平面连杆机构优化设计

平面连杆机构优化设计一、问题描述平面连杆机构是由所有构件均由低副连接而成的机构，四杆机构是最常用的平面连杆机构。一般情况下，四杆机构只能近似实现给定的运动规律或运动轨迹，精确设计较为复杂。在四杆机构中，若两连架杆中的一个是曲柄，另一个是摇杆，则该机构为曲柄摇杆机构。曲柄摇杆机构可将曲柄的连续转动转变为摇杆的往复摆动。设计一曲柄摇杆机构(如图1所示)。已知曲柄长度l1=100mm，机架长度l4=500mm。摇杆处于右极限位置时，曲柄与机架的夹角为φ0，摇杆与机架的夹角为ψ0。在曲柄转角φ从φ0匀速增至φ0+90°的过程中，要求摇杆转角。为防止从动件卡死，连杆与摇杆的夹角γ只允许在45°~135°范围内变化。ψ0l3φ090°ψ0l3φ090°l4l1l2图1机构运动简图二、基本思路四杆机构的设计要求可归纳为三类，即满足预定的连杆位置要求、满足预定的运动规律要求、满足预定的轨迹要求。本案例中，要求曲柄作等速转动时，摇杆的转角满足预定运动规律。优化设计时，通常无精确解，一般采用数值方法得到近似解。本案例将机构预定的运动规律与实际运动规律观测量之间的偏差最小设为目标，由此建立优化设计数学模型，并运用MATLAB优化工具箱的相关函数进行求解。三、要点分析优化设计数学模型的三要素包括设计变量、目标函数和约束条件。依次确定三要素后，编写程序进行计算。1.设计变量的确定通常将机构中的各杆长度，以及摇杆按预定运动规律运动时，曲柄所处的初始位置角φ0列为设计变量(1)考虑到机构各杆长按比例变化时，不会改变其运动规律，因此在计算可取l1为单位长度，而其他杆长则按比例取为l1的倍数。若曲柄的初始位置对应摇杆的右极限位置，则φ0及ψ0均为杆长的函数，即(2)(3)因此，设计变量缩减为3个独立变量，即(4)2.目标函数的建立以机构预定的运动规律观测量ψEi与实际运动规律观测量ψi之间的偏差平方和最小为指标来建立目标函数，即(5)式中，m为输入角的等分数；ψEi为预期输出角，ψEi=ψE(φi)；ψi为实际输出角。由图2可知：(6)(7)(8)(9)αiβil3αiβil2l2l3ψαiβil3αiβil2l2l3ψiψiφiφil1l1l4l4(a)0≤φi<π(b)π≤φi<2π图2曲柄摇杆机构的运动学关系3.约束条件的确定(1)曲柄摇杆机构应满足曲柄存在条件，可得(10)(11)(12)(13)(14)(15)(2)连杆与摇杆的夹角应在γmin和γmax之间，即(16)(17)四、具体步骤1.选择设计变量已知l1=100mm，l4=500mm，且φ0和ψ0不是独立参数，它们可由下式(2)、式(3)求出，即所以该问题只有两个独立参数l2和l3，故设计向量为2.建立目标函数将输入角分成30等分，并依次取30个观测点ψ1,ψ2,...,ψ30，得目标函数式中：3.确定约束条件约束函数按曲柄存在条件及对传动角的限制来建立，得4.MATLAB程序及优化结果这是一个具有2个设计变量、7个不等式约束条件的优化设计问题。应用MATLAB软件的优化工具箱的fmincon函数对上述优化问题求解。(1)编写m文件Objfun.m定义目标函数。functionf=objfun(x)l1=100；l4=500；th0=acos(((100+x(1))^2-x(2)^2+250000)/(1000*(100+x(1))))；ps0=acos(((100+x(1))^2-x(2)^2-250000)/(1000*x(2)))；f=0；forth=th0:pi/2/30:th0+pi/2r=(10000+250000-2*100*500*cos(th))^0.5；a=acos((r^2+x(2)^2-x(1)^2)/(2*r*x(2)))；b=acos((r^2+240000)/(1000*r))；ps=pi-a-b；pse=ps0+2/(3*pi)*(th-th0)^2；f=f+(ps-pse)^2；end(2)编写m文件confun.m定义约束。function[c，ceq]=confun(x)c(1)=100-x(1)；c(2)=100-x(2)；c(3)=600-x(1)-x(2)；c(4)=x(1)-x(2)-400；c(5)=x(2)-x(1)-400；c(6)=x(1)^2+x(2)^2-1.414*x(1)*x(2)-160000；c(7)=360000-x(1)^2-x(2)^2-1.414*x(1)*x(2)；ceq=[]；(3)编写m文件run.m求解计算。x0=[400400]；options=optimset('LargeScale'，'off')；[x,fval]=fmincon(@objfun，x0，[]，[]，[]，[]，[]，[]，@confun)(4)运行m文件run.m，得最优解X*=(412.8926mm,232.2417mm)，f(X*)=0.0076mm2。五、问题拓展满足预定运动轨迹的优化设计