时间：2022-03-18 22:59:25
导语：在机械优化设计论文的撰写旅程中，学习并吸收他人佳作的精髓是一条宝贵的路径，好期刊汇集了九篇优秀范文，愿这些内容能够启发您的创作灵感，引领您探索更多的创作可能。
中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）39-0098-02
优化设计是20世纪60年代初发展起来的一门新学科，它是将最优化原理和计算技术应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法。利用这种新的设计方法，人们可以从众多的设计方案中寻找出最佳设计方案，从而大大提高设计的效率和质量。最优化设计成功运用于机械设计还是在20世纪60年代后期，虽然发展时间不长，但是发展迅速。在机构综合、机械零部件设计、专用机械设计和工艺设计方面都得到了应用并取得了一定的成果[1-3]。目前国内许多高校机械专业都开设了《机械优化设计》这门课程。通过《机械优化设计》这门课程的学习，首先应当使学生具有优化的思想，了解一些优化方法的原理，掌握一些优化的方法，为以后更好的工作打下扎实的基础。但是本课程中一些枯燥的数学推导及公式难以引起学生的学习激情。如何提高学生的学习热情，并使学生较快掌握一些优化方法，一直是笔者在从事《机械优化设计》课程教学中思考的问题。下面介绍笔者在从事《机械优化设计》课程中采用的一些方法和经验。
一、培养学生学习本课程的热情
学习《机械优化设计》这门课程的学生早已先修了机械原理、机械设计等课程，笔者在教学之初常常告诫同学，对于一名工程师设计人员来说，仅仅具有机械原理机械设计方面的知识是远远不够的，只能进行一些传统的设计。而传统的设计只是重复分析产品的性能，而不是主动地去设计优化产品的参数。从某种意义上讲它没有真正体现“设计”的含义。因此，对一个工程设计人员来讲，应当在产品设计的过程中始终要有优化的思想。当然光有优化的思想仍然是不够的，还要有优化的能力，掌握一些优化方法。笔者在开课之初，通常会给学生这样一个假设。如果甲、乙两位同学供职在同一个企业，企业老板让两人分别提出他们的方案来解决公司中某一产品的问题。甲很快将自已的解决方案提交给公司老板。乙经过分析考虑，在甲之后也提交了方案，乙的方案不仅解决了产品问题，而且优化了产品的参数，降低了成本。笔者问学生甲、乙两位同学谁将会被重用，谁将获得更多的职位升迁的机会。这个答案是不言而喻的。通过上述的假设，使学生懂得具有优化的思想和优化设计的方法还与他们个人在工作岗位的升迁机会有关。这极大地提高了学生学习这门课的热情，也让优化思想概念植根于学生思想之中。
二、采用形象化的教学方法
《机械优化设计》中许多枯燥的公式和推导，学生一时会难以掌握，有时会导致学生丧失学习的兴趣。在教学中笔者注重采用形象化的教学方法，例如一维搜索方法中的确定搜索区间的外推法可以用盲人探路的方法来加以引导[4]。具体可以表述为：一个盲人想去一个山谷谷底，他向前探出一步，如果发现在上坡，说明前进方向错误，谷底应在身体后方，应该转身再前行。如果探出一步，发现是下坡，表明谷底在前方，可以继续前行，直至走出一步出现上坡的感觉，据此可以判断谷底就在最后两步之间。
三、课堂教学与生产实践相联系
课堂教学与生产实践相联系，提高学生学习兴趣，提高学生走上岗位解决问题的能力。例如坐标轮换法，坐标轮换法是每次搜索只允许一个变量变化，其余保持不变，即沿坐标方向轮流进行搜索的寻优方法。在介绍坐标轮换法思想时，笔者以注塑产品为例加以介绍，注塑产品的质量与温度、喷嘴压力、保压时间、注塑速度等工艺参数有关。在试模过程中为了获得较好的产品质量，需要调试出这些工艺参数值。有经验的注塑人员往往采用坐标轮换法思想以节约试模时间。首先逐渐改变某一个工艺参数值，而其余工艺参数保持不变，观察注塑产品质量。在注塑产品质量不再提高时甚至开始降低时，再调整另一个参数值，直至注塑产品质量达到要求为止。如果同时对这些工艺参数进行调整，很难确定调整这些工艺参数的方向，会花费较长时间才能调试出合格的注塑产品。
四、加强与学生的互动
现代教学论指出：教学是教师的教与学生的学的统一，这种统一的实质就是师生之间的互动。《机械优化设计》课程师生之间的互动可充分发挥学生的主体作用和主动精神，提高学生的学习激情，进一步提高学生的优化设计能力、创新思维。在课堂上笔者注重与学生之间的互动。经常提出一个问题，让学生思考如何采用优化的方法去解决这一问题，以提高学生采用优化方法解决问题的能力。笔者常常让学生走上讲台，介绍他们采用的优化方法，并让学生们充分讨论思考有没有更好的优化方法，充分调动学生的积极性。在课堂教学最后，笔者完全将讲台交给学生，让学生们介绍学习《机械优化设计》这门课的心得和体会。通过课堂的互动，调动了课堂学习的气氛，学生在互动中学到了一些优化方法，牢固了优化设计的思想，提高了优化设计的能力。
虽然《机械优化设计》的基本寻优思想和方法在20世纪60年代已近完备，但是仍有需要改进之处，特别是该课程的教学方法。教学方法的优劣将会影响学生的接受程度。采用各种生动的方法将会提高学生的学习兴趣，牢固掌握一些优化的方法，让优化的概念植根于学生思想之中，为他们走上工作岗位更好地工作打下扎实的基础。笔者通过采用上述的教学方法发现，学生学习《机械优化设计》课程的兴趣提高了，分析问题解决问题的工程实践能力也得到了增强。有些毕业了的学生在与笔者联系时，提到他们工作时常常想到并主动去优化。优化创新思维已成为他们固有的一种思维模式。
参考文献：
[1]叶元烈.机械优化理论与设计[M].北京：中国计量出版社，2001.
[2]方世杰，綦耀光主编.机械优化设计[M].北京：机械工业出版社，2003.
[3]孙靖民.机械优化设计（第3版）[M].北京：机械工业出版社，2005.
（温州职业技术学院，温州 325035）
（Wenzhou Vocational & Technical College，Wenzhou 325035，China）
摘要： 优化设计是将最优化理论和计算技术应用于机械设计领域，为工程设计提供优化设计的方法。MATLAB优化工具箱具有编程工作量少、语法符合工程设计习惯的特点，本文应用MATLAB软件，以RV减速器一级齿轮传动体积最小为目标函数进行优化设计，并给出了优化设计实例，与原设计方案相比，取得了良好的优化效果。
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.
关键词 ： MATLAB优化设计；目标函数；约束函数；RV减速器
Key words： MATLAB optimization design；objective function；constraint function；RV reducer
中图分类号：TG457.23文献标识码：A文章编号：1006-4311（2015）25-0085-03
基金项目：温州市科技计划项目（项目编号：G20120011）“基于救援机器人的RV减速器研发”的阶段研究成果。
作者简介：郑红（1968-），女，江西南昌人，温州职业技术学院机械系副教授，研究方向为机械设计制造及自动化。
0 引言
机械优化设计是最优化方法与机械设计的结合，设计工具是计算机软件及计算程序，设计方法是最优化数学方法。机械优化设计，就是在给定载荷及工作环境条件基础上，在机械产品的性态、几何尺寸关系或其他因素的限制（约束）的范围内，根据设计要求及目标，选定设计变量、建立目标函数，并使其获得最优值，设计出经济可靠的机械产品。
换句话说，也就是在满足一定约束的前提下，寻找一组设计参数，使机械产品单项或多项设计指标达到最优。机械优化设计因其目标函数和约束函数普遍呈非线性的特点，设计步骤为先根据实际的设计问题建立相应的数学模型，在建立数学模型时需要应用专业知识确定设计的限制条件和所追求的目标，确定设计变量之间的相互关系等，并使之满足强度、刚度及运动学等约束条件。数学模型一旦建立，优化设计问题就变成了一个数学求解问题，应用优化理论，设计优化程序，以计算机为载体计算得到最优化设计参数。
美国可口可乐公司是全球最大的饮料公司，拥有全球市场48%的占有率，为降低生产成本，提升品牌竞争力，可口可乐瓶有一段优化设计的佳话，优化处理后的可口可乐瓶重只有原重量的80%，而瓶子的容量、性能却丝毫未受影响，仅此一举就节省了可观的材料费用，带来了可观的利润。
近年来制造业转型升级、国家推出“机器换人”工程，把机器人、高端数控设备的应用推向了，但基于机器人的RV减速器一直是个技术难题，直接影响到机器人的工作性能指标。
RV减速器产品在结构上由一级渐开线齿轮传动和一级摆线针轮行星传动串联构成，渐开线齿轮传动构成第一级传动，摆线齿轮行星传动构成第二级传动。RV减速器是一款刚度最高、振动最低的机器人用减速器，能够提高机器人工作时的动态特性，减小传动回差，而且还具有体积小重量轻、结构紧凑、传动比范围大、承载能力大、运动精度高、传动效率高等优点。
RV减速器广泛应用在机器人、数控机床行业，传统设计全由设计人员手工完成，但在性能更好、使用更可靠方便、成本更低、体积或质量更小的指标要求下，希望能从一系列可行的设计方案中精选最优，传统的设计方法做不到，因而有必要采用优化方法来确定其设计参数。
RV减速器优化设计要解决的问题，与其使用场合的具体要求有关。在保证传动能力的条件下要求齿轮传动及针摆传动体积最小或质量最小；在要求较高时，需要优选齿轮的几何参数使齿轮副具有形成油膜的最佳条件；优化齿轮传动的惯性质量分配，以便最大限度地减少工作时间的振动和噪声，以及传动功率最大和工作寿命最长等。
对于不同类型的RV减速器，其优化设计具有各自的特点，设计变量一般选择齿轮传动的基本几何参数或性能参数，如齿数、模数、齿宽系数、传动比、螺旋角、变位系数和中心距等。
根据优化目标的不同，RV减速器设计可以有多种最优化方案，本文讨论的是在满足齿轮传动强度、刚度和寿命条件下，使RV减速器转矩最大、体积最小或质量最小。
基于RV减速器的机器人抓握机械手工况条件，8小时工作，正反转，轻载平稳，空载起动，室内工作，使用寿命5年，在温州职业技术学院工业中心单件生产，机器人机械手转矩T3=20 N·m，转速n3=5rpm，为优化设计对象，要求在保证齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度的条件下，获得转矩最大、体积最小、重量最轻的传动装置。应用MATLAB软件优化工具箱对电机转矩做最大值优化，即应用fmincon函数对电机转矩的倒数求最小值优化，优化的目的是求出在转矩最大的情况下，齿轮传动体积最小，实际上就是求齿轮齿数的取值。因此以转矩最大为优化目标，建立优化设计数学模型。
1 目标函数
①工作载荷计算功率P3。
因为T3=9550*P3′/n3 ，代入得20=9550*P3′/5，所以P3′=0.01kW，把P3′打上机器工作载荷系数K=1.5，得
P3=P3′*K=0.01*1.5=0.015kW
②应用针摆传动效率η2=97%，计算第二级针摆传动功率P2，得
P2=P3/η2=0.015/0.97=0.016kW
③应用渐开线齿轮传动效率η1=95%，计算第一级齿轮传动功率P1，得
P1=P2/η1=0.016/0.95=0.017kW
④应用电机传动效率η=99%，计算电机功率P，得
P= P1/η=0.017/0.99=0.018 kW
⑤计算电机转矩。
因为RV减速器总传动比为i=-Z2/Z1*Zb，则电机转速为n=i*n3=5*（-Z2/Z1*Zb），
所以电机转矩为T=9550*P/n=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*Zb））N·m
对于第二级针摆传动，设计采用一齿差摆线针轮行星传动，因此针齿齿数Zb必须为偶数，Zb用数学表达式来表达，即Zb=2*k，而10≤k≤50，则电机转矩表达式为
T=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*（2*k）））N·m。
所以，电机转矩表达式有3个变量Z1、Z2、k，即X=[x1，x2，x3]T=[Z1，Z2，k]T，表达式变为T=（9550*0.018）/（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））。
机械手的工作要求是转矩足够大，而MATLAB软件的fmincon函数只能进行最小值优化，所以对电机转矩求倒数，对电机转矩的倒数作最小值优化，即
1/T=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018），
所以在MATLAB中，目标函数f（x）=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）。
2 非线性约束条件
①非线性约束条件1。
根据机器人抓握机械手工况条件、载荷条件，可以判定齿轮几何尺寸不大，模数较小，初定为0.5或1mm；转矩也不大，约为20N·m，电机转矩理论上应该可以控制在1 N·m以内，即T=（9550*0.018）/（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））≤1，则
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构成非线性约束条件1。
②非线性约束条件2、非线性约束条件3。
RV减速器对总传动比有范围要求，140≤i≤180，即
140≤（（x（2）/x（1））*2*x（3））≤180，展成两个表达式，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构成非线性约束条件2、3。
综上，非线性约束条件共3个，
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 线性约束条件
①线性约束条件1、线性约束条件2。
为使RV减速器偏心轴轴承与摆线轮之间的作用力不至过大，渐开线齿轮传动中心距a应是针齿基圆半径R的0.35~0.65倍，这个可归为结构尺寸条件。
因为要设计出在转矩最大前提下，体积最小质量最轻的RV减速器，必须使齿轮传动的中心距最小，RV减速器的结构紧凑，所以初定针齿基圆半径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。因为
a=1/2*m*（Z2+Z1），因为模数越小，齿轮的几何尺寸就越小，所以模数取0.5，则
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，展成两个表达式，
-0.25*x（1）-0.25*x（2）≤11及0.25*x（1）+0.25*x（2）≤26构成线性约束条件1、2。
②线性约束条件3、线性约束条件4。
为使第二级摆线针轮行星传动部分输入转矩不至过大，第一级渐开线齿轮传动的传动比必须控制为i≥1.5，但单级齿轮传动比又不宜大于5，所以1.5≤Z2/Z1≤5，即
1.5≤x（2）/x（1）≤5，展成两个表达式，
1.5*x（1）-x（2）≤0及-5*x（1）+x（2）≤0构成线性约束条件3、4。
③线性约束条件5、6、7。
小齿轮齿数的取值范围8≤Z1≤20，展成两个表达式，-Z1≤-8，Z1≤20，即
-x（1）≤-8及x（1）≤20构成线性约束条件5、6。
大齿轮齿数的取值范围Z2≤100，即x（2）≤100构成线性约束条件7。
④线性约束条件8、9。
因为Zb必须为偶数，所以Zb用数学表达式来表达，即Zb=2*k，10≤k≤50，展成两个表达式，-k≤-10，k≤50，即-x（3）≤-10及x（3）≤50构成线性约束条件8、9。
把9个线性约束条件写矩阵表达式，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编程
把上述计算过程编写成MATLAB程序，应用MATLAB软件优化工具箱对电机转矩做最大值优化，即应用fmincon函数对电机转矩的倒数求最小值优化，优化的目的是求出在转矩最大的情况下，RV减速器中心距最小，实际上就是求齿轮齿数的取值。
该数学模型为3个设计变量、12个约束条件的多元函数最小值问题，采用MATLAB软件优化工具箱求解最优结果，进行非线性有约束多元函数最小值计算，命令函数为fmincon，主程序如图1，非线性约束条件如图2，程序运行结果如图3。
程序经过6次迭代计算，MATLAB计算优化结果：
Z1 =9.7009，Z2=34.8305，k=19.4962，1/T=4.0721，
即T=0.24 N·m。
5 数据优化处理
因为齿数一定为整数，所以取Z1=10，Z2=36，i1=36/9=4。
又因为Z1<17，齿轮会产生根切现象，但齿轮传动的中心距又必须控制，所以略加大齿数，采用变位齿轮，取Z1=12，所以Z2=i1*Z1=4*12=48。
因为齿轮模数m=0.5mm，所以齿轮传动中心距a=0.5*m*（Z2+Z1）=0.5*0.5*（48+12）=15mm，满足初定的齿轮传动中心距取值范围11~26mm。
用优化处理的参数计算电机转矩的最大值T=0.24 N·m。
6 比较与结论
RV减速器齿轮传动原设计电机转矩为0.2N·m，中心距为20mm，经过MATLAB软件优化工具箱优化处理，电机转矩增至0.24N·m，中心距降为15mm，满足齿根弯曲疲劳强度条件和齿面接触疲劳强度条件，在保证传动能力的前提下减速器体积减少了约30%，效能非常可观。
参考文献：
[1]郑宝乾.ZD型减速器整体结构有限元模态分析[J].煤炭技术，2010，12（18）.
[2]席平原.应用MATLAB工具箱实现机械优化设计[J].机械设计与研究，2003，19（3）：40-42.
【关键词】小型甘蔗收割机；砍蔗刀盘；动态性能；结构优化
1 引言
甘蔗是多年生宿根植物，目前国内的甘蔗收割机械普遍存在甘蔗宿根破头率较高的问题，严重影响甘蔗来年的发芽率。当切割器旋转速度和收割机前进速度都处于理想状态时，宿根破头率的主要影响因素是切割器刀盘的振动。引起刀盘振动的因素既有路面和柴油机等外部激励作用，也和刀盘自身高速旋转有关，并且在切割甘蔗时受到冲击载荷也会引起振动。因此，我们不可能一个个消除引起振动的因素，可行的方法是提高刀盘自身的动态性能。
本文对已生产出样机的小型甘蔗收割机的砍蔗刀盘的结构参数，基于APDL进行了优化设计。区别与常见的以最大应变或应力做约束条件的优化，本文的优化以刀盘的前3阶固有频率作为约束条件，并取得了良好的效果，为砍蔗刀盘的设计提供了指导，对小型甘蔗收割机的设计具有重要意义。
2 砍蔗刀盘参数化模型的建立
砍蔗刀盘上安装有间隔90°角的四个刀片，并和转轴组成切割器。采用自底向上的建模方式，建模时，简化掉四个刀片，并以位移约束代替转轴上联轴器，得到最简模型，如图1所示。砍蔗刀盘的的半径与切割系统半径及刀片的悬伸长度有关，为不考虑优化的参数，取为195 mm，厚度H1=8mm；加强盘半径为R，直接影响刀盘的动态性能，为待优化参数，取为95mm，厚度H2=15mm。
砍蔗刀盘的模型有ANSYS参数化设计语言（APDL）建立，为方便施加联轴器对转轴的位移约束，用ASBW命令将转轴的外圆柱面分为两个面。
3 砍蔗刀盘的模态分析
考虑到后续的参数优化，选取ANSYS优化模块支持的solid92号单元和Block Lanczos模态提取方法。由于影响系统动态性能的是前面几阶低频模态，所以提取前砍蔗刀盘的前5阶固有频率，如表1所示。
砍蔗刀盘的第1、2阶振型是绕X轴和Y轴的倾斜偏转变形，第3阶是四周翘起的弯曲变形，第4、5阶是很大的前后或左右的弯曲变形。这些都对甘蔗宿根切割质量造成很大影响。
此外，柴油机的工作频率为36.43HZ，刀盘的工作转速为900r/min，频率为15HZ。砍蔗刀盘的前5阶固有频率虽然避开了柴油接的工作频率，但和刀盘的工作频率都很接近，亟待提高。
4 砍蔗刀盘的结构优化
结构优化的基本思想是以最少的材料获得最好的结构性能。常见的结构优化以结构的静态性能为约束，有以最大节点位移的[7]，也有以综合应力或特征应力的[8]，很少有以反应系统动态性能的固有频率作为约束的。
5 结论
以系统的动态性能作为约束，对砍蔗刀盘进行了结构优化设计。优化后刀盘的前5阶固有频率均有提高，说明刀盘的动态性能得到了改善。此外，刀盘的前5节固有频率差值也得到了扩大，这有利于减少刀盘工作时越过共振区。
参考文献：
[1] 林茂，符新，冯活伦等.甘蔗切割器研究现状机展望[J].中国农机化，2011，（2）：16～19.
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[3] 向家伟，杨连发，李尚平.小型甘蔗收割机根部切割器结构设计[J].农业机械学报，2008，4（39）：56～59.
[4] 杨家军，刘锋，刘喜云.甘蔗收获机切割器的动态设计[J].机械科学与技术，2000，19（6）：923～924，926.
[5] 孙德鹏，蒲明辉，万佳等.模态综合法和ANSYS在甘蔗收割机切割系统上的应用[D].农机化研究，2008，（3）：171～174.
[6] 童卫华，姜节胜，廖巍.基于可靠性分析机频率约束的结构优化[J].机械科学与技术，1997，4（16）：581～584.
[7] 项忠珂，李尚平，唐满宾.基于有限元的加工中心工作台的仿生优化[J].组合机床与自动加工技术，2010，（11）：100～103.
[8] 胡迎春，陈树勋，李尚平.基于全局协调的甘蔗收割机多学科优化设计研究[J].中国机械工程，2007，18（11）：1355～1358.
作者简介：
项菲菲（1988-），女，汉族，江西丰城人，讲师，硕士，研究方向： 结构优化设计
项忠珂（1984-），男，汉族，江西上饶人，讲师，硕士，研究方向：计算机仿真
【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.
【关键词】：设计优化 筛选型试验 护栏支架
中图分类号：S611文献标识码： A
扶梯一般是安装在地铁，商场，机场等人流量比较大的地方，是现代城市不可或缺的重型机械设备。它的安全使用涉及到乘客的人身安全，它也被定义为特种设备。而扶梯护栏是保障乘客安全的第一道屏障，为了防止乘客有坠落或挤刮伤害的危险，所有扶梯都设有规定高度的护栏。
2011年，中国及欧盟等国家和组织新颁布了针对自动电扶梯的新的行业标准。在中国国家标准GB16899-2011《自动扶梯和自动人行道的制造与安装规范》的第5章第五节中，针对扶梯护栏有明确的要求，即扶梯护栏在平均一米的范围内需要能承载600N的侧向力和730N的垂直力，即表达了对护栏强度的严格要求。而护栏的强度取决于其支架。当然，为了满足标准要求，可以使用高密度排布，高强度材料，高厚度的支架。 但这将极大增加制造成本，同时，也对扶梯其他结构造成影响，导致扶梯出现内部结构干涉，桁架负荷过大等现象。在某R型扶梯的设计中，作者就面临了这种问题。设计要求要既符合标准又要满足成本和结构需要。综合考虑之后，认为解决的办法之一就是利用试验设计(DOE)找出支架零件参数和排布参数的优化组合.
DOE（Design of Experiment）试验设计，是一种安排实验和分析实验数据的数理统计方法；试验设计主要对试验进行合理安排，以较小的试验规模(试验次数)、较短的试验周期和较低的试验成本，获得理想的试验结果以及得出科学的结论。
另外，Pro-Engineer是国际上机械行业通用的一种三维设计软件，以参数化设计概念著称。 在本次研究中，利用软件Pro-Engineering的计算模块Mechanica，对支架受力情况进行理论分析。
图一R型扶梯护栏受力分析及支架形状
在Mechanica分析模块中，可以改变参数构成，再重新生成分析结论，这为以后的参数分析提供了依据。根据理论分析结果，选取一些较为显著的影响因素，在DOE中，这些因素被叫做自变量。通过力学分析结果，定义出如下影响护栏力学性能的自变量：护栏支架厚度 B，护栏支架排布距离 D，护栏支架玻璃槽深度 H。
根据DOE在Minitab中的操作步骤，接下来需要定义DOE中的因变量，这种因变量需要是可量化的变量，方便以后的统计分析。扶梯 护栏在被施加了标准指定的力之后的会产生瞬时变形量，这种变形量可以使用数字式的百分表在护栏的顶端外侧获得，是可以量化的。由经验得知，该变形量最好不要超过6mm，这样就能保证玻璃护栏不至于出现破损或碎裂。所以，本次DOE的因变量就应该是护栏顶端的瞬时变形量。
根据以上对于试验设计自变量和因变量的分析，并结合由以上分析得出的因变量以及原有的设计图纸，列出了它们可能的水平，并制作了因子及其水平的表格：
表格一 自变量分析
在此表中，因子的水平除了需要根据力学分析得出的可能的取值圆整之外，还需要根据扶梯整体的结构来通盘考虑，因为存在结构上让位的需要。在得出这些可能的水平之后，要以概率论、数理统计、线性代数等为理论基础，科学地设计试验方案，正确合理地分析试验结果，以较少的试验工作量和较低的成本获取足够、可靠的有用信息。我们可以运用Minitab等计算软件来对这些数据进行处理，而不需要手动组合排配。得出如下试验运行配置。
表格二 试验排配表
按照试验排配表进行标准化测试，得出测试结论。通过Minitab的图表分析功能，可以看出各个因子的显著性程度，选择DOE下的Analyze Factorial Deisgn来分析各个因子的显著程度，得到效果图，分析因素影响效果图可知，支架厚度和支架排布距离的影响程度最为突出，同时，选取这两个因子，利用Regression功能模块，得出自变量对于响应“护栏变形”的回归方程回归方程：
图二 因子显著度分析图及回归方程
在以上“会话”中，得出的结论是：所有的P均小于0.05，这就表明了所拟合的回归方程拟合良好，另外，其残值系数数值为93.4，表明拟合良好。
在进行了回归方程验证后，接下来就是对数据进行优化了，即找到在本次试验设计中对应于目标响应的因子的最优组合，由经验得知，对于钢化玻璃类型的护栏，若能使其支架变形量在6mm以下，就能保证国家标准对于该护栏的静载强度要求。同时，考虑到制造成本等因素，选定变形量为3~6mm为目标变形量。在Minitab中，选择DOE-Factorial-Response Optimizer, 在setup中输入Lower 3,Target 4,Upper 6, 一路选择OK，即得到以下关于响应“护栏变形量”的优化图的输出。
图三 参数优化结果
由此优化图可以看出，根据回归模型和成本，制造难易程度等因素综合考虑，支架厚度3mm和支架间距580mm是最合适的优化设计。
在完成了本次试验设计后，按照优化结果对设计图纸进行改进。在制作出来新的护栏支架后按照580mm的间隔进行优化排配。同时，按照国标规定的测试方法，对样品进行了3次静载试验，验证了其刚度确实满足静载变形小于6mm的要求。
通过选择试验设计，本案例成功找到了解决设计和成本同时优化的方法，并通过试验对优化结果进行检验。在这过程中，论述了如何确立问题，分析问题，如何找到可能的影响因子和优化方案，如何对优化方案进行验证。在应用试验加试验设计方法时，结合了Minitab和Pro-Engineer等计算机辅助软件，使得在自动扶梯产品的研发设计过程中，显著提高设计效率，缩短研发周期，更加快速灵活地满足客户的各种不同需求。
参考文献
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[2]包国勇.王琛.正交试验设计在机械设计中的应用实例分析[J]. 金华职业技术学院学报2005年01. 19-21页
关键词：仿生 蜻蜓 扑翼飞行器 数学模型 仿真分析
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）09（c）-0059-04
自古以来人们就梦想着在天空自由翱翔，对鸟的生理结构和飞行原理等方面所做的研究和获得的灵感，使人类乘着飞机上了天。昆虫与鸟相比，具有更大的机动灵活性。对昆虫生理结构和飞行机理的研究，将仿制出具有更大飞行灵活性和自由度的新型飞行器。最近几年，在昆虫空气动力学和电子机械技术快速发展的基础上，各国纷纷开始研究拍翅飞行的仿昆飞行机器人，使得仿生昆虫飞行机器人成为机器人研究最为活跃的前沿领域。仿生扑翼飞行器是一种模仿鸟类或昆虫飞行，基于仿生学原理设计制造出来的新型飞行器。该类飞行器与固定翼和旋翼飞行器相比，它具有独特的优点，如：原地或小场地起飞；较强的机动性能，尺寸小，便于携带，飞行灵活，隐蔽性好等。因此，在国民经济各领域尤其是国防领域有着十分重要而广泛的应用。本文根据蜻蜓飞行时的运动特性设计出一种由齿轮连杆机构组成的微型扑翼驱动机构，对机构进行了数学建模设计优化，并基于Catia进行了仿真分析。
1 基于四杆机构对仿生蜻蜓扑翼飞行器的动力设计
仿生学研究表明，动物飞行能力和技巧的多样性多半源于它们的翅膀的多样性和微妙复杂的翅膀运动模式。扑翼飞行器是借助机翼的上下扑动来产生升力和推力，这需要设计出高效可靠的扑翼驱动机构本设计采用了对称齿轮杆机构来实现机翼的上下往复运动。仿生昆虫飞行器通常具有小尺寸、便于携带、行动灵活和隐蔽性好等特点，仿昆飞行器的飞行性能和物理特性是雷诺数极小，表面积与体积之比很大，总质量严格受限。而动力装置所占体积会直接影响到飞行器的大小，所以本设计从动力装置出发。
1.3 基于Catia运动仿真并测量分析
2 动力模块的实现
考虑实际功率以及驱动效率，选定齿轮连杆机构进行驱动，并将连杆L1对称设计，如图6、7所示。
3 仿生蜻蜓扑翼飞行器的整体结构及模拟运动
运用catia对设计的扑翼飞行器的零件进行装配，得到完整的设计如图9所示。
4 结论
微型扑翼驱动机构的设计优化与仿真研究是微型扑翼飞行器设计中的关键环节。对蜻蜓扑翼运动进行了研究，设计出一种齿轮连杆驱动机构做了以下工作：（1）提出了一种齿轮连杆机构模仿蜻蜓运动的微型扑翼驱动机构设计方案。（2）采用基于优化的机构设计方法对四连杆驱动机构进行优化设计，建立了数学模型，得到了驱动机构各杆件及传动角等参数和运动参数。（3）利用CATIA完成的仿生蜻蜓扑翼机构的设计并对其进行了仿真分析。得到的结论与数学模型分析结论一致，验证了该机构的可行性。
仿生扑翼飞行器处于不断的探索过程中。用机械装置去实现扑翼飞行的复杂运动模式是一项挑战，我们要不断的尝试与探讨。随着新材料、新工艺、计算机技术、先进制造技术的不断发展，在不久的将来仿生蜻蜓扑翼飞行器可以在空中翱翔。
参考文献
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[5]孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2009.
[6]唐锦茹，郭志贤.曲柄摇杆机构按最小传动角的优化综合[J].华北电力学院学报，1995（22）.
【论文摘要】：对变频调速器在实践应用中容量的正确选择、传动系统的优化设计以及外接制动电阻等方面的问题，总结了一些经验。
随着电力技术的迅速发展，交流电机变频调速技术取得了突破性的进步，进入了普及应用阶段。在我国，变频调速器也正越来越广泛地被采用，与此同是地，如何正确地选好、用好已成为广大用户十分突出的问题了。
1.关于容量选择
在变频调速器的说明书中，为了帮助用户选择容量，都有"配用电动机容量"一栏，然而，这一栏的含义却不够确切，常导致变频器的误选。
各种生产机械中，电动机的容量主是根据发热原则来选定的。就是说，在电动机带得动的前提下，只要其温升在允许范围内，短时间的过载是允许的。电动机的过载能力一般定为额定转矩的1.8-2.2倍。电动机的温升，所谓"短时间"至少也在十几分钟以上。而变频调速器的过载能力为：150％，l分钟。这个指标，对电动机来说，只有在起动过程才有意义，在运行过程中，实际上是不允许载。
因此，"配用电动机容量"一栏的准确含义是"配用电动机的实际最大容量"。实际选择变频器时，可按电动机在工作过程中的最大电流来进行选择，对于鼓风机和泵类负载，因属于长期恒定负载，可直接按"配用电动机容量"来选择。
2.传动系统进行优化设计
交流异步电动机经变频调速后，其有效转矩和有效功率的范围。配用变频调速器时，必须根据生产机械的机械特性以及对调速范围的要求等因素，对传动系统进行优级化设计，优化设计的主要内容和大致方法如下：
2.1 确定电动机的最高运行频率
（1）鼓风机和泵类负载，这类负载的阻转矩TL与转速n的平方成正比TL=KTn2，输出功率PL与转速的在次方成正比PL=KPn3，（KT和KP为常数），由此可知，如转速超过额定转速，负载的转矩和功率将分别按平方律和立方律增加，因此，在一般情况下，不允许在额定频率以上运行。
（2）一般情况下，各种机械的强度、振动以及耐磨性能等，都是以电动机转速不超过3000r／min为前提设计的。因此，在没有对机械重新进行设计的情况下，2级电机的最高运行频率不要超过额定频率太多。
（3）当异步电机在额定频率以上运行时，由于电源电压是恒定的，其在调到fx时电磁转矩Tx近乎和频率调节比Kf的平方成反比，即T≈TN/Kf2（而TN为额定频率fN时的转矩）。因此，最高运行频率不宜超过额定频率
（4）异步电机在低频下运行时，为了获得足够的转矩，常需进行转矩补偿。而转矩补偿将使电机的磁路趋于饱和，从而增加附加损失，降低了效率，因此，只要情况许可，应尺可能地提高运行频率的上限。
2.2 确定传动系统的传动比并校核电动机的容量
（1）鼓风机和泵类负载，一般均为直接驱动，不必考虑传动比的问题。
（2）恒转矩负载，首先，根据有效转矩线以及所要求的频率调节范围，确定电机运行的最高频率和最低频率。
假设已经确定的电动机最高运行频率为fmax最低运行频率为fmin与此对应的转矩相对值为tTL，则电动机的额定转矩Tn=TL/qTL（TL负载转矩）。如果原选电机并未留有余量的话，则配用变频调速器后，电动机的容量应扩大1/tTL倍。传动系统的传动比入等于电动机在最高运行频率下的转速nDmax负载所需求的最高转速nLmax之比。
（3）恒功率负载：和恒转矩负载类似，首先根据有效功率线和频率调节范围，求出电动机运行频率的上、下限。
同样，在求出最高和最低运行频率的同时，得到对应的功率相对值tPL，而电动机的额定功率PN≥PL／tPL（PL为负载要求功率）。
在设计恒功率负载时，应注意两点：（1）尽量多利用额定频率以上的部分；（2）当调整范围较大时，尽量采用两档传动比。因为当传动比分成两栏时，频率范围αf与αn转速范围之间的关系为 。可见，在转速范围相同的情况下，频率范围将大为减小，从而可减小电动机的容量。 转贴于
负载的机械特性，因是恒功率负载，故曲线上任一点的横坐标与纵坐标的乘积均相等，且与负载功率成正比，即PL=KPTLnL=KPTLmaxLmin 。全部转速都在额定频率以下调节时的有效转矩线，在这种情况下，所需电动机的容量PN=KPTNnLmax>KPTLmaxLmax=αnPL。这说明，所需电动机的容量比负载功率的On倍还要大，是很不经济的。
⑴当最高运行频率为额定频率的2倍，传动比只有一档时的情形。在这种情况下，所需电机的容量PN=KPTN1/2nLmax 1/2αnPL。可见，所需用容量只要大于负载功率的On/2倍就可以了。
⑵ 当最高运行频率为额定频率的2倍，传动比为两档时的情形。这时，所需电机的容量PN1/2 PL。可见，对于恒功率负载，当αn>4时，这种方案是比较理想的。
3.自配外接制动电阻
各种变频调速器都允许外接制动电阻，加快制动速度，外接电阻。但配套的制动电阻价格昂贵，不易买到，自动配置时，其阻值与功率可如下决定：
直流电路的电压值UP= ×380=53V；制动电流Is一般以不超过电机的额定电流IDN为原则，即Is≤IDN，故制动电阻Rs≥UD/Is。
因Rs内通过电流的时间只有几秒钟，故其功率PR可按工其工作时的（1/10-1/8）选择，即PR=(0.1-0.125)UD2/Rs。
因Rs接入电路时，应注意将变频调速器内部的制动电阻切除，如不能切除，则应适当加大Rs的值，以免出现制动电流过大的情形。
在外接制动电路时，为了避免烧毁变频器内部的放电用大功率晶体管（GTR）有时也可以外接整个制动电器（即包括制动电阻和放电晶体管，这时，GTR应选取其VCEX≥700伏；ICN≥（1.2-1.5）IDN安。
参考文献
[1] 马新民，矿山机械，徐州：中国矿业大学出版社，2002
[2] 李纪等，煤矿机电事故分析与预防，北京：煤炭工业出版社，1997
[3] 柴常等，机电安全技术，北京：化学工业出版社，2006.1
开题报告
开题报告的主要内容一般包括选题背景、国内外研究现状、研究意义、主要研究内容（提纲）、研究方法以及参考文献；其他的一些内容根据学校具体要求而定。
1、选题背景：就是简单介绍一下是在什么样的背景下选择该题目作为研究对象的，比如题目是《关于我国中小企业融资困难问题的研究》，那么选题背景中就可以大概介绍下我国当前中小企业融资的现状；
2、国内外研究现状：分别选一些题目相关的国内外文献，大概总结下作者提出的观点、理论之类的；
3、研究意义：顾名思义，就是只研究这个课题有什么意义，又可以细分为现实意义和理论意义；现实意义就是指在实际中有什么作用，而理论意义则是指本课题的研究对于现有的一些理论具备怎样的作用，比如可以说对已有的理论做了有力的补充，同时也为后续研究者进行更进一步的研究提供了一定的理论基础之类的；
4、主要研究内容（提纲）：这个不用过多解释，部分学校的开题报告在研究内容一项中需要列出具体的写作提纲；
文献综述
简单说来，文献综述就是对你题目相关的一些文献资料的概述，也可以说是对国内外相关研究现状的一个总结。为了写出文献综述，你首先需要去搜集一些近3年以来跟题目相关的一些参考文献，写作主要内容一般包括：前言、主题、总结和参考文献。
1、前言：主要是说明写作的目的，介绍有关的概念及定义以及综述的范围，简要说明有关题目的现状或争论焦点，使读者对全文要叙述的问题有一个初步的轮廓；
2、主题：主要是对国内外相关研究现状进行概括，其中分为国外研究现状及国内研究现状，分别列出一些相关研究者的观点或理论；比如"XXX（2013）认为，__."、”XXX（2014）提出了这样的观点，他认为_."；
3、总结：文献综述最好不要只是简单罗列别人的观点，最终，你还得对别人的研究成果进行总结，在总结里提出自己的一些看法；
4、参考文献：这个无需多说，就是列出你写这篇文献综述参考了哪些文献，参考文献的格式具体参考你学校的格式要求，如果没有的话，可以去看看一般参考文献格式。
提醒：文献综述注意不要简单的堆砌别人的观点，最好是可以对不同的研究成果进行归类，并且需要提出一些自己的看法。
开题报告范例欣赏：
课题名称：L型支腿门式起重机大车行走机构设计
学院(系)：机械学院
年级专业：工程机械
学生姓名：郭阳
指导教师：张连东
完成日期：2010/03/15
一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义
1、门式起重机概述[1]
门式起重机是一种循环、间歇运动的机械，主要用于物品的装卸。它具有构造简单、操作灵活、维修方便、起重量和跨度大及占用作业面积小的特点。广泛用于铁路货场、港口码头、现代化工厂和仓库等场所。门式起重机一般由金属结构部分、机械部分和电气部分组成。它的金属结构像门形框架，承载主梁下安装两条支脚，可以直接在地面的轨道上行走，主梁两端可以具有外伸悬臂梁。门式起重机的金属结构部分主要由主梁、支腿、下端梁和司机室组成。它一般沿着铺设在地面上的轨道上运行。机械机构主要由起升机构和运行机构组成。电气部分由电气设备和电气线路组成。
门式起重机的形式很多，根据用途的不同可以分为通用型门式起重机，集装箱门式起重机，电站门式起重机，造船门式起重机等。
按照结构形式分为(1)单主梁门式起重机。单主梁门式起重机结构简单，制造安装方便，自身质量小，主梁多为偏轨箱形架结构。整体刚度要弱一些，起重量Q≤50t、跨度S≤35m。门腿有L型和C型两种形式。(2)双梁桥式起重机。
双梁桥式起重机承载能力强，跨度大、整体稳定性好，品种多，但自身质量与相同起重量的单主梁门式起重机相比要大些，造价也较高。
2、国内外研究动态
2011年由武桥重工制造的我国最大的一台龙门起重机该起重机跨度为230米，为国内最大跨度，标准载重为900吨，实际载重可以达到1500吨。随着我国基本建设高峰的逐渐到来，造船、风力发电安装、石油化工(包括煤化工)建设、冶金建设、火电(包括核电)建设、市政等等的发展，使大型起重机吊装市场出现供不应求的“火暴”现象。国外制造大型厂商主要有美国的Paceco、德国的Noell、英国的Morris、芬兰的Valmet、韩国的三星和现代，以及日本的三菱、三井、住友等。这些企业在设计团队、经费、设计思想、设计经验方面都有着国内无法抗衡的优势。目前世界上比较先进的机型其堆高已达7~8层、吊具下的起重量已达45t、满载起升速度达30m/min、小车速度超过50m/min、大车运行速度超过120m/min[22]。
研究成果主要体现在以下几点：
1)新装置的研制和新零部件的采用[2，3，4]
三合一减速器、新型径向棒销联轴器、新型电力液压块式制动器、钳式制动器、电线滑车、滑接输电装置等等行装置的采用，使起重机的启动、传动、制动等方面的性能都有了很大的提高。
2)新设计工具和思想的应用[2，11]
Proe、ANSYS、APDL语言等方便快捷的设计和测试等计算机软件的开发和运用大大提高了新产品的研发能力，缩短了研发周期。门式起重机进行了按静强度、静刚度、动刚度等多项控制指标的综合分析优化设计，从单机优化到系列优化设计理论方面的开拓和探索都已进入实用阶段。再加上模块单元化设计等等整个起重机行业的技术、生产和管理水平、新产品的研发速度都将大大加快。
3)自动纠偏技术[9]
跨度大于40m的龙门起重机在实际使用中由于众多因素的影响，刚、柔腿运行一段时间后会产生快慢不一的现象，常用电气自动纠偏的方法通常有
计算脉冲编码器输入PLC的脉冲、通过安装在柔腿顶部的角位移传感器、用橡胶摩擦轮带动旋转编码器的闭环控制等
4)啃轨现象的改善[10]
啃轨，就是起重机运行过程中车轮轮缘与钢轨侧面压触，发生强烈的磨损。严重的啃轨，使车轮与轨道剧烈磨损，并且大大增加附加载荷，运行阻力比正常状态时增大3.5倍左右，一般中型工作类型的龙门起重机车轮的使用寿命约8~10年，若有啃轨现象，寿命可降为1~2年，甚至几个月。在实际生产中最常用而且最有效的方法是调整和移动车轮，消除过大的误差横向力。
5)控制元件的研发[2，5]
采用转角码盘、齿轮链、激光头等装置，使定位精度可到±1mm。接收器、控制器遥控系统应用节省人力，提高工作效率，而且使操作者的作业条件得到改善。在距离检测方面，采用无线电信号型防撞装置来监控起重机前端行驶距离，在发出警告信号后，大车车速将减小到50%，最后切断电机电源，将大车制动。起重机的刹车系统也应用微机进行控制和监视工作。
3、选题的依据和意义
门式起重机是桥式起重机的一种变形。和桥式起重机相比具有场地利用率高、作业范围大、适应面广、通用性强，可靠性，安全性高，易于维护，无需改变厂房结构，满足物流需求等特点，在港口货场得到广泛使用。在港口，主要用于室外的货场、料场货、散货的装卸作业。世界上绝大多数大型的集装箱港口都采用跨运车、轮胎式龙门起重机和轨道式龙门起重机系统滞j比于跨运车，龙门起重机因其较高的堆场利用率而受到大型集装箱码头的欢迎，特别是亚洲集装箱码头，据cargosystem统计，在2004—2009年交货定单中，中国堆场龙门起重机订单占世界总订单的34%，而通用型中大型门式起重机的需求量日益剧增。因此对中大型门式起重机优化设计、轻量化设计研究已经成为该领域的热点问题。二、研究的基本内容，拟解决的主要问题
我的研究目标是L型支腿的箱型偏轨其中的的大车行走机构。要实现这一目标，需要进行的研究基本内容有：
1)大车金属结构部分的力学分析，保证强度、刚度和稳定性；
2)在基本参数和受力分析的条件下，确定主梁、上端梁、支腿、下横梁的基本尺寸；
3)确定大车运行机构中电机、联轴器、减速器、制动器的组合形式及其型号；
4)绘制机构各个组成部分的三维图并装配一体。二维图包括：总体装配图，支腿零件图和典型零件图。
拟解决的主要问题：首先是结构的确定，选择合理的形式和尺寸。起重机的设计重要的是在满足设计要求的前提下实现结构的最简化、重量的最轻巧，因此设计的刚度、强度和稳定性计算是设计研究的主要问题。运行机构的设计中驱动方式、驱动轮的位置和轮距、电机制动器等的布置形式也是研究的重要方面，直接影响到起重机的性能。
三、研究步骤、方法及措施
1、课题研究的方法：由于对本课题研究的内容没有经验，所以我将采取综合研究的方法。一方面要参考业内相关的标准和手册。比如《起重机设计手册》等，按照标准进行设计。再来就是参考相关的书籍和指导，比如《门式起重机》、《龙门起重机》等，按照专家的经验指导。还有就是对照已有的类似课题从中汲取经验和思路，咨询老师和同学。实施研究是划分子课题，按照金属结构的力学计算、运行机构的选型计算、其他零部件的选择校验、绘制图纸几部分进行。
2、研究步骤和措施
根据划分的子课题，将整个研究步骤分成4部分进行：
1)起重机的总体力学设计
这是整个设计过程中最为重要的一部分。根据研究的起重机所处的工作环境确定工作类型和载荷状态，这是计算的前提。然后进行强度校核计算、计算刚性支腿和柔性支腿的支承反力、计算轮压、整体稳定性的计算。基本确定整体的尺寸。
2)运行机构的设计
根据第一步有关轮压的计算和起重机的设计要求，在了解运行机构的组成和特性的条件下，选择大车的运行机构形式，确定出驱动轮位置和轮距。然后进行细节设计，对电动机、制动器、减速器的设计计算和选型，对于轴也要完成校核计算。
3)其他部件机构的计算
完成其他结构的设计，比如司机室，楼梯，电缆卷绕机构的确定。
4)图纸的绘制
根据前面的尺寸和型号的选择，对每一个零部件和机构进行solidworks的三维建模，然后装配到一起，组成整体的三维装配图，并实现机构的运动仿真。再完成总体装配图、支腿零件图、和个别零件的总计相当于3张A0的二维图纸。
四、研究工作进度
1)第一次节点考核：第二周完成文献检索情况；第三周完成外文翻译及文献整理、文献综述；第四周完成方案论证方案设计、开题报告以及PPT文档的制作。
2)第二次节点考核：第五周完成图纸阅读和计算参数准备；第六、七、八周依次进行整体的力学分析、运行机构的设计和计算、其他部分的选择和设计；第九周完成二维图纸的绘制。第十周完成PPT的制作。
3)第三次节点考核：第十一周至十三周完成三维设计和有限元分析；第十四周完成毕业说明书；第十五周导师审图和说明书；第十六周完成PPT的制作。
五、主要参考文献
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[11]林志树.轮胎式集装箱龙门起重机的几种防摇系统[J].起重运输机械.2007(6)：30～31
六、指导教师意见
指导教师签字：
年月日
七、系级教学单位审核意见：
审查结果：通过完善后通过未通过
关键词：人工智能 电气 自动化
人工智能是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法 技术及应用系统的一门新的技术科学。人工智能是计算机科学的一个分支 它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式作出反应的智能机器．该领域的研究包括机器人．语言识别、图像识别 自然语言处理和专家系统等。电气自动化是研究与电气工程有关的系统运行、自动控制，电力电子技术、信息处理、试验分析 研制开发以及电子与计算机应用等领域的一门学科。实现机械的自动化，让机械部份脱离人类的直接控制和操作自动实现某些过程是电气自动化和人工智能研究的交汇点。积极运用人工智能的新成果无疑有利于电气自动化学科特别是自动控制领域的发展．也有利于提高电气设各运行的智能化水平．对改造电气设备系统，增强控制系统稳定性．加快生产效率都有重大意义。
1、人工智能应用理论分析
人工智能(Artificial Intelligence)，英文缩写为AI。它是研究、开发用于模拟，延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。人工智能是计算机科学的一个分支，它企图了解智能的实质．并生产出一种新的能以人类智能相似的方式作出反应的智能机器 该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别 自然语言处理和专家系统等。自从1956年“人工智能 一词在Dartmouth学会上提出以后，人工智能研究飞速发展，成为以计算机为主．涉及信息论．控制论， 自动化、仿生学、生物学、心理学、数理逻辑、语言学、医学和哲学的一门学科。人工智能研究的一个主要目标是使机器能够胜任一些通常需要人类智能才能完成的复杂的工作。
当今社会，计算机技术已经渗透到生产生活的方方面面．计算机编程技术的日新月异催生自动化生产，运输 传播的快速发展。人脑是最精密的机器，编程也不过是简单的模仿人脑的收集、分析、交换、处理、回馈．所以模仿模拟人脑的机能将是实现自动化的主要途径。电气自动化控制是增强生产．流通、交换、分配等关键一环．实现自动化，就等于减少了人力资本投入，并提高了运作的效率。
2、人工智能控制器的优势
不同的人工智能控制通常用完全不同的方法去讨论。但Al控制器例如：神经、模糊、模糊神经以及遗传算法都可看成一类非线性函数近似器。这样的分类就能得到较好的总体理解．也有利于控制策略的统一开发。这些Al函数近似器比常规的函数估计器具有更多的优势．这些优势如下：
(1)它们的设计不需要控制对象的模型(在许多场合，很难得到实际控制对象的精确动态方程，实际控制对象的模型在控制器设计时往往有很多不确实性因素，例如：参数变化，非线性时，往往不知道)。
(2)通过适当调整(根据响应时间 下降时间、鲁棒性能等)它们能提高性能。例如模糊逻辑控制器的上升时间比最优PID控制器快1.5倍 ，下降时间快3.5倍， 过冲更小。
(3)它们比古典控制器的调节容易。
(4)在没有必须专家知识时．通过响应数据也能设计它们。
(5)运用语言和响应信息可能设计它们。
总而言之，当采用自适应模糊神经控制器、规则库和隶属函数在模糊化和反模糊化过程中能够自动地实时确定。有很多方法来实现这个过程，但主要的目标是使用系统技术实现稳定的解，并且找到最简单的拓朴结构配置．自学习迅速，收敛快速。
3、人工智能的应用现状
随着人工智能技术的发展，许多高等院校及科研机构就人工智能在电气设备的应用方面展开了研究工作，如将人工智能用于电气产品优化设计，故障预测及诊断、控制与保护等领域。
3.1 优化设计
电气设备的设计是一项复杂的工作 它不仅要应用电路、电磁场、电机电器等学科的知识，还要大量运用设计中的经验性知识。传统的产品设计是采用简单的实验手段和根据经验用手工的方式进行的．因此很难获得最优方案。随着计算机技术的发展，电气产品的设计从手工逐渐转向计算机辅助设计(CAD)，大大缩短了产品开发周期。人工智能的引进．使传统的CAD技术如虎添翼．产品设计的效率及质量得到全面提高。用于优化设计的人工智能技术主要有遗传算法和专家系统。遗传算法是一种比较先进的优化算法，非常适合于产品优化设计。因此电气产品人工智能优化设计大部分采用此种方法或其改进方法。
3.2 故障诊断
电气设备的故障与其征兆之间的关系错综复杂，具有不确定性及非线性．用人工智能方法恰好能发挥其优势。已用于电气设备故障诊断的人工智能技术有：模糊逻辑、专家系统、神经网络。
变压器由于在电力系统中的特殊地位而备受关注，有关方面的研究论文较多。目前对变压器进行故障诊断最常用的方法是对变压器油中分解的气体进行分析．从而判断变压器的故障程度。人工智能故障诊断技术在发电机及电动机方面的研究工作也较为活跃。
3．3智能控制
人工智能控制技术在自动控制领域的研究与应用已广泛展开．但在电气设备控制领域所见报道不多。可用于控制的人工智能方法主要有3种：模糊控制、神经网络控制、专家系统控制。由于模糊控制是其中最为简单、最具实际意义的方法．因而它的应用实例最多。
4、结语
人类智能主要包括三个方面．即感知能力．思维能力 行为能力。而人工智能是指由人类制造出来的 机器”所表现出来的智能。人工智能主要包括感知能力、思维能力和行为能力。人工智能的应用体现在问题求解．逻辑推理与定理证明，自然语言理解 自动程序设计．专家系统，机器人学等方面，而这诸多方面都体现了一个自动化的特征．表达了一个共同的主题，即提高机械人类意识能力，强化控制自动化．因此人工智能在电气自动化领域将会大有作为，电气自动化控制也需要人工智能的参与。
参考文献：
关键词：低压真空断路器；双稳态永磁操作机构；真空灭弧室参数；实体模型；有限元分析
中图分类号：TM153 文献标识码：A
1 引言
低压断路器广泛应用于低压配电路中，它不仅担负着反复地接通与断开低压配电电路，而且当电路发生过载、短路等故障时可以立刻动作，断开电路。
近年来，随着技术的发展一些基于真空灭弧室的低压断路器相继出现，但其操动机构基本上是传统的弹簧或电磁操动机构。由于在低压电器中80%的故障都是机械故障。而弹簧操动机构则是靠机械传动，零部件数量多，传动结构复杂，发生故障的概率很高，所以减少机械部件成为减少故障问题的主要方法。
永磁操动机构作为一种新型真空断路器的操作机构，零部件少，运动部件只有一个动铁心，所以大大降低了故障源，几乎不存在可靠性的问题、免维护，而且它的出力特性与反力特性配合良好，已经普遍应用于中、高压领域。本文设计一种配合低压真空灭弧室的双稳态永磁操动机构。对几种不同结构的双稳态永磁操动机构的电磁吸力特性进行分析。
2 设计模型
2.1 四种不同的结构设计
对电压等级不同的真空断路器，由于所带负载、传动机构的不同，动铁心受永磁体的力也不相同，机构的分、合闸动作的时间（分合闸时间）、速度（分合闸速度）也不相同，因此永磁操动机构的结构形式、性能参数也不相同。所以，不同的断路器，根据情况的不同需配备不同结构形式的永磁操动机构。在设计结构前，首先应该对结构、参数和能耗进行分析计算，使其均达到目标要求。由此本文提出了结构形式不同的四种双稳态永磁操作机构：（a）永磁体紧靠动铁心，（b）永磁体紧靠动铁心，但由于在气隙下面加了极靴，因此整个动铁心的长度减小，但是动铁心的行程与（a）保持相同，（c）永磁体紧靠静铁心，（d）永磁体占满整个磁轭部分。
2.2 双稳态永磁操动机构工作原理
虽然结构各不相同，但工作原理却一致，以（a）为例说明。
假设开始时断路器位于合闸的状态，那么动铁心处于操动机构的顶部。所以机构上端空气隙小磁阻小，下端空气隙大磁阻大，因此由永磁体所产生的磁力线绝大部分都通过上部磁路，将动铁心吸合在合闸位置。
当对断路器进行分闸操作时，只需在分闸线圈中通过大小适当的电流，而这一电流产生的磁力线和静铁心上部的磁力线方向完全相反，起到抵消的作用。但是分闸线圈在中部产生的磁力线方向与永磁体在中部产生的磁力线方向却一致。因此动铁心受到的向上的电磁吸力逐渐减小，当分闸线圈中的电流增大到一定程度时，动铁心所受到的电磁吸力之和大于动铁心上的负载，此时动铁心将会向下运动。
当动铁心开始向下运动时，其机构顶端与静铁心的上面的磁极之间的空气隙会越来越大，进而使上面的磁阻逐步增大，而下面的磁阻则会慢慢变小。并且向下运动的过程中伴有电流的增大，使动铁心受的向下的合力增大，进而使得整个动铁芯加速向下运动。当动铁芯到达底部会被永磁体所吸合，此时即使断开分闸线圈中的电流，动铁心依旧会维持在机构的底部即分闸状态。
合闸过程与分闸过程完全相似；这里不再叙述。
3 理论分析及计算
以上的公式说明任何磁场都可当作由分布电流产生，根据经验永磁体有以下两种电流模拟的方法：
（1）永磁体整个区域内部充满电流的模型（体电流模型）。
（2）永磁体外部边界上存在的电流的模型（面电流模型）。
4 仿真及优化设计
永磁操动机构的分、合闸操作以及位置维持依赖于机构内部的磁场变化来实现，所以对机构中的磁场变化进行研究具有重要意义。根据经验和实际理论计算出的尺寸进行实体建模并做如下仿真。
（1）未通电情况下，永磁体单独作用的磁通分布可以说明其工作原理。由于下面的磁路的空气隙使磁阻很大，所以此时磁通几乎都通过上面的磁路。
（2）当接收到分闸命令后，分闸线圈中开始通电，线圈产生的磁场使动铁心下面的磁场变强。随着电流的不断增强，动铁心受线圈产生向下的吸力变大，此力与永磁体产生的电磁吸力相反。使动铁心受到的向上电磁吸力越来越小。
（3）通过对不同电流等级的磁力线分布获得不同结构下的电磁力之和，通过分析结果进而做出优化选择。由于优化是又一个深入的课题，再次就不加以论述。
结论
根据以上实验数据，可以得出：
（1）当分、合闸线圈中通入的电流为零时，动铁心受到的吸力与其体积成正比。
（2）（a）结构线圈作用在动铁心上的力是最先克服永磁吸力向下运动的，而（b）、（c）、（d）结构的线圈需要通入很大的电流才能使动铁心开始动作。
由此可知，在设计永磁机构时，选择方向的不同，会使设计的结构也不同。如果从节能方面考虑，（a）结构更加合适，原因是和另外三种结构相比（a）中线圈通入的电流很小时动铁芯就开始动作；若从结构小型化来设计，（d）更好，因为在操作设备体积相同的时候，（d）结构提供的永磁吸力是最大的。尽管（c）结构耗能大，但是也有它自己的优点，比如如果通入的电流很大时它所产生的永磁吸力也很大，所以（c）结构更适合电压相对较高的真空断路器。
综合考虑低压真空断路器灭弧室的性能要求（动作快，精度高），所以在设计操动机构时，（a）更合理、可行。
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