连杆机构优化设计

连杆机构优化设计

连杆机构是最常用的机构,因此连杆机构优化设计在机构设计中十分重要,研究工作开展得也最为广泛。有大量的文献介绍有关平面四杆机构、平面五杆机构、柔性连杆机构、曲柄连杆机构、槽轮连杆机构、凸轮连杆组合机构和齿轮连杆等机构的优化。鉴于四连杆机构的典型性,本节结合四连杆机构的函数再现优化设计问题,阐述连杆机构优化问题的一般方法及流程。

四连杆机构的优化设计就是对四连杆机构的参量进行优化调整,使得机构给定的运动和机构所实现的运动之间误差最小。因此四连杆机构的优化设计的过程,就是寻找使得四连杆机构运动误差最小的一组机构设计参量。四连杆机构设计参量确定后,就可认为实现了机构的优化设计。

四连杆机构的优化设计包括四连杆机构优化模型建立和优化模型求解二个主要过程。通过对四连杆机构的分析确定优化方案,确定设计变量,给出目标函数,并将机构设计制约条件,如杆长条件、传动角条件等,写成相应的约束条件,即可建立机构优化设计模型。 下面介绍四连杆机构函数再现优化设计模型的建立。连杆机构函数再现设计主要通过选取输人构件和输出构件相对应若干位置、采用机构图解法或分析法确定机构各参数。图1是典型的平面铰链四杆机构,、

分别表示于四个构件的长度,杆AB是输入构

,即

铰链A的位置

件。假设图1所示的平面铰链四杆机构再现给定函数为

,则机构位置取决于、

AD与机架x轴夹角

以及输人构件转角等七个变量。

图1 平面铰链四杆机构

为简化问题,可令A的位置为,,构件的长度为1(参考构件),由此可

将问题维数降为四维,并不影响构件输入、输出的函数关系。由此可以得到输出构件转角外与输入构件转角

之间的函数关系式:

(1)

机构优化设计目标就是使得输出构件转角与给定值在差最小。因此机构优化设计的目标函数可用下式表示

,所有位置上的误

(2)

当输入构件转角为时,输出构件转角外可由下式求得,

(3)

式中:

所以

(4)

将上式代入式(3),并令化设计目标函数可写为:

代表设计变量、、及,机构优

(5)

机构优化设计的约束条件应根据机构设计的实际情况确定。例如曲柄摇杆式四连杆机构必须满足如下关系式:

(6)

如果机构要求传动灵活可靠,则传动角应满足:

其中

从上式可知,传动角随的变化而变化,当为最大值时,

为最小,

为最小值时,为最大。要满足上式条件,约束方程应为:

曲柄摇杆机构有,因此,约束方程为

(7)

当所选定的设计变量为构件长度时,则构件长度必须是正数,即约束方程为

式中是为了使构件长度不小于而设的。

此外,由于具体结构尺寸的限制,往往对某些构件的长度限定在某一范围内选取,例如连杆BC的长度

最短为

倍,最长为

倍,即

则约束方程为

(8)

下面介绍再现函数为的曲柄摇杆机构的优化设计。

先变换给定函数为选取输入构件的转角为出构件从

转到

,并设输人构件初始角为

,输出构件的转角为,输入构件从

,输出构件初始角为

转到

,时,输

当输入构件从转到

时,

输出构件则从

回到。显然有

得:

及,即及

。代入函数式

设将输入构件的转角子

,再令

均分成20等分,则

代表设计变量、

,取权因

,则由式(5)得曲柄连

杆机构优化目标函数为

曲柄摇杆机构优化设计约束条件如下: 由式(6)得:

要求传动角满足,由式(7)得:

根据机构结构尺寸,要求各构件长度相对机架的尺寸在给定的范围内,由式(8)得

因此曲柄摇杆机构优化设计模型如下:

Min.

s.t.

采用内点惩罚函数法和POWELL

法求解曲柄摇杆机构优化设计模型。选择初始惩罚参数

,递减函数e = 0.01,初始点

函数法收敛精度

,解得最优解为

,POWELL法目标函数值收敛精度

,取惩罚

,一维搜索精度


相关范文

  1. 连杆混合驱动机构设计

    编号 本科生毕业设计 连杆混合驱动机构设计 Research On The Hybrid-drive Linkage Mechanism 学 生 姓 名 专 业 学 号 指 导 教 师 分 院 机械设计制造及其自动化 机电工程分院 年 月 中文摘要 本文以两曲柄分别为连杆和连架杆的一类混合输入五杆机 ...

  2. 新型双四连杆机构在隧道检测装置中的应用

    设备与机具 铁道车辆第51卷第6期2013年6月 文章编号:1002-7602(2013)06-0031-03 新型双四连杆机构在隧道检测装置中的应用 徐曙,张学飞 (常州大学机械工程学院,江苏常州213016) 摘要:介绍了一种采用新型双四连杆机构的隧道检测装置的主要结构,并对该四连杆机构的参数进 ...

  3. 实现预定轨迹的平面四连杆机构的优化设计

    实现预定轨迹的平面四连杆机构的优化设计 汕头大学工学院 09机电系citycars 摘 要: 四连杆机构是工程上广泛应用的传动机构,按照预定的轨迹曲线设计平面连杆机构,就是要确定机构的各尺寸参数和连杆上的描点位置,使该点所描的连杆曲线与预定的轨迹相符.利用软件Matlab优化工具箱进行优化设计,使得 ...

  4. 机床运动优化中英文对照外文翻译文献

    中英文对照外文翻译 (文档含英文原文和中文翻译) 模拟与机床完整的力学性能优化 摘要 截至到现今,考虑灵活的力和移动的结构时根据不同的工作区位置是不可能做到多体仿真,比如直线导轨上的基架组件.从而那些即不体现完整力学行为的表示,也不取决于不同的工作区的位置的帧结构的优化变得可能.在德国研究基金会&q ...

  5. 基于工作装置优化的装载机卸载冲击研究

    ? 基于工作装置优化的装载机卸载冲击研究 基于工作装置优化的装载机卸载冲击研究 史英良,侯 亮,祝青园,翟继盾,卜祥建 (厦门大学 机电工程系 福建 厦门 361005) 摘要:装载机卸载过程中载荷的急剧变化会对车体产生剧烈冲击,导致舒适性下降,同时会降低部件的寿命,因此对卸载冲击进行研究,拟通过对 ...

  6. 洗瓶机课程设计

    9.1 设计题目 洗瓶机主要由推瓶机构.导辊机构.转刷机构组成.如图11.1所示,待洗的瓶子放在两个同向转动的导辊上,导辊带动瓶子旋转.当推头M把瓶子向前推进时,转动着的刷子就把瓶子外面洗净.当前一个瓶子将洗刷完毕时,后一个待洗的瓶子已送入导辊待推. 图9.1 洗瓶机工作示意图 洗瓶机的技术要求见表 ...

  7. 空间连杆机构运动分析可视化

    机械 2005年第10期 总第32卷 设计与研究 ·5· 空间连杆机构运动分析可视化 张艳辉,谢进 (西南交通大学 机械工程学院,四川 成都 610031) 摘要:可视化技术可以使空间机构的运动分析更加直观.以空间RSSR 机构为例,运用MATLAB .ADAMS 等可视化技术,分析机构的可动性,并 ...

  8. 液压支架总体结构设计1

    液压支架总体结构设计 鲍鹏飞,曹彦楠,李建设 (三一重型装备有限公司,辽宁沈阳 110027) 摘要:介绍了ZY4200/14.5/32型两柱掩护式液压支架总体结构设计方法.应用Matlab软件进行参数优化和弯矩计算,利用Pro/E三维建模进行运动分析,使用ANSYS软件对液压支架总体结构进行有限元 ...