基于机械对称性的环保机械产品创新设计

王海存

摘要：随着我国经济的飞速发展，国内的机械工程也随之逐渐扩大规模。机械对称性表现为机械系统内部存在的广泛对称性质，其功能对称性、原理对称性和结构对称性之间作用紧密，蕴含着大量对称性知识。分析机械对称性知识在机械设计、工艺规划和故障诊断等领域的应用，指出根据机械对称性知识来进行环保机械产品创新设计的基本思想；建立基于机械对称性知识的机械产品创新设计模型。以环保机械产品智能水面垃圾清洁船的设计为实际设计应用，实现基于机械对称性知识的环保机械产品的创新设计，验证机械对称性在机械产品创新设计方面的实用性与有效性。

关键词：机械对称性；环保机械产品；创新设计

引言

机械对称性相关概念与理论由德国学者Barrenscheen首先提出，经过国内外诸多学者的研究，已取得丰硕的研究成果。建立机械对称性知识作用下的夹具信息模型，成功开发基于机械对称性知识的计算机辅助夹具设计（CAFD）系统，实现夹具的快速设计。鲜有基于机械对称性知识的环保机械产品创新设计方面的报道。从功能对称性出发，阐述经过科学的原理对称性作用，最终得到环保机械产品创新结构求解方法。在此基础上，探索基于机械对称性知识的环保机械产品创新设计思想，讨论创新设计的一般流程与方法，并实际设计开发用于水面垃圾收集的智能化清洁船，对于进一步丰富机械设计理论与方法，提高机械产品创新设计功效，具有一定参考价值。

1研究背景

轴承、齿轮、转子等旋转机械作为现代机械设备的关键部件，在工业领域中得到广泛的应用。在集成化及精密化的发展趋势下，旋转机械的工作环境也愈加复杂多变，长时间运行在高速、过载等恶劣工况条件下很容易出现损坏。因此有必要对旋转机械的健康状态进行有效准确的诊断和评估。本文以旋转机械的振动信号为研究对象，利用对称极坐标图像良好的可视化能力，从特征提取、特征选择、深度学习三个方面开展有监督学习及半监督学习的故障诊断方法研究，并通过实测的轴承、齿轮、转子的实验数据来证明方法的可行性及泛化性。论文的主要内容如下：

（1）针对卷积神经网络模型存在特征提取能力差且参数计算量过大的问题，结合对称极坐标图像提出一种基于可选择核的深度可分离卷积模型的故障识别方法。首先对原始数据进行预处理，将其转换成对称极坐标灰度图像。然后可选择核单元通过对多尺度卷积核的通道赋予权重来加大有用特征的提取，减少无关特征的干扰。最后应用softmax分类器来实现故障的识别。通过实验分析和对比研究表明该方法较现有的深度学习方法有更高的诊断精度。

（2）针对传统的特征提取方法难以全面地反映信号故障特征的问题，应用多尺度及变分模态分解方法在不同时间序列及频段下对振动信号进行处理，将处理后的信号转换成对称极坐标灰度图像，并提取其纹理特征。由于现有的特征筛选方法很难对每类的特征重要性进行排序，为此提出一种新的特征排序方法来选择最优的特征子集，将所选择的敏感特征输入到随机森林分类器中来实现故障分类。轴承和齿轮的实验数据证明该方法在不同工况下具有优良的泛化能力和稳定性。

（3）为有效地避免参数的选取从而节省时间，研究一种新的图像处理技术来构建拓扑图，将其转换成邻接矩阵和度矩阵后，输入到半监督图卷积网络中实现故障分类。三组不同的实验数据表明该方法可以在少量标签样本下有效地实现旋转机械的半监督故障诊断，与其它方法的对比也进一步证明该方法具有一定的工程应用价值。

2机械设计制造及其自动化优势

2.1 增加产值和提高设备利用率

源于大部分机械自动化产品的自动化信息处理、自动控制等功能，因此，其控制与检测灵敏度、准确度、范围等都能被大幅度提高，利用自动化控制系统能够准确地保证机械执行机构按预设要求进行运转，避免机械手主观因素干扰，达到最优作业效果及最优加工品质和高产品达标率。同时，由于自动化产品能够使工作自动化从而使工作效率得到进一步提升。

2.2 优化生产的安全性和可靠性

机械自动化产品通常具有自动监测、报警、诊断和保护等多种功能。在操作过程中出现过载、过电压、电流、短路等电力故障时能自动进行防护，可有效地防止和降低人员和设备意外，极大程度上提高设备使用的安全性，对于减少故障率及提高机械设备使用寿命具有实质意义。

2.3 易于调试和维护，提高使用性能

设备安装和调试过程中可根据用户要求和现场参数变化改变操作模式。该控制软件可以在不改动产品零部件情况下，以各种方式将其输入自动机械产品控制系统中。目前，机械自动化产品应用广泛，使用程序化、数码化方式，可以大幅度地减少操作按键、把手数量，从而大大简化使用过程。按照预先设定程序、机械自动化产品工作流程，通过电子控制系统，可以反复地完成整个操作。

3创新设计关键技术

基于机械对称性知识的环保产品创新设计是在机械对称性知识的底层支持下，求解满足新产品功能需求的环保产品方案与结构，并对求解构型进行分析验证，最终获得环保产品创新设计结果。

3.1基于对称性知识的环保产品创新设计模型

在机械对称性知识库及实例库的支持下，由功能需求出发，在原理对称性的传递下，寻找求解问题的备选解集，对备选解集各元素进行优化，得到求解问题的解。

3.2关键技术

为支持基于机械对称性的环保机械产品的创新设计模型，实现基于机械对称性知识的环保机械产品快速创新设计，着重研究以下关键技术。

1）机械对称性实例库技术。基于机械功能对称性、原理对称性、结构对称性的关联与相互作用原则，着重收集、整理在环保产品设计域的对称性实例，利用数据库原理，建立机械对称性实例库。机械对称性实例库拟采用数据表进行表达，每个具体实例以机械结构的三维模型的ID号为唯一表示，用每个实例的三维模型所包含的广义特征作为连接机械结构——功能效用——作用原理的桥梁，构建起连接函数。

2）机械对称性知识库技术。从机械对称性实例中提取机械对称性功能知识、原理知识、结构知识，建立该三种知识之间的内在联系，开发功能——原理——结构知识表达模型。在知识表达模型的基础上，实现机械对称性实例向机械对称性知识的提取与转化，从而建立机械对称性知识库。

3）求解新环保机械产品设计问题的搜索技术。建立机械对称性实例库与对称性知识库的目的，是为了基于机械对称性知识求解新的设计问题（包含为实现某机械功能的原理及其组合、新的机械结构及新的制造工艺等），即基于机械对称性的机械创新设计。其关键是将新的创新设计问题与对称性知识相匹配，得出一个或多个机械对称性实例方案，在对称性作用强度评价模型基础上获得新的设计问题解集。因此，为获得新设计问题的解集，需要设计高效、有效的驱动（搜索）函数及算法。

结束语

本文提出的基于机械对称性知识的环保机械产品创新设计体系结构与关键技术，对机械产品创新设计思想、路径与方法具有一定的理论指导作用及实际应用价值。工程实际中因多重且非对称弹性约束的存在，使机械系统变成一个具有复杂动力学行为的冲击振动系统。因此，研究机械系统的结构参数与功能目标之间的映射关系，为系统动力学特性和功能目标协同优化的参数匹配规律及科学匹配范围提供依据。

参考文献

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