构型设计（精选12篇）
构型设计 篇1
随着社会的发展和社会的进步, 机械行业需要解决的问题越来越多样化, 同时也对机构构型的设计提出了更高的要求。要解决现实中面临的这些问题, 就需要进行创新设计, 以推动机械业的不断发展和进步。机构构型的创新设计会提高机械的性能, 简化机器的内部构造, 提高行业的工作效率, 降低能耗, 减少污染, 提高机器设备的准确度和精确度, 对整个机械行业的发展中有十分积极的意义。
1 机械机构构型创新设计概述
机械机构仍然是机器的重要组成部分。在现代机械产品的创新开发中, 从原理的构思、运动尺寸的确定, 机器性能的分析以及结构形状的探讨, 无不和机构设计的基本理论和基本方法有着相当紧密的联系。机械机构构型创新设计的目的是按照要求设计出符合条件的新机构, 在总体方案设计阶段突破传统的设计方法, 采用创造性思维, 实现从选型设计向构型设计的转变。机构构型创新设计是一个比较抽象和复杂的设计过程, 在没有任何依据, 凭空设计出一种新机构是非常困难的。所以, 可以采用再生设计的方法来实现机械机构构型的创新设计, 即借鉴和吸收现有的机构设计特点, 运用创造性的思维和方法, 通过类型创新得到新的机构构型。
2 机械机构构型创新设计的原理
2.1 机构组合原理
事实上, 在结构设计中和运用实践中, 运用用单一的机构不能满足要求, 不能完成任务。齿轮机构具有良好的运动性能和动力特性, 但运动形式太简单;棘轮机构尽管可以进行间歇运动, 但他的运动特性太差;连杆机构运动简单, 使用方便, 但是很难实现一些特殊运动规律;凸轮机构可以实现任意运动, 但是行程的可调性太差。所以, 在实际运用中, 单一的机构往往具有自身的缺陷与不足, 而为了弥补各自的不足, 在机构构型创新设计中我们可以把两种或两种以上的机构进行组合, 充分利用各自的性能, 发挥各自的优势, 创造出符合要求的新型机构。
2.2 机构变异原理
这种原理的而基本思路是:首先要确定一个原始机构, 并对该机构的结构组成和功能约束进行分析。然后通过一般化的处理将机构运动简图转化为一般化的运动链。再采取措施使运动链的结构系列化, 即将运动链进行排列组合, 找出其中的不同结构形式。最后按照该机构构型的功能所赋予的约束条件, 演化成众多的再生运动链和相应的新机构。
3 机械机构构型创新设计的原则
机械行业是一个比较古老的行业, 经过其漫长的发展和演进, 已经形成了很多关于机械机构构型设计方面的原则, 这些原则对机械机构构型设计实践重要的指导意义。事实上, 也只有遵循这些基本原则, 才有可能使具有实用价值的机构构型设计得以实现。总的来说, 机械机构构型创新设计的原则包括以下几点。
3.1 缩短机构运动链原则
运动链太长会加大震动, 增加积累误差, 也增加了机械设计的成本。所以, 在机构构型创新设计中, 要尽量缩短运动链, 以减小震动, 减小积累误差, 降低机械设计成本。
3.2 恰当选择运动副原则
运动副是两构件直接接触组成的可动连接, 它限制了两构件之间的某些相对运动, 在机械机构构型设计中常用的是高副和低副。高副和低副各有自己的特点, 低副在接触部分的压强较低, 因而比高副更加耐磨损。在机械机构构型设计中, 要充分认识高副和低副的不同特点, 根据设计的实际需要选择使用, 充分发挥运动副的优势, 取长补短。
3.3 恰当选择原动机原则
原动机是指用能源产生原动力的一切机械, 包括热力、水力、风力、电力发动机等, 机械也需要原动机, 以提供动力, 保障正常的运行工作。在机械机构构型设计中, 要根据机械的具体要求选择适合的原动机, 为了保证机械的正常运行, 在设计中, 可以考虑采用多个原动机, 以保障充足的动力。
3.4 缩小机构的尺寸原则
机构尺寸的大小对机械性能的发挥有着重要的作用。机构尺寸较小, 占用的空间较少, 有利于各个部分功能的发挥和空间的有效利用, 反之, 尺寸较大则不利于机械整体性能的发挥。为了缩小机构的尺寸, 在设计中可以适当的选择凸轮、连杆、滑块等, 以提高空间的使用效率, 增加机械的整体性能。
4 机械机构构型创新设计的实例
4.1 利用组合原理创新设计的机械机构构型实例
设计一个间歇冲压装置并将该装置安装在一条流水生长线上, 同时要求压力符合要求, 结构紧凑, 效率高。该设计方案电动机输出的是旋转运动。连杆1、连杆2和大轮构成凸轮-连杆-滑块结构, 这种机构可以将旋转运动转化为直线往复运动。该设计的直线往复运动由连杆3、连杆4、连杆5构成, 并且这三个连杆与中心呈对称分布满足工作压力的要求。总之, 该机构结构清晰, 将旋转运动变成了直线往复运动, 收到的效果也显著。此外, 该机构拥有两个输出装置的配备, 使得一机两用得以实现, 不仅提高了机构构型的空间利用率, 也有利于加工产品的效率的提高。
4.2 利用变异原理创新设计的机械机构构型实例
为了满足某些工艺的要求, 使机构具有某些特殊性能, 实践中我们可以改变某些机构的结构, 设计出新的机构构型, 如图1所示。该图的左侧为传统的摆动从动件圆柱凸轮结构, 从理论上来说, 除了两个特殊点之外, 摆角越大, 摆杆的准确度越低, 而经过改进后, 凸轮2以角速度ω转动时, 导杆3随着滚子4上下移动。滚子4又带动摆杆5以角速度ωo上下摆动, 与此同时, 摆杆5与摆快6作相对运动, 摆快6和机架1相对转动实现了运动过程的自我调适。该机构弥补了传统机构的缺点与不足, 突破了相对摆角的局限, 并且摆动运动规律, 摆动也十分精确, 是典型的机械机构构型。
参考文献
[1]汪劲松, 关立文, 王立平, 等.并联机器人机构构型创新设计研究[J].机械工程学报, 2004 (11) .
[2]徐涛, 陈义厚.基于机构创新设计的机构再生设计的探讨[J].机械研究与应用, 2007 (5) .
[3]胡健.浅谈机械机构构型的创新设计[J].科技风, 2011 (7) .
[4]黄志, 黄纯颖.机械创新设计[M].北京:高等教育出版社, 2010.
构型设计 篇2
概况： 人教版五年级下数学《公倍数和最小公倍数》
课题：公倍数和最小公倍数
课型方式：平台互动方式
课时安排：1课时
主备教师：张秋梅
目标
1,认识公倍数和最小公倍数，掌握找两个数的公倍数的方法。
2,培养学生运用数学知识发现问题和解决问题的能力。
内容提要
通过解决游戏情景中的问题，学生体会和认识了公倍数、最小公倍数，理解了最小公倍数知识的形成和内部结构特征，学生面对生动有趣的游戏情景，会自觉地调动起已有的生活经验和旧知参与到解决问题的过程中来，会达到事半功倍的效果。
由于学习最大公因数时，学生已经对例举法、集合圈有了认识，学生能独立完成老师的问题，自主探究理解4的倍数，6的倍数及4和6的公倍数和最小公倍数。
这个内容在学生掌握用列举法求两个数的最小公倍数之后安排，A、B两组题分别呈现具有特殊关系的情况，学生求出同一组数的最小公倍数，并找出相同的特点，通过交流、举例内化成求最小公倍数的技能。因为学生已经有最大公约数中特殊关系的知识，能够理解同组两个数之间的特殊关系，以及它们的最小公倍数的规律。
这环节设计让学生应用所学知识解决生活中的、身边的有关问题，让学生认识到数学知识的有用性，培养学生数学的兴趣;学生在操作过程中解决了问题，既锻炼了动手能力，又帮助树立了学好数学的信心。
一、游戏激趣，领会概念
1、师生互动游戏：“我说你做”
学号是2的倍数的同学举左手;学号是3的倍数的同学举右手。
2、观察发现，采访举双手学生：你为什么左右手都举起来?(相机板书题：公倍数和最小公倍数)
过渡：介绍本节课以闯三关，夺取智慧星方式进行。
二、自主探索，交流方法
第一关：殊途同归☆☆☆
你能用自己喜欢的方式找出4和6的公倍数有哪些吗?其中最小公倍数是多少呢?
1、生独立完成。
2、小组内交互，比一比:你们的方法有什么不同?
3、全班交流汇报，归纳总结。
三、合作探究，发现规律，巩固提升
第二关：小猴过河☆☆☆☆
快速找出每组的最小公倍数，并说说你们发现了什么?
2和63和95和20
2和53和114和9
1、四人小组分工合作
2、小组汇报探究成果。
四、学以致用，回归生活
第三关：我的地盘我作主☆☆☆☆☆
上饶县石人中心小学艺术周书画作品比赛获奖作品中，书法作品12幅，规格为长3分米，宽2分米;绘画作品6幅，规格为长4分米，宽3分米。现学校有规格不同的展板若干块，如果你是负责作品展出的老师，你会选择那种展板呢?
1、团队讨论方案，并动手操作试一试。
2、团队展示合作成果，解说方案特征。
五、回顾整理，总结提升。
本节课你有什么收获?
一、游戏激趣，领会概念
1、听+做+看
2、想+说:你为什么左右手都举起来?(强化1次)
二、自主探索，交流方法
1、做+想+说
生独自按自己喜欢的方式表达。(微卡、强化1次、防花架子)
2、想+讲+小动+静
组内交互，比一比:我们的方法有什么不同?(小组+约定+口头表达、强化1次防与学生为敌、防假合作)
3、看+想+讲
根据学生汇报，相机课件演示，预设多个链接(强化4-5次、防形式单一)
三、合作探究，发现规律，巩固提升
1、想+做+讲(小组+约定强化1-2次防假合作)
2、说+听+看(强化2次)
说：你发现了什么规律?
四、学以致用，回归生活
1、想+做(大动+约定)
(强化2次、防假合作防与学生为敌防形式单一)
2、说+听+想(强化2次)
说：你们是怎样想的?
五、回顾整理，总结提升
想+说+听
基于问题解决的图式建构型写作 篇3
【关键词】香菱学诗;写作教学;图式建构;问题解决
【中图分类号】G633.3 【文献标识码】A 【文章编号】1005-6009（2015）18-0026-03
【作者简介】贺克春，江苏省常州市第一中学（江苏常州，213003）教师，常州市语文学科带头人。
《香菱学诗》选自《红楼梦》第48回《滥情人情误思游艺 慕雅女雅集苦吟诗》，是原人教版高中《语文》第六册第四单元“红楼梦”专题中的一篇自读课文，课程改革后，被收入人教版九年级《语文》上册。
鉴于这篇课文在语文教学中的意义，也出于我个人对这篇课文的喜爱，我找来一些关于本文的研究资料以及评论，发现有的重点阐述了曹雪芹的诗学主张，有的探究了黛玉的教学艺术，有的分析了香菱的好学精神等等。而我认为，这篇文章还可以作为诗歌鉴赏、小说阅读以及作文教学的材料。
为了便于学生研读，也为了让学生运用名著解读的方法把思考、探究引向纵深，我印发了《红楼梦》第48回全文给学生，并设计了这样三个问题：①香菱学诗缘何师从黛玉？②林黛玉是怎样指导香菱学诗的？③香菱学诗的过程对我们写作有何启示？问题①立足于小说教学，意在引导学生对课文进行探究性阅读，理解小说的情节发展和人物形象，进而理解课文的思想内容和艺术特色;问题②更多地和诗歌鉴赏复习相联系，尤其是从香菱所做的三首诗能够让学生明白诗歌专题的内容;问题③引导学生结合自己的写作经验思考作文的要义。而在问题解决过程中，学生普遍对第三个问题产生了浓厚的兴趣，讨论中也提出了一些新的问题。
这些问题的提出实际就是学生对《香菱学诗》的阅读认知过程。我们知道，图式实际上是一种关于知识的认知模式，既包含一般所谓反映知识的认知结构，也包含着更为抽象的认知策略，具有整体性，同时也可发展。人在与环境相互作用中，通过同化和顺应来实现与环境的平衡，导致个人内部图式的变化。图式是写作的前提，写作者头脑中缺乏图式，就不可能进行有效的写作。阅读教学中要通过各种方法，建构、巩固并不断丰富学生的图式，为写作打下坚实的基础，在写作教学中积极激发学生已有图式，指导他们进行写作，提高写作水平。为此，笔者梳理了学生问题的关注点，用图式理论加以分析，发现《香菱学诗》不仅能够解决“作文能不能教”的难题，而且还从《香菱学诗》中得到了一些作文秘籍。
一、如何打好精神底子？阅读经典美文，积累语感图式
根据图式理论，写作的过程就是作者按照写作要求，从头脑中提取相关题材语感图式、认知图式（相关题材内容）和心理图式，积极思维、筛选、整合创造的过程。学生在交流中，普遍认为阅读积累是培养语感写好作文的重要途径。这一经验式的认识用王尚文先生的话说就是：“语感图式是语感所由生成的基础，包括许许多多的相互关联相互作用的知识单元。”语感就是对言语对象的一种直觉同化，用语感图式的建构需要言语材料作为基础。“取法乎上，得乎其中;取法乎中，仅得其下。”语感的积累是要靠阅读经典来完成的。
《香菱学诗》中，黛玉深谙其道，给香菱开了书目：“我这里有《王摩诘全集》，你且把他的五言律读一百首，细心揣摩透熟了，然后再读一二百首老杜的七言律，次再李青莲的七言绝句读一二百首。肚子里先有了这三个人作了底子，然后再把陶渊明、应玚、谢、阮、庾、鲍等人的一看。你又是一个极聪敏伶俐的人，不用一年的工夫，就不愁不是诗翁了！”
阅读一流作品，学不到一流也可成二流。王维五律第一，杜甫七律第一，李白七绝第一，学一流的诗，再加上“建安七子”“竹林七贤”这些名家大腕、诗坛巨匠，真是风格各异，变化万千。从数量上看，恐怕也有上千首。肚子里有那么多名家大腕的作品作底子，细心揣摩透了，领悟到名家之神韵，自然会有直觉同化的感悟，获得语感图式。
以阅读带动写作，帮助学生积累写作素材，感悟语言文字，揣摩写作技巧，借鉴文中的生动语段及典故，达到“胸藏万汇凭吞吐，笔有千钧任翕张”的境界，有利于学生作文图式的形成。
当香菱读完了王右丞的五言律送书时，就“领略了些滋味”，并描绘出“大漠孤烟直，长河落日圆”及“渡头余落日，墟里上孤烟”的景象：“我看他《塞上》一首，那一联云：‘大漠孤烟直，长河落日圆。想来烟如何直？日自然是圆的。这‘直字似无理，‘圆字似太俗。合上书一想，倒像是见了这景的。若说再找两个字换这两个，竟再找不出两个字来。再还有‘日落江湖白，潮来天地青：这‘白‘青两个字也似无理。想来，必得这两个字才形容得尽，念在嘴里倒像有几千斤重的一个橄榄。还有‘渡头余落日，墟里上孤烟：这‘余字和‘上字，难为他怎么想来！我们那年上京来，那日下晚便湾住船，岸上又没有人，只有几棵树，远远的几家人家作晚饭，那个烟竟是碧青，连云直上。谁知我昨日晚上读了这两句，倒像我又到了那个地方去了。”
如此体味说明，香菱原本不具备很深的诗的修养，在大量阅读经典后，也具有了一颗善感的诗心，水平大有长进，为她将要进行的创作奠定了基础。可见，品味的过程是学习别人长处的过程，是用自己的主观感受去分析了解作品的过程，同时也是消化吸收的过程。
从黛玉指导香菱打阅读精神底子的阅读体验中，我们认识到，有效的作文教学不能离开对学生阅读状态的指导和语感图式的建构。作为教师，要能像林黛玉一样向学生推荐适合他们阅读的名篇佳作，起点高，才能进步快。实际教学中，我们可以指导学生做“专题阅读”，开展读写经验交流课、研究性阅读交流课等。此外，我们还可以依据读写结合的原则，将阅读教材挖掘开发为作文教学教材，编制与阅读课本（读本）匹配的写作“习本”，使阅读教学与写作教学同步，最大限度地发挥阅读教材对作文教学的指导作用，以读带写，以读促写，构建读写结合的认知结构，逐步形成认同的作文图式。
二、如何放开胆子去作文？修改与重写，构建认知图式
作文认知图式的构建强调读写结合。读，是信息输入;写，是信息输出。从本质上说，阅读与写作是同一心理过程的正反逆向，在这一过程中都需要激活头脑中已有的图式。作文教学，有“作文学习的准备”和“文章写作的过程”。作文过程，是主体与客体相互作用，将一系列知识形成经验行为以及行为潜能的过程。作者的已有知识在写作过程中起到了重要作用，作者拥有的与篇章内容相关的背景知识或先存知识（即图式）越丰富，他们的写作能力越强。
《香菱学诗》中，写作知识图式对香菱学诗产生了重要影响。黛玉对香菱说：“若是果有了奇句，连平仄虚实不对都使得的。”香菱说：“如今听你一说，原来这些格调规矩竟是末事，只要词句新奇为上。”黛玉又说：“正是这个道理。词句究竟还是末事，第一立意要紧。若意趣真了，连词句不用修饰，自是好的，这叫做‘不以词害意。”这里曹雪芹借黛玉之口指出了作文的三种境界：规矩、词句、立意。
立意就是文章所要表达的情感和见解，这是文章的第一要务。立意高远，即使语言平淡，一样可以打动读者。具备了这些知识，要想提高写作能力必须勤于练笔，在不断的写作训练中提高写作水平。
光靠看别人的文章是无法从根本上提高自己的作文水平的。一定量的写作训练是提高作文水平的不二法门，修改与重写的训练效果最为明显。黛玉出个题目叫香菱去诌，就是叫她练笔。循循善诱，同一题目竟让香菱写了三次才满意。第一首“措词不雅”，第二首“过于穿凿”，第三首“不但好，而且新巧有意趣”。其实林黛玉教香菱的这一写作方法就是大胆尝试，放开胆子去写。一题多写，反复修改重写，在写作体验中不断完善写作知识图式。
唐彪说：“文章不能一做便佳，频改之方入妙耳。”验之香菱，可知此话不虚。可见，修改与重写尤为重要。实践也证明，反复修改是提高写作水平的有效途径。从认知角度看，作文教学就是帮助学生正确选择图式、灵活运用图式、不断构建图式的过程。写作的过程就是作者按照写作要求，从头脑中提取相关语言图式（语言基础知识）、内容图式（相关题材知识）和形式图式（体裁及语言特征），积极思维、筛选、整合、创造的过程。整个写作过程都是在不断提取相关图式知识，选定合适的语言、体裁、词汇、句式结构等，不断推敲、反复修改中进行的。
但是现在我们很多语文教师按照辅导、批改、点评这样的过程重复进行，学生按照老师的要求每学期完成规定次数的作文练习，大多数学生的作文只是机械应付，往往在上一篇作文中出现的错误和不足之处，在下一篇中会同样出现。怎样才能很好地解决这一问题，其实香菱“一诗三作”的做法值得借鉴。对于存在这样或那样的问题的作文，应该让学生针对问题进行修改，通过修改来纠正作文中出现的错误，对不足之处留下深刻的印象，强化对作文存在问题的认识。若有必要，还可以重写。如果一遍写不好，就写第二遍，写第三遍，直到写好为止，使学生主动地构建写作认知图式，不断完善认知图式，从而为有效写作打下坚实的基础。
三、香菱梦中得诗是偶然吗？同化和顺应，构建心理图式
在《红楼梦》中，香菱的第三稿系梦中所得：“精华欲掩料应难，影自娟娟魄自寒。一片砧敲千里白，半轮鸡唱五更残。绿蓑江上秋闻笛，红袖楼头夜倚栏。博得嫦娥应借问，缘何不使永团圆！”这首诗句句写月，又句句写离别，最后更在对嫦娥的发问中融入了作者孤单无依的感情——这是她自三岁离开父母到现在十多年间一直蕴含在心头的感情。有了这种感情，诗中也就有了作者的自我形象，于是望月而生“魄自寒”之念，再到月下之景——“砧敲”“鸡唱”“闻笛”“倚栏”，几乎无一不引起她的故乡之思和自伤身世的凄凉之意，的确是耐人寻味，获得了众姐妹“新巧有意趣”的称赞。
但这果真是梦中偶得吗？非也。作诗，属于心智活动范畴，不是纯粹的技术性操作，其主要材料是生活、语言与情感。习作者接受新的写作知识，不是采取直接灌输一些写作的概念和技法能够奏效的，而是习作者在与环境的相互作用中，通过同化和顺应来实现与环境的一种心理平衡，导致个人心理图式的变化。认知心理学认为心理图式具有变量，变量的具体化具有同化新知识和顺应新情意的作用。从人的写作转化原理来看，一篇好的习作的诞生，要经过“知—情—意—文（言）”的多重转化，也就是写作主体感知客观事物后，产生感情体验，然后转化为大脑的主观感受，再通过头脑的加工提炼转化为较为深层的认识，最后再经过文字加工转化为语言文字，才会成为一篇文章。
香菱在经过初步学习之后，作了一首由黛玉命题、限韵的咏月诗，黛玉的评语是“意思却有，只是措词不雅”，这恐怕是为了不打击香菱写诗的积极性。在传统作文教学中，学生常常处于被动应付的位置，畏惧写作，把写作当痛苦的事，因此作文缺乏自主性，为写文而写文，缺少自我。作文心理图式的建构中要让学生把自我放进作文里去，要写出自己的真实想法和心声，要让文字负载思想的泪与笑，承托作者的内心世界与情感。
再看香菱写诗的过程：“苦思一回作两句诗，又舍不得杜诗，又读两首。”从这里可以看出这诗的失败，在于香菱说的不是自己的意思，所以林黛玉又指出：“皆因你看的诗少，被他缚住了。把这首丢开，再作一首，只管放开胆子去作。”黛玉这种情境命题、认知策略的指导值得借鉴，应该充分考虑“多重转化律”和“螺旋上升律”，既注意调动学生的作文兴趣与热情，又在生动的图式作文教学情境中教会他们从“知”到“情”、从“意”到“文”的作文转化规律。
潘新和教授在《语文：表现与存在》中指出过“为文三境界”：快乐—痛苦—彼岸的幸福。他说：“快乐，只能说是最低的写作境界;痛苦，对于写作上成长的意义，比快乐要大得多。”香菱因为要写“咏月诗”，冥思苦想，坐卧不定，茶饭不思，连做梦还在写作，兴趣之浓让人感动。她的前两首诗失败了，依然能够“苦志学诗”，继续苦思，改变旧的认知图式，经过“知—情—意”的多重转化，找到突破口，同化新知识，形成一种作文心理图式，写出个性化的深刻的自我，用孙绍振教授的话说叫做“超越自我”，终于在梦中灵感闪现，写出了成功之作。如果第一首失败了就放弃不写，香菱就一辈子也学不会作诗。可见，对于一个习作者而言，更需要建立的写作观念不是表层的快乐，而是痛苦，或是说是快乐与痛苦同在，从艰苦的劳动中获得深层的精神愉悦，这就是写作心理图式形成的过程。
本文只是基于学生关注的几个问题从作文图式建构的角度，来分析作文不仅能教而且还能教好的论题，以期给当下作文教学带来一些启示。其实，“香菱学诗”这一精彩片段可供我们探讨的东西还有很多，值得同行继续关注、研究。
【参考文献】
[1]王尚文.语感论[M].上海：上海教育出版社，2000.
[2]潘新和.语文：表现与存在[M].福州：福建人民出版社.
构型设计 篇4
1.1 建立评价指标映射体系
将夹钳机构构型作为一个系统来研究,其结构配置可描述成:
Z={夹钳形状,夹钳材料,钳头,钳臂,夹钳支架,连杆,滑块,拉杆,约束杆,其他}。 (1)
但是作为企业用户,一般不具备该行业的专业知识,不能明确地通过这些结构配置参数来选择合适的构型。为了更方便快捷地让企业用户了解夹钳的各项性能,同时也为企业选择性能合适的夹钳提供依据,我们将结构配置参数与用户需求做一个映射,如图1所示。
可以看出,通过建立夹持机构工程结构配置参数与用户性能需求指标映射体系,使得可能选择的参数表达更清楚易懂,便于企业用户针对不同需求做出选择。
1.2 夹钳机构构型优选流程
模型优选可以看成是从企业需求到企业配置再到工程配置的一个映射过程,企业用户配置的选择设计应尽可能地反映用户的个性化需求,为了避免企业用户在选择配置的时候接触不了解的夹钳配置参数,采用上述得出的用户性能指标需求作为选择参数来进行优选。夹钳机构性能优选流程见图2。
针对现有的几种夹钳构型,根据定制需求选择一种最合适的构型来最高限度地达到用户需求,备选集为U={夹钳用户性能需求指标},评价集为V={最需要,较需要,需要,欠需要,不需要}。根据夹钳机构自身的特点,将性能指标分成不同的等级进行量化,并给出统一的标准分值,见表1。
1.3 取向矩阵的建立及综合性能计算
重载夹钳机构是由很多零部件配置组装而来,每个部件的选择也会相应地对夹钳机构的性能有着不同的影响,并且各性能之间也存在着多重相关性和不确定性。为了满足企业用户的不同性能需求,要以用户性能需求为取向,选择优选部件配置,建立性能取向矩阵模型,在满足用户需求的性能基础之上选择综合性能最优的夹钳机构构型。
(1)根据企业需求,为夹钳机构构型配置域上每个可选零部件建立一个零部件性能指数向量c=(c1,c2,c3,…,cm)T。其中,cm为此零件对应于性能指标评价体系中的m性能的贡献度,其值可以通过实验或者专家评价得到。对某性能有正面最大影响的得5分,负面最大影响的得-5分,0表示对某项性能没有影响,其余的得分多少需要在(-5,5)中按照差距的大小进行内插法评分。
(2)为了反映各指标因素的重要程度,以改进的层次分析法为基础,建立各个构件因素对性能影响的判断矩阵组,同时按照用户的性能取向信息,综合得到部件i对综合性能影响的权重系数ai(i=1,2,…,n),通常要求ai满足ai≥0、∑ai=1。于是,由各权重ai组成结构配置上的一个模糊集合Q,称Q为配件权重向量,Q=(a1,a2,a3,…,an)T。
(3)计算夹钳机构综合性能指数(GPI),选择综合性能指数最大的解为构型优选的最优解。由于夹钳机构构件较少,且各部件之间有一定的约束限制,因此可以利用穷举法,举出所有不受约束限制的夹钳结构配置组合,生成夹钳配置向量F=(f1,f2,f3,…,fn)。
由于集合中每一个构件对应一个性能指数向量,则相应的夹钳性能取向矩阵即n种部件在m项性能指标下的性能表现可表示为:
undefined
。
则夹钳机构的综合性能向量为:
GP=P·Qundefined。 (2)
2夹持机构构型性能验证
现以夹钳机构构型为例进行分析验证。夹钳机构配置为{钳头,钳臂,夹钳支架,连杆或滑块,约束杆},用户的性能选择配置为{承载能力,灵活度,顺应性,经济性,结构简便性}。根据表1的评价标准,分5级(0,1,2,3,4)量化性能需求,0表示没有需求,即需求取向性最弱的性能可赋予量化指标为0,相应的4表示取向需求性最强。甲用户对夹钳机构的承载能力及经济性要求较高,因此性能需求量化指标可表示为Z甲=(4,2,1,3,1),将其归一化处理可得Z甲=(0.364,0.182,0.091,0.272,0.091);乙用户对夹钳机构的灵活性能及承载能力要求较高,因此性能需求量化指标可表示为Z乙=(3,4,1,2,2),将其归一化处理可得Z乙=(0.250,0.333,0.083,0.167 7,0.167 0)。根据改进的AHP理论,建立基于性能需求取向的综合性能—性能—结构部件(A-B-C)的3层递阶结构,根据甲用户及乙用户的性能需求指标分别计算综合权重,结果见表2。
则用户甲和用户乙结构配置权重向量为:
Q甲=(0.203,0.251,0.241,0.186,0.119)T,
Q乙=(0.226,0.278,0.179,0.220,0.097)T。
可供选择的夹钳机构构型为以下几种配置:
(A)压杆式夹钳=(115°钳口,压杆式钳臂,半封闭式支架,连杆,约束杆);
(B)拉杆式夹钳=(90°钳口,拉杆式钳臂,封闭性支架,连杆,无约束杆);
(C)滑块式夹钳=(115°钳口,滑块式钳臂,外露式支架,滑块,有约束杆);
(D)压杆式夹钳=(90°钳口,压杆式钳臂,半封闭式支架,连杆,无约束杆)。
相应的产品性能取向矩阵为:
将Q甲、PA、PB、PC、PD代入夹钳机构综合性能计算公式(2),通过计算可求得甲用户的综合性能向量:GPA=5.73,GPB=4.209,GPC=4.257,GPD=5.695。
将Q乙、PA、PB、PC、PD代入夹钳机构综合性能计算公式(2),通过计算可求得乙用户的综合性能向量:GPA=6.03,GPB=4.592,GPC=4.229,GPD=6.062。
由于Q是在综合了用户的性能需求的基础上得出来的,因此在不同的客户性能要求下,我们可以选择其中较大的作为最优构型推荐给用户,以满足其对某些性能的特殊要求。通过上述的综合性能指数计算,在甲的性能需求下,GPA>GPD>GPC>GPB,因此选择A构型可以最好地满足甲用户需求;同理,在乙方的性能需求条件下,GPD>GPA>GPB>GPC,因此选择D构型可以最大限度地满足乙用户的需求。
3结论
本文提出了夹持机构构型优选方法,以模糊层次分析法为基础,构建夹钳性能评价指标体系,与夹持机构结构配置参数建立映射关系,根据用户的性能需求指标量度,建立性能取向矩阵,然后以夹钳机构综合性能指数(GPI)为依据,对构型方案进行排序。最后以现有的几种夹钳实例进行了验证分析,确定最优的夹钳构型。按照优选的构型可以最好地满足用户的需求,此方法避免了构型选择的盲目性,提高了夹钳机构的实用性,也为以后大规模地建立夹钳机构模型优选网络系统提供了理论基础。
摘要：为了满足客户对夹持机构性能的不同需求,并使系统能够对不同构型的夹钳性能做出评判与决策,以模糊层次分析法为基础,建立夹钳机构综合性能评价指标体系,构造了夹钳不同性能取向矩阵,并引入产品性能综合性能指数,提出了在用户性能要求已知的情况下模型优选的新方法。以现有的4种夹钳结构为例,针对不同客户的性能需求,通过综合性能指数计算验证了此方法的可行性。
关键词：夹持机构,模糊层次分析法,取向矩阵,模型优选
参考文献
[1]聂荣光.转动副摩擦对巨型重载夹持机构承载能力影响研究[D].长沙:中南大学,2008:15-45.
[2]杜栋.现代综合评价方法与案例精选[M].北京:清华大学出版社,2005.
[3]陈守煜.工程模糊集理论与应用[M].北京.国防工业出版社,1998.
[4]庞彦军,刘开第,张博文.综合评价系统客观性指标权重的确定方法[J].系统工程理论与实践,2001(8):37-42.
[5]刘松柏,邓华,何竞飞.重载夹持装置动态提供的夹持力建模与承载能力分析[J].现代制造工程,2009(10):25-29.
[6]He Jinfei,Deng Hua,Fu Weikang,et al.Thetransform of the topological structure of the huge heavyloading gripper device and its optimization[G]//Mathematics Methods in Engineering InternationalSynposium.Spain:[s.n.].2010:514-525.
[7]何竞飞,陈艳,邓华.巨型重载夹持装置反作用力响应盲区和承载能力的研究[J].机械设计,2009(2):55-58.
[8]牛占文,孙立,郭伟.基于兴趣取向模型的个性化定制研究[J].计算机集成制造系统,2006(12):2057-2061.
[9]王爱民,肖田元,孟明辰.面向大规模定制的配置设计技术研究[J].计算机集成制造系统,2004(11):1326-1331.
构型设计 篇5
关键词：文化构型范式;领导权;当代文化;结构关系
中图分类号：I206文献标识码：A
文章编号：1003—075103—0135—04
一、“权力”问题与威廉斯的文化构型范式
西方文化理论的一个重要特征是关注“权力”，通过“权力关系”思考社会。文化研究所取得的一些突破，在很大程度上与对“权力”理解的深化有关。
在古典政治理论中，以17世纪的霍布斯为代表，一向把权力看成是为了巩固政权、实现统治而实施的强制性、压迫性的力量，权力被视为某种无形的实体，通过具体的统治工具和统治行为得到体现，与政权、暴力和国家机器联系在一起。这种观点往往强调权力的控制性特征和权力关系双方的不平等性。
20世纪，社会学家帕森斯则指出，权力是协调集体行动的一种能力，它“被用于动员社会资源，以实现经过社会成员广泛认同的目标。”①这种观点的启发性在于，它表明权力并不必然与暴力结合在一起，权力的出现是人类社会化和协调集体行动的必然产物。与霍布斯的观点相比，帕森斯的权力观显然更为深入。不过二者的相似之处在于都把权力视为某种实体，某种自上而下的力量，权力发生作用的过程是单向传导的。
法国后现代主义理论家福柯则认为，权力是一种关系，权力是多种力量因素博弈的体现，“就权力的存在形式而言，它始终都是以两个因素以上的相互关系所组成的网络。”②福柯指出，权力不仅仅体现于传统意义上的政治领域，如法律、国家机器等等，权力无处不在，“它每时每刻、在每一点或者说在每一点之间的相互关系中都会生产出来。”③福柯对权力的研究，有意避开国家政治权力等中心化了的权力，他说：“重要的是权力的极限，在它的最后一条线上抓住权力，那里它变成毛细血管的状态;也就是说，在权力最地区性的、最局部的形式和制度中，抓住它并对它进行研究。”④福柯的研究剖析了知识谱系与权力的关系、权力对身体的规训、性经验史中的权力运作等等，揭示了权力对人类生活各个领域无所不入的广泛渗透，彰显了权力关系无处不在的事实。
社会发展的形态越高、统治技术越发达，权力对日常生活诸领域的渗透就越深入、越普遍，日常生活领域权力斗争的重要性也就相应益发凸显。当代社会权力对日常生活的全面控制，主要是通过话语实践和意识形态进行间接操纵的，一般诉诸文化手段，权力关系的表现往往更隐蔽，更曲折。因而，分析文化领域里的权力关系，尤其是当代中国文化领域里的权力关系，就成为一项很有意义的工作。
作为理论上的准备，这里有必要引入国际著名文化研究专家、英国当代最富于影响的学者雷蒙?德•?威廉斯的文化构型范式。威廉斯把一个时代的文化区分为主导文化、新兴文化和残余文化，借助“领导权”(hegemony)概念来分析三种文化之间的权力关系，以此来理解文化的总体性结构和文化领导权的建构与保持过程。⑤吴冶平把威廉斯对文化总体性结构的分析称之为“文化的三元构型”⑥。在威廉斯的三元文化构型范式中，彰显了文化领域内不同文化力量之间的主导与从属关系，把主导文化对从属性文化的吸收、利用表述为收编：文化领导权是通过主导文化在文化领域内的主导性地位实现的，但是主导文化决不是总体性和完全排他性的，社会中总是存在着竞争性和替代性的其他文化力量;残余文化不同于过时的文化，指的是形成于过去、但又有效地作用于当下的文化因素，它与主导文化可能处于对立或者替代的关系，但是更多情况下则接受了主导文化的收编;文化上的新兴因素有两种来源——新兴的阶级或者边缘化的社会领域，新兴文化可能会被收编，然而通常情况下，被收编的往往是新兴文化的仿品。
威廉斯的文化构型范式主要用于共时性的时间横截面上，以理解特定历史时期文化领域内围绕领导权所展开的权力关系结构，同时这一范式也引入了历时性的维度，有助于理解主导文化如何通过对残余文化和新兴文化的收编，建立一种具有高度选择性的历史传统，从而使自身的主导地位合法化，并得以动态性地建构和保持文化领导权。
二、中国当代文化构型
借鉴西方对“权力”问题的思考以及整理威廉斯的文化构型范式，可以尝试分析中国当代文化领域内以领导权为核心所展开的权力关系，从而实现对当代文化的总体性结构进行动态的和历史的分析。这对于正确认识和把握我国文化领域的现状，无疑具有重要的意义。不过需要指出的是，灰色的理论框架永远也无法全面覆盖多彩多姿的现实，即便是一个有着较强效力的理论工具，也只能在一定的、并非完全的程度上解释现实，因而分析中国当代的文化构型，其要旨不在于选择部分事实以迎合理论，而在于尊重现实，如实展示现实与理论的冲突或歧异之处。
根据笔者的观察和分类，中国当代文化的主要构成力量大致包括主旋律文化、大众文化、学院文化和民间文化。除此之外其他类型的文化力量，或者传播范围太窄，或者接受群体规模过小，或者其社会影响力可以忽略，因而就不再纳入以下的分析。
参照威廉斯的三元文化构型，在中国当代文化的总体性结构中，处于主导文化地位的显然是主旋律文化。所谓主旋律文化，是指党和国家倡导的文化，即代表主流意识形态基本价值的文化。在不同的历史时期，党和国家领导人对主旋律的要求和标准曾以不同的措辞进行过表述。毛泽东早在1942年《在延安文艺座谈会上的讲话》中，就曾经要求文艺工作者解决立场问题和服务对象问题，要求他们“站在无产阶级的和人民大众的立场。对于共产党员来说，也就是要站在党的立场，站在党性和党的政策的立场”。江泽民在全国文代会作代会上的讲话中要求文艺工作者“坚持以马克思列宁主义、毛泽东思想、邓小平理论为指导，贯彻‘三个代表’”……要求“坚持为人民服务、为社会主义服务的方向”……“弘扬主旋律，提倡多样化，积极宣传爱国主义、集体主义、社会主义思想”。现任国家主席胡锦涛在全国文代会作代会上的讲话中则明确提出：“繁荣社会主义先进文化，建设和谐文化，为构建社会主义和谐社会作出贡献，是现阶段我国文化工作的主题。”从以上诸位领导人的讲话中看出，主旋律文化的特征是：政治正确，符合党和国家在不同时期的发展方向和历史任务。主旋律文化规定着国家文化发展的方向，体现了党和国家的意志。在文化实践中常常出现的问题是，文学艺术产品的生产往往有其内在的创作规律，政治正确并不能保证文化产品本身对受众具有足够的文化吸引力，因而主旋律文化的生产必须通过政策和资金扶持手段，借助于对其他类型的从属文化的限制、吸收和利用，用威廉斯的措词来说，就是对各种类型的从属文化进行“收编”。
在主旋律文化之外，大众文化、学院文化和民间文化都属于从属文化。在这三种从属文化中，最有影响力的是当代大众文化。大众文化是一个被广泛使用的概念，关于“大众文化”(mass culture)的提法，通常被与法兰克福学派的“文化工业”概念联系在一起。阿多诺与霍克海默在《启蒙辩证法》中首次使用了“文化工业”(culture industry)一词，用以表述“大众文化”。之所以使用“文化工业”一词，阿多诺在《文化工业再思考》中进行了解释，“在草稿中我们用‘大众文化’。我们之所以用‘文化工业’取代‘大众文化’是为了从一开始就排除与它的鼓吹者相一致的那种解释;这里有点像从大众本身自发产生的文化问题”⑦。显然，阿多诺想要强调，“大众文化”并非是大众当中自发产生的文化，“大众文化”的生产与大众无关。20世纪的文化生产已经蜕变成一种与工业生产类似的产业，进入了文化工业阶段，文化产品很大程度上已经彻底商品化。法兰克福学派批判这种大众文化乃是一种无深度、同质化的文化，它麻痹大众的思想，灌输特定的观念和思维模式，使大众丧失独立的思考能力和批判能力，视现实秩序为理所当然，成为马尔库塞所说的“单向度的人”，大众文化因而成了一种意识形态统治工具。当代文化理论家费斯克对大众文化有不同的评价，他以popular culture来表述“大众文化”，他强调大众对文化的接受过程，文化必须得到大众的接受才能在大众中流行(popular)，才能真正成为所谓的大众文化，费斯克强调大众在文化产品接受过程中的意义再生产，认为大众可以有效地在文化接受过程中进行抵抗，他们“将文化商品变成了一种文化资源，还使文化商品提供的意义和快感多元化，它也规避或抵抗文化商品的规训努力，裂解文化商品的同质性和一致性”⑧。费斯克其实并未否定法兰克福学派关于大众文化作为一种文化工业的判断，二者的区别在于，法兰克福学派强调的是大众在文化商品的生产过程中是无能为力的，悲观地批判它对大众的麻痹作用和意识形态控制作用;而费斯克强调的却是大众在文化商品消费过程中仍然具有能动性，可以进行意义的再生产，因而他认为大众文化中蕴含着丰富的民主政治潜能。
大众文化是中国当代所有文化类型中影响范围最广泛的文化，这与中国20世纪80年代以来迅猛的城市化进程以及广播、电视和互联网的高速发展密切相关。城市化的工作生活方式和由此带来的较高的文化教育水平，成为支撑大众文化的最肥沃的土壤。有趣的是，作为中国当代影响群体范围最广泛的文化，大众文化并不是中国的主导文化，它现如今的巨大规模和影响力，是在尊重主旋律文化之主导地位的前提下、自觉保持文化从属姿态才取得的。如果参照威廉斯的三元文化构型，大众文化作为一种从属文化，应当归类到新兴文化之中。
从中国当代大众文化的实践来看，一方面，作为文化产业，为了实现利润的最大化，它不得不在内容上削足适履，以求讨好尽可能多的受众，所以确实存在着法兰克福学派所批判的缺乏深度、肤浅化的问题。以代表电视文化深度之可能性的《百家讲坛》为例，作为一档追求收视率的电视文化讲座节目，它为了追求内容的通俗，从一开始就无法走纯粹学术的路线，因而其最终的效果至多也就止步于历史故事猎奇与普及素质教育之间而已。大众文化想要做出深度，确实很难，因为时刻会有曲高和寡的危险。另一方面，大众文化又可以为主导文化所用，以之为意识形态载体，使之发挥弘扬主旋律的作用。近几年电视剧红色经典题材流行，在成功完成商业利润的同时，迎合了主旋律文化的需要，在塑造革命历史传统和巩固政权合法性方面发挥了重要的社会作用。大众文化与主旋律文化实现了合作双赢的局面。
第三种重要的当代文化类型是学院文化，其主要覆盖范围是高校与科研院所。学院文化是一种非常复杂的文化综合体，很难将其按照威廉斯的文化构型范式予以归类。一方面，学院文化具有残余文化的性质，它是传统文化的传承者，由于20世纪60年代的文化政策，中国传统文化的传承出现了很大问题，目前延续与推动国学的力量，主要在高校与科研院所的文化圈。另一方面，学院文化也具有新兴文化的性质。高校与科研院所的存在意义就在于生产知识和传播知识，学术研究本身就具有文化创新的特征。除此之外，中国的学院文化还坚持了主旋律文化的导向。中国的高校教育，始终把社会主义主旋律教育放在首位，政治课是中国的本科生、硕士生、博士生的必修课程，其主要内容就是中国革命史教育、马克思主义思想等。所以，学院文化本身就构成了一个微型的三元文化构型，其中体现了主导、新兴与残余文化的权力结构关系。学院文化的影响范围貌似仅仅局限于群众基础并不广泛的学界，但其社会影响的深度和扩散力却不容小觑。首先，它影响了文化精英群体，这些群体有着强大的社会影响力;其次，随着高等教育的普及，意味着大多数人都将会在人生的至少若干年内进入高校，从而受到可能伴随其一生的影响。
第四种文化类型是民间文化。随着中国城市化进程的全面展开，农民越来越多地转变成市民或者准市民，中国原有的乡土民间文化开始逐渐萎缩，而新兴的市民文化却得到了迅速的发展。大部分乡土文化历史性地注定是一种逐渐走向消逝的残余文化，比如东北的“二人转”，在经过商业包装之后，走文化工业的路线，一度风靡全国。但是应当注意到，在这一过程中，乡土民间文化本身只是文化工业生产的一种资源，随着它所产生的文化土壤——乡村——的萎缩，它自身正在日益失去整理创作的来源和生命力，借助于文化工业所取得的短暂辉煌，恰如告别历史舞台最后时刻的昙花一现。民间文化的另一支——市民文化，则是一种充满生命力的新兴文化，其兴也勃，其运也昌。中国当代市民文化的兴起伴随着互联网技术在世界范围内的传播和成熟，这使得中国当代的市民文化具有鲜明的时代特征。具体来说，当代市民一般喜欢“宅”在自我封闭的物理空间里，通过网络以间接的、并非面对面的交流方式共享集体生活，网络论坛、Q群、MSN等虚拟空间正是适应这种新型民间文化的产物。这种新型民间文化的力量是惊人的，它不但可以娱乐大众，而且还可以成为民主参与政治的一种有效途径。像南京最牛房管局长周久耕事件，“华南虎照”事件，市民通过网络所表达出的舆论导向直接影响了事件本身发展的进程和结果，以网络为载体的市民文化的力量得到了令人惊讶的展示。
三、结语
理论有其局限，国情有所不同，以西方文化理论来释读中国当代文化，本身就是一次学术的冒险，但是这种冒险是值得的。以领导权问题为核心，借鉴威廉斯的文化构型范式，可以较为清晰地理解中国当代文化的总体构成状况，以及主旋律文化、大众文化、学院文化和民间文化之间的主导从属关系。从前文的分析可见，主旋律文化本身的社会作用主要在于示范作用，其背后的政策与财政支持，是维持其主导地位的必要保证，由于它的功能是为社会的发展标示政治正确、积极向上的文化导向，因而不能用经济效益来衡量它的效果，更要看到它所产生的政治效益和社会效益。大众文化本身以利润为导向，具有浅表化的特征，但是如果引导得当，完全可以为主旋律文化所用，使之产生良好的社会影响。学院文化是继承传统、启接未来的一种综合性文化类型，为国家未来的发展提供了最强劲的文化动力，既需要国家在财政方面的大力扶持，也需要给予自由思考的空间，以提升其创新性能力。新兴的市民文化以网络为舞台，展示了令人瞩目的巨大潜能，它既可以成为民主监督权力的制衡力量，也可能会被别有居心者利用，煽风点火，利用舆论实现某些目的，如何善加引导，使之健康发展，这将是一个值得思考的重要问题。
注释
①Parsons,T.:Structure and Process in Modern Societies,New York:Free Press,1960.
②高宣扬：《当代社会理论》，中国人民大学出版社，，第294页。
③乔治•瑞泽尔：《后现代社会理论》，谢立中等译，华夏出版社，，第90页。
④米歇尔•福柯：《必须保卫社会》，钱翰译，上海人民出版社，。
⑤Raymond Williams:Marxism and Literature,Oxford University Press,1977,P121-127.
⑥吴冶平：《雷蒙德•威廉斯的文化理论研究》，甘肃人民出版社，20，第204页。
⑦马丁•杰伊：《阿多诺》，中国社会科学出版社，1992年，第183页。
结构型理财产品:挂钩趋向简单化 篇6
不过，对于结构型理财产品，投资者也大可不必全盘否定。观察近年来发行的结构型理财产品，我们可以发现，产品的结构日趋简单化，同时保本型产品在结构型理财产品中占了较大的比例。假使对产品的判断得当的话，投资者可以在保本的基础上获得较高的收益。如2011年上半年到期的银行理财产品中，收益率居前的十款产品中，不少就是结构型理财产品。
首选收益实现概率大的产品
对于结构型理财产品的选择，深圳发展银行上海分行的王凯涛博士建议，由于结构型理财产品的挂钩资产五花八门，从股价指数、外币期权到利率、汇率、信用等，投资者们应当选择自己较为熟悉的挂钩资产。 他指出，在投资之前，投资者应先对该挂钩资产有基本的认识，慎选符合自己对市场走势看法的产品。
学会阅读结构型产品的合约细则，则是回避结构型产品风险的最重要方法。投资者在选择产品时，面对充满专业术语或设计复杂的合约产品时，通常是一知半解。对于一个标准的结构型产品应当揭示的内容，王凯涛为投资者总结如下：
通过了解产品合约，投资者能够大致了解到整个投资内容和运作的过程。投资者可对收益率的实现路径进行具体的分析。一些结构型理财产品的预期最高收益率往往比较高，也成为了产品销售时的主要噱头。但是，预期最高收益率一般都需要满足较为严苛的前提条件，很多情况下，这些预期最高收益率更像是“水中月”。比较之下，一些预期收益率不惊人，但实现事件发生的概率较大的产品，才应当是投资者的首选。
关注流动性和汇率风险
今年6月，银监会再次发文，对商业银行理财产品销售规范进行了更加具体的规定。大部分结构型理财产品使用了保本设计，这既是一个安全保护手段，也同样意味着在某些情况下，你所能获得的收益可能为零或是仅相当于活期存款的收益。
另外，结构型理财产品的期限一般较长，短期需要使用的资金不适合进行此类产品的投资。一些产品可能会设有投资者提前赎回的条款，比如在特定的开放日投资者可以提前赎回产品，但在收益上投资者会有一定的损失。反之，银行通常可以提前终止结构型理财产品，
在币种上，我们此次介绍的均为人民币投资的产品。大部分外资银行都有外币为投资币种的产品，在选择这些产品时，我们还需要把投资中的汇率风险考虑在内。像今年以来人民币升值速度较快，有时候产品的收益可能还比不上汇率变动所带来的损失。
典型产品：
1、 东亚（中国）步步为盈18
这是东亚银行正在发行的一款抗通胀题材的结构型理财产品，选取的3只挂钩商品为原油、黄金和白银。在产品中，选取了伦敦金报价、伦敦银报价和纽约商品交易所的美国西得克萨斯原油每桶最近一个月到期的期货合约价格作为收益挂钩的对象。
尽管产品的投资期为5年，但是由于设置了触发机制，最短的投资期可能仅为3个月。我们不妨来看看产品的收益获得方式。
这是一款看多大宗商品价格的产品，如未来原油、黄金、白银价格上涨，且上涨幅度均超过5%，投资者就有望实现最高收益。在目前的市场上，大宗商品的表现相对良好，触发条件实现的几率也较大。不过，投资者需要正视的是，如果3种大宗商品的表现出现分化，如在2008年经济危机后，黄金价格上升，但原油价格却大幅滑落，3种大宗商品若不能出现同涨的局面，实现触发条件的可能就需要一定的时间，这对于投资者来说是不利的。
2、2011年中信理财之假日赢1132期人民币3天产品P11000130
“假日赢”是中信银行的一款系列产品，特点在于挂钩标的简单，收益获得的方式也相对稳健。如这一期产品的预期收益率的挂钩标的为6个月美元LIBOR利率，8月19日伦敦时间上午11点，如6个月美元LIBOR利率在设定区间[0，3%]之内，那么投资者就可以获得1.48%d 年化收益率；否则产品的年化收益率为0.5%。
构型设计 篇7
少自由度并联机器人按照有无过约束的观点可分为过约束构型(超静定构型)和无过约束构型(静定构型)。过约束构型具有结构简单、刚度大等优点,缺点是运动副轴线间的几何关系要求严格。由于不可避免地存在误差,因而运动副轴线间理想几何关系难以保证,过约束将导致附加内部载荷,运动不顺畅, 甚至不能装配[1,2]。 一般来说,无过约束构型对运动副轴线间几何关系误差不敏感,在较大误差范围内能够自动调整并消除或减小这些误差对装配性和动力学性能的影响[3]。
在平面机构设计领域,国内外一些机构学者已采用C副和S副等多自由度运动副,将平面过约束机构改造为无过约束结构,从而在一定范围内获得自动适应运动副形位误差的自调性[4,5]。在少自由度并联机器人领域,无过约束构型的设计也越来越受到重视。其方法主要有如下两类,即基于原过约束构型的消除过约束法和基于无过约束构型条件的直接综合法。笔者针对3-RRR平面并联机器人,利用C副和S副替换合适的R副设计出一系列无过约束结构[6]。Kong等[7]针对3-RRR球面并联机器人,通过在每条支链中组合一条四杆回路,将每条支链改造为5副四杆结构,从而得到无过约束构型。以上两种方法都属于消除过约束法。Karouia等[8]应用支链末杆自由度条件,直接进行3-RRR无过约束球面并联机器人的设计。Karouia等[9]还通过对多自由度运动副的分解,从三种含C副的无过约束球面机器人派生出了更多的只含单自由度运动副的无过约束构型。
本文直接基于约束设计和约束配置的观点,应用螺旋理论和集合论原理,通过考察动平台所受约束与支链约束的关系,提出无过约束少自由度并联机器人构型条件,总结出无过约束构型设计的系统方法和一般步骤,并以三自由度并联机器人为例,对其构型进行研究。
1 无过约束构型条件
少自由度并联机器人动平台的运动自由度数小于6,某些方向的运动不能实现,受到约束。当动平台沿着被约束的方向有运动趋势时,约束对动平台产生约束反力。约束反力的方向总是与约束所能阻止的运动趋势方向相反。动平台所受约束是由各支链提供的,支链提供的约束数量和约束类型(力约束或力偶约束)以及约束间的几何关系,决定了动平台的运动自由度和过约束性。由螺旋理论[10]可知,运动螺旋的反螺旋是约束力的概念。因此,假设第j条支链运动螺旋系的反螺旋(系)为
Sr(j)={Sr1,Sr2,…,Srn} (1)
式(1)表示第j条支链对动平台的n个约束。对不同的支链,n的大小可能不同。
有k条支链的并联机器人,其动平台所受独立约束是所有支链约束的合成。采用集合论中的并运算符表示如下:
根据集合运算原理及螺旋的线性相关性,约束的数量关系满足下式:
i,j,k∈z
式中,dim(·)为相应约束的维数。
式(3)中,交运算符∩表示求取支链间的公共约束即过约束的运算符号,是两个螺旋系中的线性相关部分。显然,只有当下式成立时为无过约束构型:
记c=dim(Srp),cj=dim(Sr(j))。式(4)亦可写成
根据约束c与自由度关系f=6-c,无过约束并联机器人动平台自由度和支链约束数关系为
六自由度并联机器人各支链约束数均为0,满足式(6),因此是无过约束构型。
对少自由度并联机器人,根据支链并联连接的特性,单条支链提供的约束必为动平台所受独立约束的子集。对无过约束构型,还应该满足式(4)。因此无过约束少自由度并联机器人的构型条件为
由式(7)的第一条件,所有可用来构成无过约束构型的支链,其约束是动平台约束集合的幂集,数量为2c。即Sr(j)为以下约束集合中的一种:
,{Sr1},{Sr2},…,{Src},{Sr1,Sr2},…,{Sri,Srj},…,{Sr1,Sr2,…,Src}
2 支链约束配置和构型设计方法
由式(7)的第二条件,根据动平台所受的独立约束在支链中的分布,可以将无过约束少自由度并联机器人分成两类。
第一类是动平台所受约束只由一条支链提供,其余支链均为不提供约束的六自由度并联机器人。对此类构型,只要设计一条与动平台约束要求相同的支链,其余选用六自由度支链,如SPS、UPS、RCS、RUS、RSS、PSS等即可。如果含约束支链中不分配驱动副,即是已经引起研究兴趣的含被动运动链构型。
第二类是动平台所受约束由不同的支链提供的六自由度并联机器人。考虑到约束又可分为力约束和力偶约束(分别限制移动和转动自由度),因此支链约束配置具有多种形式,这些配置模式确定了其构型特点以及具体的综合方法。
2.1 支链约束配置模式
根据动平台约束在支链中的分配,所有三支链形式的三自由度并联机器人无过约束构型的支链约束配置模式如表1所示。四自由度或五自由度无过约束并联机器人以及支链数与动平台运动自由度数不相等的情形,其支链约束配置模式可按相同方法表示。表1中,F、M分别表示力约束和力偶约束,x、y、z表示三个独立的坐标方向,o表示约束作用线的汇交点,//xy表示平行于xy平面。例如,三支链结构形式的无过约束空间三移动并联机器人,其动平台受到三个独立的力偶约束,分别限制绕三个轴线方向的转动自由度。{Mx,My,Mz}∪∪表示只有一条支链提供三个独立的力偶约束,各支链约束数配置为3-0-0;{Mx,My}∪{Mz}∪表示用两条支链提供三个独立的力偶约束,其中一条支链提供两个力偶约束,另一条支链提供一个垂直于前两个约束的力偶约束,支链约束数配置为2-1-0;{Mx}∪{My}∪{Mz}表示三条支链均只提供一个力偶约束,且两两相互垂直,相应支链约束数配置为1-1-1。由此可见,支链约束配置模式表示了支链的约束数量、类型及约束间的相对几何关系。
2.2 无过约束构型综合方法和步骤
根据表1的支链约束数量、类型及其几何关系,两类无过约束少自由度并联机器人结构综合的具体过程和步骤如下:
(1)支链约束配置选择。根据动平台的运动自由度数量和类型以及支链数目要求,选择合适的支链约束配置模式,即确定了支链的约束要求以及支链约束间的相对几何条件。
(2)支链约束设计。由支链约束要求,将cj个约束写成螺旋(系)的形式。根据螺旋互逆原理,确定运动副轴线(转动副和移动副)与约束方位的几何关系。在保证不出现运动冗余的情况下将满足几何要求的6-cj个运动副串联连接,即获得满足该约束要求的支链。通过相邻单自由度运动副合并构造多自由度运动副,扩充支链结构类型。
(3)支链间约束装配。根据支链约束配置模式,对第一类无过约束构型,直接将得到的支链与六自由度支链并联连接,即得到无过约束并联机器人。对第二类无过约束构型,利用与动、静平台直接连接的运动副,确定各支链约束间的相对几何关系,使其满足步骤(1)的几何条件,即得到无过约束构型。
由约束配置的特点可知,第一类无过约束构型不可能设计出完全对称结构。第二类无过约束构型在所有支链约束完全相同的情况下可以设计出完全对称结构。
3 无过约束构型设计实例
3.1 支链约束配置选择
由表1可知,只要设计出只提供一个力约束和只提供一个力偶约束的支链,就能综合包括均为力约束和均为力偶约束配置以及力约束和力偶约束混合配置的模式。此处只讨论能设计出完全对称结构的三种支链约束配置模式,分别是平面三自由度机器人{Fz}∪{Fz}∪{Fz}、球面机器人{Fxo}∪{Fyo}∪{Fzo}和三移动机器人{Mx}∪{My}∪{Mz}。其动平台约束状态示意图分别为图1、图2、图3。
3.2 只提供一个力约束的支链设计
力约束可以写成0节距的单位力螺旋:
SF=[sr,rr×sr] (8)
式中,sr为力约束作用线方向单位矢量;rr为力约束作用线上一个点的向量。
由螺旋互逆性质,对应此力螺旋,有5个线性无关的单位运动螺旋与之互逆。假设某运动螺旋是转动副,则可表示为
SR=[s,r×s] (9)
它与力螺旋SF满足互易积为0,即
SF。SR=sr·(r×s)+s·(rr×sr)=
sr·[(r-rr)×s]=0 (10)
式(10)成立的充分必要条件为
sr⊥(r-rr)×s (11)
由矢量叉积的几何意义,式(11)成立的的充要条件是sr、r-rr、s有公垂线。只有力约束作用线与转动副轴线共线或共面(平行或相交)时成立。
如果某个运动螺旋是移动副,则可表示为
SP=[0,s] (12)
它与力螺旋满足互易积为0,即
SF。SP=sr·s=0 (13)
由式(13),移动副的方向与力约束方向垂直。
综上分析,只提供一个力约束的支链,其转动副和移动副满足以下几何条件:所有转动副的轴线与力约束作用线共面相交或平行(包括共线),所有移动副的移动方向与力约束作用线垂直。
因为力约束为非自由矢量,所以要完全确定一个力约束,必须确定其方向和作用点。例如,用5个运动副(移动副和转动副)串联连接,确保5个运动副的运动螺旋不线性相关,即无自由度冗余,其中由不多于三个的平行转动副或两个不平行的移动副确定约束方向,由至少两个(不多于三个)相交的转动副确定约束作用点。由此可得表2中的支链结构。典型支链简图见图4、图5、图6。
3.3 只提供一个力偶约束的支链设计
力偶约束可以写成单位力螺旋如下:
Sc=[0,sr] (14)
sr表示单位力偶矢方向,是自由矢量,与位置无关。由螺旋互逆性质,对应此力偶螺旋,有5个线性无关的单位运动螺旋与之互逆。假设某个运动螺旋如式(9)所示,是转动副,则
SC。SR=sr·s=0 (15)
由式(15)可知,转动副的轴线方向与力偶约束方向垂直。
如果某个运动螺旋如式(12)所示,是移动副,则
SC。SP=0 (16)
式(16)恒成立,因此移动副的移动方向与力偶约束方向无关。
综上分析,只提供一个力偶约束的支链,其转动副和移动副满足以下几何条件:所有转动副的轴线方向垂直于力偶矢方向,移动副的移动方向可以任意布置。
例如,用5个运动副(移动副和转动副)串联连接构成一条只提供一个力偶约束的支链。由转动副与力偶约束的几何关系,需要至少两个不平行的转动副确定力偶约束的方向(公垂线方向)。为了不出现运动冗余,最多三个转动副平行,最多三个转动副汇交,且移动副不多于三个。由此可得表3中的支链结构。典型支链简图见图7、图8、图9。
3.4 支链间约束装配
要设计出合适的无过约束并联机器人,必须使支链并联连接后满足相应的约束配置模式要求。因为各支链与静平台或与动平台直接连接的运动副之间有固定的几何关系,可以利用这些固定的几何关系来确定约束的方向或位置,从而装配出符合支链约束配置要求的无过约束少自由度并联机器人结构。
对支链约束配置为{Fz}∪{Fz}∪{Fz}的平面三自由度无过约束并联机器人,要求三条支链分别提供的三个力约束相互平行,但不能共线或共面,也即确定力约束位置的点不能重合或共线。因此将三条支链确定力约束方向的某个转动副(或移动副)安装在静平台上,且轴线相互平行指向z方向(或垂直z方向),确定力约束位置的某个运动副安装在动平台上,使各支链的o点构成三角形。这样利用表2中的支链结构可以设计出如表4中的完全对称平面三自由度无过约束并联机器人构型。
对支链约束配置为{Fxo}∪{Fyo}∪{Fzo}的球面无过约束并联机器人,要求三条支链分别提供的三个力约束汇交于一个固定点(动平台的转动中心),但三个力约束的方向相互独立,不能共面。因此将三条支链决定力约束位置的某个运动副安装在静平台上,且各支链的o点重合,将确定力约束方向的某个运动副安装在动平台上,使其方向相互独立,不平行不共面。考虑到用S副和U副(不包括只有一个转动副过o点的情况)的中心来定位将使具体机械结构难以设计,所以含有此两种运动副的支链不适用。这样可以设计出如表4中的完全对称球面无过约束并联机器人构型。
对支链约束配置为{Mx}∪{My}∪{Mz}的三移动无过约束并联机器人,由于力偶约束是自由矢量,不需要考虑位置关系,只要确定方向即可。因此只要保证三条支链分别提供的力偶约束相互独立即可,不能共线、平行或共面。由于力偶约束的方向由支链的转动副确定,因此将转动副(或含转动副的多自由度运动副)直接安装在静平台和动平台上,并且使每条支链所有转动副的公垂线不平行不共面。这样可以设计出如表4的完全对称三移动无过约束并联机器人构型。
以上利用相同结构的支链综合出了一类完全对称结构的无过约束三自由度并联机器人,三种典型的结构见图10、图11、图12。将不同结构的支链按相同的方法并联连接,还可以综合出非对称的结构。另外,混合使用已设计出的只提供一个力约束和只提供一个力偶约束的支链,不但可以综合出其他非对称结构的三自由度并联机器人,还可以综合出四自由度或五自由度的无过约束并联机器人。如支链约束配置模式为{Mx}∪{My}∪∪的无过约束3T1R四自由度并联机器人,支链约束配置模式为{Fx}∪{Fy}∪∪的无过约束1T3R四自由度并联机器人,支链约束配置模式为{Fx}∪{Mx}∪∪的无过约束2T2R四自由度并联机器人,以及支链约束配置模式为{Mx}∪∪∪∪的无过约束3T2R和支链约束配置模式{Fx}∪∪∪∪的无过约束2T3R五自由度并联机器人等。
4 过约束数的检验及与过约束构型的比较
上述方法设计出的所有无过约束构型,应用阿诺尔公式可以检验其过约束数均为0。
另外,通过比较一些常见的过约束构型与无过约束构型,可以发现,很多无过约束构型实际上只是在过约束构型上通过增加一些运动副消除过约束而得到。我们把这些对应的过约束构型称为无过约束构型的原型机构。例如,将图13所示的平面三自由度3-RRR过约束机构作为原型机构,其对应的无过约束构型有3-(RRR)z(RR)o(图10)、3-(RRR)zUo、3-(RR)zUzoRo、3-(RR)zSo等。又如图14所示的球面3-RRR过约束机构,其对应的无过约束构型有3-(RRR)o(RR)i、3-(RR)oUoiRi、3-(RRR)oP⊥iRi、3-(RRR)oPjPk、3-(RC⊥iC⊥i)o(图11)等。同样的,图15所示的3-RRC三移动过约束构型作为原型机构,其对应的无过约束机构为3-(RRC)iRj(图12)。
一般来说,原型过约束机构的过约束数较多。如平面和球面3-RRR机构的过约束数均为6,3-RRC三移动机构过约束数为4。过约束导致的缺点是机构对运动副轴线间的形位误差敏感。由于不可避免的制造误差、安装误差、载荷和温度引起的结构变形,过约束机构运动副轴线间苛刻的几何关系难以保证。要使机构能够易于装配并且运动顺畅,需要非常高的制造和装配精度,或者运动副配合间隙足够大。然而增大运动副的配合间隙来弥补运动副轴线的形位误差,则高速运动时冲击会加大。
以图13的3-RRR机构为例,当支链中的某个转动副轴线与其余轴线存在平行度误差时,则装配或运动中将产生附加变形和力,动平台会产生非平面的衍生运动。如果采用无过约束构型,如图10的3-(RRR)z(RR)o构型,当某个转动副轴线与其余轴线存在平行度误差时,由于(RR)o的存在,会产生自调转动,而不会造成对装配和运转的障碍。当然同样会存在动平台的衍生运动,但可以通过事先测量和标定加以控制补偿,这是所有机器人机构都必须要有的必要措施。由此可见,无过约束构型虽然结构稍显复杂,或出现了多自由度运动副,但其易于装配,制造精度要求较低,也不需要增大运动副配合的间隙。同时也可以从表4中找到更简单的结构,如3-(RR)iSo及3-(RRR)zUo等。如果采用不完全对称的支链结构,也可以得到文献[6]中的无过约束平面三自由度并联机器人机构。在原型过约束机构中增加的运动自由度能够产生自调运动,自动适应并补偿运动副轴线形位误差对装配性和动力学性能的影响,因此,将这些无过约束构型称为原型过约束构型的自调结构。
无过约束自调结构已经在折叠式高炉堵渣机、多套机构并列的机械式无极变速器中得到实际应用,另外著名的Delta并联机器人和Tricept并联机器人也是无过约束结构。无过约束结构特别适用于大型、重载以及工作环境恶劣的机械系统。
5 结束语
(1)提出了一种设计无过约束少自由度并联机器人构型的系统方法。该系统方法不仅可以用于无过约束并联机器人的设计,还可以用于按需设计过约束并联机器人。为少自由度并联机器人结构综合提供了一种新的观点和创新方法。
(2)定性分析了原型过约束机构的缺点和相应的无过约束机构的优点,为少自由度并联机器人机构的优选提供了一种新的思路。并为消除约束误差以及过约束的不良影响提供了一条有效途径。
(3)采用无过约束构型,可以解决形位误差对过约束机构装配性和动力学性能的不良影响问题。过约束构型中运动副轴线间形位误差影响度的分析和形位公差的配置问题将在后续工作中进一步研究。
参考文献
[1]Gregorio D R.A New Parallel Wrist Using OnlyRevolute Pairs:the 3-RUU Wrist[J].Robotica,2001,19(3):305-309.
[2]秦伟,黄茂林,伍驭美.制造误差对过约束机构性能影响的研究[J].中国机械工程,2002,13(15):1327-1331.
[3]Herve J M,Karoutia M.The Novel 3-RUU Wristwith No Idle Pair[C]//Proceedings of the Work-shop on Fundamental Issues and Future ResearchDirections for Parallel Mechanisms and Manipula-tors.Quebec,Canada,2002:284-286
[4]张启先.空间机构的分析与综合(上册)[M].北京:机械工业出版社,1984.
[5]安培文,黄茂林.平面连杆机构的自调及其允差的分析研究[J].中国机械工程,2002,13(23):2040-2044.
[6]黄勇刚,黄茂林,杜力,等.平面3-RRR并联机构过约束分析及自调结构设计[J].中国机械工程,2006,17(3):303-306.
[7]Kong Xianwen,Gosselin C M.Type Synthesis ofThree-Degree-of-Freedom Spherical ParallelManipulators[J].The International Journal of Ro-botics Research,2004,23(3):237-245.
[8]Karouia M,Herve J M.Asymmetrical 3-dofSpherical Parallel Mechanisms[J].European Jour-nal of Mechanics A/Solids,2005,24:47-57.
[9]Karouia M,Herve J M.Non-overconstrained 3-dof Spherical Parallel Manipulators of Type:3-RCC,3-CCR,3-CRC[J].Robotica,2006,24:85-94.
构型设计 篇8
并联机构是随着机构学的发展而出现的一类新型机构。可以定义为由动平台 (或称末端执行器) 通过至少2个独立的运动链与定平台相连接, 具有两个或两个以上自由度且以并联方式驱动的一种闭环机构。它的出现可以回溯至1930年代, 早在1947年, Gough提出了闭环结构的机构设计基本原理, 并于1962年完成了轮胎检测装置的样机。1965年Stewart设计了飞行模拟器, 1978年Hunt系统地分析了并联机器人机构的运动链机构, 提出了多种可用于并联机器人的机构类型, 之后相继出现了更多的并联机构。多年来, 对并联机构的研究已经有了很大的进展, 各方面的研究已经全面展开, 并取得了可喜的成果。
相对其它传统机构而言, 并联机构具有刚度大、精度高、动态性能高等特点, 正适应了近代的机器对机构重载、高精度和高刚度的要求。因此被广泛应用于机床、医疗器械、娱乐设施、航空航天、移动机器人、精密定位装置以及工业机器人等领域。
目前的并联机构大都是以典型的Stewart构型为基础而开发出来的, 驱动构件多为单一的刚性驱动。而近年来新兴的一种柔索驱动的并联机构则是纯柔性驱动———并联柔索机构。所谓的并联柔索机构是近年来出现的一种新型机器人机构, 它是并联机构的一种新的衍生形式, 因此继承了并联机构的许多优点, 同时又由于机构用柔索驱动来代替连杆驱动, 大大降低了机构的重量, 从而进一步提高了机构的承载能力, 降低能耗, 并且可以实现高速作业。
2 并联机构新构型的设计初探
并联机构的构型设计是并联机器人机构学研究的重要内容之一, 也是并联机构设计的首要环节。所谓的构型设计就是研究开发并联结构制造装备。首先要解决的问题———构型以及整体布局。这一环节也常称为概念设计, 其主要目的是探讨满足一定条件下的机构的可能构型及相应的变化规律, 为合理选择构型提供必要的理论依据。
2.1 传统并联机构的构型
如图1所示, 可以看出该机构是由典型的Stewart平台演变而来的, 但与Stewart平台又有很大差别。由于机构采用4根定长杆进行驱动, 具有很高刚度。机构结构简单, 在空间运动中不会出现奇异问题, 因此采用此种机构进行研究。动平台在T1、T2、T3、T4处分别用铰链与4个连杆相连, 4个连杆均为定长杆。4个连杆的另一端分别在S1、S2、S3、S4处用铰链与沿机架移动的四个滑块相连, 其中S3和S4处的运动副为1个自由度的转动副 (R) , S1和S2处的运动副为2自由度的万向铰链 (U) , T1、T2、T3、T4处的运动副为球副 (S) 。根据Kutzbach Grubler公式, 该机构自由度为:
机构具有的运动分别为:沿Y、Z方向的移动、绕X方向的转动、绕T3-T4轴线的转动, 即运动平台的四个自由度为2个移动以及2个转动。当给S1、S2、S3、S4四个滑块确定的输入, 则该机构具有确定的相对运动。
2.2 构型设计总体思想及目的
并联机构虽然较传统的机构 (如串联机构) 存在很多优点, 但仍有很多不足之处。对于一般的传统并联机床及一些机械装备来说, 其连接件都是刚性杆件, 不具备柔性, 也存在如精度低、振动大等不足, 连接铰链刚度差, 也是并联机构不能得到更好应用的原因之一。
为了克服并联机构的诸多缺点, 我们在这里要提出的是一种新型的并联机构———基于刚柔结合的并联机构。即要结合并联柔索机构的特点, 在典型的STEWART并联机构基础上, 对机构进行改进和创新, 使其在保留传统并联机构特点的基础上, 充分利用上面提到的柔索机构的一系列特性, 将两者有效地结合在一起, 应用于新的并联机构构型中, 以此提高现有并联机构的性能。
2.3 改进并联机构的构型设计
新构型总体的设计思想是在传统并联机构的基础上, 为动平台加入驱动柔索, 使得在冗余驱动方式下, 不改变机构原有的运动形式, 对其进行预紧, 从而提高整个机构的运动性能 (包括机械性能、刚度以及振动特性等) 。即通过柔索的引用使其在保持并联机构自身特性基础上, 起到优化机构的作用。综上所述, 提出如下两种改进方式:
(1) 仿照并联柔索悬挂机器人 (PWSRs, Parallel Wire Suspended Robots) 中柔索的固定形式。将柔索的一端以套环固定在动平台上 (连接的套环相当于一个万向铰) , 这样当动平台运动时, 加入的柔索不会影响它的运动空间范围、运动形式和轨迹。另外一端固定在机构已有的铰链S3和S4上, 如图2所示。
由于柔索的驱动形式以及连接方式的特殊性, 在这种构型中所用的柔索应该是长度可以自由伸缩的构件。为了达到这一目的, 柔索用弹性系数较低的钢丝缠绕型弹簧制成。这样柔索会具有较好的弹性张力, 受力易变形。以期主要依靠诸如重力和弹簧力等被动力来张紧柔索。当滑块在立柱上来回运动时, 柔索因受力也会随之产生变形, 从而伸长和缩短。既不影响机构原有的运动形式和轨迹, 还可以提高整个机构的预紧能力, 从而提高机构精度。多加的2根柔索也参与承重, 使原来4根定长杆的平均承重减轻, 从而提高机构的刚度和承重能力。
在这种驱动方式里, 难点是如何准确地控制钢丝绳的伸长和缩短。主要是保证柔索不会产生永久性的变形, 使其始终随动平台运动的改变而伸长或者缩短, 以免影响机构的运动性能。在柔索的选材和拉力的计算上也将存在很多难点。解决的方法是:可以在柔索上安装拉力传感器, 以控制柔索受到的各个方向的拉力在其屈服强度范围内, 保证柔索不失效。
(2) 参考并联柔索驱动机器人 (PWDRs, Parallel Wire Driven Robots) 中柔索的固定方式。对比前一种构型, 在这种机构中柔索的连接形式应该是如图3所示。
区别于第一种机构, 这里只引入了一根柔索。柔索的一端与动平台以套环连接, 连接件套环相当一个万向铰, 可以实现周向运动, 从而使加入的单根柔索不影响机构的原有运动形式和轨迹;另一端则由电机来驱动, 在电机输出一端安装一个定滑轮, 柔索的一端就固定在滑轮上与电机相连。在防止柔索松弛的前提下, 通过主轴驱动, 带动滑轮转动并控制柔索的伸长和缩短随动平台的运动而同步变化, 与机构同步, 完成预期的运动。并能够始终保持柔索的张紧状态 (且张紧力为定值) 。为了实现柔索的定预紧力这一目的, 可以在柔索上安装张力传感器, 这样当张力在限制范围外时, 电机输出轴转动, 从而改变柔索的长度随动平台的运动而改变。一方面对整个平台始终有向上的牵引力, 从而减轻杆的承重, 提高机构的承重能力和刚度特性。另一方面, 又可以始终保持机构的预紧力, 使各个铰链和万向铰间能始终保持最小间隙状态, 从而提高机构的精度。
这样, 在柔索的机构和机械设计中, 要考虑到此处的柔索与柔索驱动并联机构中柔索的不同。柔索是钢丝缠绕的高弹性系数的材料, 受力变形很小, 且在机构允许的应力范围内不会发生永久性变形。因此在柔索制作工艺和材料选择采用‘多股螺旋压缩弹簧’。此种弹簧结构柔度较大, 在一定载荷的作用下, 还可以得到较小的振幅, 具有减振作用。
另外, 从受力和力矩的平衡方面来讲, 柔索位于平台的中心位置, 应该是平台的坐标原点处, 这样对于动平台在各个自由度方向上的运动形式、工作空间及轨迹不会有影响。
3 结论
本文在现有的典型并联机构构型的基础上, 提出两种基于刚柔结合的并联机构的改进方案, 并对其构型及其控制方式进行讨论, 重点对并联机构的构型和布局进行阐述, 因为并联机构的结构布局会对其性能产生较为显著的影响。这些构型的提出, 打破了传统设计思想, 为并联机构的构型改进, 并联机构的性能提高, 特别是更好的应用于实际生产中提供了理论依据。
参考文献
[1]王冰, 陈久川.平面并联平动机器人尺寸设计研究[J].机床与液压, 2007 (9) :37-41.
[2]宫金良, 张彦斐, 高峰.一种五自由度并联卧式机床构型设计[J].机械科学与技术, 2007 (8) :1067-1070.
[3]刘辛军, 汪劲松, 高峰, 等.并联机器人机构新构型设计的探讨[J].中国机械工程报, 2001 (12) :1339-1342
构型设计 篇9
1 加强工程图学教育中学生的构型创新设计能力
1.1 创新设计能力与工程图学
创新设计能力是创造性地解决实际应用问题的一种实践能力, 是自然科学基础与人文科学知识的厚积薄发和集中体现。创新设计能力的培养, 需要将课堂教学、实验教学、参观实习、设计训练、学生科技活动等相关环节整合配置, 构成完整的培养体系。创新设计能力的培养过程, 是以学生为主体、通过上述环节培养创新思维能力和设计能力的过程, 因此, 必须转变教育观念, 深化教学改革, 不断改进和完善教学管理。创造性思维是创造力的核心, 是求异思维、空间思维能力和空间想象能力发展的更高阶段, 是创造力的智力因素。工程图学对创造性思维培养具有实际条件和优势。因此, 合理有效地对工程图学的教学过程进行改革, 从各个环节加强学生的创新意识和构型创新设计能力是非常必要, 且是可行的。
1.2 在工程图学教育中培养学生的构型创新设计能力
在工程图学教育中, 加强对学生构型创新设计能力的培养, 就必须使课程的教学过程有利于创造性思维的培养。近年来, 随着教学环境的改善和硬件设施的提高, 现代化的教学手段已经越来越多, 除传统的实物模型外, 多媒体、三维软件等教学辅助工具已在高校工程图学教育中得到普遍应用, 这为加强学生观察力训练提供了条件, 为学生创新能力的发展奠定基础。然而, 要有效地培养学生的创新设计能力, 还需要在课程的教学中, 突出学生的构型创新设计能力的培养。为此, 在机械类工程图学课程的教学中进行了改革和探索, 其主要体现在以下4个方面: (1) 优选教学内容。知识的无限性与学时的有限性的矛盾是目前教学中的一个主要矛盾。在工程图学课程教学学时不断减少的今天, 优化课程内容显得尤为重要。在工程图学课程中, 为突出构型创新设计能力的培养, 需压缩学生后续学习中用得较少的内容, 侧重形体的图示表达, 使其成为工程图学课程教学的重点和核心。 (2) 培养学生的创新精神。创造力是每个正常人都具有的一种潜在能力。教师要激励学生克服对创新的神秘感, 激发求知欲和好奇心, 树立创新的信心, 培养勇于探索、勇于标新立异的创新精神。创新意识和创新思维能力不是一朝一夕就能具备的, 要经过长期有意识的训练和平时各种知识结构的积累沉淀, 以及实践活动的培养提高。工程图学教师的重要任务就是在课程中要善于启发、引导学生, 营造有利于培养学生创新设计精神的环境。在课程的教学中, 要采用讨论式、启发式教学等, 激发学生独立思考, 鼓励学生勇于发表自己的见解。 (3) 加强构型创新设计实践环节。实践是创造性的源头。实践不仅可以获得知识, 同时可以创新知识, 通过实践总结、提高并转化为创新能力。没有实践, 创新能力就不能得到发展。创新设计能力只有在实践中才能不断提高。在实践中接受新知识, 启发新思路, 强化动手、动脑能力。为此, 需将构型创新设计训练贯穿于课程教学的始终, 根据相关教学内容, 要求学生根据给定的条件设计新构型。教学中选用的题目, 都是发散性的, 给学生留下充分的思维发展空间和创新空间, 能够有效地培养学生的创新意识和构型创新设计能力。此外, 考虑到学生的差异性, 在设计课堂练习和课后作业时, 需选用在难度上有阶梯`的题目, 让学有余力的学生得到进一步的锻炼和提高。对于课程中形体构型设计这个环节, 让学生随着课程的深入开展实践, 具体的实践情况见后续分析。 (4) 提高教师自身素质。在教学过程中训练学生的创新思维, 提高学生的构型创新能力, 实际上对教师提出了更高的要求。因此, 教师要不断提高自身水平, 不但要精通本学科以及相关学科发展的最新动态, 还要注重把传授知识与培养学生的创造力结合起来, 能掌握和运用教育理论, 特别是创造教育规律指导教学过程。基于以上4点, 本文着重研讨培养学生构型创新设计能力的实践环节。
2 构型设计的实践激发学生的创新能力
2.1 平面图形构型设计实践
在讲授完工程制图的基本知识后, 教学目标要求学生熟悉机械制图国家标准的有关规定;掌握绘图工具的使用方法以及仪器绘图的方法和步骤;掌握常用的几何作图方法和平面图形画法等。在此基础上, 教学中需补充介绍什么是构型设计、平面图形的构型设计必须遵循的基本原则、设计方法及如何作图等内容。随后, 进行平面几何图形的构型设计 (主要为轮廓特征设计) , 应要求每个学生设计一个平面图形并标注尺寸, 同时给出一定的创作约束条件。
笔者翻阅了大量的资料, 以以下平面图形的构型设计为例。
案例1:请设计一个平面图形, 要求该图形包含已知线段、中间线段、连接线段, 并标注相关尺寸。对机械类班级56名学生参与该教学实践的情况进行统计, 结果如表1所示 (部分学生给出了不止1个方案) , 可以看出, 完整地给出构型设计的方案有41个, 占给出方案总数的72%。
图1是学生构型设计的两个方案示例。在图上, 设计者用引出线明确指引了已知线段、中间线段和连接线段, 图形结构和尺寸简单清晰, 属于较好的设计方案。通过案例1的练习, 可以让学生更加清晰地认识平面图形的作图过程、了解平面图形的构成方式。让学生通过积极思维, 在构造新的平面几何形状, 理解和掌握工程化、工艺性及相关美学效果设计原则的基础上, 培养平面图形想象和创新思维能力。在案例给出的练习中, 学生出现的主要问题是有些图形的尺寸标注不够完整, 特别是中间线段, 要求有且只有一个尺寸约束。少数学生的图虽然是正确的, 但是没有标注必要的尺寸, 也不能算是完全正确的设计方案。
2.2几何元素构型设计实践
在讲授完点、直线和平面的投影基本知识后, 教学目标要求学生掌握点、直线、平面在第一角中各种位置的投影特性和作图方法。为此, 选用典型的平面立体介绍其各位置直线和位置平面, 使学生有更直观的认识。随后, 进行包含各种类型直线及平面的立体构型设计。练习设计案例如下。
案例2:请设计一个立体, 使得该立体同时包含投影面的垂直线、投影面的平行线和一般位置直线 (该立体最好能完全包含7种类型直线, 即正平线、水平线、侧平线、正垂线、铅垂线、侧垂线和一般位置直线) 。
对机械类两届175名学生参与该教学实践的情况进行统计, 结果如表2所示 (部分学生给出了不止1个方案) , 学生完整地给出包含7种类型直线的构型方案有168个, 占总给出设计方案数的近75%, 包含3~6种类型直线的构型方案有57个, 占总给出设计方案数的25%。
图2是学生的两个构型设计方案示例。所设计的两个图形均属于切割式平面体, 完全包含了正平线、水平线、侧平线、正垂线、铅垂线、侧垂线和一般位置直线这7种类型线, 具体说明亦在图中注出。该图形形体结构简单明了, 是较好的设计方案。
案例3:请设计一个立体, 使得该立体同时包含投影面的垂直面、投影面的平行面和一般位置平面 (该立体最好能完全包含7种类型平面, 即正平面、水平面、侧平面、正垂面、铅垂面、侧垂面和一般位置平面) 。
对机械类两届172名学生参与该教学实践的情况进行统计, 结果如表3所示 (部分学生给出了不止1个方案) 。可以看出, 学生完整地给出含7种类型平面的构型方案有138个, 占总给出设计方案数的近70%, 给出含3~6种类型平面构型方案的有60个, 占学生给出的设计方案数的30%。
图3是学生的两个构型设计方案示例。这两个方案的形体均为切割式平面体, 完全包含正平面、
水平面、侧平面、正垂面、铅垂面、侧垂面和一般位置平面这7种类型平面, 并在图上具体标注出, 该设计完全符合题意要求。
通过案例2和3可以看出, 学生对于这种构型创新设计的练习感兴趣, 不少学生提出了两种或以上的设计方案, 说明此类练习能够很好地调动学生的积极性, 使学生勇于打破固定思路、勇于创新、勇于设计新构型。在本次课程教学中, 对案例2和3的题目要求分两个层次, 有助于实现不同层次学生的个性化发展。此外, 由学生自己把握设计难度, 自我突破, 对保护学生的自尊心和增强学生的自信心都是很有好处的。
另外, 教学过程中发现, 很多学生经常会混淆投影面垂直线/面与投影面平行线/面。通过上述案例, 学生可以进一步对各种位置线面的特征进行深入思考, 并进行构型创新设计, 构造出包含各种位置线/面的新形体。这样不但可以巩固基础知识, 而且可以为课程后续学习中复杂形体的分析做较好的准备。
2.3 立体及三视图设计实践
在讲授完基本立体、三视图、组合体等基本知识后, 教学目标要求学生掌握平面立体和曲面立体的投影特性和作图方法, 能运用形体分析法和线面分析法进行组合体的画图、读图和尺寸标注, 教学的重点:形体的分析, 包括形体和线面分析等;画图和读图;物体的表达。可选用典型切割式和叠加式组合体进行介绍和分析。为开拓学生的设计思路, 可以通过设计较特别的题目, 让学生设计一个构型, 该形体的形状是三视图难以表达清楚或不能唯一确定的。
3 结语
通过对工程图学教育中学生构型创新设计能力培养的探讨和实践, 可以得知, 在工程图学教育中, 除了需优选教学内容、培养学生创新精神、提高教师素质外, 设计合适的构型创新设计实践环节, 能充分调动学生的学习积极性, 有效激发学生的创新意识和构型创新设计能力、扩展学生的思维能力, 并及时发现教学中学生的薄弱环节, 对提高课程的教学效果有很大帮助。
摘要：下文主要结合笔者多年工作实践经验, 探讨了工程图学教学过程中学生构型创新设计能力的培养和提高措施, 强调了实践环节的重要性。以工程图学教学中学生构型创新设计能力的培养为例, 说明了实践环节设计的必要性和有效性。研究表明, 基于创新设计能力的课堂教学对工程图学课程的教学改革有着指导意义。
关键词：工程图学,构型,创新设计能力,实践
参考文献
[1]童秉枢, 高树峰.谈工程图学教学中学生创新能力的培养[J].工程图学学报, 2008 (6) :1-6.
构型设计 篇10
从2008年到2011年, 历时4年的山东省高中教师全员远程培训项目, 完成了全省近3万名高中信息技术教师通识模块及6个专业模块的培训工作。该项目的圆满完成离不开教育行政部门有效的组织管理、各级专家的精心指导、所有教师的积极参与。正如专家组所设定的总的指导思想所言:“视频传播、作业深化、资料拓展、专家引领、多向研讨”, 学、研、思、用相结合, 多方力量的集合使得该项目成为深受大多数学员欢迎的研修项目。
从不同的视角来分析该项目的成功之处, 可以发现该项目成功运作的综合影响因素。可以肯定的是, 科学的课程设计是该项目成功的第一步。从视频课程设计的视角来审视该项目, 也是项目进行中、完成后所必须的工作。山东省高中信息技术教师视频培训课程的开发, 可以归结为是一种“知识建构”型的培训课程设计。一方面, 整个课程设计是按照ADDIE, 即需求分析—脚本设计—视频开发—远程研修—评估反馈几个阶段来设计运行的;另一方面, 知识建构思想主要表现在视频课程的形式建构、内容建构与思想建构三个层面上。
●视频课程的形式建构
视频课程的主要形式当然是“视频”了, 只是视频有多种形式。在比较“老旧”而“蹩脚”的视频课程中, 其形式多是“大头像”的刻板单一形式。在本次山东视频课程的形式上的变化主要表现在两个方面。
其一是多重角色的参与。在多数模块中都涉及了学校的领导、教师、学生, 家庭里的父母、亲朋, 社会上的企业家、软硬件工程师、销售人员、管理人员……多重角色的参与极大地拓宽了视频课程所涉及的领域, 使得新课程所倡导的回归生产生活的实际在培训活动中就得以落实, 正如参加培训的教师所言, 观看过视频后教师们的视野被打开了, 原来信息技术课程是如此地贴近日常生产与生活, 我们在教学中也应该学习这种视频课程的形式。
其二是多种活动形式的设计。在每个模块的拍摄中, 多种角色的活动方式也是多种多样的, 在一些个性化问题的表现上多是以访谈个人来表明不同身份的人的不同看法, 比如在《算法与程序设计》模块的导入部分就访谈了课改专家李艺教授、特级教师陶老师、两位学生、计算机专家等, 从不同侧面阐述了学习该模块的意义与价值。在一些有“争议”的问题上, 特别设计了两人对话或者是“铿锵三人行”的形式, 在不断的“针锋相对”与“唇枪舌战”中, 新课程的一些焦点问题得以深化, 学员们的思维得以升华。在一些教学难点、重点问题上, 采取多人的“高端备课”, 使大家的智慧汇聚成为一种“公共知识”, 在视频中多人的交互中, 视频外的学员们也被带入这种情境中, 视频内外跨时空的交流得以形成。
●视频课程的内容建构
形式是为内容服务的。视频课程的内容是整个课程开发的核心要件。在开发过程中, 开发团队的所有成员, 集编剧、导演与演员于一身, 相互指导相互“救场”, 在这种团队协作中完成了纷繁复杂的六个模块的拍摄任务, 即便是多数地区都没有开设的《人工智能初步》和《数据管理技术》模块都在团队的讨论会、试验课中逐步完成。总体来说, 视频课程的内容建构表现为两个方面。
其一是有效拍摄了预成性内容。这与预成性课程是一个内涵, 从表面看, 数易其稿的“脚本”是视频课程内容的第一层载体, 悉心拍摄、剪辑、加工的视频是课程内容的第二层载体, 而阅读资料、案例分析等开放性资源则是多维度的第三层载体。在这三层内容的开发中, 首先进行的是内容方面的宏观规划, 根据每个模块五讲内容的实际情况, 或是纵向安排内容, 如《网络技术应用》模块循着因特网应用—网络基础知识—网站制作—网络规划的线索走;或者横向安排, 如《多媒体技术应用》模块, 则循着任务选择与实施—工具多样性与教学多方法—多媒体技术—继续教学评价的线索走。继而是视频内容的具体化, 每个知识点如何细化如何落实为“视频”活动是整个阶段的关键, 最后才是走到教室、演播厅、校园、社区等多个“外景地”实现预成内容。
其二是发掘了鲜活的生成性内容。这与生成性课程是一个内涵, 在拍摄过程中, 课程开发团队坚持给所有“演员”留下“创作”空间, 不背台词, 不过多限制“演员”的活动。因此, 不仅仅是访谈的专家们可以按照自己的想法围绕主题整理表述自己的高论, 而且对于参与课程的学生也是解放他们的思维, 让他们得以充分发表自己的看法。结果是这些“即时”生成的内容不仅没有脱离视频课程的主导思想, 而且产生了许多连“脚本”中都没有的新内容——这些内容被许多学员推崇。最能够反映这一点的是每个模块最后的“高端备课”, 参与的人员多达十多人, 在每次开拍前, 我们并没有过多演练, 重拍的次数也并不多, 但是专业的对话, 很快就让参与者冒出火花, 在类似一种研讨会的氛围中, 视频课程生成了。以至于有好几位参与者后来都写出了论文发表在专业杂志上——这些思想来源于视频课程的拍摄过程。
●视频课程的思想建构
内容与形式的统一所追求的并非内容与形式本身, 而是内在的思想的表达。信息技术课程、信息技术教师培训莫不如此。在视频课程设计、开发、实施与评价的每个环节中, 我们的指向都是力图引导新手走向正确的信息技术教育思想的轨道、帮助熟手廓清与课程改革不符的教学方式形成新课程思维、推进专家型教师与新课程接轨, 进一步将自己的教学思想理论化与系统化。视频课程的思想建构表现在下面两点。
其一是体现新课程的设计理念。视频课程开发的总的指导思想体现出如下几个层次:第一是紧抓课改本质, 体现学科特点, 譬如通过比较新旧课程的差异理解新课程的信息素养培养的内涵。第二是总结实验区经验, 满足一线需求, 譬如选择几个实验区的大量案例以达到“现身说法”的效果。第三是贴近学员实际, 适应基层需求, 譬如设计一些基础的知识技能方面的内容以满足一些学员缺少人工智能基础的问题。第四是发挥技术优势, 注重研修实效, 譬如运用博客圈、QQ群等进行研修活动。第五是反映课程实质, 突出重点问题, 譬如把必修模块内容归纳为四种课型进行分析。第六是贴近山东地区实践, 力求解决实际问题, 譬如邀请山东方面的教师、专家参与视频拍摄等。
其二是知识建构的研修思想。本次培训所采用的是跨越时空的网络学习与面对面的学习相结合的混合学习, 因此在视频课程设计中强调的是多层次的知识建构活动, 让学员在情境—对话—协作—意义建构的过程中完成学习活动。视频中的各种角色的活动方式是相互建构, 视频外的学员也在自己的学校与自己的地区进行面对面的相互建构, 更主要的是视频内外、网络内外的活动都是以知识建构作为主要的活动形式。视频课程的设计也给这样的学习提供了相应的学习支架, 因此学员与学员之间、学员与班主任之间、学员与省级专家乃至国家级专家之间, 各种活动的渠道都是畅通的。
构型设计 篇11
何为医疗救援直升机？救援直升机又被称为“空中救护车”，是指将直升机应用于紧急救援工作中。在水、陆交通无法及时到达的情况下，“空中救护车”依靠直升机的快速灵活性能及时到达事发地将病人运送至就近合适的医院进行救治，同时，救援直升机还可用于病人院间转运、器官运输等领域，这是目前国际上最高效的急救方式，其运作模式在大多数发达国家已然十分成熟。据金汇通航直升机救援项目负责人透露，正阳集团引进的本批直升机是意大利顶级直升机制造商芬梅卡尼卡公司生产的AW119型直升机，无论在动力性能、载荷能力还是安全标准上都近似于一架轻型双发直升机，远远超越其他轻型单发直升机。直升机上采用了国际最先进的医疗救援设备，配备有医用担架、除颤监护仪、人工呼吸机、输液泵、吸痰机等医疗设备，犹如一间迷你型“ICU”重症监护室，在病人转运过程中随机医护人员可对病人病情实时监控并进行必要的救护。
目前国外发达国家基本上都建立了完善的直升机救援网络，在应急救援及病患转运中发挥了巨大的作用，大大降低了伤者死亡率和疾病后遗症，康复时间也会相应缩短，优势显而易见。反观国内，相比成熟的地面救援网络，空中救援发展基本上是空白，还处于起步阶段。2014年，国务院办公厅印发《关于加快应急产业发展的意见》，为发展空中医疗救援提供了机遇。今年1月在重庆举行的2016年全国应急工作会议上，国家卫生计生委提出“启动陆海空立体化紧急医学救援网络建设，着力提升医学救援能力”。目前，北京、上海、重庆等地区均已积极响应，并开始启动直升机应急救援，构建现代化的海陆空保障体系。
金汇通航与上海瑞金医院、上海市医疗急救中心的正式合作堪称行业医企合作典范，不仅为上海地区的直升机空中救援项目打开一扇窗，更为日后在全国范围内进行医疗救援战略布局、更加高效有序地救灾恤难奠定了良好的基础。接下来，金汇通航将与上海瑞金医院、上海市医疗急救中心继续深入探索，制定符合上海及周边地区需求的直升机救援模式。
构型设计 篇12
编队燃料最优重构问题,本质上属于一个最优控制问题.从推进方式的角度来讲,可以分为脉冲和连续推力.文献[4,5,6]采用脉冲推进方式,文献[7-13]采用连续推力推进方式.由于连续推力推进比冲大,相比而言燃耗较小,因此相关研究较多.作为最优控制问题,卫星编队燃料最优构型重构问题的求解方法可分为直接法和间接法.考虑到基于部分线性模型,如Clohessy-Wiltshire(C-W)方程、Tschauner-Hempel(T-H)方程或近似线性模型的能量最优重构问题存在解析解[7],因此部分学者用能量最优问题近似燃料最优问题.文献[8]考虑星间引力差的非线性项、J2项差分摄动以及参考星的小偏心率非线性相对运动,研究了两星之间的能量最优构型重构问题.文献[9]基于椭圆参考轨道的非线性相对运动模型,研究了能量最优重构问题.文献[10]采用伪谱法研究了基于Gim-Alfried矩阵的能量最优小推力编队重构控制,文中探讨了最优能量随转移时间的变化情况.文献[11]针对考虑星间碰撞约束的卫星编队重构问题,研究了基于能量最优的连续小推力重构机动,文中采用多重打靶法将该问题转化为一个可用内点法求解的非线性规划问题,解决了由于大量的不等式约束带来的计算耗时问题.文献[12]以燃耗最小为性能指标,兼顾燃料均衡要求,基于高斯微分方程采用间接法研究了100 km以内编队卫星的轨道部署问题,由于部署时间达数天以上,因此文中还考虑了J2项摄动.文献[13]采用同伦方法研究了基于T-H方程的燃料最优小推力编队重构问题,针对协态变量初值难以猜测的问题,文中用较易求解的能量最优重构协态变量,迭代得到燃料最优的协态初值.文献[14]将考虑燃料均衡约束的多星重构问题转化为多目标优化问题,进而采用进化算法求解.文献[15]采用脉冲控制方案考虑燃料均衡约束,将编队重构问题转化为混合0-1规划问题.上述文献大多考虑的是初始终端相位和重构时间均给定的编队构型重构问题,不涉及这些变量的优化.
本题目以多星编队为背景,综合并补充了当前国内外关于卫星编队重构的研究重点.作者代表西安卫星测控中心宇航动力学重点实验室参加了本次竞赛,并取得了并列冠军的成绩.本文将给出竞赛题目的求解思路要点,以及相关的结果展示与后续展望.
1 题目分析
题目以近地轨道多星编队的构型重构任务为背景,将编队任务设定如下:假定一颗主星携带5颗完全相同的从星运行在高度为400 km的近地圆轨道上,需要利用这5颗从星构建的目标构型有(4种):同轨道跟飞/领飞构型、平面椭圆构型、当地水平面投影圆构型和三维空间圆构型.根据任务需求,设法每次选择3颗从星在主星附近依次构建上述4种目标构型,构建目标构型的先后顺序无限制,每种构型建立后需要保持至少2 d,总任务期限不超过10 d.期望通过合理设计5颗从星的相对飞行轨迹,尽可能构建所有4种目标构型,并考虑燃料消耗均衡分配问题.编队构型重构过程中不考虑卫星之间的碰撞.第一设计指标定义为在任务周期内构建尽可能多的目标构型(最多4种).当第一设计指标相同时,第二设计指标定义为最小化5颗从星中的最大燃料消耗质量.
本题目的挑战性在于:(1)提供卫星的数目大于构建构型的卫星数目(5>3),导致在构型次序固定的情况下,构建构型的从星组合多,即C534=104;(2)参与每次重构的3颗从星的出发相位和到达相位不定,即在0◦∼360◦范围内选择,同时3颗从星在满足末端状态约束的情况下,还有2种排列方式;(3)参与每次重构的3颗从星到达构型的时间和构型保持的时间均可以不同,各从星只需共同保持2 d即可,即各从星的时间序列需分别设计,导致全局设计变量个数增加.
综上所述,本题目解空间大、设计变量多、求解难度大,因此,需充分利用航天器的相对运动动力学特性,逐步降低求解难度.
2 模型基础
根据题目分析可知,为降低全局优化的难度,确定构型次序是首先需要解决的问题.下面给出本文的模型基础.
2.1 相对运动模型
题目针对的是近地空间的近圆轨道,因此采用C-W方程为动力学模型,其矩阵形式如下
其中
式中,r和v分别为编队的主从星之间的相对位置和速度矢量,u为控制加速度矢量,T为推力矢量,上述矢量均在主星轨道坐标系中衡量和投影(坐标系原点位于主星,x轴由地心指向主星,y轴在主星轨道面内与x轴垂直,沿运动方向为正,z轴垂直于轨道平面,与x和y轴构成右手坐标系).另外,矩阵中n为平均轨道角速度,方程(1)中m恒取为从星的初始质量m0=50 kg.根据C-W方程的解析解,编队构型可表达为
若假设从星在初始时刻(t=0)相对主星的位置和速度为,则式(2)中的xc,yc,b,c,ϕ,φ为与初始状态相关的构型参数,均为常数.
题目中要求构建的目标构型包括同轨道跟飞/领飞构型、平面椭圆构型、当地水平面投影圆构型以及三维空间圆构型,4种构型的主要参数如表1所示,值得说明的是题目中各构型的φ=Ø,与工程任务中要求的编队构型一致,即保证了径向、法向的运动与横向运动的隔离,以降低横向运动存在不确定情况下编队卫星之间的碰撞概率[16].
题目涉及多段构型重构,导致设计变量多,求解难度大.因此,本文首先优化两两目标构型(4种构型以及出发原点的排列组合,共10种)之间的燃料消耗.编队重构问题本质上属于最优控制问题,主要的求解方法可以分为脉冲推力方法和连续推力方法.考虑到连续推进方式比冲大,相对而言燃料消耗小,为此本团队选择连续推进方式.通过分析题目,本团队先采用基于能量最优的连续推力模型近似,然后将影响燃料消耗指标的推力段转换为bangbang控制.
2.2 能量最优控制模型
在重构初始终端时间状态给定的情况下,以能量最优为性能指标,即
的重构控制问题可用于近似燃料最优的重构控制问题.根据Pontryagin极大值原理,可得如下解析形式的最优轨线、协态变量以及最优控制律[8]
式中,λ=[λrTλvT]T为r和v矢量对应的协态变量,Φ为方程(1)的状态转移矩阵
矩阵C和K为常值矩阵,S为时间t的函数,含下标0和f的变量分别为t0和tf时刻对应的状态,矩阵的具体解析表达式可参考文献[8].若按照式(4)表示的控制律控制,重构过程中的燃料消耗为
其中,ge为地球海平面的重力加速度,Isp为推进比冲.
2.3 燃料最优控制模型
仍然在重构初始终端时间状态给定的情况下,以剩余燃料最大化为性能指标,为
结合式(1)可得Hamilton函数如下
其中,k=geIsp,T为推力矢量的大小,λm为质量变化对应的协态变量.根据Euler-Lagrange方程
对应最大化性能指标,需要令H最大化,则有
即推力方向和速度协变量矢量相同.整理Hamilton函数可得
其中,SF=λv/m-λm/k.易知,SF的正负号决定了是否开机,即当SF为正时,发动机以最大推力开机,否则关机,这样的控制律被称为bang-bang控制.
3 求解方案
3.1 局部优化
为确定最佳构型次序,首先进行局部优化.由于提供的编队卫星数目大于构建构型的卫星数目,因此某些卫星可以不参与部分构型的构建,即每颗从星参与构型的数目可能为:1,2,3或4.但是考虑到燃料均衡问题,本文选择的策略是让每颗从星参与2∼3个构型.为此,本节分析了形成单个构型,即单段重构的燃料消耗情况.考虑到单段重构的燃耗受初始终端相位以及重构时间的影响,本文设计了固定时间和固定相位的两种算例进行分析.
首先,分析初始终端相位固定时,燃耗随重构时间的变化情况.如针对典型的构型组合2-3,选择三组随机变化的初始和终端相位,其燃耗随时间的变化如图1所示.根据仿真结果可知,对于相同的初始终端相位,燃料消耗随重构时间的增加大致呈降低趋势,局部呈现周期性.但同时也发现,随着重构时间的增加,燃耗变化已经不再明显.其原因在于重构时间较长时,推进器在最佳工作时刻发挥作用的时间比例提高了.理论上来讲,尽管延长重构时间可以减少燃料消耗,但是不断增加推进器的工作次数为其实现带来了困难,在实际应用中是不可取的.
此外,从图1还可得知,对于不同的初始终端相位,燃耗情况也不同.为此,本文设计了固定重构时间,分析燃耗随相位变化的算例.考虑到随着重构时间的增加,燃耗变化已经不再明显.因此,选择重构时间为τ=4T,即4个轨道周期T,相位变化范围为0◦∼360◦,仿真结果如图2所示.分析图2可知,当初始相位和终端相位选择合适时,可以取得最小燃耗,即位于波形曲面的波谷处.同时还可以发现整个曲面波谷处的燃料消耗大致相同,这意味着给定任意的初始相位(终端相位),均能找到一个终端相位(初始相位),使得燃料消耗较小.
为确定构建构型的次序与参与各构型的从星组合,下面对各重构段进行优化,计算各段的最小燃料消耗.作为初步确定,同时结合图1和图2的分析,这里采用固定的重构时间,即τ=4T.优化方法采用的是混合粒子群算法.粒子群优化算法(PSO)是一种模拟鸟群捕食行为的进化搜索算法.同遗传算法类似,PSO算法也是一种全局优化算法,但是无需进行交叉变异等操作,因此算法实现较简单,可调参数较少,但其缺点是后期收敛速度慢,局部搜索能力差.针对这一弱点,考虑在PSO算法停止后调用非线性规划算法.Matlab优化工具包中的非线性规划函数fmincon具有较强的局部搜索能力.因此,本文采用PSO与fmincon混合的优化算法[17].基于混合PSO算法的单段优化模型如表2所示,计算过程中PSO算法的参数设置为:种群大小N=300,进化代数为G=60.表3给出了单段优化结果,其中各构型参数如表1所示,构型1的参数取yc=-4 km,计算过程中比冲Isp=1 000 s.根据表3易知,与构型3(即当地水平投影圆)的组合燃耗较大.根据前面所述,从燃料均衡的角度考虑,每颗从星将参与2∼3个构型.
进一步结合表3,本团队采取的策略是令参与构型少的从星参与构建燃耗较大的构型,最终确定了如表4所示的构型次序以及参与构建每个构型的从星组合.
3.2 全局优化
本节将结合局部优化结果,以及构型保持时间约束、相位约束,进行全局优化.根据局部优化结果易知从星1,2,3的燃料消耗占主导,4,5星次之.因此,考虑到题目的第二设计指标,本文的策略是最大化从星1,2,3的解空间,然后再结合约束计算从星4,5的重构、保持时间以及相位序列.表5给出了基于混合PSO算法的多段重构优化模型,表中τicg,τibc为第i段的重构与保持时间,d表示重构与保持的总段数.
按照上述优化模型计算可得出从星1,2,3的最小燃料消耗.为进一步降低燃耗,将影响性能指标的重构段推力转换为bang-bang控制,转换前后的燃耗比较如表6所示.具体转换方法:根据已求出的解析结果,将连续推力分为若干小段,每段节点处的位置速度取决于解析的位置速度,每段的优化模型参见2.3节.
综合上述策略,得出具体形成4种构型时的时间、相位、燃耗等如表7所示(按照形成构型的次序排列),形成每个构型的轨道示意图以及相应的推力随时间的变化曲线如图3∼图6所示.其中,从星1的两个重构段,从星2、3的第2个重构段均进行了bang-bang控制转换.
4 结论与展望
本题目的挑战性在于提供的编队卫星数目大于构建构型的卫星数目,从而增大了优化的搜索空间.本文采用先局部后全局的思路,首先通过分析单段重构过程的相对运动特性,降低了优化变量的维数,进而结合各种约束进行全局优化,最后得到如下结论:(1)对于10 km以内的编队,基于C-W方程采用连续推进方式的最优重构控制燃料消耗的量级较小;(2)全局最优解基本符合单段最优重构解的叠加,这是因为单段最优重构的最小燃耗可对应多组重构时间和相位,同时任务持续的时间远大于单段重构所需的时间,这意味着多段编队重构问题的求解均可转化为多个单段重构问题的叠加;(3)连续推力转换为bang-bang控制之后燃耗可以进一步降低.
题目设定的动力学模型是无摄动情况下的线性模型,因此保持过程和重构过程均无克服摄动带来的燃耗,若后续研究可考虑摄动.此外,若参与编队的卫星增多,碰撞规避问题也是必须考虑的约束条件,可做进一步研究.
摘要：第七届全国空间轨道设计竞赛乙组题目以近地轨道卫星编队的燃料最优构型重构问题为背景,要求合理设计从星的相对飞行轨迹,构建尽可能多的目标构型,并考虑燃料消耗均衡分配问题.本文介绍了该题目的解法,包括问题分析、求解方案以及相关计算结果.由于燃料最优控制问题可用能量最优控制问题近似,文中采用能量最优连续推力优化模型近似计算燃料最优控制律.首先通过优化分析两两构型之间的燃料消耗,确定了构建4种目标构型的次序;然后综合考虑构型保持时间约束以及相位约束,采用混合PSO(particle swarm optimization)算法进行全局优化;最后将影响燃料消耗指标的从星相对飞行轨迹的连续推力段转化为bang-bang控制.