第11期機(jī)械設(shè)計(jì)與制造2013年11月Machinery Design & Manufacture9對給定任務(wù)的機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化駱海濤12,王洪光!(1.中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所,遼寧沈陽110016;2.中國科學(xué)院大學(xué) ,北京100049)摘要:針對給定任務(wù)的機(jī)構(gòu)參 數(shù)優(yōu)化問題,提出了一種由兩款軟件協(xié)同的聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)方法。首先,利用MATLAB/SimMechanics工具箱建立了平面四桿機(jī)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)模型;其次,借助于Isight- -FD 建立該優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù);最后，通過聯(lián)合仿真分析得到了滿足任務(wù)要求的一組最優(yōu)參教。 仿真結(jié)果表明,優(yōu)化后的仿真曲線能夠很好地逼近于給定的任務(wù)軌跡,保證了工作路徑的擬合精度。該種聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)方法結(jié)合了不同種軟件自身的優(yōu)勢,具有便捷、高效和直觀的特點(diǎn),對于其他不同樣式的機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化具有指導(dǎo)和借鑒意義。關(guān)鍵詞:參數(shù)優(yōu)化;聯(lián)合仿真;Isight- FD;MATLAB/SimMechanics中圖分類號:TH16文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號: 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引言以方便的建立復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的圖示化模型,進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的單獨(dú)在連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的過程中，固接在連桿平面上的各點(diǎn)將描分析或與其它優(yōu)化分析軟件的聯(lián)合仿真分析網(wǎng)。繪出各種不同形狀的曲線,這些曲線稱之為連桿軌跡線。而連桿綜合上述兩種仿真軟件自身的優(yōu)勢,對工程中經(jīng)常用到的機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),很多情況下是利用連桿上某- -位置點(diǎn)的軌跡線來完四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)。首先,利用了SimMechanics的圖成預(yù)期任務(wù)的。由于任務(wù)的特殊性,使得連桿上設(shè)計(jì)點(diǎn)的軌跡線示化建模,所見即可得,簡單易懂的特點(diǎn),減少了編程計(jì)算的工變得相對復(fù)雜。如果要保證連桿的軌跡線能夠很好地吻合給定的作量。同時(shí),也利用了lsight-FD超強(qiáng)的軟件集成能力和優(yōu)化計(jì)任務(wù)路徑進(jìn)行作業(yè),這就需要對連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。因此，算能力,將SimnMechanics的仿真框圖集成進(jìn)來進(jìn)行多次優(yōu)化迭連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題不僅包括常規(guī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)力設(shè)計(jì)和連續(xù)代。最終,得到了滿足給定任務(wù)要求的最優(yōu)機(jī)構(gòu)參數(shù)。該種聯(lián)合運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì),還要滿足給定任務(wù)約束條件下的機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。仿真方法簡便易行,為連桿機(jī)構(gòu)的快速優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了高效地解Isight-FD是法國某公司最新發(fā)布的一款功能強(qiáng)大易于使用決方案。的多學(xué)科多目標(biāo)設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件。它通過-種搭積木的方式快速集2平面四桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化模型的建立成和耦合各種仿真軟件并使整個(gè)設(shè)計(jì)流程實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和全自動(dòng)化，為了滿足工程應(yīng)用中的任務(wù)需求，我們引出了下面所述的能夠幫助廣:大產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員CAE仿真人員完成從簡單部件的參平面四桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，如圖1所示。該平面四桿機(jī)構(gòu)是一數(shù)研究到復(fù)雜系統(tǒng)的綜合優(yōu)化任務(wù)"。SimMechanics 是MATLAB曲柄搖桿機(jī)構(gòu) ,其中,AB為曲柄,BC為連桿,CD為搖桿。連桿BC中的一個(gè)工具箱,同時(shí)結(jié)合了Simulink的功能。它利用模塊框圖有一定的面積中國煤化三我們所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的工的建模環(huán)境來對剛體機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真。使用這些模塊可作點(diǎn)。 它的位長度來決定的。YHCNMH G來稿日期:2013-01-01基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51175494)作者簡介:駱海濤,( 1983-),男,遼寧興城人,博士研究生,主要研究方向:機(jī)器人動(dòng)力學(xué)20駱海濤等:對給定任務(wù)的機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化第11期量的取值范圍。[-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指定目標(biāo)函數(shù)(Dx,Djy)為了無限逼近給定的工作曲線,將這兩條曲線進(jìn)行離散,并(Ax,Ay)把相應(yīng)離散點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)之差平方和的均方根值作為該優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)。圖1四桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化問題模型(5)Fig.1 ptimization Problem Model of Four-Bar Mechanism圖中曲線是基于特定任務(wù)的工作曲線,并將其固定在給定式中:E,,E,- -所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)E點(diǎn)軌跡曲線的橫縱坐標(biāo)值;的坐標(biāo)系范圍內(nèi)。因此,連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題即是如何保證位置E, ,E,一固定任務(wù)路徑的橫縱坐標(biāo)值;點(diǎn)E的連桿軌跡能夠與坐標(biāo)系中固定的工作曲線近似重合。為n一離散點(diǎn)的數(shù)量。了解決上述問題，我們需要對平面四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化模型的建3平面四桿機(jī)構(gòu)聯(lián)合仿真分析Isight- -FD與SimMechanics聯(lián)合仿真主要是在lsight-FD中2.1設(shè)計(jì)變定義為了建立四桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型，定義了如下變量進(jìn)行建進(jìn)行的。首先，根據(jù)初始機(jī)構(gòu)參數(shù),在SimMechanics中建立起四模。曲柄的長度LAB,搖桿的長度LCD,曲柄和搖桿與大地相連桿機(jī)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)模型。其次，在Isight- FD中按照指定的優(yōu)化算接位置點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(A.,A,)和(,,D),設(shè)計(jì)點(diǎn)E的坐標(biāo)(E,法對所集成軟件的輸人文件進(jìn)行修改和求解計(jì)算并讀取目標(biāo)函E,)。根據(jù)這八個(gè)設(shè)計(jì)變量即可建立起四桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型,四數(shù)值。然后,判別目標(biāo)函數(shù)值是否達(dá)到最優(yōu),如果達(dá)到最優(yōu)則優(yōu)化結(jié)束,否則對輸人文件再次進(jìn)行修改計(jì)算,直至取得理想的目標(biāo)桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)變量為:值啊,這一典型優(yōu)化過程,如圖3所示。X-(A,A,D,D,L,B,LCD)2.2施加約束條件初始機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn),曲柄存在的約束條件為:↓(LAB+LAD≤LBC+LCD機(jī)械系統(tǒng)分析模型LAB≤LAD(2)LABSLBC的設(shè)計(jì)變量LABSLCD為保證機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)性能良好，設(shè)計(jì)時(shí)一般應(yīng)使傳動(dòng)角大于運(yùn)行分析模型代程:40%。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角,如圖2所示。|獲取輸出文件的目標(biāo)變量 kBN是否滿足設(shè)計(jì)要求?XD,D,D2lsight- -FDFranework最終設(shè)計(jì)方案)圖2曲柄搖桿機(jī)構(gòu)圖3 lsight- FD與SimMechanics聯(lián)合仿真流程Fig2 Crank and Rocker MechanismFig3 Co simulation Process Between Isight-FD and SimMechanics當(dāng)CB2CD290°,則CB,CDI為最小傳動(dòng)角;當(dāng)∠B2CD>3.1機(jī)械系統(tǒng)模型的建立90° ,應(yīng)該比較LBCD和180°-∠BCD2,兩者中較小者為最小在SimMechanics中,首先繪制出固定機(jī)架,用剛體模塊組中傳動(dòng)角。的Ground模塊來表示。然后從Joints模塊組中復(fù)制Revolute模LBCD=LBC +LCD -(LAD-LAB)塊,構(gòu)造出第一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。 依此類推,就可以將所需的模塊都復(fù)制2LBCXLCD(3)到此模型窗口帆乎田米們干獸通sin模塊連接的方法,將LB,CD,= LBC +LCD'-(LAD-LAB)所有模塊連接中國煤化工=角速度為20deg/s,這2LBCxLCD四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)變量的取值范圍主要受工作路徑曲線所限樣整個(gè)機(jī)構(gòu)就CN M H Ganics中,建立好的四制,根據(jù)工作路徑曲線在圖1所示坐標(biāo)系中的位置,定義設(shè)計(jì)變桿機(jī)構(gòu)機(jī)械系統(tǒng)模型, 如圖4所示。.No.1lNov.2013機(jī)械設(shè)計(jì)與制造4優(yōu)化結(jié)果分析在lighr FD的Runtime Cateway窗口內(nèi)可以觀察到整個(gè)優(yōu)化的迭代過程B。同時(shí),在SimMechanics中也可以實(shí)時(shí)地顯示設(shè)申計(jì)點(diǎn)E的軌跡曲線逼近情況。最終優(yōu)化結(jié)果,如表1示。表1機(jī)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)回r國由一-Tab.1 The Optimal Parameters of Four Bar Mechanism設(shè)計(jì)變量優(yōu)化值A(chǔ)，-1.0-1.501710.5309四一首日1.4870圖4機(jī)械系統(tǒng)仿真框圖1.0.5190Fig4 Simulation Block Diagrams00.9864of Mechanical System1.02893.2優(yōu)化仿真模型的建立最后，我們將優(yōu)化結(jié)果軌跡線與原始給定的任務(wù)軌跡進(jìn)行將SimMechanics中的連桿機(jī)械系統(tǒng)模型集成到Isight-FD比較, 發(fā)現(xiàn)該種優(yōu)化算法能夠很好地滿足我們的設(shè)計(jì)要求,整個(gè)中進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,優(yōu)化框圖和仿真曲線,如圖5所示。仿真的逼近效果,如圖6所示。又Optimizationl生0.8--I 10/440吉0.6--→MATLAB(a)優(yōu)化仿真框圖0o時(shí)間歷程1.2-一設(shè)計(jì)軌跡(a)時(shí)間歷程曲線初始軌跡優(yōu)化軌跡, 任務(wù)軌跡0.60.0.70.24。o.點(diǎn)E橫坐標(biāo)(b)E點(diǎn)連桿曲線圖s lsighr FD集成仿真FigS Integated Simulation with Isight-FD-0.5.5由于模型簡單，采用NLPQL序列二次規(guī)劃法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)橫坐標(biāo)值置。仿真結(jié)束后，用戶可以使用MATLAB自帶畫圖功能或(b)逼近效果曲線圖6優(yōu)化仿真結(jié)果Simulink示波器顯示仿真結(jié)果。Fig6 Simulation Results for the Opimization Analyislsight-FD調(diào)用MATLABSimMechanics的方法主要有以下其中,虛線代表設(shè)計(jì)變量取初值時(shí)E點(diǎn)的初始軌跡曲線,點(diǎn)三種類型網(wǎng):劃線代表原始給定任務(wù)的固定路徑,而實(shí)線代表的是四桿機(jī)構(gòu)EMatlab input.m;點(diǎn)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)軌跡曲線。從圖中,我們可以看到優(yōu)化后的設(shè)計(jì)Matlab-ri input.m-logfile output.dat;曲線與任務(wù)需求的固定軌跡線逼近良好。從而驗(yàn)證了該種聯(lián)合仿采用DOS命令進(jìn)行調(diào)用;真方法的有效中國煤化工其中，前兩種方式可以直接將調(diào)用命令寫人Isight-FD中，“Y片CNMH G第三種需要調(diào)用可執(zhí)行文件。但是第三種比較通,用1igh-D測5 總結(jié)采用SimMechanices對四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了建模，解決了機(jī)械系用其它軟件均可以類似方式進(jìn)行。No.1122機(jī)械設(shè)計(jì)與制造Nov.2013統(tǒng)的仿真問題。應(yīng)用Isight- FD對連桿上一點(diǎn)的軌跡進(jìn)行了優(yōu)化,得(Min Jian -qing, Xu Zi -bin. Motion analysis and simulation of planarfour -bar mechanism based on SimMechanics [J]. Jourmal of Light到了滿足設(shè)計(jì)要求的連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)。lsight-FD結(jié)合SimMechanicsIndustrial Machinery, 2004(1):63- -65.)進(jìn)行聯(lián)合仿真分析使得整個(gè)優(yōu)化過程全數(shù)字化和自動(dòng)化,突破了[6]龐和喜,曹鴻鈞.基于SimMechanics和iSICHT的平面四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的局限性。該種設(shè)計(jì)方法具有直觀便捷,功能動(dòng)仿真和優(yōu)化[J].機(jī)械傳動(dòng),2008,32(4),46 47,56.強(qiáng)大,自動(dòng)分析且不需要編程等優(yōu)勢。它使得傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)(Pang He -xi, Cao Hong -jun. Planar four -bar mechanism motion計(jì)思想發(fā)生了轉(zhuǎn)變,并且對其他不同樣式機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作也Journal of Mechanical Transmission, 2008,32(4):46- 47,56.)起到了一定地借鑒和促進(jìn)作用。[7]鄭宏偉,李平康.基于SimMechanices的四桿機(jī)構(gòu)仿真技術(shù)研究[].機(jī)參考文獻(xiàn)電工程技術(shù),2005,34(5):62- -65.[1]薛定宇,陳陽泉基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].(Zheng Hong -wei, Li Ping -kang Simulation technology research of北京:清華大學(xué)出版社,2002.four -bar mechanism based on SimMechanicsJ]. 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Working space optimization of[5]閔劍青,徐梓斌基于SimMechanics的平面四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與仿真6-RSS prallel mechanism based on lsighI-FD [] Joumal of Machine[J].輕工機(jī)械2004(1):63- -65.Design, 2008, 25( spplenent), 231-233,210.)(上接第18頁)由圖4可知，凸輪在轉(zhuǎn)過大約50°的時(shí)候，擺桿擺角達(dá)到最mechanisms in China [J]Jourmal of Mechanical Engineering, 2005,41(6):1-6.) .大值3.50,完成剪切,此時(shí),擺桿上的上滾輪中心走過的位移也達(dá)[3]萬朝燕.李培行,莊緒紅.基于ADAMS的凸輪機(jī)構(gòu)彈性動(dòng)力學(xué)分析到最大值0.28 mm。在此期間.擺桿的角速度由零逐漸變大,再逐[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào),2010,31(1):45- 47.漸減小到0,變化比較均勻。另外,在凸輪轉(zhuǎn)角為50°時(shí),角速度和(Wan Chao -yan, Li Pei -xing, Zhuang Xu -hong Elastodynamicsanalysisofcam mechanism based on ADAMS[J]Journal of DalianJiaotong速度為0,加速度在此附近變化緩和,有利于擺桿擺動(dòng)方向的改University ,2010,31(1):45- 47)變,減少沖擊振動(dòng)，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過100°時(shí),擺桿恢復(fù)到原位,整個(gè)剪[4] 蘇利亞高速凸輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,008(12):切過程完成。設(shè)計(jì)的共軛凸輪擺桿剪切機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),加減速沖181-182.(Su Li-ya. Dynamic analysis of the high- -speed cam gear [J]. Machinery擊小,滿足設(shè)計(jì)要求。Design & Manufacture,2008(12):181-182)5結(jié)論[5] Chiu Huan - echung, Lin Tsann -rong A novel reverse measumanufacturing of conjugate cams in a diesel engine [J]. Intemational作為高強(qiáng)鋼絲生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備,凸輪擺式剪切機(jī)用于Joumal of Advanced Manufacturing Technology, 2005,26(1-2):41-46.實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋼絲在線定尺切斷,具有剪切力大、動(dòng)作周期短定尺精[6]楊先海,王旺共軛凸輪機(jī)構(gòu)模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真[].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造2007(2)165-166.度高等特點(diǎn)。對凸輪擺式剪切機(jī)的核心部件- -凸輪 、擺桿進(jìn)行了(Yang Xian -hai, Wang Wang Fuzry optimization design and motion參數(shù)設(shè)計(jì)與技術(shù)研究,并基于三維實(shí)體建模,進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真simulation for conjugate cam mechanism[J ].Machinery Design & Manufa-cture,2007( 12):165-166)分析和研究,驗(yàn)證了剪切系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)制造的可行性。[7]張慶國凸輪擺式高強(qiáng)鋼絲剪切系統(tǒng)研究及仿真分析[D].秦皇島:燕大學(xué),2011.[1]王良文,陳學(xué)文國產(chǎn)鋼筋切斷機(jī)的生產(chǎn)現(xiàn)狀及改良方法[J].建設(shè)機(jī)械(Zhang Qing -guo. 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