時間：2022-03-18 22:59:25
導語：在機械優化設計論文的撰寫旅程中，學習并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優秀范文，愿這些內容能夠啟發您的創作靈感，引領您探索更多的創作可能。
中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）39-0098-02
優化設計是20世紀60年代初發展起來的一門新學科，它是將最優化原理和計算技術應用于設計領域，為工程設計提供一種重要的科學設計方法。利用這種新的設計方法，人們可以從眾多的設計方案中尋找出最佳設計方案，從而大大提高設計的效率和質量。最優化設計成功運用于機械設計還是在20世紀60年代后期，雖然發展時間不長，但是發展迅速。在機構綜合、機械零部件設計、專用機械設計和工藝設計方面都得到了應用并取得了一定的成果[1-3]。目前國內許多高校機械專業都開設了《機械優化設計》這門課程。通過《機械優化設計》這門課程的學習，首先應當使學生具有優化的思想，了解一些優化方法的原理，掌握一些優化的方法，為以后更好的工作打下扎實的基礎。但是本課程中一些枯燥的數學推導及公式難以引起學生的學習激情。如何提高學生的學習熱情，并使學生較快掌握一些優化方法，一直是筆者在從事《機械優化設計》課程教學中思考的問題。下面介紹筆者在從事《機械優化設計》課程中采用的一些方法和經驗。
一、培養學生學習本課程的熱情
學習《機械優化設計》這門課程的學生早已先修了機械原理、機械設計等課程，筆者在教學之初常常告誡同學，對于一名工程師設計人員來說，僅僅具有機械原理機械設計方面的知識是遠遠不夠的，只能進行一些傳統的設計。而傳統的設計只是重復分析產品的性能，而不是主動地去設計優化產品的參數。從某種意義上講它沒有真正體現“設計”的含義。因此，對一個工程設計人員來講，應當在產品設計的過程中始終要有優化的思想。當然光有優化的思想仍然是不夠的，還要有優化的能力，掌握一些優化方法。筆者在開課之初，通常會給學生這樣一個假設。如果甲、乙兩位同學供職在同一個企業，企業老板讓兩人分別提出他們的方案來解決公司中某一產品的問題。甲很快將自已的解決方案提交給公司老板。乙經過分析考慮，在甲之后也提交了方案，乙的方案不僅解決了產品問題，而且優化了產品的參數，降低了成本。筆者問學生甲、乙兩位同學誰將會被重用，誰將獲得更多的職位升遷的機會。這個答案是不言而喻的。通過上述的假設，使學生懂得具有優化的思想和優化設計的方法還與他們個人在工作崗位的升遷機會有關。這極大地提高了學生學習這門課的熱情，也讓優化思想概念植根于學生思想之中。
二、采用形象化的教學方法
《機械優化設計》中許多枯燥的公式和推導，學生一時會難以掌握，有時會導致學生喪失學習的興趣。在教學中筆者注重采用形象化的教學方法，例如一維搜索方法中的確定搜索區間的外推法可以用盲人探路的方法來加以引導[4]。具體可以表述為：一個盲人想去一個山谷谷底，他向前探出一步，如果發現在上坡，說明前進方向錯誤，谷底應在身體后方，應該轉身再前行。如果探出一步，發現是下坡，表明谷底在前方，可以繼續前行，直至走出一步出現上坡的感覺，據此可以判斷谷底就在最后兩步之間。
三、課堂教學與生產實踐相聯系
課堂教學與生產實踐相聯系，提高學生學習興趣，提高學生走上崗位解決問題的能力。例如坐標輪換法，坐標輪換法是每次搜索只允許一個變量變化，其余保持不變，即沿坐標方向輪流進行搜索的尋優方法。在介紹坐標輪換法思想時，筆者以注塑產品為例加以介紹，注塑產品的質量與溫度、噴嘴壓力、保壓時間、注塑速度等工藝參數有關。在試模過程中為了獲得較好的產品質量，需要調試出這些工藝參數值。有經驗的注塑人員往往采用坐標輪換法思想以節約試模時間。首先逐漸改變某一個工藝參數值，而其余工藝參數保持不變，觀察注塑產品質量。在注塑產品質量不再提高時甚至開始降低時，再調整另一個參數值，直至注塑產品質量達到要求為止。如果同時對這些工藝參數進行調整，很難確定調整這些工藝參數的方向，會花費較長時間才能調試出合格的注塑產品。
四、加強與學生的互動
現代教學論指出：教學是教師的教與學生的學的統一，這種統一的實質就是師生之間的互動?！稒C械優化設計》課程師生之間的互動可充分發揮學生的主體作用和主動精神，提高學生的學習激情，進一步提高學生的優化設計能力、創新思維。在課堂上筆者注重與學生之間的互動。經常提出一個問題，讓學生思考如何采用優化的方法去解決這一問題，以提高學生采用優化方法解決問題的能力。筆者常常讓學生走上講臺，介紹他們采用的優化方法，并讓學生們充分討論思考有沒有更好的優化方法，充分調動學生的積極性。在課堂教學最后，筆者完全將講臺交給學生，讓學生們介紹學習《機械優化設計》這門課的心得和體會。通過課堂的互動，調動了課堂學習的氣氛，學生在互動中學到了一些優化方法，牢固了優化設計的思想，提高了優化設計的能力。
雖然《機械優化設計》的基本尋優思想和方法在20世紀60年代已近完備，但是仍有需要改進之處，特別是該課程的教學方法。教學方法的優劣將會影響學生的接受程度。采用各種生動的方法將會提高學生的學習興趣，牢固掌握一些優化的方法，讓優化的概念植根于學生思想之中，為他們走上工作崗位更好地工作打下扎實的基礎。筆者通過采用上述的教學方法發現，學生學習《機械優化設計》課程的興趣提高了，分析問題解決問題的工程實踐能力也得到了增強。有些畢業了的學生在與筆者聯系時，提到他們工作時常常想到并主動去優化。優化創新思維已成為他們固有的一種思維模式。
參考文獻：
[1]葉元烈.機械優化理論與設計[M].北京：中國計量出版社，2001.
[2]方世杰，綦耀光主編.機械優化設計[M].北京：機械工業出版社，2003.
[3]孫靖民.機械優化設計（第3版）[M].北京：機械工業出版社，2005.
（溫州職業技術學院，溫州 325035）
（Wenzhou Vocational & Technical College，Wenzhou 325035，China）
摘要： 優化設計是將最優化理論和計算技術應用于機械設計領域，為工程設計提供優化設計的方法。MATLAB優化工具箱具有編程工作量少、語法符合工程設計習慣的特點，本文應用MATLAB軟件，以RV減速器一級齒輪傳動體積最小為目標函數進行優化設計，并給出了優化設計實例，與原設計方案相比，取得了良好的優化效果。
Abstract： Optimization design is to apply optimum theory and computing technology into the field of mechanical design to provide the optimization design methods for engineering design. MATLAB optimization toolbox has many characteristics， such as the programming workload is less， the grammar conforms to engineering design practice and so on. MATLAB software is applied in this article， the minimum transmission volume of the first RV reducer gear as the objective function to optimize design and put forward the optimal design example. Compared with the original design scheme， it achieves good optimization effect.
關鍵詞 ： MATLAB優化設計；目標函數；約束函數；RV減速器
Key words： MATLAB optimization design；objective function；constraint function；RV reducer
中圖分類號：TG457.23文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2015）25-0085-03
基金項目：溫州市科技計劃項目（項目編號：G20120011）“基于救援機器人的RV減速器研發”的階段研究成果。
作者簡介：鄭紅（1968-），女，江西南昌人，溫州職業技術學院機械系副教授，研究方向為機械設計制造及自動化。
0 引言
機械優化設計是最優化方法與機械設計的結合，設計工具是計算機軟件及計算程序，設計方法是最優化數學方法。機械優化設計，就是在給定載荷及工作環境條件基礎上，在機械產品的性態、幾何尺寸關系或其他因素的限制（約束）的范圍內，根據設計要求及目標，選定設計變量、建立目標函數，并使其獲得最優值，設計出經濟可靠的機械產品。
換句話說，也就是在滿足一定約束的前提下，尋找一組設計參數，使機械產品單項或多項設計指標達到最優。機械優化設計因其目標函數和約束函數普遍呈非線性的特點，設計步驟為先根據實際的設計問題建立相應的數學模型，在建立數學模型時需要應用專業知識確定設計的限制條件和所追求的目標，確定設計變量之間的相互關系等，并使之滿足強度、剛度及運動學等約束條件。數學模型一旦建立，優化設計問題就變成了一個數學求解問題，應用優化理論，設計優化程序，以計算機為載體計算得到最優化設計參數。
美國可口可樂公司是全球最大的飲料公司，擁有全球市場48%的占有率，為降低生產成本，提升品牌競爭力，可口可樂瓶有一段優化設計的佳話，優化處理后的可口可樂瓶重只有原重量的80%，而瓶子的容量、性能卻絲毫未受影響，僅此一舉就節省了可觀的材料費用，帶來了可觀的利潤。
近年來制造業轉型升級、國家推出“機器換人”工程，把機器人、高端數控設備的應用推向了，但基于機器人的RV減速器一直是個技術難題，直接影響到機器人的工作性能指標。
RV減速器產品在結構上由一級漸開線齒輪傳動和一級擺線針輪行星傳動串聯構成，漸開線齒輪傳動構成第一級傳動，擺線齒輪行星傳動構成第二級傳動。RV減速器是一款剛度最高、振動最低的機器人用減速器，能夠提高機器人工作時的動態特性，減小傳動回差，而且還具有體積小重量輕、結構緊湊、傳動比范圍大、承載能力大、運動精度高、傳動效率高等優點。
RV減速器廣泛應用在機器人、數控機床行業，傳統設計全由設計人員手工完成，但在性能更好、使用更可靠方便、成本更低、體積或質量更小的指標要求下，希望能從一系列可行的設計方案中精選最優，傳統的設計方法做不到，因而有必要采用優化方法來確定其設計參數。
RV減速器優化設計要解決的問題，與其使用場合的具體要求有關。在保證傳動能力的條件下要求齒輪傳動及針擺傳動體積最小或質量最小；在要求較高時，需要優選齒輪的幾何參數使齒輪副具有形成油膜的最佳條件；優化齒輪傳動的慣性質量分配，以便最大限度地減少工作時間的振動和噪聲，以及傳動功率最大和工作壽命最長等。
對于不同類型的RV減速器，其優化設計具有各自的特點，設計變量一般選擇齒輪傳動的基本幾何參數或性能參數，如齒數、模數、齒寬系數、傳動比、螺旋角、變位系數和中心距等。
根據優化目標的不同，RV減速器設計可以有多種最優化方案，本文討論的是在滿足齒輪傳動強度、剛度和壽命條件下，使RV減速器轉矩最大、體積最小或質量最小。
基于RV減速器的機器人抓握機械手工況條件，8小時工作，正反轉，輕載平穩，空載起動，室內工作，使用壽命5年，在溫州職業技術學院工業中心單件生產，機器人機械手轉矩T3=20 N·m，轉速n3=5rpm，為優化設計對象，要求在保證齒根彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度的條件下，獲得轉矩最大、體積最小、重量最輕的傳動裝置。應用MATLAB軟件優化工具箱對電機轉矩做最大值優化，即應用fmincon函數對電機轉矩的倒數求最小值優化，優化的目的是求出在轉矩最大的情況下，齒輪傳動體積最小，實際上就是求齒輪齒數的取值。因此以轉矩最大為優化目標，建立優化設計數學模型。
1 目標函數
①工作載荷計算功率P3。
因為T3=9550*P3′/n3 ，代入得20=9550*P3′/5，所以P3′=0.01kW，把P3′打上機器工作載荷系數K=1.5，得
P3=P3′*K=0.01*1.5=0.015kW
②應用針擺傳動效率η2=97%，計算第二級針擺傳動功率P2，得
P2=P3/η2=0.015/0.97=0.016kW
③應用漸開線齒輪傳動效率η1=95%，計算第一級齒輪傳動功率P1，得
P1=P2/η1=0.016/0.95=0.017kW
④應用電機傳動效率η=99%，計算電機功率P，得
P= P1/η=0.017/0.99=0.018 kW
⑤計算電機轉矩。
因為RV減速器總傳動比為i=-Z2/Z1*Zb，則電機轉速為n=i*n3=5*（-Z2/Z1*Zb），
所以電機轉矩為T=9550*P/n=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*Zb））N·m
對于第二級針擺傳動，設計采用一齒差擺線針輪行星傳動，因此針齒齒數Zb必須為偶數，Zb用數學表達式來表達，即Zb=2*k，而10≤k≤50，則電機轉矩表達式為
T=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*（2*k）））N·m。
所以，電機轉矩表達式有3個變量Z1、Z2、k，即X=[x1，x2，x3]T=[Z1，Z2，k]T，表達式變為T=（9550*0.018）/（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））。
機械手的工作要求是轉矩足夠大，而MATLAB軟件的fmincon函數只能進行最小值優化，所以對電機轉矩求倒數，對電機轉矩的倒數作最小值優化，即
1/T=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018），
所以在MATLAB中，目標函數f（x）=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）。
2 非線性約束條件
①非線性約束條件1。
根據機器人抓握機械手工況條件、載荷條件，可以判定齒輪幾何尺寸不大，模數較小，初定為0.5或1mm；轉矩也不大，約為20N·m，電機轉矩理論上應該可以控制在1 N·m以內，即T=（9550*0.018）/（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））≤1，則
1/T=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≥1
所以1-（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≤0構成非線性約束條件1。
②非線性約束條件2、非線性約束條件3。
RV減速器對總傳動比有范圍要求，140≤i≤180，即
140≤（（x（2）/x（1））*2*x（3））≤180，展成兩個表達式，即
140-（（x（2）/x（1））*2*x（3））≤0，（（x（2）/x（1））*2*x（3））-180≤0，整理后140-（x（2）/x（1））*2*x（3）≤0及（x（2）/x（1））*2*x（3）-180≤0構成非線性約束條件2、3。
綜上，非線性約束條件共3個，
1-（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≤0
140- （x（2）/x（1））*2*x（3）≤0
（x（2）/x（1））*2*x（3）-180≤0
3 線性約束條件
①線性約束條件1、線性約束條件2。
為使RV減速器偏心軸軸承與擺線輪之間的作用力不至過大，漸開線齒輪傳動中心距a應是針齒基圓半徑R的0.35~0.65倍，這個可歸為結構尺寸條件。
因為要設計出在轉矩最大前提下，體積最小質量最輕的RV減速器，必須使齒輪傳動的中心距最小，RV減速器的結構緊湊，所以初定針齒基圓半徑R=（30~40）mm，所以
a=（0.35~0.65）*R=（0.35~0.65）*（30~40）=（10.5~26）mm，取整后11≤a≤26。因為
a=1/2*m*（Z2+Z1），因為模數越小，齒輪的幾何尺寸就越小，所以模數取0.5，則
a=1/2*0.5*（Z2+Z1）=0.25*（Z2+Z1），所以11≤0.25*（Z2+Z1）≤26，即
11≤0.25*（x（2）+x（1））≤26，展成兩個表達式，
-0.25*x（1）-0.25*x（2）≤11及0.25*x（1）+0.25*x（2）≤26構成線性約束條件1、2。
②線性約束條件3、線性約束條件4。
為使第二級擺線針輪行星傳動部分輸入轉矩不至過大，第一級漸開線齒輪傳動的傳動比必須控制為i≥1.5，但單級齒輪傳動比又不宜大于5，所以1.5≤Z2/Z1≤5，即
1.5≤x（2）/x（1）≤5，展成兩個表達式，
1.5*x（1）-x（2）≤0及-5*x（1）+x（2）≤0構成線性約束條件3、4。
③線性約束條件5、6、7。
小齒輪齒數的取值范圍8≤Z1≤20，展成兩個表達式，-Z1≤-8，Z1≤20，即
-x（1）≤-8及x（1）≤20構成線性約束條件5、6。
大齒輪齒數的取值范圍Z2≤100，即x（2）≤100構成線性約束條件7。
④線性約束條件8、9。
因為Zb必須為偶數，所以Zb用數學表達式來表達，即Zb=2*k，10≤k≤50，展成兩個表達式，-k≤-10，k≤50，即-x（3）≤-10及x（3）≤50構成線性約束條件8、9。
把9個線性約束條件寫矩陣表達式，即
-0.25 * x（1）- 0.25 * x（2） ≤-11
0.25 * x（1）+ 0.25 * x（2） ≤26
1.5 * x（1）- x（2） ≤0
-5 * x（1）+ x（2） ≤0
-x（1） ≤-8
x（1） ≤20
x（2） ≤100
-x（3）≤-10
x（3） ≤50
4 MATLAB編程
把上述計算過程編寫成MATLAB程序，應用MATLAB軟件優化工具箱對電機轉矩做最大值優化，即應用fmincon函數對電機轉矩的倒數求最小值優化，優化的目的是求出在轉矩最大的情況下，RV減速器中心距最小，實際上就是求齒輪齒數的取值。
該數學模型為3個設計變量、12個約束條件的多元函數最小值問題，采用MATLAB軟件優化工具箱求解最優結果，進行非線性有約束多元函數最小值計算，命令函數為fmincon，主程序如圖1，非線性約束條件如圖2，程序運行結果如圖3。
程序經過6次迭代計算，MATLAB計算優化結果：
Z1 =9.7009，Z2=34.8305，k=19.4962，1/T=4.0721，
即T=0.24 N·m。
5 數據優化處理
因為齒數一定為整數，所以取Z1=10，Z2=36，i1=36/9=4。
又因為Z1<17，齒輪會產生根切現象，但齒輪傳動的中心距又必須控制，所以略加大齒數，采用變位齒輪，取Z1=12，所以Z2=i1*Z1=4*12=48。
因為齒輪模數m=0.5mm，所以齒輪傳動中心距a=0.5*m*（Z2+Z1）=0.5*0.5*（48+12）=15mm，滿足初定的齒輪傳動中心距取值范圍11~26mm。
用優化處理的參數計算電機轉矩的最大值T=0.24 N·m。
6 比較與結論
RV減速器齒輪傳動原設計電機轉矩為0.2N·m，中心距為20mm，經過MATLAB軟件優化工具箱優化處理，電機轉矩增至0.24N·m，中心距降為15mm，滿足齒根彎曲疲勞強度條件和齒面接觸疲勞強度條件，在保證傳動能力的前提下減速器體積減少了約30%，效能非常可觀。
參考文獻：
[1]鄭寶乾.ZD型減速器整體結構有限元模態分析[J].煤炭技術，2010，12（18）.
[2]席平原.應用MATLAB工具箱實現機械優化設計[J].機械設計與研究，2003，19（3）：40-42.
【關鍵詞】小型甘蔗收割機；砍蔗刀盤；動態性能；結構優化
1 引言
甘蔗是多年生宿根植物，目前國內的甘蔗收割機械普遍存在甘蔗宿根破頭率較高的問題，嚴重影響甘蔗來年的發芽率。當切割器旋轉速度和收割機前進速度都處于理想狀態時，宿根破頭率的主要影響因素是切割器刀盤的振動。引起刀盤振動的因素既有路面和柴油機等外部激勵作用，也和刀盤自身高速旋轉有關，并且在切割甘蔗時受到沖擊載荷也會引起振動。因此，我們不可能一個個消除引起振動的因素，可行的方法是提高刀盤自身的動態性能。
本文對已生產出樣機的小型甘蔗收割機的砍蔗刀盤的結構參數，基于APDL進行了優化設計。區別與常見的以最大應變或應力做約束條件的優化，本文的優化以刀盤的前3階固有頻率作為約束條件，并取得了良好的效果，為砍蔗刀盤的設計提供了指導，對小型甘蔗收割機的設計具有重要意義。
2 砍蔗刀盤參數化模型的建立
砍蔗刀盤上安裝有間隔90°角的四個刀片，并和轉軸組成切割器。采用自底向上的建模方式，建模時，簡化掉四個刀片，并以位移約束代替轉軸上聯軸器，得到最簡模型，如圖1所示。砍蔗刀盤的的半徑與切割系統半徑及刀片的懸伸長度有關，為不考慮優化的參數，取為195 mm，厚度H1=8mm；加強盤半徑為R，直接影響刀盤的動態性能，為待優化參數，取為95mm，厚度H2=15mm。
砍蔗刀盤的模型有ANSYS參數化設計語言（APDL）建立，為方便施加聯軸器對轉軸的位移約束，用ASBW命令將轉軸的外圓柱面分為兩個面。
3 砍蔗刀盤的模態分析
考慮到后續的參數優化，選取ANSYS優化模塊支持的solid92號單元和Block Lanczos模態提取方法。由于影響系統動態性能的是前面幾階低頻模態，所以提取前砍蔗刀盤的前5階固有頻率，如表1所示。
砍蔗刀盤的第1、2階振型是繞X軸和Y軸的傾斜偏轉變形，第3階是四周翹起的彎曲變形，第4、5階是很大的前后或左右的彎曲變形。這些都對甘蔗宿根切割質量造成很大影響。
此外，柴油機的工作頻率為36.43HZ，刀盤的工作轉速為900r/min，頻率為15HZ?？痴岬侗P的前5階固有頻率雖然避開了柴油接的工作頻率，但和刀盤的工作頻率都很接近，亟待提高。
4 砍蔗刀盤的結構優化
結構優化的基本思想是以最少的材料獲得最好的結構性能。常見的結構優化以結構的靜態性能為約束，有以最大節點位移的[7]，也有以綜合應力或特征應力的[8]，很少有以反應系統動態性能的固有頻率作為約束的。
5 結論
以系統的動態性能作為約束，對砍蔗刀盤進行了結構優化設計。優化后刀盤的前5階固有頻率均有提高，說明刀盤的動態性能得到了改善。此外，刀盤的前5節固有頻率差值也得到了擴大，這有利于減少刀盤工作時越過共振區。
參考文獻：
[1] 林茂，符新，馮活倫等.甘蔗切割器研究現狀機展望[J].中國農機化，2011，（2）：16～19.
[2] 王汝貴.甘蔗收割機圓盤式切割器工作參數優化研究[D].南寧：廣西大學碩士論文，2004.
[3] 向家偉，楊連發，李尚平.小型甘蔗收割機根部切割器結構設計[J].農業機械學報，2008，4（39）：56～59.
[4] 楊家軍，劉鋒，劉喜云.甘蔗收獲機切割器的動態設計[J].機械科學與技術，2000，19（6）：923～924，926.
[5] 孫德鵬，蒲明輝，萬佳等.模態綜合法和ANSYS在甘蔗收割機切割系統上的應用[D].農機化研究，2008，（3）：171～174.
[6] 童衛華，姜節勝，廖巍.基于可靠性分析機頻率約束的結構優化[J].機械科學與技術，1997，4（16）：581～584.
[7] 項忠珂，李尚平，唐滿賓.基于有限元的加工中心工作臺的仿生優化[J].組合機床與自動加工技術，2010，（11）：100～103.
[8] 胡迎春，陳樹勛，李尚平.基于全局協調的甘蔗收割機多學科優化設計研究[J].中國機械工程，2007，18（11）：1355～1358.
作者簡介：
項菲菲（1988-），女，漢族，江西豐城人，講師，碩士，研究方向： 結構優化設計
項忠珂（1984-），男，漢族，江西上饒人，講師，碩士，研究方向：計算機仿真
【Abstract】:Build a model of DOE for balustrade bracket optimization using popular data analysis software suck like Minitab. Verify the optimized design by standard test specified by GB code.This design optimization focuses on the parameters which affect the static strength of balustrade. The tool used for this DOE is called as “screening”, which often be used to sort out key facts. The application of DOE in the optimizing of escalator’s balustrade is a good practice for mechanical design.
【關鍵詞】：設計優化 篩選型試驗 護欄支架
中圖分類號：S611文獻標識碼： A
扶梯一般是安裝在地鐵，商場，機場等人流量比較大的地方，是現代城市不可或缺的重型機械設備。它的安全使用涉及到乘客的人身安全，它也被定義為特種設備。而扶梯護欄是保障乘客安全的第一道屏障，為了防止乘客有墜落或擠刮傷害的危險，所有扶梯都設有規定高度的護欄。
2011年，中國及歐盟等國家和組織新頒布了針對自動電扶梯的新的行業標準。在中國國家標準GB16899-2011《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝規范》的第5章第五節中，針對扶梯護欄有明確的要求，即扶梯護欄在平均一米的范圍內需要能承載600N的側向力和730N的垂直力，即表達了對護欄強度的嚴格要求。而護欄的強度取決于其支架。當然，為了滿足標準要求，可以使用高密度排布，高強度材料，高厚度的支架。 但這將極大增加制造成本，同時，也對扶梯其他結構造成影響，導致扶梯出現內部結構干涉，桁架負荷過大等現象。在某R型扶梯的設計中，作者就面臨了這種問題。設計要求要既符合標準又要滿足成本和結構需要。綜合考慮之后，認為解決的辦法之一就是利用試驗設計(DOE)找出支架零件參數和排布參數的優化組合.
DOE（Design of Experiment）試驗設計，是一種安排實驗和分析實驗數據的數理統計方法；試驗設計主要對試驗進行合理安排，以較小的試驗規模(試驗次數)、較短的試驗周期和較低的試驗成本，獲得理想的試驗結果以及得出科學的結論。
另外，Pro-Engineer是國際上機械行業通用的一種三維設計軟件，以參數化設計概念著稱。 在本次研究中，利用軟件Pro-Engineering的計算模塊Mechanica，對支架受力情況進行理論分析。
圖一R型扶梯護欄受力分析及支架形狀
在Mechanica分析模塊中，可以改變參數構成，再重新生成分析結論，這為以后的參數分析提供了依據。根據理論分析結果，選取一些較為顯著的影響因素，在DOE中，這些因素被叫做自變量。通過力學分析結果，定義出如下影響護欄力學性能的自變量：護欄支架厚度 B，護欄支架排布距離 D，護欄支架玻璃槽深度 H。
根據DOE在Minitab中的操作步驟，接下來需要定義DOE中的因變量，這種因變量需要是可量化的變量，方便以后的統計分析。扶梯 護欄在被施加了標準指定的力之后的會產生瞬時變形量，這種變形量可以使用數字式的百分表在護欄的頂端外側獲得，是可以量化的。由經驗得知，該變形量最好不要超過6mm，這樣就能保證玻璃護欄不至于出現破損或碎裂。所以，本次DOE的因變量就應該是護欄頂端的瞬時變形量。
根據以上對于試驗設計自變量和因變量的分析，并結合由以上分析得出的因變量以及原有的設計圖紙，列出了它們可能的水平，并制作了因子及其水平的表格：
表格一 自變量分析
在此表中，因子的水平除了需要根據力學分析得出的可能的取值圓整之外，還需要根據扶梯整體的結構來通盤考慮，因為存在結構上讓位的需要。在得出這些可能的水平之后，要以概率論、數理統計、線性代數等為理論基礎，科學地設計試驗方案，正確合理地分析試驗結果，以較少的試驗工作量和較低的成本獲取足夠、可靠的有用信息。我們可以運用Minitab等計算軟件來對這些數據進行處理，而不需要手動組合排配。得出如下試驗運行配置。
表格二 試驗排配表
按照試驗排配表進行標準化測試，得出測試結論。通過Minitab的圖表分析功能，可以看出各個因子的顯著性程度，選擇DOE下的Analyze Factorial Deisgn來分析各個因子的顯著程度，得到效果圖，分析因素影響效果圖可知，支架厚度和支架排布距離的影響程度最為突出，同時，選取這兩個因子，利用Regression功能模塊，得出自變量對于響應“護欄變形”的回歸方程回歸方程：
圖二 因子顯著度分析圖及回歸方程
在以上“會話”中，得出的結論是：所有的P均小于0.05，這就表明了所擬合的回歸方程擬合良好，另外，其殘值系數數值為93.4，表明擬合良好。
在進行了回歸方程驗證后，接下來就是對數據進行優化了，即找到在本次試驗設計中對應于目標響應的因子的最優組合，由經驗得知，對于鋼化玻璃類型的護欄，若能使其支架變形量在6mm以下，就能保證國家標準對于該護欄的靜載強度要求。同時，考慮到制造成本等因素，選定變形量為3~6mm為目標變形量。在Minitab中，選擇DOE-Factorial-Response Optimizer, 在setup中輸入Lower 3,Target 4,Upper 6, 一路選擇OK，即得到以下關于響應“護欄變形量”的優化圖的輸出。
圖三 參數優化結果
由此優化圖可以看出，根據回歸模型和成本，制造難易程度等因素綜合考慮，支架厚度3mm和支架間距580mm是最合適的優化設計。
在完成了本次試驗設計后，按照優化結果對設計圖紙進行改進。在制作出來新的護欄支架后按照580mm的間隔進行優化排配。同時，按照國標規定的測試方法，對樣品進行了3次靜載試驗，驗證了其剛度確實滿足靜載變形小于6mm的要求。
通過選擇試驗設計，本案例成功找到了解決設計和成本同時優化的方法，并通過試驗對優化結果進行檢驗。在這過程中，論述了如何確立問題，分析問題，如何找到可能的影響因子和優化方案，如何對優化方案進行驗證。在應用試驗加試驗設計方法時，結合了Minitab和Pro-Engineer等計算機輔助軟件，使得在自動扶梯產品的研發設計過程中，顯著提高設計效率，縮短研發周期，更加快速靈活地滿足客戶的各種不同需求。
參考文獻
[1] 金華.戴金海.陳琪鋒.基于回歸正交試驗設計的彈翼結構優化設計[J]. 計算機仿真2007 第10期. 42-44頁
[2]包國勇.王琛.正交試驗設計在機械設計中的應用實例分析[J]. 金華職業技術學院學報2005年01. 19-21頁
關鍵詞：仿生 蜻蜓 撲翼飛行器 數學模型 仿真分析
中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）09（c）-0059-04
自古以來人們就夢想著在天空自由翱翔，對鳥的生理結構和飛行原理等方面所做的研究和獲得的靈感，使人類乘著飛機上了天。昆蟲與鳥相比，具有更大的機動靈活性。對昆蟲生理結構和飛行機理的研究，將仿制出具有更大飛行靈活性和自由度的新型飛行器。最近幾年，在昆蟲空氣動力學和電子機械技術快速發展的基礎上，各國紛紛開始研究拍翅飛行的仿昆飛行機器人，使得仿生昆蟲飛行機器人成為機器人研究最為活躍的前沿領域。仿生撲翼飛行器是一種模仿鳥類或昆蟲飛行，基于仿生學原理設計制造出來的新型飛行器。該類飛行器與固定翼和旋翼飛行器相比，它具有獨特的優點，如：原地或小場地起飛；較強的機動性能，尺寸小，便于攜帶，飛行靈活，隱蔽性好等。因此，在國民經濟各領域尤其是國防領域有著十分重要而廣泛的應用。本文根據蜻蜓飛行時的運動特性設計出一種由齒輪連桿機構組成的微型撲翼驅動機構，對機構進行了數學建模設計優化，并基于Catia進行了仿真分析。
1 基于四桿機構對仿生蜻蜓撲翼飛行器的動力設計
仿生學研究表明，動物飛行能力和技巧的多樣性多半源于它們的翅膀的多樣性和微妙復雜的翅膀運動模式。撲翼飛行器是借助機翼的上下撲動來產生升力和推力，這需要設計出高效可靠的撲翼驅動機構本設計采用了對稱齒輪桿機構來實現機翼的上下往復運動。仿生昆蟲飛行器通常具有小尺寸、便于攜帶、行動靈活和隱蔽性好等特點，仿昆飛行器的飛行性能和物理特性是雷諾數極小，表面積與體積之比很大，總質量嚴格受限。而動力裝置所占體積會直接影響到飛行器的大小，所以本設計從動力裝置出發。
1.3 基于Catia運動仿真并測量分析
2 動力模塊的實現
考慮實際功率以及驅動效率，選定齒輪連桿機構進行驅動，并將連桿L1對稱設計，如圖6、7所示。
3 仿生蜻蜓撲翼飛行器的整體結構及模擬運動
運用catia對設計的撲翼飛行器的零件進行裝配，得到完整的設計如圖9所示。
4 結論
微型撲翼驅動機構的設計優化與仿真研究是微型撲翼飛行器設計中的關鍵環節。對蜻蜓撲翼運動進行了研究，設計出一種齒輪連桿驅動機構做了以下工作：（1）提出了一種齒輪連桿機構模仿蜻蜓運動的微型撲翼驅動機構設計方案。（2）采用基于優化的機構設計方法對四連桿驅動機構進行優化設計，建立了數學模型，得到了驅動機構各桿件及傳動角等參數和運動參數。（3）利用CATIA完成的仿生蜻蜓撲翼機構的設計并對其進行了仿真分析。得到的結論與數學模型分析結論一致，驗證了該機構的可行性。
仿生撲翼飛行器處于不斷的探索過程中。用機械裝置去實現撲翼飛行的復雜運動模式是一項挑戰，我們要不斷的嘗試與探討。隨著新材料、新工藝、計算機技術、先進制造技術的不斷發展，在不久的將來仿生蜻蜓撲翼飛行器可以在空中翱翔。
參考文獻
[1]周驥平，朱興龍，周建華，等.仿生撲翼飛行器的研究現狀及關鍵技術[J].機器人技術與應用，2004（6）：3.
[2]彭躍林.微小撲翼飛行器機翼及結構模型的設計與實驗研究[D].西北工業大學，碩士論文，2003.
[3]McMicheal J M. FrancisM S. Micro Air Vehicles2Toward a New Dimension in Flight[R].US DARPA / TTO Report，1997.
[4]顏景平，張志勝.仿昆飛行機器人的研究[J].機械設計，2003（6）.
[5]孫恒，陳作模，葛文杰.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2009.
[6]唐錦茹，郭志賢.曲柄搖桿機構按最小傳動角的優化綜合[J].華北電力學院學報，1995（22）.
【論文摘要】:對變頻調速器在實踐應用中容量的正確選擇、傳動系統的優化設計以及外接制動電阻等方面的問題,總結了一些經驗。
隨著電力技術的迅速發展,交流電機變頻調速技術取得了突破性的進步,進入了普及應用階段。在我國,變頻調速器也正越來越廣泛地被采用,與此同是地,如何正確地選好、用好已成為廣大用戶十分突出的問題了。
1.關于容量選擇
在變頻調速器的說明書中,為了幫助用戶選擇容量,都有"配用電動機容量"一欄,然而,這一欄的含義卻不夠確切,常導致變頻器的誤選。
各種生產機械中,電動機的容量主是根據發熱原則來選定的。就是說,在電動機帶得動的前提下,只要其溫升在允許范圍內,短時間的過載是允許的。電動機的過載能力一般定為額定轉矩的1.8-2.2倍。電動機的溫升,所謂"短時間"至少也在十幾分鐘以上。而變頻調速器的過載能力為:150%,l分鐘。這個指標,對電動機來說,只有在起動過程才有意義,在運行過程中,實際上是不允許載。
因此,"配用電動機容量"一欄的準確含義是"配用電動機的實際最大容量"。實際選擇變頻器時,可按電動機在工作過程中的最大電流來進行選擇,對于鼓風機和泵類負載,因屬于長期恒定負載,可直接按"配用電動機容量"來選擇。
2.傳動系統進行優化設計
交流異步電動機經變頻調速后,其有效轉矩和有效功率的范圍。配用變頻調速器時,必須根據生產機械的機械特性以及對調速范圍的要求等因素,對傳動系統進行優級化設計,優化設計的主要內容和大致方法如下:
2.1 確定電動機的最高運行頻率
(1)鼓風機和泵類負載,這類負載的阻轉矩TL與轉速n的平方成正比TL=KTn2,輸出功率PL與轉速的在次方成正比PL=KPn3,(KT和KP為常數),由此可知,如轉速超過額定轉速,負載的轉矩和功率將分別按平方律和立方律增加,因此,在一般情況下,不允許在額定頻率以上運行。
(2)一般情況下,各種機械的強度、振動以及耐磨性能等,都是以電動機轉速不超過3000r/min為前提設計的。因此,在沒有對機械重新進行設計的情況下,2級電機的最高運行頻率不要超過額定頻率太多。
(3)當異步電機在額定頻率以上運行時,由于電源電壓是恒定的,其在調到fx時電磁轉矩Tx近乎和頻率調節比Kf的平方成反比,即T≈TN/Kf2(而TN為額定頻率fN時的轉矩)。因此,最高運行頻率不宜超過額定頻率
(4)異步電機在低頻下運行時,為了獲得足夠的轉矩,常需進行轉矩補償。而轉矩補償將使電機的磁路趨于飽和,從而增加附加損失,降低了效率,因此,只要情況許可,應尺可能地提高運行頻率的上限。
2.2 確定傳動系統的傳動比并校核電動機的容量
(1)鼓風機和泵類負載,一般均為直接驅動,不必考慮傳動比的問題。
(2)恒轉矩負載,首先,根據有效轉矩線以及所要求的頻率調節范圍,確定電機運行的最高頻率和最低頻率。
假設已經確定的電動機最高運行頻率為fmax最低運行頻率為fmin與此對應的轉矩相對值為tTL,則電動機的額定轉矩Tn=TL/qTL(TL負載轉矩)。如果原選電機并未留有余量的話,則配用變頻調速器后,電動機的容量應擴大1/tTL倍。傳動系統的傳動比入等于電動機在最高運行頻率下的轉速nDmax負載所需求的最高轉速nLmax之比。
(3)恒功率負載:和恒轉矩負載類似,首先根據有效功率線和頻率調節范圍,求出電動機運行頻率的上、下限。
同樣,在求出最高和最低運行頻率的同時,得到對應的功率相對值tPL,而電動機的額定功率PN≥PL/tPL(PL為負載要求功率)。
在設計恒功率負載時,應注意兩點:(1)盡量多利用額定頻率以上的部分;(2)當調整范圍較大時,盡量采用兩檔傳動比。因為當傳動比分成兩欄時,頻率范圍αf與αn轉速范圍之間的關系為 ?？梢?在轉速范圍相同的情況下,頻率范圍將大為減小,從而可減小電動機的容量。
負載的機械特性,因是恒功率負載,故曲線上任一點的橫坐標與縱坐標的乘積均相等,且與負載功率成正比,即PL=KPTLnL=KPTLmaxLmin 。全部轉速都在額定頻率以下調節時的有效轉矩線,在這種情況下,所需電動機的容量PN=KPTNnLmax>KPTLmaxLmax=αnPL。這說明,所需電動機的容量比負載功率的On倍還要大,是很不經濟的。
⑴當最高運行頻率為額定頻率的2倍,傳動比只有一檔時的情形。在這種情況下,所需電機的容量PN=KPTN1/2nLmax 1/2αnPL?？梢?所需用容量只要大于負載功率的On/2倍就可以了。
⑵ 當最高運行頻率為額定頻率的2倍,傳動比為兩檔時的情形。這時,所需電機的容量PN1/2 PL。可見,對于恒功率負載,當αn>4時,這種方案是比較理想的。
3.自配外接制動電阻
各種變頻調速器都允許外接制動電阻,加快制動速度,外接電阻。但配套的制動電阻價格昂貴,不易買到,自動配置時,其阻值與功率可如下決定:
直流電路的電壓值UP= ×380=53V;制動電流Is一般以不超過電機的額定電流IDN為原則,即Is≤IDN,故制動電阻Rs≥UD/Is。
因Rs內通過電流的時間只有幾秒鐘,故其功率PR可按工其工作時的(1/10-1/8)選擇,即PR=(0.1-0.125)UD2/Rs。
因Rs接入電路時,應注意將變頻調速器內部的制動電阻切除,如不能切除,則應適當加大Rs的值,以免出現制動電流過大的情形。
在外接制動電路時,為了避免燒毀變頻器內部的放電用大功率晶體管(GTR)有時也可以外接整個制動電器(即包括制動電阻和放電晶體管,這時,GTR應選取其VCEX≥700伏;ICN≥(1.2-1.5)IDN安。
參考文獻
[1] 馬新民,礦山機械,徐州:中國礦業大學出版社,2002
[2] 李紀等,煤礦機電事故分析與預防,北京:煤炭工業出版社,1997
開題報告
開題報告的主要內容一般包括選題背景、國內外研究現狀、研究意義、主要研究內容（提綱）、研究方法以及參考文獻；其他的一些內容根據學校具體要求而定。
1、選題背景：就是簡單介紹一下是在什么樣的背景下選擇該題目作為研究對象的，比如題目是《關于我國中小企業融資困難問題的研究》，那么選題背景中就可以大概介紹下我國當前中小企業融資的現狀；
2、國內外研究現狀：分別選一些題目相關的國內外文獻，大概總結下作者提出的觀點、理論之類的；
3、研究意義：顧名思義，就是只研究這個課題有什么意義，又可以細分為現實意義和理論意義；現實意義就是指在實際中有什么作用，而理論意義則是指本課題的研究對于現有的一些理論具備怎樣的作用，比如可以說對已有的理論做了有力的補充，同時也為后續研究者進行更進一步的研究提供了一定的理論基礎之類的；
4、主要研究內容（提綱）：這個不用過多解釋，部分學校的開題報告在研究內容一項中需要列出具體的寫作提綱；
文獻綜述
簡單說來，文獻綜述就是對你題目相關的一些文獻資料的概述，也可以說是對國內外相關研究現狀的一個總結。為了寫出文獻綜述，你首先需要去搜集一些近3年以來跟題目相關的一些參考文獻，寫作主要內容一般包括：前言、主題、總結和參考文獻。
1、前言：主要是說明寫作的目的，介紹有關的概念及定義以及綜述的范圍，簡要說明有關題目的現狀或爭論焦點，使讀者對全文要敘述的問題有一個初步的輪廓；
2、主題：主要是對國內外相關研究現狀進行概括，其中分為國外研究現狀及國內研究現狀，分別列出一些相關研究者的觀點或理論；比如"XXX（2013）認為，__."、”XXX（2014）提出了這樣的觀點，他認為_."；
3、總結：文獻綜述最好不要只是簡單羅列別人的觀點，最終，你還得對別人的研究成果進行總結，在總結里提出自己的一些看法；
4、參考文獻：這個無需多說，就是列出你寫這篇文獻綜述參考了哪些文獻，參考文獻的格式具體參考你學校的格式要求，如果沒有的話，可以去看看一般參考文獻格式。
提醒：文獻綜述注意不要簡單的堆砌別人的觀點，最好是可以對不同的研究成果進行歸類，并且需要提出一些自己的看法。
開題報告范例欣賞：
課題名稱：L型支腿門式起重機大車行走機構設計
學院(系)：機械學院
年級專業：工程機械
學生姓名：郭陽
指導教師：張連東
完成日期：2010/03/15
一、綜述本課題國內外研究動態，說明選題的依據和意義
1、門式起重機概述[1]
門式起重機是一種循環、間歇運動的機械，主要用于物品的裝卸。它具有構造簡單、操作靈活、維修方便、起重量和跨度大及占用作業面積小的特點。廣泛用于鐵路貨場、港口碼頭、現代化工廠和倉庫等場所。門式起重機一般由金屬結構部分、機械部分和電氣部分組成。它的金屬結構像門形框架，承載主梁下安裝兩條支腳，可以直接在地面的軌道上行走，主梁兩端可以具有外伸懸臂梁。門式起重機的金屬結構部分主要由主梁、支腿、下端梁和司機室組成。它一般沿著鋪設在地面上的軌道上運行。機械機構主要由起升機構和運行機構組成。電氣部分由電氣設備和電氣線路組成。
門式起重機的形式很多，根據用途的不同可以分為通用型門式起重機，集裝箱門式起重機，電站門式起重機，造船門式起重機等。
按照結構形式分為(1)單主梁門式起重機。單主梁門式起重機結構簡單，制造安裝方便，自身質量小，主梁多為偏軌箱形架結構。整體剛度要弱一些，起重量Q≤50t、跨度S≤35m。門腿有L型和C型兩種形式。(2)雙梁橋式起重機。
雙梁橋式起重機承載能力強，跨度大、整體穩定性好，品種多，但自身質量與相同起重量的單主梁門式起重機相比要大些，造價也較高。
2、國內外研究動態
2011年由武橋重工制造的我國最大的一臺龍門起重機該起重機跨度為230米，為國內最大跨度，標準載重為900噸，實際載重可以達到1500噸。隨著我國基本建設高峰的逐漸到來，造船、風力發電安裝、石油化工(包括煤化工)建設、冶金建設、火電(包括核電)建設、市政等等的發展，使大型起重機吊裝市場出現供不應求的“火暴”現象。國外制造大型廠商主要有美國的Paceco、德國的Noell、英國的Morris、芬蘭的Valmet、韓國的三星和現代，以及日本的三菱、三井、住友等。這些企業在設計團隊、經費、設計思想、設計經驗方面都有著國內無法抗衡的優勢。目前世界上比較先進的機型其堆高已達7~8層、吊具下的起重量已達45t、滿載起升速度達30m/min、小車速度超過50m/min、大車運行速度超過120m/min[22]。
研究成果主要體現在以下幾點：
1)新裝置的研制和新零部件的采用[2，3，4]
三合一減速器、新型徑向棒銷聯軸器、新型電力液壓塊式制動器、鉗式制動器、電線滑車、滑接輸電裝置等等行裝置的采用，使起重機的啟動、傳動、制動等方面的性能都有了很大的提高。
2)新設計工具和思想的應用[2，11]
Proe、ANSYS、APDL語言等方便快捷的設計和測試等計算機軟件的開發和運用大大提高了新產品的研發能力，縮短了研發周期。門式起重機進行了按靜強度、靜剛度、動剛度等多項控制指標的綜合分析優化設計，從單機優化到系列優化設計理論方面的開拓和探索都已進入實用階段。再加上模塊單元化設計等等整個起重機行業的技術、生產和管理水平、新產品的研發速度都將大大加快。
3)自動糾偏技術[9]
跨度大于40m的龍門起重機在實際使用中由于眾多因素的影響，剛、柔腿運行一段時間后會產生快慢不一的現象，常用電氣自動糾偏的方法通常有
計算脈沖編碼器輸入PLC的脈沖、通過安裝在柔腿頂部的角位移傳感器、用橡膠摩擦輪帶動旋轉編碼器的閉環控制等
4)啃軌現象的改善[10]
啃軌，就是起重機運行過程中車輪輪緣與鋼軌側面壓觸，發生強烈的磨損。嚴重的啃軌，使車輪與軌道劇烈磨損，并且大大增加附加載荷，運行阻力比正常狀態時增大3.5倍左右，一般中型工作類型的龍門起重機車輪的使用壽命約8~10年，若有啃軌現象，壽命可降為1~2年，甚至幾個月。在實際生產中最常用而且最有效的方法是調整和移動車輪，消除過大的誤差橫向力。
5)控制元件的研發[2，5]
采用轉角碼盤、齒輪鏈、激光頭等裝置，使定位精度可到±1mm。接收器、控制器遙控系統應用節省人力，提高工作效率，而且使操作者的作業條件得到改善。在距離檢測方面，采用無線電信號型防撞裝置來監控起重機前端行駛距離，在發出警告信號后，大車車速將減小到50%，最后切斷電機電源，將大車制動。起重機的剎車系統也應用微機進行控制和監視工作。
3、選題的依據和意義
門式起重機是橋式起重機的一種變形。和橋式起重機相比具有場地利用率高、作業范圍大、適應面廣、通用性強，可靠性，安全性高，易于維護，無需改變廠房結構，滿足物流需求等特點，在港口貨場得到廣泛使用。在港口，主要用于室外的貨場、料場貨、散貨的裝卸作業。世界上絕大多數大型的集裝箱港口都采用跨運車、輪胎式龍門起重機和軌道式龍門起重機系統滯j比于跨運車，龍門起重機因其較高的堆場利用率而受到大型集裝箱碼頭的歡迎，特別是亞洲集裝箱碼頭，據cargosystem統計，在2004—2009年交貨定單中，中國堆場龍門起重機訂單占世界總訂單的34%，而通用型中大型門式起重機的需求量日益劇增。因此對中大型門式起重機優化設計、輕量化設計研究已經成為該領域的熱點問題。二、研究的基本內容，擬解決的主要問題
我的研究目標是L型支腿的箱型偏軌其中的的大車行走機構。要實現這一目標，需要進行的研究基本內容有：
1)大車金屬結構部分的力學分析，保證強度、剛度和穩定性；
2)在基本參數和受力分析的條件下，確定主梁、上端梁、支腿、下橫梁的基本尺寸；
3)確定大車運行機構中電機、聯軸器、減速器、制動器的組合形式及其型號；
4)繪制機構各個組成部分的三維圖并裝配一體。二維圖包括：總體裝配圖，支腿零件圖和典型零件圖。
擬解決的主要問題：首先是結構的確定，選擇合理的形式和尺寸。起重機的設計重要的是在滿足設計要求的前提下實現結構的最簡化、重量的最輕巧，因此設計的剛度、強度和穩定性計算是設計研究的主要問題。運行機構的設計中驅動方式、驅動輪的位置和輪距、電機制動器等的布置形式也是研究的重要方面，直接影響到起重機的性能。
三、研究步驟、方法及措施
1、課題研究的方法：由于對本課題研究的內容沒有經驗，所以我將采取綜合研究的方法。一方面要參考業內相關的標準和手冊。比如《起重機設計手冊》等，按照標準進行設計。再來就是參考相關的書籍和指導，比如《門式起重機》、《龍門起重機》等，按照專家的經驗指導。還有就是對照已有的類似課題從中汲取經驗和思路，咨詢老師和同學。實施研究是劃分子課題，按照金屬結構的力學計算、運行機構的選型計算、其他零部件的選擇校驗、繪制圖紙幾部分進行。
2、研究步驟和措施
根據劃分的子課題，將整個研究步驟分成4部分進行：
1)起重機的總體力學設計
這是整個設計過程中最為重要的一部分。根據研究的起重機所處的工作環境確定工作類型和載荷狀態，這是計算的前提。然后進行強度校核計算、計算剛性支腿和柔性支腿的支承反力、計算輪壓、整體穩定性的計算?；敬_定整體的尺寸。
2)運行機構的設計
根據第一步有關輪壓的計算和起重機的設計要求，在了解運行機構的組成和特性的條件下，選擇大車的運行機構形式，確定出驅動輪位置和輪距。然后進行細節設計，對電動機、制動器、減速器的設計計算和選型，對于軸也要完成校核計算。
3)其他部件機構的計算
完成其他結構的設計，比如司機室，樓梯，電纜卷繞機構的確定。
4)圖紙的繪制
根據前面的尺寸和型號的選擇，對每一個零部件和機構進行solidworks的三維建模，然后裝配到一起，組成整體的三維裝配圖，并實現機構的運動仿真。再完成總體裝配圖、支腿零件圖、和個別零件的總計相當于3張A0的二維圖紙。
四、研究工作進度
1)第一次節點考核：第二周完成文獻檢索情況；第三周完成外文翻譯及文獻整理、文獻綜述；第四周完成方案論證方案設計、開題報告以及PPT文檔的制作。
2)第二次節點考核：第五周完成圖紙閱讀和計算參數準備；第六、七、八周依次進行整體的力學分析、運行機構的設計和計算、其他部分的選擇和設計；第九周完成二維圖紙的繪制。第十周完成PPT的制作。
3)第三次節點考核：第十一周至十三周完成三維設計和有限元分析；第十四周完成畢業說明書；第十五周導師審圖和說明書；第十六周完成PPT的制作。
五、主要參考文獻
[1]門、橋式起重機設計選型與安裝維修、事故防范管理及質量檢測檢驗實用手冊(第1，2卷)[D].北方工業，1999(6)：9～12
[2]吳麗萍.我國起重機新技術的進展與國外發展動向[J].山西機械，2002(3)：52～55
[3]KhalidL.Sorensen，WilliamSinghose，StephenDickerson.Acontrollerenablingprecisepositioningandswayreductioninbridgeandgantrycranes.ControlEngineeringPractice，2008(15)：825～837
[4]胡斌仁.門式起重機大車運行機構典型結構分析[D].起重運輸機械，2010(4)：34～35
[5]趙世軍.起重機制造業的發展趨勢[J].大眾標準化，2005(6)：17～18
[6]李偉，李瑞華.起重機智能控制的發展現狀與思考，煤礦機械，2006(8)：3～4
[7]鄭見粹.21世紀初我國港口機械的成就與展望[J].港口科技，2007(3)：43～46
[8]劉永峰.施工起重機國內外發展狀況[J].施工技術，2007(增)：491～493
[9]趙國慶.大跨度龍門起重機的電氣自動糾偏系統[J].起重運輸機械，2006(5)：81～82
[10]張玉琴，王玉琴，馮山嶺，劉宇.龍門起重機啃軌原因與處理方法分析[J].河南冶金，2003(5)：42～44
[11]林志樹.輪胎式集裝箱龍門起重機的幾種防搖系統[J].起重運輸機械.2007(6)：30～31
六、指導教師意見
指導教師簽字：
年月日
七、系級教學單位審核意見：
審查結果：通過完善后通過未通過
關鍵詞：人工智能 電氣 自動化
人工智能是研究、開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法 技術及應用系統的一門新的技術科學。人工智能是計算機科學的一個分支 它企圖了解智能的實質，并生產出一種新的能以人類智能相似的方式作出反應的智能機器．該領域的研究包括機器人．語言識別、圖像識別 自然語言處理和專家系統等。電氣自動化是研究與電氣工程有關的系統運行、自動控制，電力電子技術、信息處理、試驗分析 研制開發以及電子與計算機應用等領域的一門學科。實現機械的自動化，讓機械部份脫離人類的直接控制和操作自動實現某些過程是電氣自動化和人工智能研究的交匯點。積極運用人工智能的新成果無疑有利于電氣自動化學科特別是自動控制領域的發展．也有利于提高電氣設各運行的智能化水平．對改造電氣設備系統，增強控制系統穩定性．加快生產效率都有重大意義。
1、人工智能應用理論分析
人工智能(Artificial Intelligence)，英文縮寫為AI。它是研究、開發用于模擬，延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術科學。人工智能是計算機科學的一個分支，它企圖了解智能的實質．并生產出一種新的能以人類智能相似的方式作出反應的智能機器 該領域的研究包括機器人、語言識別、圖像識別 自然語言處理和專家系統等。自從1956年“人工智能 一詞在Dartmouth學會上提出以后，人工智能研究飛速發展，成為以計算機為主．涉及信息論．控制論， 自動化、仿生學、生物學、心理學、數理邏輯、語言學、醫學和哲學的一門學科。人工智能研究的一個主要目標是使機器能夠勝任一些通常需要人類智能才能完成的復雜的工作。
當今社會，計算機技術已經滲透到生產生活的方方面面．計算機編程技術的日新月異催生自動化生產，運輸 傳播的快速發展。人腦是最精密的機器，編程也不過是簡單的模仿人腦的收集、分析、交換、處理、回饋．所以模仿模擬人腦的機能將是實現自動化的主要途徑。電氣自動化控制是增強生產．流通、交換、分配等關鍵一環．實現自動化，就等于減少了人力資本投入，并提高了運作的效率。
2、人工智能控制器的優勢
不同的人工智能控制通常用完全不同的方法去討論。但Al控制器例如：神經、模糊、模糊神經以及遺傳算法都可看成一類非線性函數近似器。這樣的分類就能得到較好的總體理解．也有利于控制策略的統一開發。這些Al函數近似器比常規的函數估計器具有更多的優勢．這些優勢如下：
(1)它們的設計不需要控制對象的模型(在許多場合，很難得到實際控制對象的精確動態方程，實際控制對象的模型在控制器設計時往往有很多不確實性因素，例如：參數變化，非線性時，往往不知道)。
(2)通過適當調整(根據響應時間 下降時間、魯棒性能等)它們能提高性能。例如模糊邏輯控制器的上升時間比最優PID控制器快1.5倍 ，下降時間快3.5倍， 過沖更小。
(3)它們比古典控制器的調節容易。
(4)在沒有必須專家知識時．通過響應數據也能設計它們。
(5)運用語言和響應信息可能設計它們。
總而言之，當采用自適應模糊神經控制器、規則庫和隸屬函數在模糊化和反模糊化過程中能夠自動地實時確定。有很多方法來實現這個過程，但主要的目標是使用系統技術實現穩定的解，并且找到最簡單的拓樸結構配置．自學習迅速，收斂快速。
3、人工智能的應用現狀
隨著人工智能技術的發展，許多高等院校及科研機構就人工智能在電氣設備的應用方面展開了研究工作，如將人工智能用于電氣產品優化設計，故障預測及診斷、控制與保護等領域。
3.1 優化設計
電氣設備的設計是一項復雜的工作 它不僅要應用電路、電磁場、電機電器等學科的知識，還要大量運用設計中的經驗性知識。傳統的產品設計是采用簡單的實驗手段和根據經驗用手工的方式進行的．因此很難獲得最優方案。隨著計算機技術的發展，電氣產品的設計從手工逐漸轉向計算機輔助設計(CAD)，大大縮短了產品開發周期。人工智能的引進．使傳統的CAD技術如虎添翼．產品設計的效率及質量得到全面提高。用于優化設計的人工智能技術主要有遺傳算法和專家系統。遺傳算法是一種比較先進的優化算法，非常適合于產品優化設計。因此電氣產品人工智能優化設計大部分采用此種方法或其改進方法。
3.2 故障診斷
電氣設備的故障與其征兆之間的關系錯綜復雜，具有不確定性及非線性．用人工智能方法恰好能發揮其優勢。已用于電氣設備故障診斷的人工智能技術有：模糊邏輯、專家系統、神經網絡。
變壓器由于在電力系統中的特殊地位而備受關注，有關方面的研究論文較多。目前對變壓器進行故障診斷最常用的方法是對變壓器油中分解的氣體進行分析．從而判斷變壓器的故障程度。人工智能故障診斷技術在發電機及電動機方面的研究工作也較為活躍。
3．3智能控制
人工智能控制技術在自動控制領域的研究與應用已廣泛展開．但在電氣設備控制領域所見報道不多?？捎糜诳刂频娜斯ぶ悄芊椒ㄖ饕?種：模糊控制、神經網絡控制、專家系統控制。由于模糊控制是其中最為簡單、最具實際意義的方法．因而它的應用實例最多。
4、結語
人類智能主要包括三個方面．即感知能力．思維能力 行為能力。而人工智能是指由人類制造出來的 機器”所表現出來的智能。人工智能主要包括感知能力、思維能力和行為能力。人工智能的應用體現在問題求解．邏輯推理與定理證明，自然語言理解 自動程序設計．專家系統，機器人學等方面，而這諸多方面都體現了一個自動化的特征．表達了一個共同的主題，即提高機械人類意識能力，強化控制自動化．因此人工智能在電氣自動化領域將會大有作為，電氣自動化控制也需要人工智能的參與。
參考文獻：
關鍵詞：低壓真空斷路器；雙穩態永磁操作機構；真空滅弧室參數；實體模型；有限元分析
中圖分類號：TM153 文獻標識碼：A
1 引言
低壓斷路器廣泛應用于低壓配電路中，它不僅擔負著反復地接通與斷開低壓配電電路，而且當電路發生過載、短路等故障時可以立刻動作，斷開電路。
近年來，隨著技術的發展一些基于真空滅弧室的低壓斷路器相繼出現，但其操動機構基本上是傳統的彈簧或電磁操動機構。由于在低壓電器中80%的故障都是機械故障。而彈簧操動機構則是靠機械傳動，零部件數量多，傳動結構復雜，發生故障的概率很高，所以減少機械部件成為減少故障問題的主要方法。
永磁操動機構作為一種新型真空斷路器的操作機構，零部件少，運動部件只有一個動鐵心，所以大大降低了故障源，幾乎不存在可靠性的問題、免維護，而且它的出力特性與反力特性配合良好，已經普遍應用于中、高壓領域。本文設計一種配合低壓真空滅弧室的雙穩態永磁操動機構。對幾種不同結構的雙穩態永磁操動機構的電磁吸力特性進行分析。
2 設計模型
2.1 四種不同的結構設計
對電壓等級不同的真空斷路器，由于所帶負載、傳動機構的不同，動鐵心受永磁體的力也不相同，機構的分、合閘動作的時間（分合閘時間）、速度（分合閘速度）也不相同，因此永磁操動機構的結構形式、性能參數也不相同。所以，不同的斷路器，根據情況的不同需配備不同結構形式的永磁操動機構。在設計結構前，首先應該對結構、參數和能耗進行分析計算，使其均達到目標要求。由此本文提出了結構形式不同的四種雙穩態永磁操作機構：（a）永磁體緊靠動鐵心，（b）永磁體緊靠動鐵心，但由于在氣隙下面加了極靴，因此整個動鐵心的長度減小，但是動鐵心的行程與（a）保持相同，（c）永磁體緊靠靜鐵心，（d）永磁體占滿整個磁軛部分。
2.2 雙穩態永磁操動機構工作原理
雖然結構各不相同，但工作原理卻一致，以（a）為例說明。
假設開始時斷路器位于合閘的狀態，那么動鐵心處于操動機構的頂部。所以機構上端空氣隙小磁阻小，下端空氣隙大磁阻大，因此由永磁體所產生的磁力線絕大部分都通過上部磁路，將動鐵心吸合在合閘位置。
當對斷路器進行分閘操作時，只需在分閘線圈中通過大小適當的電流，而這一電流產生的磁力線和靜鐵心上部的磁力線方向完全相反，起到抵消的作用。但是分閘線圈在中部產生的磁力線方向與永磁體在中部產生的磁力線方向卻一致。因此動鐵心受到的向上的電磁吸力逐漸減小，當分閘線圈中的電流增大到一定程度時，動鐵心所受到的電磁吸力之和大于動鐵心上的負載，此時動鐵心將會向下運動。
當動鐵心開始向下運動時，其機構頂端與靜鐵心的上面的磁極之間的空氣隙會越來越大，進而使上面的磁阻逐步增大，而下面的磁阻則會慢慢變小。并且向下運動的過程中伴有電流的增大，使動鐵心受的向下的合力增大，進而使得整個動鐵芯加速向下運動。當動鐵芯到達底部會被永磁體所吸合，此時即使斷開分閘線圈中的電流，動鐵心依舊會維持在機構的底部即分閘狀態。
合閘過程與分閘過程完全相似；這里不再敘述。
3 理論分析及計算
以上的公式說明任何磁場都可當作由分布電流產生，根據經驗永磁體有以下兩種電流模擬的方法：
（1）永磁體整個區域內部充滿電流的模型（體電流模型）。
（2）永磁體外部邊界上存在的電流的模型（面電流模型）。
4 仿真及優化設計
永磁操動機構的分、合閘操作以及位置維持依賴于機構內部的磁場變化來實現，所以對機構中的磁場變化進行研究具有重要意義。根據經驗和實際理論計算出的尺寸進行實體建模并做如下仿真。
（1）未通電情況下，永磁體單獨作用的磁通分布可以說明其工作原理。由于下面的磁路的空氣隙使磁阻很大，所以此時磁通幾乎都通過上面的磁路。
（2）當接收到分閘命令后，分閘線圈中開始通電，線圈產生的磁場使動鐵心下面的磁場變強。隨著電流的不斷增強，動鐵心受線圈產生向下的吸力變大，此力與永磁體產生的電磁吸力相反。使動鐵心受到的向上電磁吸力越來越小。
（3）通過對不同電流等級的磁力線分布獲得不同結構下的電磁力之和，通過分析結果進而做出優化選擇。由于優化是又一個深入的課題，再次就不加以論述。
結論
根據以上實驗數據，可以得出：
（1）當分、合閘線圈中通入的電流為零時，動鐵心受到的吸力與其體積成正比。
（2）（a）結構線圈作用在動鐵心上的力是最先克服永磁吸力向下運動的，而（b）、（c）、（d）結構的線圈需要通入很大的電流才能使動鐵心開始動作。
由此可知，在設計永磁機構時，選擇方向的不同，會使設計的結構也不同。如果從節能方面考慮，（a）結構更加合適，原因是和另外三種結構相比（a）中線圈通入的電流很小時動鐵芯就開始動作；若從結構小型化來設計，（d）更好，因為在操作設備體積相同的時候，（d）結構提供的永磁吸力是最大的。盡管（c）結構耗能大，但是也有它自己的優點，比如如果通入的電流很大時它所產生的永磁吸力也很大，所以（c）結構更適合電壓相對較高的真空斷路器。
綜合考慮低壓真空斷路器滅弧室的性能要求（動作快，精度高），所以在設計操動機構時，（a）更合理、可行。
參考文獻
[1]陸儉國.低壓電器可靠性概況及其發展[J].河北工業大學學報，2009，38（01）：01-05.
[2]王海峰，徐建元.永磁操動機構磁場數值計算和結構分析[J].高壓電器，2002，38（01）：11-13.
[3]徐家賀.大容量真空斷路器永磁操動機構的研究[D].沈陽工業大學，2009.
[4]崔寒.真空斷路器永磁操動機構優化設計研究[D].沈陽工業大學碩士學位論文，2006.
[5]田陽.高壓斷路器永磁操動機構優化設計的研究[D].沈陽工業大學，2010.
[6]張龍.中壓斷路器永磁操動機構的研究[D].河北工業大學，2003.
[7]付萬安，宋寶韞.高壓斷路器永磁操動機構的研究[J].中國電機工程學報，2000，20（08）：08-13.
[8]石運強，胡漢春.配真空滅弧室的雙穩態永磁操作機構設計[J].機電產品開發與創新，2012，25（01）：45-47.
[9] Lindmayer， Manfred； Stammberger， Hartwig， Application of numerical field similutions for low-voltage circuit breakers[J].IEEE trans Compon Packag Manuf Technol Part A， 1995： 708-717.
[10]朱勝龍，嚴金成.智能型永磁機構真空斷路器的研制[J].江蘇電氣，2008，06（03）：50-52.