轉(zhuǎn)動(dòng)→連續(xù)、雙向、非勻速移動(dòng)”，四位編碼為“1111→2122”；2)運(yùn)行系統(tǒng)軟件，選擇輸入形式1111、輸出形式2122；3)點(diǎn)擊 “單一機(jī)構(gòu)”按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)搜索機(jī)構(gòu)知識(shí)數(shù)據(jù)庫，直接匹配對(duì)應(yīng)的輸入輸出編碼，得到的單一機(jī)構(gòu)解如圖2所示，若選中曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，再點(diǎn)擊“立體模型”按鈕，則系統(tǒng)自動(dòng)搜索機(jī)構(gòu)三維模型庫，即可直接打開曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的三維模型，如圖3所示；4) 點(diǎn)擊 “組合機(jī)構(gòu)”按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)搜索機(jī)構(gòu)知識(shí)數(shù)據(jù)庫，拆分匹配對(duì)應(yīng)的輸入和輸出編碼，得到的組合機(jī)構(gòu)解如圖4所示，若選中齒輪曲柄滑塊串聯(lián)組合機(jī)構(gòu)，再點(diǎn)擊“立體模型”按鈕，則系統(tǒng)分別搜索齒輪機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的三維模型，并利用三維軟件的自動(dòng)裝配功能將得到的單一機(jī)構(gòu)三維模型進(jìn)行虛擬裝配，即可看到齒輪曲柄滑塊串聯(lián)組合機(jī)構(gòu)的三維模型，如圖5所示。

圖2 單一機(jī)構(gòu)解

按照以上設(shè)計(jì)需求操作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)軟件后，得到的機(jī)構(gòu)解共有5個(gè)，其中2個(gè)單一機(jī)構(gòu)、3個(gè)串聯(lián)組合創(chuàng)新機(jī)構(gòu)。后期使用過程中，學(xué)生可通過旋轉(zhuǎn)三維模型，直觀地了解每個(gè)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)人員，可對(duì)5個(gè)機(jī)構(gòu)直觀地進(jìn)行分析對(duì)比，擇優(yōu)選用。

圖3 單一機(jī)構(gòu)三維模型

圖4 組合機(jī)構(gòu)解

圖5 組合機(jī)構(gòu)三維模型

6 結(jié)束語

本文用計(jì)算機(jī)編碼的方法建立了機(jī)構(gòu)知識(shí)數(shù)學(xué)模型，提出了一種拆分后搜索匹配的機(jī)構(gòu)功能到機(jī)構(gòu)解的映射方法，以.NET為工具開發(fā)了系統(tǒng)軟件，并按照一定的設(shè)計(jì)需求，實(shí)際操作軟件系統(tǒng)后得到3個(gè)組合創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，成功驗(yàn)證了虛擬機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的可行性。但是該系統(tǒng)只分析了串聯(lián)組合機(jī)構(gòu)，沒有對(duì)并聯(lián)、疊加等復(fù)雜機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，只實(shí)現(xiàn)了虛擬機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的初級(jí)階段，后續(xù)需不斷完善，使其能得到更豐富的機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。