空间机构（共10篇）
空间机构 篇1
0 引言
空间对接机构是实现载人航天器空间交会对接,以及开展在轨服务的关键系统[1,2,3],其中周边式对接机构捕获锁具有实现两航天器间捕捉和释放的功能[4,5]。型号产品研制过程中,对捕获锁上的锁舌弹簧机构有如下要求:对接捕获阶段,要求锁舌能够在卡板器较小的作用力下就压入,并快速弹出完成对卡板器的捕获;对接拉紧阶段,捕获锁能够可靠自锁并承受数千牛的拉力;对接分离阶段,捕获锁解锁后,要求对卡板器仅有数牛的脱离阻力。就空间对接而言,完成捕获是实现对接的先决条件,因此装配在对接机构对接环上的三套捕获锁的性能至关重要。前期经过多轮仿真参数试凑、摸索试验,不断修配锁舌滑槽形状,调整锁舌弹簧机构扭簧和拉簧参数,所设计的捕获锁单个锁舌压入力达34N。为减小捕获锁锁舌压入力,避免由于捕获力过大而无法快速捕获,并使得空间两飞行器碰撞弹开而导致空间对接失败,就需要对捕获锁开展优化设计工作,从而提高空间对接捕获一次成功率。
1 优化设计数学建模
为满足上述空间对接捕获各项要求,采用图1所示的捕获锁结构[6]:锁舌位于捕获锁中部,其受卡板器垂直向下压力,运动轨迹由拉簧、扭簧和卡板器外力综合决定;与此同时,在卡板器下压到底后,由拉簧和扭簧形成的组合弹簧机构提供锁舌自动回弹动力。设计销轴和锁舌等参数,使得处于图1所示位置时,锁舌在销轴约束下处于自锁锁紧状态;在解锁工况时,通过转动手动解锁手柄破坏偏心轴自锁条件,或由电动解锁机构驱动销轴使锁舌脱离自锁位置,卡板器就可以克服拉簧和扭簧较小的阻力而脱离捕获锁锁舌的锁定状态。
1.扭簧2.摆杆3.锁舌4.拉簧5.销轴6.卡板器7.偏心轴8.手动解锁手柄9.电动解锁机构
捕获锁功能在于实现自动捕获和自锁锁紧。锁舌除两弹簧外无约束的运动可以减小锁舌自动捕获时的压入力,从而使其达到最大的灵活性。因此,建立的数学模型以拉簧的刚度kL、原长l0和扭簧的刚度kN、初始扭矩M04个参数为优化设计对象。预期目标为:确保捕获锁的自动捕获和自锁锁紧功能,并使锁舌在除两弹簧外无其他约束的情况下,具有最大的运动灵活性,反映在测量指标上就是锁舌压入力的值最小。
基于以上想法,首先建立关于锁舌压入力的方程,并将此方程作为目标函数;其次由初始和最终力学平衡关系建立两个约束方程;之后以锁舌回弹时间限制所确定的方程为第三个约束方程。按照文献[7?9]方法建立以上数学模型,其中采用分析力学建立的第三个约束方程为非线性微分方程组,为实现快速求解,故采取简化措施,以建立符合工程精度要求的快速可解模型。
1.1 末位置平衡态目标函数的建立
根据锁舌受到卡板器作用力后运动的连续性,以及现有试验数据曲线的直观显示,可以假定锁舌与卡板器相分离、回弹前的那一片刻获得最大的锁舌压入力(该假设由后续的仿真加以初步验证,如果仿真情况与此不符,再进行该目标函数的修改)。根据这一时刻的力学平衡关系,建立压入力目标函数和约束方程。对应锁舌、连杆的受力分析如图2所示。
图2中,坐标原点O为摆杆旋转轴中心,A为锁舌滚轮中心点,B为锁舌与摆杆连接点,C为锁舌与拉簧连接点,D为拉簧与捕获锁基体连接点,图中锁舌处于自锁位置时与销的接触点E未标识。
假设摆杆OB与x轴正向夹角为θ,且如图2所示逆时针方向为正;锁舌简化边线BC与y轴正向的夹角为α,同理假定逆时针方向为正;拉簧DC与x轴正向夹角为β,同理假定逆时针方向为正。
本文中,以l0代表拉簧原长,以θ0代表扭簧不产生扭矩时相对标定零度的转角,以M0代表扭簧预紧扭矩;此外以下标“1”表示初始状态量,以下标“2”表示末状态量。以下捕获锁的基本设计参数为已确定的设计定值:摆杆OB长lOB、锁舌上BC长lBC、AB长lAB、D点坐标(xD,yD)、θ1、α1。
按照基本几何学和力学分析可得:
B点坐标(xB、yB)为
C点坐标(xC、yC)为
A点坐标(xA、yA)为
扭簧力矩为
拉簧力为
拉簧长度为
拉簧力F′ 与x轴的夹角为
拉簧力F′ 对于B点力矩长为
拉簧力F′ 对于O点力矩为
外力F对于B点力矩长为
外力F对于O点力矩为
对B点建立力矩平衡式为
即
对O点建立力矩平衡式为
将以上分析求得量代入相对B点建立的力矩平衡式(1),整理求得
将末位置时的参数θ2、α2、β2及A、C点末坐标代入式(3),并令:
从而得到由末位置确定的目标函数:
1.2 保持末位置平衡约束方程的建立
受力分析及各参量定义、确定与建立末位置平衡态目标函数时相同。
将所求得的各个分析量代入相对O点建立的力矩平衡式(2),整理求得
将末位置时的参数θ2、α2、β2及A、C点末坐标代入式(5),并令:
由此得
显然,末位置平衡态时,通过相对B点建立力矩平衡式和相对O点建立的力矩平衡式所求得的力大小应该相等,所以由式(6)和式(4)得到一个力平衡约束方程:
1.3 保持初始位置平衡约束方程的建立
在地面试验时,因为有重力的影响,要求拉簧和扭簧具有一定的初始拉力和扭矩,否则可能会出现锁舌自然下摆一定角度而无法定位在所要求的初始位置的情况。当然,在空间失重条件下,这一个约束条件并不存在。因此,当加入此约束不会较大影响锁舌压入力这一个关键指标时,为方便重力环境下试验则接受该约束;反之,将酌情考虑是否加入该约束。考虑重力环境下初始平衡状态结构图见图3。图3中:m1为摆杆质量,r1为摆杆重心到O点距离,m2为锁舌质量,r2为锁舌重心到过B点铅垂线的距离。
要防止锁舌和摆杆重力条件下的自然下摆,只需要拉簧力F′和扭簧M对O点产生的力矩大于重力产生的力矩即可;当有超过时,锁舌受到下端E处销子的作用力而平衡。
由以上分析结合1.1节分析所得已知量,拉簧力F′ 和扭簧M对O点产生的力矩为
重力对O点产生的力矩为
由M′-M″ >0得到第二个约束方程如下:
令:
由此得到第二个约束方程:
1.4 锁舌回弹时间约束方程的建立
显而易见,捕获锁捕获运动构件构成了一个二自由度系统,要求得其受到两根弹簧作用力时的准确运动轨迹并最终求得回弹至自锁位置时的时间,可以采用最为基本的分析力学方法。锁舌受力分析如图4所示。图4中,r3为锁舌重心O2与B点距离,φ为BO2与铅垂线方向夹角,J1为摆杆对O点转动惯量,J2为锁舌对B点转动惯量。
系统动能为
系统势能(在此仅考虑空间失重情况)为
由以上得拉格朗日函数:
拉簧主动力F′(θ,φ)与扭簧主动力矩M(θ)对此系统的虚功δW为
为简化工程设计,鉴于实际拉簧与水平夹角β变化很小这一现实情况,在本文中假设其只提供水平方向拉力。
由此得到广义力如下:
将以上各方程代入拉格朗日方程:
计算化简得
式(18)即为该系统动力学方程,对其求解后理论上可以得到各个时刻位置对应的相关量,前后运动时间也可以对其进行积分运算而得到。然而,由于式(18)是颇为复杂的非线性微分方程组,实际求解较为困难,考虑到计算效率以及实际工程计算精度需求等各方面因素,提出如下近似回弹时间的计算方法。
首先,实际设计和现有产品锁舌绕B点的旋转角度较小,即φ的始末差值并不大,可将扭簧回复到原始位置的时刻视为锁舌回弹的终止时刻,并不考虑锁舌绕自体旋转所具有的动能,即相当于取消了B处的这一个自由度;然后,将两根弹簧前后的能量差转化为锁舌和摆杆到达终点位置时所具有的动能,由此求得末角速度ω,取其一半为平均角速度,由θ前后角度差 Δθ除以 即可求得近似的回弹时间。显而易见,由此造成的直接影响是计算所得的锁舌回弹角速度过大,因此最后将限定回弹时间乘以一个系数η加以修正。基于以上思路,计算步骤如下:
两弹簧始末位置能量差为
由M0=kN(θ1-θ0)可以求得
锁舌和摆杆在末位置时的近似动能为
由W = T最终求解得
则锁舌和摆杆回弹时间为
锁舌回弹时间上限tmax的计算思路为:假定回弹开始那一时刻,与卡板器端角接触点即A点的纵坐标为yA,其值可由该时刻θ和α 值代入上文中A点坐标公式求得;卡板器向下运行至终点时,其端角Z点纵坐标yZ不难从现有设计图纸中获得;从飞船对接初始条件中可以找到所需要的对接速度,在此加严设计,取卡板器向下运行速度最大值为v ;由此得到锁舌回弹时间上限计算式:
将以上各式代入(可以先取η值为0.85,视后续应用遗传算法优化计算结果再行修改),运算化简得
令:
由此得到第三个约束方程为
1.5 待定变量消参
综合整理可以看出:以上各个分量和方程式在终止位置θ2和α2确定时都可以唯一确定,由此对末态值后续应用算法模糊预估时就能进行程序运算。
进一步由锁舌与卡板器结构简图(图5)可以分析得到,锁舌产生回弹动作时,锁舌与卡板器接触点A,都在图示过卡板器角点F(xF、yF)的铅垂线上(考虑锁舌上滚轮半径r的影响则应为xF-r)。由此可以依据几何运动关系将θ2与α2中的一个量用另一个来表示,从而减少算法模糊预估参数数量。
由结构简图可以列出以下关系式:
解得:
由以上分析得出如下结论:在对拉簧刚度kL、原长l0和扭簧刚度kN、初始扭矩M04个参数进行优化设计的时候,只需要输入终止位置估计量α2,就可以实现目标函数、约束方程求解。
2 遗传算法优化求解
遗传算法(genetic algorithm,GA)是把自然遗传学和计算机科学结合起来的优化方法,可以在整个可行域里进行随机寻优,能够很好地解决一般优化算法所存在的局部最优问题,典型遗传算法流程包含选择、交叉和变异等运算[10?11]。为使遗传算法与所述的工程问题实现衔接,按照所建立的数学模型,设计捕获锁适应度函数如下:
即设定适应度最大值为100;同时按照F、g1、g2和g3项目的紧要程度设定A、A1、A2和A34个对应权系数数值。
在遗传算法中,由于运算中的选择对应的是整个群体,因此需要设计一个好的算法,使得选择运算尽可能随机,从而避免多代优化后,在整个群体内显示出“近亲繁殖”的规律,导致运算收敛性不佳[12]。与此同时,为提高程序计算效率,选择运算只有兼具随机性和规律性,才能使所编制的遗传算法程序在实现运算收敛性的同时,又能高效性运行。对于该选择算法设计难题,本文设计基于随机顺序配对机制的选择算法流程[13]。
如图6所示,采用循环链表形式作为初始种群的初始数据库表达结构,从而构成一个闭环的群体。利用随机数生产函数,随机选择其中的一个个体,标志为K。此后,沿顺时针、逆时针两个方向依次选择个体,将个体K-1和K+1作为后续交叉和变异运算的母体,依次类推顺序配对。从该选择算法可以看出,由于每代选择运算时,都是随机抽取一点,可以避免选择机制出现规律性,从而影响进化运算效果;同时又在确定该点之后,所有选择均按照指针顺序移动定位,从而保障了选择运算的高效性。
按照以上基于循环链表进行初始种群选择,构建随机顺序配对机制,改进的遗传算法程序能在1s内完成程序自检、运算,输出拉簧和扭簧各个优化参数值,并求出对应的锁舌最大压入力F=6.534N。
3 仿真分析复核
目前仿真技术已成为产品设计研究的有效手段,能够有效降低系统研制成本,降低由于设计不当就工程实施投产所存在的风险[14,15,16]。对此,利用Pro/Engineer软件构建模型后,导入ADAMS动力学仿真系统,并将以上计算得到的优化参数值作为仿真输入,施加运动副、约束和载荷等项目后,进行捕获锁动力学仿真,仿真过程如图7所示。
输出仿真结果曲线,如图8 所示,且设定图7a所示位置为卡板器垂直下行位移s的零点,在零点位置接触瞬间,由于设定卡板器以200mm/s下行运动,与锁舌发生碰撞,因此产生瞬间冲击,该数值约5.451N,之后振荡衰减,符合碰撞效应。
从捕获力仿真曲线可以看到锁舌压入力F峰值为6.197N,相比遗传算法程序6.534N计算值,偏小近5%,分析其原因如下。
(1)输入的终止位置α2为预估量,初始程序运算与仿真测量值有差异,使得锁舌的最大位移得以减小,表现在锁舌压入力上就是所得到的仿真值小于遗传算法程序计算值;
(2)遗传算法程序计算所对应的数学模型,在锁舌回弹时间约束方程的建立过程中,为避免求解复杂非线性微分方程,采用了工程简化处理方法,因此将引入一定的计算偏差。
4 优化设计后试验
经一系列优化设计,投产并装配三套捕获锁,每套捕获锁均采取双锁舌设计以提高捕获可靠性,并研制测试装置进行测试工作,如图9所示。
通过试验,测得三套捕获锁捕获力曲线如图10所示,从中可以看到双锁舌捕获锁的最大捕获压入力F为17.2N,平均单锁舌压入力为8.6N,相比理论值增大近30%。原因在于:为确保锁舌回弹时间小于50ms指标要求,拉簧、扭簧参数均往上取整,以及由于锁舌机构运动摩擦的存在,使捕获压入力增大。总体而言,相比早前单锁舌压入力34N,大幅减小,显著提高了捕获锁锁舌的运动灵活性。
最后,将所研制的捕获锁装配至周边式对接机构中,并于2011年11月在实现的“神舟八号”飞船与“天宫一号”目标飞行器的首次交会对接中一次捕获成功;后续所研制的捕获锁产品又在“神舟九号”和“神舟十号”中得以应用,并圆满完成飞行试验,表明捕获锁产品研制工作获得了成功。
5 结束语
本文对周边式对接机构捕获锁设计进行分析,首先,建立数学模型;接着,在满足工程需要的前提下,进行了简化处理,避免反复优化计算时求解复杂非线性微分方程这一难题;随后,利用循环链表、采用随机顺序配对机制,改进编制遗传算法程序,实现多参数优化问题快速求解;之后,进行产品仿真分析和试验测试工作,有效改善了捕获锁产品性能;最终,所研制的捕获锁产品成功完成了国内首次交会对接等三次在轨飞行试验,为我国载人航天工程的顺利实施和后续空间站工程的建设和运营作出了贡献。
空间机构 篇2
在参加“医院改革与人才工程高层研讨”暨上海交通大学中国医院发展研究院、医药卫生人才工程上海培养基地挂牌仪式上，陈竺做了“中国公立医院改革的顶层设计”主旨演讲。
陈竺指出，目前我国医疗机构实施的按项目付费、药品加成等，构成以药养医的补偿机制，不仅落后，更构成对医务人员的腐蚀，鼓励医院以创收为导向，造成药价虚高、诱导服务、医患关系紧张、看病贵等一系列问题，可以说在这样的补偿机制下，公立医院无力控费用；应借鉴和开展按病种付费等改革探索，优化质量、优化服务、降低成本、控制费用。
陈竺指出，广大公立医院作为向人民群众提供基本医疗卫生服务的平台，必须体现公益性。目前中国每千人床位数与发达国家差距正逐步缩小，但是在周转率等方面与发达国家差距仍十分明显。三级医院的床位周转率普遍超过100％，县级医疗机构超过90％，但是一级医院，包括乡镇卫生院还不到60％。医改必须推进区域卫生规划，优化优质医疗资源布局；完善医疗服务体系，使之布局合理，上下联动，包括实施分级诊疗、社区首诊、双向转诊等。同时，改革医疗机构内部管理，提高医疗质量，优化服务流程。
陈竺还表示，未来医疗机构改革中应该为民营医院留出空间。2010年的数据显示，中国私立医院数量已经超过7000所，占医疗机构总量的30％，但民营医院床位数只占总数的11％。非公立医院发展，需要多方多措施支持，包括完善商业保险和补充医疗保险；改革社会办医的执业环境，允许医生多点执业等。
空间机构 篇3
参与长沙城轨建设 拿6亿元大订单
公司创始于1999年，主要生产工程机械，是全球工程机械企业50强，世界挖掘机企业20强企业。
公司9月8日发布公告，与中铁装备、中铁五局合资成立中铁山河公司（公司股权占比为50%），参与PPP模式的城市地下工程开发项目。长沙城轨市场规模3000亿，设备投资约200亿。而中铁系统是长沙城轨建设一级承包方的主力部队，中铁山河作为一个利益共享平台，将中铁装备、中铁五局与山河智能绑定在一起，市场空间与获利路径较为明晰。
此外，在长沙城轨建设项目中，将采用“本地采买”原则。山河智能作为本地具设备研制能力强的少数企业，有较大优势。此次，除了获得中铁系统的订单外，同时获得中建系统的订单，充分展示了合资公司的地缘优势与技术实力。根据市场行情，此次山河智能将获得6亿元大单，有效增厚公司业绩。
机构预测公司2016至2018年EPS分别为0.10、0.38和0.46元，对应PE分别为93、25和20倍，目标价为18.66元，维持“买入评级”。
诺德股份：受益新能源汽车行业
红利锂电铜需求量大增
公司利润来源主要是热缩材料和铜箔。诺德股份是国内锂电铜箔体量最大的公司，年产能约2.5万吨，市占率超过1/3。伴随着新能源车的不断生产，锂电铜箔需求大幅提升，且目前价位较低，以当前价计算，预计2016-2018年的铜箔市场空间分别为41亿、49亿与60亿元，提价空间大。此外，锂电铜箔行业进入壁垒高，且行业供给缺口预计将持续至2018年。
目前，公司投资24亿元建设的年产4万吨动力电池用电解铜箔项目已于今年6月开工，预计2018年开始投产。随着未来车用动力锂电池需求快速增长，新项目投产后将大幅增厚公司业绩。
机构预测公司2016、2017年EPS分别0.09、0.56元，对应PE为106、17倍，给予买入评级。
中兴通讯：上半年净利润大增
欲推行手机终端全球发展战略
公司是综合性通信制造业上市公司，是近年来全球增长最快的通信解决方案提供商，是中国电信市场最主要的设备提供商之一，并为100多个国家的500多家运营商，约全球3亿人口提供服务。
2016年上半年公司实现营业收入477亿元人民币，同比增长4.05%。实现归母净利润17.6亿元人民币，同比增长9.3%。扣非后归母净利润16.73亿元人民币，同比大幅增长78%。
公司报告期内发出商品库存为173亿元，同比增长30%以上。研发投入加大，上半年研发投入占营收比例为14.78%，已达历史最高。
机构预测公司2016至2018年EPS分别为0.98、1.13、1.28元，对应PE为15、13、11.4倍，给予“强烈推荐”评级。
养老机构中园艺活动空间设计探讨 篇4
诸多研究表明, 园艺疗法对老年人的生理和心理都有改善作用, 是一种安全有效的疗法[1]。因此, 在养老机构的景观环境中合理的设置园艺活动空间, 能对其中老年人的健康产生积极的影响。笔者对养老机构中园艺活动空间设计的研究作出综述, 以期为其设计提供帮助。
1 养老机构园艺活动空间相关概念
中华医学会老年医学学会将年龄60岁以上作为我国老年人的定义标准。养老机构则是为老年人提供饮食起居、清洁卫生、生活护理、健康管理以及文体娱乐活动等等综合性服务的机构。当社会养老的形式逐渐普及, 养老机构将会成为大多数老年人居住、生活的空间。园艺活动是泛指通过种植树木、花卉、蔬菜;制作压花、标本等等园艺产品;进行园艺课程培训等等一系列与植物相关联的活动, 从而帮助病人舒展身体、放松心灵, 获得价值感、成就感以及认同感, 以达到恢复身体机能、恢复社会适应力的活动。园艺活动空间是进行园艺活动的承载空间, 包括操作空间附属的周边空间。
2 养老机构园艺活动空间设计的理论基础
2.1 植物疗法理论
植物是园林绿地的主要构成元素之一, 不仅能够满足人们观赏、休憩的需要, 还在养生保健中起着重要作用[2]。植物疗法是通过绿色的自然环境缓解自身压力, 促进内分泌系统的正常循环, 增强自身免疫系统的一种疗法, 通常也被称之为“作为预防医学的植物疗法”[3]。该理论认为, 接触绿色的自然环境, 能够缓解人自身的压力, 镇静情绪, 降低血压, 促进内分泌系统的正常循环, 增强免疫系统等。而参与园艺活动, 既可以锻炼身体、促进社交, 又可以使人获得价值感、成就感、自信心、耐心等。
2.2 环境心理学理论
该理论认为, 人会对环境给予的刺激产生感觉, 然后逐步积累为认知、情绪和情感, 并衍生出行为及审美。人的审美、情感需求得到满足时, 会产生高层级的愉快情绪。风景园林可以为人提供不同的感官刺激, 包括视觉、听觉、味觉、触觉和嗅觉等[4]。当环境给予人的感官刺激柔和而丰富, 人则能得到心理上的满足, 从而促进身体的健康。
2.3 中医及传统养生学理论
中医及传统养生学理论是对人体生命规律宏观、全面的研究, 注重与人文、思想的结合。这一理论侧重于对人体保健的研究, 阴阳五行、脏象经络、营卫气血等学说都能为养老机构园艺活动空间设计提供指导。
3 基于需求的养老机构园艺活动空间设计原则
3.1 根据老年人的特点和需求设计的原则
老年人健康状况普遍偏差, 常见的状况为体力、行动力、记忆力、听力、视力的下降。首先, 在安排养老机构园艺活动内容时, 要循序渐进的进行体力消耗较低的活动。其次, 要着重塑造整体无障碍的空间, 确保老人进行园艺活动时安全便捷。最后, 标识、引导性的景观细节设计, 要确保其明晰性和可识别性, 以免老人迷路。
与此同时, 老年人又有活动、社交、治疗、审美等方面的需求。首先, 园艺活动空间的性质应该偏向于公共开放的环境, 使老年人积极参与群体性园艺活动, 并在其过程中获得社交。其次, 在进行园艺活动的基础上, 景观环境应给予人丰富、多重的感官刺激。最后, 养老机构园艺活动空间还可根据老年人更偏爱的古典文化, 塑造符合老年人审美的文化性、特色性景观。
3.2 根据老年人的行动能力分类设计的原则
对老年人进行园艺活动影响最大的就是其行动能力, 不同行动能力的老人所能进行的园艺活动种类;需要的操作空间大小;对景观尺度的要求都有所不同。笔者将养老机构中的老年人按照行动能力分为长期卧床者、轮椅使用者、助行器使用者、行动正常者和行动矫健者五大类。
长期卧床者进行植物疗法主要在视觉上, 种植花草的活动区域可以靠近其病房外立面设置, 景观元素尽可能丰富, 但要避免种植过多乔木遮挡室内阳光。轮椅使用者活动能力、尺度和一般老人不同, 因此, 园艺活动空间中应采用抬高的种植槽、花台、水池等, 并在周围设置扶手。花钵、灯笼等则宜采用升降式。助行器使用者通常需要用至少一只手扶握拐杖, 不便于进行需要站立的园艺活动, 在操作空间、休憩空间中可设置悬挂扶手的设备。行动正常者和行动矫健者则可安排体力消耗更大一些的园艺活动, 后者还可与体育运动相结合。
3.3 根据机构、社会及自然的需求设计的原则
养老机构园艺活动空间不仅要满足使用者的需求, 还要使机构本身能维持运营, 解决社会养老问题, 并改善自然生态环境。设计要遵循经济适用的原则, 合理利用空间, 并以简洁、自然的景观为主。所选择的园艺活动最好能生产有附加价值的产品, 或是能供给内部的消耗品, 如食品等。因地制宜的塑造空间地形, 充分发挥水体、植物的生态净化功能, 在绿化设计中着重打造养生保健植物群落。
4 养老机构园艺活动空间设计中景观要素的运用
4.1 地形和水景
地形设计中应顺应场地原址的趋势, 塑造地理条件稳定、整体地势较平坦的地形, 方便老人的行走和活动。水景以小面积的点状水为主, 充分发挥其对人视觉、听觉、嗅觉、触觉上的刺激, 并以多种高度、多种形式来进行塑造。
4.2 道路和铺装
养老机构园艺活动空间中的道路和铺装宽度要使轮椅使用者能够顺畅的通行、转弯。道路流线以直线和大弧度曲线为宜, 竖向高差变化不宜过大, 应方便老人的通行。在材料的选择上要注意防滑、防眩光等等, 也可通过色彩、质感给人视觉、触觉方面的刺激。另外, 可以构建专门的康体步道, 让老年人进行足底经络按摩。
4.3 植物
植物材料应选择抗性强、可粗放管理的乡土树种, 以有养生保健功能的为佳, 避免有毒、带刺、飞絮、落果严重的品种。采用多样的配置形式, 结合园艺活动场地的特点设计植物景观。注重植物视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉方面对老人健康产生的积极影响, 多选择色彩鲜艳、能发出声响、气味芬芳、可食用和触感丰富的植物品种。运用芳香类植物进行配置时, 最好将同一科属的植物配置在一起, 以免挥发物之间相互反应影响保健效果。
4.4 园林建筑和小品
养老机构园艺活动空间内的园林建筑和小品一般较少, 但仍然承担着重要的点景、引导或提供休憩作用。其造型应偏向于简洁, 避免抽象和复杂的造型引起老人焦虑。材质以浅灰、暖灰、褐等中性色的木材、石材为宜, 触感略有粗糙则更好。园林建筑的尺度要符合老年人, 尤其是轮椅使用者的活动尺度, 方便老年人坐下、观景和触摸等。
4.5 其他设施
养老机构园艺活动空间通常需要配备众多的设施, 包括园艺设施、基础服务设施、照明设施等。这些设施的造型应力求简洁、亲切、便于识别, 采用光滑的圆角代替直角造型, 色彩鲜艳, 文字宜使用大的粗体字。材料最好耐用、平整, 某些需要移动的设施还要考虑使用轻巧的材料。设施的尺度同样要符合各种老年人的活动尺度, 垃圾桶、座椅等的一侧还要注意留出轮椅出入、停留的空间。照明设备应多采用边缘照明, 并使照明区相互交叠, 以免产生过深的阴影和眩光点。
5 结语
目前, 关于植物疗法应用及老年人生活环境中园艺活动空间设计的研究较多, 对设计的探讨也比较宏观。本文特别针对养老机构中的园艺活动空间阐述了设计原则和设计元素应用方式, 并提出了根据老人的行动能力进行的分类设计具体的方法。但由于经费、时间、研究能力的限制, 本文提出的对老人群体的分类设计只考虑了影响最大的行动力因素, 而未针对盲人、聋哑、老年痴呆症及其他特殊病症患者, 设计方法也有诸多的不足。
我国养老机构的发展越来越偏向于综合型、疗养型, 其中的园艺活动空间营造也将会变得需要医学工作者、景观设计师、园艺治疗师等更多不同职业者协作完成。而随着医学研究的发展, 未来的养老机构园艺活动空间将会对老年人的具体病症有更强的针对性。
摘要：对养老机构园艺活动空间的相关概念和理论基础进行了概述, 并阐述了基于需求的设计原则以及景观要素在其中的运用, 以期能够对养老机构中园艺活动空间设计理论予以补充完善。
关键词：养老机构,园艺活动空间,景观要素
参考文献
[1]修美玲, 李树华.园艺操作活动对老年人身心健康影响的初步研究[J].中国园林, 2006 (6) :46-49.
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[3]章俊华.园艺疗法[J].中国园林, 2009 (5) :19-23.
空间机构 篇5
空间折杆可以将输入的旋转运动转变为摆动输出，并且结构简单、紧凑,可以应用于伺服舵机。空间折杆机构的分析方法主要有图解法和解析法。图解法原理简单、直观易行,但绘图误差较大;解析法计算精度较高,但其推导过程复杂,编程工作量大,许多工程技术人员深感难以理解和推导。利用虚拟样机技术,使用ADAMS软件进行计算机仿真,利用其丰富的建模工具和强大的运动学、动力学分析功能,可以方便、快速的分析折杆机构运动的输入/输出之间的.关系以及输出运动的特点。
1虚拟样机技术和ADAMS软件概述
虚拟样机技术(virtualprototypingtechnology)是利用软件所提供的各零部件的物理和几何信息,直接在计算机上对机械系统进行建模和虚拟装配,从而获得基于产品的计算机数字模型,即虚拟样机(virtualprototype),并对其进行计算机仿真分析。这种方法使设计人员能在计算机上快速试验多种设计方案,直至得到最优化结果,从而免去了传统设计方法中物理样机的试制,从而大幅度缩短了开发周期,减少了开发成本,提高了产品质量。ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem)软件是由美国MSC公司开发研制的集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件,最主要的模块为ADAMS/View(用户界面模块)和ADAMS/Solve(r求解器)。通过这两个模块,可以对大部分的机械系统进行计算机仿真。进行计算机仿真分析的模型既可以在ADAMS环境下直接建模,也可以从其它CAD软件中导入,然后在模型上施加一定的运动约束副、力或力矩的运动激励,就可以进行运动计算机仿真分析。
2分析目的
折杆折角为θ，左端是输入端，右端是输出端。输入运动为：杆的左端绕着公转轴线转动的同时也绕着自转轴线转动，即其公转的同时自转。下面进行折杆运动计算机仿真分析，主要解决如下问题：
1)折角10°时，一周期内折杆公转角与摆角之间关系以及横向位移变化情况。
2)折角15°时，一周期内折杆公转角与摆角之间关系以及横向位移变化情况。3)在折角10°与15°两种情况下，横向位移比较，以及公转角与摆角关系的变化。2计算机仿真模型与输入参数折杆adams计算机仿真模型设折角为θ，摆角为δ，公转角为折角为10°时，根据输出摆动速度50°s，求得用于计算机仿真的输入参数公转角速度225°s，自转角速度450°s。折角为15°时，根据输出摆动速度50°s，求得用于计算机仿真的输入参数公转角速度300°s，自转角速度600°s。
3、计算机仿真分析结果
3.1折角为10°时摆角与公转角的关系可以用δ=δmaxcos，即δ=20cos()拟合如下，误差可达0.039°。
2)横向位移变化情况横向位移呈周期变化，最大可达到0.9mm,分别在公转角为36°,144°,216°,324°，最小为0mm。
3.2折角为15°时1)摆角与公转角的关系摆角与公转角的关系可以用δ=δmaxcos()，即δ=30cos()拟合如下，误差可达0.097°。
2)横向位移变化情况横向位移呈周期变化，最大可达到2.03mm,分别在公转角为36°,144°,216°,324°时，最小为0mm。
3.3在折角10°与15°两种情况下计算机仿真分析比较，与折角为15°相比较，折角为10°时，
1)输出摆角与输入公转角关系曲线更接近于δ=δmaxcos()曲线;
2)最大横向位移更小。
4结束语
空间机构 篇6
1 空间连杆引纬机构工作原理及分析
目前空间连杆机构以下列两种形式在剑杆织机引纬机构应用, 如图1中 (a) , (b) 所示。
图1 (a) 中随着织机主轴的旋转, 曲柄1做平面回转运动, 叉形连杆2做空间运动, 两者的运动通过十字联轴节3的连杆4带动扇形齿轮5摆动, 传动齿轮轴6往复转动, 带动齿轮轴上的传轮7、剑杆做往复运动, 完成引纬运动。图1 (b) 的引纬运动机理与图1 (a) 相同, 都是由空间连杆机构、平面四连杆机构和运动放大系统组成, 其中第一个是织机打纬凸轮轴至叉杆部分, 为空间4R机构;第二个是叉杆尾端的短摇杆至扇形齿轮部分, 为平面四连杆机构;第三个闭链机构是扇形齿轮至传剑轮部分, 为齿轮放大机构。其中球面曲柄机构决定着剑带运动的规律, 主要是通过两个参数来决定的, 一个是凸轮轴与球节头的轴线夹角, 另一个是圆环旋转轴线与球节头端平面的夹角, 对于目前国内的空间连杆引纬机构来说, α, β这两个参数都是固定的;四连杆机构主要通过改变图1 (b) 中的L长度来调节剑带位移以适应不同筘幅的织造, 并且也影响着剑带运动的规律;齿轮放大机构主要通过变换扇齿与过桥齿轮的传动比和剑带轮直径的大小, 来调节剑带的运动特征值的大小, 以完成引纬过程。
图1中的两种引纬机构有如下的缺点:
1) 摇杆、长连杆、扇形轮及机架组成的四连杆机构为变传动比机构, 它将叉杆的输出摆动传递给剑轮的往复摆动时, 使剑轮的运动规律与叉杆的运动规律有较大的差异;在凸轮轴附近时, 四连杆机构变化传动比使得剑带加速度波动增大, 从而当织机高速运转时可能引起交接断纬。
2) 四连杆机构在运动过程中各运动副之间的作用力主要表现为惯性力, 四连杆机构将消耗很多能量;同时, 四连杆的往复摆动将对引剑箱墙板产生很大的冲击力和冲击力矩, 这可能引起振动, 同时也必然增加噪声。
3) 当减小L以增大剑带行程时, 各运动副之间作用力均有明显增加, 因此交接纬纱时过冲量不易控制。
也就是说目前引纬机构的缺陷主要为四连杆机构所带来的负面影响。织机的转速、扇齿与过桥齿轮的传动比以及剑带轮直径的大小等参数的改变对于剑带的最大位移是不产生影响的, 即是不能通过改变上述参数来调节剑带行程的。因此对于剑带位移的调整只有考虑α, β这两个参数。下面将对这两参数对剑带运动规律的影响进行定量分析, 并讨论通过改变这两个参数来调节剑带行程的可行性。
2 虚拟样机的运动学仿真分析
本文中采用FAST型剑杆织机引纬机构为蓝本进行虚拟样机的建立并进行仿真分析, 下面出现的所有名词术语均以图1 (b) 为标准。
2.1 参数β对剑带运动规律的影响
图2为改变β值时, 剑杆织机的叉杆件的角速度、角加速度的运动曲线, 从图中可以看出随着β值的增大, 在凸轮轴0°位置随着β角增大, 剑带角速度及角加速度均增大;凸轮抽180°时, 剑带角速度以及角加速度的绝对值均减小。当β由21°增加至28°时, 凸轮轴在180°处加速度减小了, 这对剑带在织口中央进行纬纱交接是有利的, 但是从图中可以看出加速度的变化不大;在0°时剑带加速度随β值的增大有所增加, 但是变化数值较小。所以β角度的改变对引纬机构的运动学参数来说没有太大的影响。
由图3可以看出, 随着β角的增大, 圆环与叉杆间作用力在运动过程中发生极大变化, 故欲无级调节β, 则必然要求相应的夹持力非常大, 以保证在运动过程中调节栓不发生滑移, 对于这一点是比较难做到的, 所以最好将β做为定值, 通过运动学、动力学分析及实践得到β的取值以20°～30°为宜。
2.2 参数α对剑带运动规律的影响
图4, 图5是在同一速度下, 调整α到不同角度时剑带的位移、速度和加速度曲线, 对于速度、加速度曲线从上往下依次对应的α角度为38°, 35°, 32°, 29°, 26°, 23°。从图中可以看出, 随着α增大, 剑带各项运动学参数的最值都相应地有较大的增加;对于位移曲线, 随着α角的改变, 剑带的最大位移的变化幅度约为700mm, 足以满足剑带行程的调节的需要。在凸轮轴0°位置时, α参数的改变使加速度有一定幅度变化, 说明改变α参数对剑带夹持纬纱具有影响, 可以通过调节储纬器消除此影响。在凸轮轴180°位置附近, α参数在26°以下范围内改变时, 其对剑带加速度值的的影响较小, 这有利于纬纱的交接;当α参数值大于26°时, 加速度曲线在凸轮轴180°处斜率将比较大, 这种情况下进行纬纱交接是不可靠的, 通过分析得到参数α的取值在20°左右对引纬的加速度值影响较小。
3 总结
通过上面的分析可以得到, 对于参数β由于装配、固定等原因, 可以将其设为固定值, 对于剑带位移的调节, 可以通过改变参数值来满足, 并且通过分析可以看到, 在一定范围内改变α的值对于引纬工艺没有明显的负面影响, 所以对于空间连杆引纬机构来说, 去掉平面连杆机构改用调节α, β来满足引纬的工艺要求在理论上是可行的。
摘要：为了研究空间连杆机构中参数对引纬曲线的影响, 利用ADAMS软件针对空间连杆引纬机构建立了虚拟样机模型, 对其中的a, b参数采用定量分析。分析结果表明, 可以通过改变a, b参数值来调节引纬行程的结论。
关键词：虚拟样机,空间连杆机构,引纬机构,运动学,仿真
参考文献
[1]陈明.新型织机[M].上海:中国纺织大学出版社, 1999.
[2]陈瑞隆.打纬理论的研究[M].北京:财政出版社, 1963.
空间机构 篇7
机构拓扑结构描述与分析一直是机构学研究的热点。空间机构学的研究和发展主要由机器人研究的发展所推动,目前机器人机构拓扑结构分析与综合的方法主要有3种:基于螺旋理论的方法[1,2,3]、基于位移子群/子流形的方法[4,5,6]和基于方位特征的方法[7,8,9]。螺旋理论采用传统符号法加上下标的方式,定义互易螺旋系运动螺旋和力螺旋,用于描述刚体运动中的速度和角速度、力和力偶等参数。运用螺旋理论使问题描述变得简洁统一,但由于螺旋系瞬时性的特点,需要对其进行相关性判别,而这在一些情况下是非常困难的[1,10]。位移子群/子流形方法采用位移子群符号描述李群代数结构机构的两构件相对运动非瞬时方位特征,位移子流形可以覆盖非李群代数结构机构的描述,并给出了表格形式的子群运算规则。该方法与机构运动位置无关,但子群/子流形与机构拓扑结构之间的显式映射关系及其机构学意义不够明晰,子群运算只能使用综合性判据或使用已编制的表格,不便于应用。方位特征集的方法以单开链为结构单元,采用尺度约束类型符号与P副、R副、H副及串并联符号可描述任意拓扑结构稳定的机构,其结构学基本方程可揭示机构拓扑结构、运动方位特征和自由度三者之间的显式映射关系,但已不再是纯数学公式。该方法不适于变拓扑结构的机构描述。
采用拓扑图和图论中的邻接矩阵描述运动链,并将运动链运算转换为矩阵运算是近二十年来平面机构研究普遍采用的方式[11,12,13],有学者将其拓展到空间机构的研究。如王德伦等[14]提出的符号邻接矩阵,同时适用于平面机构和空间机构,但该矩阵缺少运动副的轴线方位信息,难以区分出平面机构和空间机构。李树军等[15]构造的(2l+2)×n阶运动链拓扑特征矩阵,平面机构和空间机构均可适用,但其矩阵不同行的构造方法不相同,矩阵元素比较复杂,不如n×n阶矩阵简单直观,而且对于少环路运动链而言,该矩阵在结构上没有明显优势。
空间机构的运动副具有方位复杂性和运动多变性,仍然需要简便、直观的描述方法。本文基于对运动副约束本质的分析,根据运动副约束的能力和程度,采用矩阵法定义欧式空间广义坐标下空间运动副约束特征参数——约束函数,以简单数字0、1为元素,描述接触构件连接关系的各类信息。提出以约束函数为矩阵元素构建空间运动链邻接矩阵的方法,分析该矩阵描述空间机构的有效性,以期为空间机构描述提供一种新的方法,也为计算机辅助机构分析和机构综合提供一种便捷途径。
1 运动副约束特征
机构是由构件通过运动副组成的系统,而运动副是两构件直接接触所形成的可动连接,其本质是两构件接触表面之间产生约束从而限制了表面间的部分相对运动,使自由度减少。运动副独立约束数s决定运动副的级别,与运动副自由度f的关系为s=6-f。接触表面的约束通常是以压力、摩擦力及其力矩的形式施加的,约束力的大小由机构的拓扑结构、输入输出力或力矩的大小所决定,约束力的方向与形成接触表面的几何形体——运动副元素的结构形状密切相关,约束力的作用点就在接触点上,而约束力矩则是由接触面上不同点的约束力所形成的。
平面机构各运动副的约束方向相对比较集中,如平面铰链机构各运动副有5个相同方向的约束,剩下1个相同方向的自由度——转动。相比之下,空间机构的运动副约束要复杂很多。这些运动副通常分布于三维空间的不同方向,描述机构运动链中接触构件之间的连接关系需要概括运动副约束力和约束力矩不同方向的约束特征,所以采用单数值矩阵元素加上标和下标的方式不足以为用,本文采用定义欧式空间广义坐标下约束特征向量参数的方法来描述运动副的这种约束特征。
2 运动副约束函数
如果某参数能对运动副中约束力和力矩的方向及作用大小程度进行较广泛而直观的描述,那么,这个参数的数据结构不仅应具有多元性以表达力和力矩的方向,而且需要有定性和定量的对比性以表达作用的大小和程度。于是,本文给出下列定义。
定义1 运动副接触表面之间相互作用的所有力和力矩的组合称为运动副的广义作用力P。用6维欧式空间向量可表示为
P=(p1,p2,p3,p4,p5,p6)T (1)
式中,p1、p2、p3分量分别为对应某个时刻运动副接触面上三维笛卡尔坐标系中各轴线方向相互作用的分力;p4、p5、p6分量分别为对应3个轴线方向相互作用的力矩。
广义作用力的向量表达与螺旋理论中力螺旋的Plücher坐标表达是一致的[16],可与螺旋理论求解方法联系起来。
定义2 运动副沿各个坐标轴方向约束能力的极限称为运动副的最大广义约束力Pmax。用6维欧式空间向量可表示为
Pmax=(p1max,p2max,p3max,p4max,p5max,p6max)T (2)
其中,Pmax是接触面上某坐标轴方向所能提供的最大广义约束力,由表面的接触状态和结构强度所决定。当坐标系选取适当时,可使各Pmax为独立参数,但少数情况下,由于运动副元素的几何结构导致各方向的Pmax之间可能存在关联,如螺旋副沿移动轴方向的力和力矩、某些柔性铰链不同方向之间的力或力矩等。
当P≤Pmax时,运动副在该方向的约束有效;当P>Pmax时,运动副在该方向的约束减弱甚至失效。例如,当接触面摩擦力不够时,纯滚动高副变成滚动兼滑动。
定义3 运动副在不同时刻沿各个方向的约束程度称为运动副的约束函数C(t),即
C(t)=(c1,c2,c3,c4,c5,c6)T (3)
根据定义,运动副约束函数具有如下性质:
性质1 约束函数是描述运动副各方向约束状况的向量。前3个分量(c1,c2,c3)表示移动约束,后3个分量(c4,c5,c6)表示转动约束。
性质2 约束函数是机构运动时间(或机构位置)的函数,既能描述定常约束,也能描述非定常约束。
性质3 当ci=1时,运动副在i方向为有效的刚性约束,即完全约束,此时对应于螺旋理论中力螺旋与运动螺旋互易积为零的状态;当1>ci>0时,该方向约束具有柔性,即不完全约束,此时对应于螺旋理论中力螺旋与运动螺旋产生瞬时功率的状态;当ci=0时,该方向无约束或约束失效。
性质4 在广义坐标系中约束函数的各分量之间可能是互相独立的,也可能是互相关联的。这种关联可能是运动副元素的几何结构导致的,称为第一类关联,本文采用关系式cj=f(ci)表示;也可能是坐标系的选取导致的,称为第二类关联。本文引用向量组相关性和矩阵秩的概念,将运动副的独立约束数s称为约束函数的秩,通过坐标变换(如利用方向余弦矩阵)将约束函数转换为不含第二类关联的极大无关约束向量表达。
传统机构中的运动副一般为定常约束的刚性运动副,运动副约束函数C(t)=常向量,表1所示为常见运动副的约束函数C(t)。其中,螺旋副沿x轴方向的转动约束与移动约束存在关联,即c4=f(c1),这种关联由螺旋副表面的几何参数、表面性质所决定。
图1所示的柔顺卷边机构[17],构件2连杆和构件3滑块之间的运动副为非定常约束的柔性运动副,其约束函数C(t)=(c1,1,1,1,1,1)T,c1∈[0,1],是机构运动时间(或机构位置)的函数。
从以上分析可以看出,约束函数C(t)不仅能广泛描述运动副性质、类型、级别、自由度、方位等诸多结构信息,而且可以反映机构在不同时刻不同位置时运动副约束的变化情况,非常便于机构运动学和动力学的分析,同时,简单数值的向量元素便于计算机运算。
3 空间机构运动链的邻接矩阵
运动链由一系列构件通过运动副连接而成,邻接矩阵是运动链链接关系的常用描述方法[11,12,13,14],本文引入运动副约束函数C(t)来定义空间运动链邻接矩阵,即
式中,A(t)为n×n阶的对称矩阵,n为构件数;Cij为构件i和j之间运动副的约束函数C(t)。
式(5)中,构件自身不构成运动副,不存在约束函数,故矩阵对角线上元素均为0,下(或上)三角矩阵中非零元素的数目等于运动链中运动副的数目。每一行(列)上非零元素的数目就是对应构件上的运动副数,据此可判断构件是几副构件。每一个矩阵元素都可以反映对应构件之间运动副的类型、级别、自由度、方位、性质及其变化情况。
值得注意的是,Cij是在一个统一的机构广义坐标系O下的约束函数,若各运动副可以在其局部坐标系O′中表达为不含第二类关联的极大无关约束向量(表1),则可应用邻接矩阵进行坐标系转化,其方向余弦矩阵DO O′的表达式为
式中,α、β、γ分别为局部笛卡尔坐标系的各轴关于机构笛卡尔坐标系的方向角。
若所有Cij在相同坐标轴q方向一致拥有完全约束,即∀cq=1,q=1,2,…,6,cq∈Cij,i≠j,i,j=1,2,…,n,则运动链在q方向具有公共约束。根据运动链拥有公共约束的数目0、1、2、3、4、5,可判断出运动链分别为0族、1族、2族、3族、4族、5族等不同类别,从而获知运动链所对应的是6度空间、5度空间、4度空间、3度空间、2度空间、1度空间的运动链,进而得以判断出运动链所构成的机构维数是空间机构还是平面机构。
由此可见,该邻接矢量矩阵A(t)对应着空间运动链的构件数n,能广泛描述运动副数目、类型、级别、方位、性质及其变化、对应的空间机构类别等诸多信息。所以,邻接矩阵A(t)是描述空间机构运动链拓扑结构的特征参数矩阵。
4 示例
4.1RSSR空间机构
图2所示为文献[15]中的RSSR空间机构,其中,xyz为机构三维坐标系,x1y1z1为局部坐标系,θ为结构参数。现运用约束函数和邻接矩阵对其进行描述和分析。
该空间机构运动链中有4个构件、4个运动副。在机构广义坐标系O中,各运动副的约束函数分别为
从约束函数可以发现,运动链的4个运动副均为刚性约束运动副,从各运动副约束函数的秩或其零分量的个数可知运动副自由度分别为1、3、3、1;有2个转动副(A、D)且方位一致均为c6;有2个球副(B、C),其方位一致,均为空间方位;4个运动副有1个公共约束c3,说明此机构为1族运动链组成的5度空间机构,而非文献[15]所简化描述的平面机构。
将各约束函数C(t)代入邻接矩阵A中,从邻接矩阵A中可以看出,矩阵有4行(列),说明机构有4个构件;矩阵上(下)三角阵里约束函数的个数为4,说明机构共有4个运动副,每个运动副的位置表明构成此运动副的构件编号;矩阵每一行(列)有2个约束函数,说明每个构件都是两副构件。从上述约束函数得知4个运动副共有8个自由度,则运动链有8个自由度,当构件4(自由度6)为机架时,机构自由度为(8-6)=2(一个是机构在xy平面内的,另一个是构件2在y1z1平面内的)。
4.2RSS′R空间机构
图3所示为文献[18]中的RSS′R空间机构,各参数h1,h2,h3,h0,s0,s3,α30均为常数,机构三维坐标系x0y0z0和其他局部坐标系及结构参数的选取亦如图3所示。球销运动副S′的指销方向与z2轴重合、垂直于杆件BC(x2轴),其开槽平面法线(轴y3)同时垂直于x3轴和z′3轴。现运用约束函数和邻接矩阵对其进行描述和分析。
该空间机构运动链中有4个构件、4个运动副。在机构广义坐标系O中,各运动副的约束函数分别为
从约束函数可以发现,运动链的4个运动副均为刚性运动副,从各运动副约束函数的秩或其零分量的个数获知运动副自由度分别为1、3、2、1;有2个转动副但方位不一样,一个沿广义坐标轴方向,另一个沿空间布局的局部坐标轴方向;有1个球副和1个球销副,其方位都是沿空间布局的局部坐标轴方向;4个运动副没有公共约束,说明此机构为0族运动链组成的6度空间机构。
将各约束函数C(t)代入邻接矩阵A中:
从邻接矩阵A(t)中可以看出,机构有4个构件,上(下)三角阵里约束函数的个数说明机构共有4个运动副,每个运动副的位置表明构成此运动副的构件编号;从约束函数获知4个运动副共有7个自由度,即运动链有7个自由度,当有1个构件为机架时,机构自由度为(7-6)=1;每一行(列)有2个约束函数,说明每个构件都是两副。
从上述两例可清楚地看出,用运动副约束函数和以此定义的空间机构运动链邻接矩阵描述空间机构,能简单、直观和广泛地描述运动副性质、自由度、类型、级别、方位、机构类型、空间布局等详细信息,且简单的数值向量元素便于运算。
与现有其他方法相比,基于约束函数及邻接矩阵的方法还具有适应时变和数值化的特点,不仅适用于普通机构的瞬时描述,而且还适用于非瞬时和具有不同构态的变拓扑机构的描述和分析,数值型的函数方便计算机分析运算。
5 结论
(1)本文定义的约束函数不仅能反映运动副中约束力和力矩的作用程度,而且能广泛用于描述运动副类型、级别、自由度、方位、性质及变化等信息和情况,适用于包括变拓扑的各种运动副。
(2)本文定义的以运动副约束函数为元素的空间机构运动链邻接矩阵,不仅能反映空间机构构件之间的连接关系,还能广泛用于描述运动链的构件数、运动副数目、类型、级别、方位、性质、机构类别、空间布局等诸多信息,适用于各类机构非瞬时的描述与分析。
(3)示例证明:运动副约束函数和空间机构运动链邻接矩阵能直观、有效和简便地用于描述空间机构,并能方便地运算,为空间机构的描述和分析提供了新的途径和方法。
空间机构 篇8
盾构机是机电液一体化高度集成的大型设备，也是多单元集成的大型水利、国防、地铁、交通等领域的基础关键设备[1]。管片拼装作业是盾构施工的关键作业之一，一方面管片环承担着盾构前进的推进反力，另一方面管片环的拼装速度又直接决定着盾构的掘进速度[2]。目前，盾构的开挖掘进作业已实现了自动化，甚至智能化，但管片拼装作业的自动化进程却相对滞后。在施工作业中主要存在以下两个问题[3]:1）管片拼装定位精度低，管片环易出现裂缝和缺口；2）管片安装效率较低，影响隧道的施工速度。针对这些问题，本文拟将并联机构高精度、高速度的优势引入管片拼装机的姿态微调机构。
1 姿态微调机构的方案设计
管片拼装机共有6个自由度[4]，拼装作业大致流程为：先通过平移、旋转、伸缩的初调运动将管片移动到计算好的安装位置，此过程三个动作相互解耦，实现并不困难；然后通过对管片的姿态进行微调，使待装管片的螺栓孔与已装管片的螺栓孔准确对齐，这个过程对精度要求很高，是管片拼装作业的难点所在[5]。管片的姿态微调要求实现空间中3个自由度的旋转，以完成管片偏转、仰俯、横摇微调动作。因此，这里引入3UPS＿S并联机构用作管片拼装作业的姿态微调机构，将定平台作为管片拼装机主体，动平台作为管片拼装机小脚，该机构拓扑结构如图1所示。
如图1所示，该机构动、定平台之间由3根UPS形式的驱动支链与提供旋转支撑的中间支链相连接，其中P副作为驱动，使动平台有且只有空间3个旋转自由度，满足姿态微调机构的作业要求。
3UPS＿S并联机构高速度、高精度的特性可以满足管片拼装作业姿态微调的动作要求，但同时并联机构的劣势—工作空间中较多的奇异点，将为该机构的应用带来一定困难；另一方面，工作时仅需要该机构完成小幅度(10o以内)的姿态微调动作，即要求的任务空间只占该机构可达工作空间的一小部分，因此，合理规划任务空间在可达工作空间中的位置，使其工作状态避开奇异点，同时保证任务空间内机构具备较高的精度性能，成为将3UPS＿S并联机构应用到管片姿态微调作业中必须解决的问题。
2 姿态微调机构的任务空间规划
机构学中通常用速度雅可比矩阵来反映运动传递性能，其定义为机构输入和输出速度的之间的映射矩阵。这里，输入速度为驱动P副的运动速度，输出速度为动平台的旋转角速度ω。建立如图1所示的定坐标系O-XYZ，固接在动平台上的动坐标系o-xyz，并且用RPY欧拉角α、β、γ描述动平台的姿态[6]。动平台S副安装半径为144mm，定平台U副安装半径为200mm，中间支链高度为690mm。
由动平台与支链间铰点的速度约束关系可得：
因此，该机构由输出速度映射到输入速度的逆向雅可比矩阵JN可写作：
式(1)亦可写作：
式中，JN为输入速度到输出速度的映射矩阵，即正向雅可比矩阵。它为JN的逆矩阵。考察输出速度的大小：
令G=JZT JZ，它为实对称正定矩阵，可分解为：
式中，iλ为G的特征值，U是由G的单位特征向量ie组成的正交矩阵，并且si和iλ相互对应：
将式(5)和式(6)代入式(3)，有：
由奇异值的定义，上式亦可写成：
上式即为该机构的速度椭球。该椭球以G=JZT JZ的正交特征向量为基，也就是椭球的各个主轴的方向由正交特征向量决定，各主轴的半轴长度为σi-1(J Z)。因此，椭球的方位和形状依赖于雅可比矩阵，随位姿的变化而变化。
式(8)可理解为将输入速度在JZT JZ的各个特征向量方向上缩放，缩放比例为σi(J Z)。同时可得到：
当各σi(J Z)越均衡时，椭球越接近于球体，机构运动传递的各项同性就越好。因此用σi(J Z)极大值和极小值的比例来衡量运动传递的各向同性：
从上式可以看出，速度雅可比矩阵条件数，实际上反映的是机构在各个方向速度传递的均匀性。当机构处于奇异点时，条件数值表现为无穷大，即用其作为奇异衡量标准能显著反映机构的奇异状态。
另一方面，假设由输入速度的误差引起的输出速度误差为，它们之间的传递比例亦为雅可比矩阵：
对上式两边取2范数，有：
同样，由式(3)可得到：
联合以上两式可得到：
上式表明，雅可比矩阵的条件数同时也是输入速度的相对误差到输出速度相对误差的最大放大系数。因此，雅可比矩阵条件数除了能显著反映机构的奇异状态，也是反映机构运动传递精度的一个重要指标。因此，用其作为任务空间规划的衡量标准，可保证任务空间内没有奇异点，同时性能较优。
为了更直观地表达条件数值的变化，用其倒数来代替它反映机构运动传递综合性能：
kv的值在0～1之间，值越大，说明运动传递性能越好，为0时说明机构出现奇异。图2给出了姿态微调机构在一定工作空间内的运动传递性能分布情况。
观察图2可知，随着γ在一定范围内逐渐增加，姿态微调机构的运动传递性能指标越来越好。尤其是在γ的绝对值比较小时，运动传递性能很差，如图2(a)所示，α和β绝对值处在15°～30°区域内的两条弧线上出现了奇异状态。综合对比图2可知，选择γ在90°附近，α和β在0°附近，在此范围内进行管片的姿态微调作业，既避开了工作空间中的奇异点，又保证了较高的精度性能。
3 结束语
3UPS＿S并联机构具有3个空间旋转的自由度，可完成盾构机管片拼装作业中管片的偏转、仰俯、横摇微调动作，并可有效改善当前管片拼装作业中定位精度低以及安装效率低的缺陷。其成功应用的关键之一在于克服并联机构的固有缺陷——复杂奇异性。结合姿态微调作业中小幅度的任务空间特点，以速度雅可比矩阵的条件数为衡量标准，对任务空间的位置进行了规划。规划后的任务空间内无奇异点，同时具备较高的精，可用于盾构施工管片拼装作业。
参考文献
[1]崔国华,王国强,何恩光,等.盾构机的研究现状及发展前景[J].矿山机械,2006,34(6):24-27.
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空间机构 篇9
三自由度平面并联机床是由指运动平台上对称布置的移动副和转动副组成3自由的并联机构。任何类型的三自由度平面并联机器人其运动平台和机座均为正三角形形状。
1.1 分支运动链及机构的型
3-DOF平面并联并联机器人由移动副和转动副连接而成。图1所示是并联机器人在静止状态下的机构运动示意图, 按照从固定基座到动平台的顺序, 若用R表示转动副, P表示移动副, 它们分别是:RRR、RPR、RRP、RPP、PRR、PPR、PRP、PPP, 由于三个移动副PPP在平面上不独立, 即三个PPP无法给动平台带来独立的三个运动, 在实际中没有使用价值。因此, 3-DOF平面并联机床的三个分支链结构只可能是七种组合形式:RRR、RPR、RRP、RPP、PRR、PPR、PRP, 则平面并联机床的分支链结构只剩下如表1所示的八种。
1.2 机构的组成分析
并联机床机构的自由度由运动副数和类型、组件的数量和运动支链间的相互制约条件决定。不考虑可能存在重复约束、部分约束和负自由度的情况下, 并联机床平台的自由度F为
式中:F代表机床平台自由度;n代表机床组件的数量;p代表不同类型运动副的数量总和;iu为第i个运动副自由度的数目, 对于高副为1, 低副为2。
令ui=6-fi, 其中fi为第i个运动副的相对自由度数, 代入上式公式可得:
这就是空间机构自由度的一般形式的计算公式。而对于平面机构有
对于图1中3-R R R平面并联机床机构, 因此F=3。因此该并联机床具有三个自由度。由于它是平面并联机床, 所以这三个自由度分别为沿X和Y方向的平动和在X-Y平面内的转动。
2 并联机构的工作空间
并联机床的工作空间共有三种类型:1) 灵巧工作空间是在满足给定位姿范围时机器人末端可达点的集合;2) 可达工作空间是机器人末端可达点的集合;3) 全工作空间是给定所有位姿时机器人末端可达点的集合。
2.1 坐标系的建立及搜索方法
如图2所示, 为一个3-RRR平面并联机构, 其工作空间为末端执行器O点可达区域。工作空间在平面内的边界为曲线, 在三维空间其边界为曲面, 许多学者对并联机构末端执行器的位置进行正解和逆解, 本文以末端执行器的O点和其姿态为变量, 进行搜索求解器工作空间。
上述方程是并联机构末端O的坐标在工作空间必须满足的约束条件。当以一定规律移动O点或者改变末端执行器的姿态, 若出现方程 (4) 中任何一个公式不满足的情况, 该点Ai责不属于工作空间。点Ai (i=1, 2, 3) 的向量坐标为:
2.2 搜索的基本步骤
1) 建立坐标系XOY, 坐标系的原点为三角形C1 C2 C3的中心, 建立另一个坐标系X'O'Y', 坐标原点为末端执行器的运动中的可能位置, 坐标系X'O'Y'相对于坐标系XOY旋转角度为θ。坐标系X'O'Y'的极坐标公式为:
5) 重复以上步骤, 搜索下一条射线所能达到距离的最大值。
按照以上步骤用VB建立参数化设计界面。当姿态角为0的时, 程序得出的的工作空间, 同拓扑法求解的工作空间完全一致, 验证了程序的正确性。
2.3 定姿态的工作空间
在图2中平台的姿态可以用动坐标X'与固定坐标X的夹角j来唯一确定。把角度φ定义3-RRR的姿态角, 当姿态角保持不变的时候, 末端执行器的参考点O运动范围称为定姿态工作空间, 记为Wφ (O) 。
为了验证搜索的正确性可以用拓扑法求解定姿态的工作空间, 如图3所示, 如果只考虑支链1的约束时, 参考点O的运动范围可由子工作空间沿向量C1O平移得到, 同时考虑三条支链的约束时, 可令其他两个子工作空间沿CjO (j=2, 3) 平移得到的三个区域相交的部分为定姿态的工作空间, 图3阴影部分为定姿态角的工作空间。
在用搜索法求解定姿态的工作空间, 其方法同工作空间的搜索, 只需在第三步把姿态角固定求解出极径, 及为第i条射线运动的边界。其余步骤均为一样, 其搜索结果如图4所示, 结果完全一样, 验证了程序的正确性。
2.4 基于VB建立参数化输出界面
Visual Basic编译快捷, 能快速的找到语法错误, 根据上述搜索的步骤, 编写了3-RRR并联机器人的工作空间VB求解界面, 如图5所示。
其中内部边界为其灵活工作空间, 由于结构的对称导致工作空间的对称, 故这个结果又自检测性, 如果搜索的结果不对称, 则搜索结果是错误的。
3 结论
本章首先根据Jean-Pierre.Merlet的理论得到3-DOF的不同的组合形式, 分析组合3-DOF的运动副, 求解了3-DOF的自由度。其次介绍了迭代搜索法, 采用此种方法建立并联机器人的工作空间的参数化求解VB界面, 把杆长、基座和动平台作为变量输入到界面就能求解全工作空间, 灵活工作空间和定姿态工作空间。关于定姿态工作空间的求解。同时用拓扑法求解, 证明给搜索正确性。
摘要：本文首先对平面三自由度并联机床的的构型进行分析, 研究了分支运动链机构的型以及组成元素。随后以3-RRR为例, 应用迭代搜索法分析了并联机床的可达工作空间、灵活工作空间以及定姿态工作空间, 建立一种参数化设计界面。
关键词：并联机床,运动学,工作空间
参考文献
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空间机构 篇10
扫描驱动机构作为遥感系统的重要组成部件,用于图像信息的获取。它的质量和运行的可靠性将直接影响遥感系统的寿命与图片质量,以至关系到遥感系统的成败。某卫星要求寿命为三年,因此对转动部件提出了很高的要求,必须高可靠、高稳定。
1 设计输入与约束条件
扫描驱动装置性能指标要求:
转速: 40 r/min
转动惯量: 小于5×10-3 kg·m2
转速周期稳定度:优于 2×10-5
寿命: 考核2年、工作3年
工作环境: 发射时冲击、振动
工作在真空、失重、辐照的环境中
工作温度: 0-30℃
运转温度:-5-45℃
轴承:C10607/28JKX;
供油方式:含油保持架供油
2 轴承润滑方式的选用
润滑系统可以采用固体润滑,也可采用油润滑的方式。由于固体润滑的运转寿命目前还达不到要求(三年运转总圈数108),且固体润滑膜抗发射时冲击振动的能力较差(发射时转动部件不锁紧),以及地面存放环境的影响等因素,故而不采用固体润滑。而我们对油润滑技术已多次在空间成功使用,目前在国内外也已较为成熟,有很好的实践经验和理论基础,所以转动部件采用含油保持架供油润滑方式。润滑油为中国科学院兰州化学物理所研制的114#氯苯基硅油,其主要指标为:
黏度(C.S.,25℃): 155.2
黏温系数: 0.54
酸值: 0.090
饱和蒸气压(20℃) 1.33×10-6 Pa
表面张力: 2.06×10-4 N/cm
3 轴承预载的方式
可分离型角接触轴承使用时必须施加轴向预载,它的作用主要有:
(1)提高轴承刚度;
(2)提高轴承运转精度;
(3)只有正确加载才能保证轴承有满意的使用寿命。
预载可分定位预载和定压预载两种。
3.1 定位预载
其主要优点是可以提高轴承刚度,有利于承受各种力学环境和提高旋转精度。
定位预载的缺点是受温度影响很大,轴承在正常运转时,它的内、外圈是存在温差的;尤其是在高真空、高、低温交变频繁的环境,预载的变化会很大。
角接触轴承其轴向变形量δa(mm)和轴向载荷之间的关系为:
式中Dm为节圆直径,Z为钢球数,α为接触角,FA为轴向载荷。
消除了轴承轴向间隙的情况下,若由于温差或其他因素造成轴承再产生新的轴向形变时,就会使预载明显增加。当然,在形成反向形变时,也可能减小预载甚至造成轴承卸载。
因此,在采用定位预载时要求:
(1)机转子和定子以及轴承最好采用同种材料,至少它们的热膨胀系数不能相差太多。
(2)机装配,在给轴承安装加载垫片,或安装端盖时,应在较低的环境温度下进行。
(3)通过监测电机电流来选定加载量,以高温(40℃)工况时轴承不卸载为原则,尽可能减少预载值,以避免在低温工况时(-5℃)轴承出现过载。
3.2 定压预载
即采用弹性元件产生变形,使轴承承受一定的轴向载荷,它的优点是基本上不受温度变化的影响,缺点是对轴承的刚度提高不大,对此可以采用刚性限位来弥补。
定压预载中弹性元件的变形量可以计算,但其中经验系数不易确定,所以一般可通过实验实测确定。
3.3 轴承预载
为了消除滚珠轴承可能出现的轴向间隙,我们决定采用定位预载,以提供精确的径向定位和轴向定位,提高组件的刚度。
加载值必须选择在合适的范围内。加载过低,钢球会在轴承滚道产生滑动,影响转速稳定度;加载过高,将降低轴承寿命。为使加载值在工作温度内保持基本不变,从而提高其转速稳定度,轴承、衬套、主轴及基座套需选用线胀系数相近的材料。
4 润滑状态及预期寿命分析
4.1 轴承的润滑状态
流体油润滑从本质上讲是在一定条件下,靠摩擦面的运动,用润滑油将两摩擦表面完全隔开。由流体动压力平衡外载荷,将摩擦面间的固体外摩擦转变为流体的内摩擦,称之为流体动力润滑。与固体外摩擦相比,显然流体的内摩擦力小了很多。在完全弹性流体润滑状态,摩擦性质完全决定于流体的特性,而与摩擦面的材料无关。
然而在我们的工况,不可能达到完全弹流润滑状态。这主要是由于我们的工况为低转速、轻载所决定的。因而,只能处于边界润滑状态。若能处于混合润滑状态,已经是十分理想了。
依照近代润滑理论,边界润滑状态也是可行的。同样能达到三年寿命。这是由于在我们所选用的114#硅油及其添加剂中的有机极性化合物吸附在金属表面,形成吸附膜,或者与金属表面反应,生成反应物润滑膜,从而起到润滑效果。此种润滑膜称之为边界膜。
一个油分子的长度平均为2 nm,即使有10个分子层,其厚度和粗糙度相比也不是一个量级,所以边界润滑膜不可能填平金属表面的轮廓峰谷。在法向载荷作用下,峰峰间压力很大,当超过膜强度时,膜被穿破即形成金属-金属直接接触,产生黏附结点。而在峰谷形成微空腔,里面充满了润滑油。当表面相对运动时,由于流体动力作用,也有一定的承载能力。由上述分析可见,边界润滑有两个特点:一是由于有金属黏附结点存在,所以其摩擦系数比弹流润滑要大很多;其二,它具有一定承载能力,但相比弹流润滑要小很多。
图1为摩擦特性曲线,纵坐标为摩擦系数f。横坐标为摩擦副工作参数ην/F,其中η为润滑油黏度,ν为转速,F为载荷。图1中I为边界润滑区,II为部分弹流润滑区或混合润滑区,III为完全弹流润滑区。曲线表明摩擦因素随润滑状态改变的变化特性,在边界润滑区摩擦因素较大。且开始几乎不变,然后随ην/F值增大而线性下降。继又转而上升,在本区有摩擦因素的最小值。当近似成为线性上升时,进入流体润滑区。
显然,即使在边界润滑区我们仍要求有较小的摩擦系数f。这无论是对减小摩擦力矩,还是延长轴承寿命都有好处。这样,就要求金属-金属直接接触区域所占比例尽可能减少。
为此我们必须要求:(1)轴承的表面光洁度要高;(2)边界膜要有足够的强度和厚度。
我们选用的114#硅油,它的表面张力为2.06×10-4 N/cm。对于大多数金属而言,它们的表面张力可达到1×10-2 N/cm以上。因此,轴承滚道、钢球表面与油分子间的黏附功要大于润滑油分子间的内聚功,所以液相与固相间的相互作用足以使液相铺展湿润,这在空间微重力条件下尤为明显。
这样,润滑油在轴承滚道、钢球表面会很快铺开,以致覆盖整个表面。一方面可以形成良好的油膜;另一方面润滑油及其添加剂中的极性物质就可以吸附在轴承滚道和钢球表面形成吸附膜,或者和金属元素生成反应膜,起到润滑作用。不过也会造成润滑油的铺展流失,统称之为润滑油爬移损失,因而有必要采取“防爬”措施。
表面轴承润滑状态的一个重要参数是λ,它为最小弹流动力(EHD)油膜厚度和轴承合成表面粗糙度之比,即
取σ1=0.08,σ2=0.08,而根据弹流理论,最小油膜厚度为
式中 :ф为修正系数;α为黏压系数;μ为平均速度;R为当量曲率半径;Q为滚动体负荷;E′为当量弹性模量。
所以,代入有关参数计算得,h=0.175 μm,λ=1.55。(此处参数值均对扫描电机的轴承C10607/28JKX而言。)
和我们分析的一致,扫描电机轴承处于边界润滑向混合润滑状态转移阶段。由前面分析可知,在我们这种润滑状态,轴承承载能力并不大。如果一旦出现异常受力,就可能导致边界膜破裂,金属与金属直接接触,黏结现象增多会使摩擦力矩增大。同时,在接触区温升加快,使得吸附膜分解或解吸,出现恶性循环,润滑状态迅速恶化。润滑油出现“结胶”现象,最终使轴承卡死。这是我们设计所不允许的。
电机的预期寿命主要取决于其疲劳寿命。轴承的疲劳寿命是相当长的,在低转速条件下应有几十年。在保持架供油充分的前提下,可以达到轴承预期疲劳寿命的100%以上。
另一方面,我们保持架浸油量远大于建立10 μm初始油膜所需的油量,而即使初始油膜厚度为10 μm,则在正常情况下膜厚也要三年以上才降到0.5 μm。此时保持架才开始供油,而这时供油量已足够建立0.0637 μm的油膜。使轴承再在边界润滑状态运转。
4.2 润滑油在空间逸出量计算
扫描驱动系统在空间运行时,油汽会不断地向空间逸出。为限制油汽逸出,扫描驱动系统主轴出口处设计成迷宫结构,使油汽不易逸出。
润滑油在空间逸出量计算式为:
圆形圆环管道流导C1:
矩形短管道流导C2:
串联后的总流导C:
单位时间内通过给定截面的气体量Q:
寿命期内流过截面的气体量G:
寿命期内逸出的气体质量m:
式中:T为温度;μ为气体摩尔质量;R为气体常数;P1、 P2为管道两边的压力;t为寿命时间。
根据上述公式,代入有关参数计算结果为:
从扫描驱动系统主轴出口处,三年时间向外层空间逸出的润滑油总量为1.44 mg。轴承保持架含油大于150 mg、储油器含油大于2 100 mg,远远大于1.44 mg。因此,润滑油汽从主轴出口处逸出,不会影响扫描驱动系统的运转寿命。
5 关于轴承的安装工艺
轴承在装配前的彻底清洗是十分重要的,因为只要有一些极为细小的多余物,对轴承寿命也会造成极大的不良影响,轴承必须经过严格清洗后才能加油装配。必须清除所有无关的物质,如残存的磨屑和残存的液体。将参照风云一号辐射计的清洗工艺。最终的检验项目包括对滚珠轴承的所有表面进行检验。
装机的轴承必须经过严格挑选,检测项目应包括摩擦力矩值、摩擦力矩波动值、钢球圆度、滚道曲率、表面粗糙度以及轴承刚度。
6 结束语
由计算结果分析后表明,扫描驱动机构转动部件轴承润滑设计是可行的,能保证其在空间可靠的运行三年以上。
摘要：介绍一种空间扫描驱动机构中转动部件的油润滑设计,对设计的合理性与可行性进行了理论分析,并确认可以达到设计所需要达到的要求。
关键词：扫描机构,转动部件,润滑
参考文献
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