对给定任务的机构参数优化

第11期机械设计与制造2013年11月Machinery Design & Manufacture9对给定任务的机构参数优化骆海涛12,王洪光!(1.中国科学院沈阳自动化研究所,辽宁沈阳110016;2.中国科学院大学 ,北京100049)摘要:针对给定任务的机构参 数优化问题,提出了一种由两款软件协同的联合仿真设计方法。首先,利用MATLAB/SimMechanics工具箱建立了平面四杆机构的机械系统模型;其次,借助于Isight- -FD 建立该优化问题的目标函数;最后，通过联合仿真分析得到了满足任务要求的一组最优参教。 仿真结果表明,优化后的仿真曲线能够很好地逼近于给定的任务轨迹,保证了工作路径的拟合精度。该种联合仿真设计方法结合了不同种软件自身的优势,具有便捷、高效和直观的特点,对于其他不同样式的机构和结构参数优化具有指导和借鉴意义。关键词:参数优化;联合仿真;Isight- FD;MATLAB/SimMechanics中图分类号:TH16文献标识码:A文章编号: 1001 -3997(2013)11- -0019 -04Parameters Optimization for Mechanism for a Given TaskLUO Hai-taol2, WANG Hong- guang'( 1.Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Liaoning Shenyang 1 10016, China;2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)Abstract:A iming at parameters optimization problem for a given mechanism, a co-simulation desigm method by t1wo kinds ofsofware cooperation is put fonward. Firstly, it establishes the mechanical system model of plane four-bar mechanism usingMATLAB/SimMechanics lolbox, and the next, creates the objective function for the optimizaion problem by means of Isight-FD; at last, oblains a group of optimal parameters to satisfy the requirements of given tasks through co- simulation analysis.The simulation results show that optimized simulation curve can be a good approximation to given trgjectory and ensure thefutting precision of working path. Combined with the advanloges of different kinds of sofuware, the co -simulation designmethod is convenient, high eficient and intuitive ，which has guidance and significance to other different style of mechanismand structure for parameters optimization.Key Words:Parameters Optimization; Co Simulation; lsight-FD; MATLABSimMechanics1引言以方便的建立复杂机械系统的图示化模型,进行机械系统的单独在连杆机构运动的过程中，固接在连杆平面上的各点将描分析或与其它优化分析软件的联合仿真分析网。绘出各种不同形状的曲线,这些曲线称之为连杆轨迹线。而连杆综合上述两种仿真软件自身的优势,对工程中经常用到的机构的设计,很多情况下是利用连杆上某- -位置点的轨迹线来完四杆机构进行了联合仿真设计。首先,利用了SimMechanics的图成预期任务的。由于任务的特殊性,使得连杆上设计点的轨迹线示化建模,所见即可得,简单易懂的特点,减少了编程计算的工变得相对复杂。如果要保证连杆的轨迹线能够很好地吻合给定的作量。同时,也利用了lsight-FD超强的软件集成能力和优化计任务路径进行作业,这就需要对连杆机构进行合理的设计。因此，算能力,将SimnMechanics的仿真框图集成进来进行多次优化迭连杆机构设计的问题不仅包括常规的结构设计、动力设计和连续代。最终,得到了满足给定任务要求的最优机构参数。该种联合运动设计,还要满足给定任务约束条件下的机构参数优化设计。仿真方法简便易行,为连杆机构的快速优化设计提供了高效地解Isight-FD是法国某公司最新发布的一款功能强大易于使用决方案。的多学科多目标设计优化软件。它通过-种搭积木的方式快速集2平面四杆机构优化模型的建立成和耦合各种仿真软件并使整个设计流程实现数字化和全自动化，为了满足工程应用中的任务需求，我们引出了下面所述的能够帮助广:大产品设计人员CAE仿真人员完成从简单部件的参平面四杆机构优化设计问题，如图1所示。该平面四杆机构是一数研究到复杂系统的综合优化任务"。SimMechanics 是MATLAB曲柄摇杆机构 ,其中,AB为曲柄,BC为连杆,CD为摇杆。连杆BC中的一个工具箱,同时结合了Simulink的功能。它利用模块框图有一定的面积中国煤化三我们所设计机构的工的建模环境来对刚体机构运动进行设计和仿真。使用这些模块可作点。 它的位长度来决定的。YHCNMH G来稿日期:2013-01-01基金项目:国家自然科学基金项目(51175494)作者简介:骆海涛,( 1983-),男,辽宁兴城人,博士研究生,主要研究方向:机器人动力学20骆海涛等:对给定任务的机构参数优化第11期量的取值范围。[-2≤A.≤0,0≤A,≤22.0≤D,≤2,0SD,≤2LCD-(4)-1≤E,≤3,- -0.5≤E,≤1(Ex,Ey)0≤LAB≤3,0≤LCD≤30.5...券分2.3指定目标函数(Dx,Djy)为了无限逼近给定的工作曲线,将这两条曲线进行离散,并(Ax,Ay)把相应离散点的横纵坐标之差平方和的均方根值作为该优化模型的目标函数。图1四杆机构优化问题模型(5)Fig.1 ptimization Problem Model of Four-Bar Mechanism图中曲线是基于特定任务的工作曲线,并将其固定在给定式中:E,,E,- -所设计机构E点轨迹曲线的横纵坐标值;的坐标系范围内。因此,连杆机构的设计问题即是如何保证位置E, ,E,一固定任务路径的横纵坐标值;点E的连杆轨迹能够与坐标系中固定的工作曲线近似重合。为n一离散点的数量。了解决上述问题，我们需要对平面四杆机构进行优化模型的建3平面四杆机构联合仿真分析Isight- -FD与SimMechanics联合仿真主要是在lsight-FD中2.1设计变定义为了建立四杆机构的参数化模型，定义了如下变量进行建进行的。首先，根据初始机构参数,在SimMechanics中建立起四模。曲柄的长度LAB,摇杆的长度LCD,曲柄和摇杆与大地相连杆机构的机械系统模型。其次，在Isight- FD中按照指定的优化算接位置点的坐标分别为(A.,A,)和(,,D),设计点E的坐标(E,法对所集成软件的输人文件进行修改和求解计算并读取目标函E,)。根据这八个设计变量即可建立起四杆机构的参数化模型,四数值。然后,判别目标函数值是否达到最优,如果达到最优则优化结束,否则对输人文件再次进行修改计算,直至取得理想的目标杆机构的设计变量为:值啊,这一典型优化过程,如图3所示。X-(A,A,D,D,L,B,LCD)2.2施加约束条件初始机构设计根据曲柄摇杆机构的特点,曲柄存在的约束条件为:↓(LAB+LAD≤LBC+LCD机械系统分析模型LAB≤LAD(2)LABSLBC的设计变量LABSLCD为保证机构的传动性能良好，设计时一般应使传动角大于运行分析模型代程:40%。曲柄摇杆机构的传动角,如图2所示。|获取输出文件的目标变量 kBN是否满足设计要求?XD,D,D2lsight- -FDFranework最终设计方案)图2曲柄摇杆机构图3 lsight- FD与SimMechanics联合仿真流程Fig2 Crank and Rocker MechanismFig3 Co simulation Process Between Isight-FD and SimMechanics当CB2CD290°,则CB,CDI为最小传动角;当∠B2CD>3.1机械系统模型的建立90° ,应该比较LBCD和180°-∠BCD2,两者中较小者为最小在SimMechanics中,首先绘制出固定机架,用刚体模块组中传动角。的Ground模块来表示。然后从Joints模块组中复制Revolute模LBCD=LBC +LCD -(LAD-LAB)块,构造出第一个转动副。 依此类推,就可以将所需的模块都复制2LBCXLCD(3)到此模型窗口帆乎田米们干兽通sin模块连接的方法,将LB,CD,= LBC +LCD'-(LAD-LAB)所有模块连接中国煤化工=角速度为20deg/s,这2LBCxLCD四杆机构设计变量的取值范围主要受工作路径曲线所限样整个机构就CN M H Ganics中,建立好的四制,根据工作路径曲线在图1所示坐标系中的位置,定义设计变杆机构机械系统模型, 如图4所示。.No.1lNov.2013机械设计与制造4优化结果分析在lighr FD的Runtime Cateway窗口内可以观察到整个优化的迭代过程B。同时,在SimMechanics中也可以实时地显示设申计点E的轨迹曲线逼近情况。最终优化结果,如表1示。表1机构的最优参数回r国由一-Tab.1 The Optimal Parameters of Four Bar Mechanism设计变量优化值A，-1.0-1.501710.5309四一首日1.4870图4机械系统仿真框图1.0.5190Fig4 Simulation Block Diagrams00.9864of Mechanical System1.02893.2优化仿真模型的建立最后，我们将优化结果轨迹线与原始给定的任务轨迹进行将SimMechanics中的连杆机械系统模型集成到Isight-FD比较, 发现该种优化算法能够很好地满足我们的设计要求,整个中进行参数优化,优化框图和仿真曲线,如图5所示。仿真的逼近效果,如图6所示。又Optimizationl生0.8--I 10/440吉0.6--→MATLAB(a)优化仿真框图0o时间历程1.2-一设计轨迹(a)时间历程曲线初始轨迹优化轨迹, 任务轨迹0.60.0.70.24。o.点E横坐标(b)E点连杆曲线图s lsighr FD集成仿真FigS Integated Simulation with Isight-FD-0.5.5由于模型简单，采用NLPQL序列二次规划法进行优化设横坐标值置。仿真结束后，用户可以使用MATLAB自带画图功能或(b)逼近效果曲线图6优化仿真结果Simulink示波器显示仿真结果。Fig6 Simulation Results for the Opimization Analyislsight-FD调用MATLABSimMechanics的方法主要有以下其中,虛线代表设计变量取初值时E点的初始轨迹曲线,点三种类型网:划线代表原始给定任务的固定路径,而实线代表的是四杆机构EMatlab input.m;点优化后的设计轨迹曲线。从图中,我们可以看到优化后的设计Matlab-ri input.m-logfile output.dat;曲线与任务需求的固定轨迹线逼近良好。从而验证了该种联合仿采用DOS命令进行调用;真方法的有效中国煤化工其中，前两种方式可以直接将调用命令写人Isight-FD中，“Y片CNMH G第三种需要调用可执行文件。但是第三种比较通,用1igh-D测5 总结采用SimMechanices对四杆机构进行了建模，解决了机械系用其它软件均可以类似方式进行。No.1122机械设计与制造Nov.2013统的仿真问题。应用Isight- FD对连杆上一点的轨迹进行了优化,得(Min Jian -qing, Xu Zi -bin. Motion analysis and simulation of planarfour -bar mechanism based on SimMechanics [J]. Jourmal of Light到了满足设计要求的连杆机构参数。lsight-FD结合SimMechanicsIndustrial Machinery, 2004(1):63- -65.)进行联合仿真分析使得整个优化过程全数字化和自动化,突破了[6]庞和喜,曹鸿钧.基于SimMechanics和iSICHT的平面四杆机构的运传统优化设计方法的局限性。该种设计方法具有直观便捷,功能动仿真和优化[J].机械传动,2008,32(4),46 47,56.强大,自动分析且不需要编程等优势。它使得传统的机构优化设(Pang He -xi, Cao Hong -jun. Planar four -bar mechanism motion计思想发生了转变,并且对其他不同样式机构的优化设计工作也Journal of Mechanical Transmission, 2008,32(4):46- 47,56.)起到了一定地借鉴和促进作用。[7]郑宏伟,李平康.基于SimMechanices的四杆机构仿真技术研究[].机参考文献电工程技术,2005,34(5):62- -65.[1]薛定宇,陈阳泉基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].(Zheng Hong -wei, Li Ping -kang Simulation technology research of北京:清华大学出版社,2002.four -bar mechanism based on SimMechanicsJ]. Mechanical & Elctrical(Xue Ding -yu, Chen Yang - quan. System Simulation Technology andEnineeing' Tchnology, 2005,34(5):62- -65.)Application Based on MalabSimulink[M]. 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Working space optimization of[5]闵剑青,徐梓斌基于SimMechanics的平面四杆机构运动分析与仿真6-RSS prallel mechanism based on lsighI-FD [] Joumal of Machine[J].轻工机械2004(1):63- -65.Design, 2008, 25( spplenent), 231-233,210.)(上接第18页)由图4可知，凸轮在转过大约50°的时候，摆杆摆角达到最mechanisms in China [J]Jourmal of Mechanical Engineering, 2005,41(6):1-6.) .大值3.50,完成剪切,此时,摆杆上的上滚轮中心走过的位移也达[3]万朝燕.李培行,庄绪红.基于ADAMS的凸轮机构弹性动力学分析到最大值0.28 mm。在此期间.摆杆的角速度由零逐渐变大,再逐[J].大连交通大学学报,2010,31(1):45- 47.渐减小到0,变化比较均匀。另外,在凸轮转角为50°时,角速度和(Wan Chao -yan, Li Pei -xing, Zhuang Xu -hong Elastodynamicsanalysisofcam mechanism based on ADAMS[J]Journal of DalianJiaotong速度为0,加速度在此附近变化缓和,有利于摆杆摆动方向的改University ,2010,31(1):45- 47)变,减少冲击振动，当凸轮转过100°时,摆杆恢复到原位,整个剪[4] 苏利亚高速凸轮机构的动力学分析[J].机械设计与制造,008(12):切过程完成。设计的共轭凸轮摆杆剪切机构运转平稳,加减速冲181-182.(Su Li-ya. Dynamic analysis of the high- -speed cam gear [J]. Machinery击小,满足设计要求。Design & Manufacture,2008(12):181-182)5结论[5] Chiu Huan - echung, Lin Tsann -rong A novel reverse measumanufacturing of conjugate cams in a diesel engine [J]. Intemational作为高强钢丝生产线上的关键设备,凸轮摆式剪切机用于Joumal of Advanced Manufacturing Technology, 2005,26(1-2):41-46.实现高强钢丝在线定尺切断,具有剪切力大、动作周期短定尺精[6]杨先海,王旺共轭凸轮机构模糊优化设计与运动仿真[].机械设计与制造2007(2)165-166.度高等特点。对凸轮摆式剪切机的核心部件- -凸轮 、摆杆进行了(Yang Xian -hai, Wang Wang Fuzry optimization design and motion参数设计与技术研究,并基于三维实体建模,进行了动力学仿真simulation for conjugate cam mechanism[J ].Machinery Design & Manufa-cture,2007( 12):165-166)分析和研究,验证了剪切系统进行实际生产制造的可行性。[7]张庆国凸轮摆式高强钢丝剪切系统研究及仿真分析[D].秦皇岛:燕大学,2011.[1]王良文,陈学文国产钢筋切断机的生产现状及改良方法[J].建设机械(Zhang Qing -guo. The research and simulation analysis on the high技术与管理2009(3)113-115.strength steel wire eutting machineof cam swingingtype[ D ]. Qinhuangdao:(Wang Liang wen, Chen Xue- wen. Production actuality and improvingYanshan University ,2011.)_direction for domestic seel bars cuter[J]. Technology & Manegement for [8]常勇关于摆中国煤化工题的讨论[J].集美大Construction Machinery ,2009(3):113-115)学学报:自然YHC N M H Gating floweor conjugte[2]贺炜,曹巨江，杨芙莲.我国凸轮机构研究的回顾与展望[J].机械工程(Chang Yong学报,2005,41(6):1-6.cam mechanism [J]. Jourmal of Jimei University:Natural Science,(He Wei, Cao Ju -jiang, Yang Fu -lian. Review of research of cam2004,9(4) :332- 335.).