【正文】 ....................................................................................................... 18 附程序代碼 .................................................................................................................... 19 1 緒論 制造業(yè)是我國工業(yè)的主體，據(jù)統(tǒng)計，我國制造業(yè)的增加值占整個工業(yè)產(chǎn)業(yè)的78%，從業(yè)人員占 82%，國內(nèi)生產(chǎn)總值的約 40%、財政收入的 50%、外貿(mào)出口的 80%來源于制造業(yè)。因此，必須大力推進制造業(yè)信息化，以信息化帶動工業(yè)化，提高我國制造業(yè)的整體素質(zhì)和競爭力。 產(chǎn)品設(shè)計的數(shù)字化是制造業(yè)信息化的重要組成部分。結(jié)合我國國情，立足應(yīng)用，實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計，為我國制造企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新和管理創(chuàng)新提供成熟成套的技術(shù)和軟件工具是實現(xiàn)制造業(yè)信息化的有效措施。據(jù)有關(guān)資料顯示，在產(chǎn)品設(shè)計過程中，繪圖時間約占總設(shè)計時間的 34%，圖 紙修改時間約占8%9%，編寫零部件明細表時間約占 5%，也就是說，在圖紙上所花費的時間約占總設(shè)計時間的一半左右。曲柄滑塊機構(gòu)作為使用最廣的機械零件之一 , 實現(xiàn)其數(shù)字化設(shè)計與制造對制造業(yè)的信息化具有重要意義。 本課題通過對曲柄滑塊機構(gòu)的深入分析 ,把優(yōu)化設(shè)計與 VB 技術(shù)相結(jié)合 ,在windows 平臺上開發(fā)了一個具有參數(shù)優(yōu)化的曲柄滑塊機構(gòu)設(shè)計程序 ,實現(xiàn)了曲柄滑塊機構(gòu)的數(shù)字化設(shè)計。 2 設(shè)計要求 根據(jù)曲柄滑塊機構(gòu)的設(shè)計理論，根據(jù)參數(shù)化設(shè)計的原理，建立起考慮傳動性能時曲柄滑塊機構(gòu)參數(shù)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型，并采用一定的 算法，編出程序來實現(xiàn)其參數(shù)化設(shè)計過程。 （ 1）建立程序的運行界面； （ 2）建立數(shù)學(xué)模型； （ 3）程序采用的算法及運行時間； （ 4）程序所得出的設(shè)計參數(shù)是否合理，是否全局最優(yōu) 。 3 平面四桿機構(gòu)簡況與本課題的研究意義 平面四桿機構(gòu)的應(yīng)用 連桿機構(gòu)應(yīng)用十分廣泛，它不僅在眾多工農(nóng)業(yè)機械和工程機械中得到廣泛應(yīng)用，而且諸如人造衛(wèi)星太陽能板的展開結(jié)構(gòu)、機械手的傳動結(jié)構(gòu)折疊傘的收放機構(gòu)及人體假肢等也都用有連桿機構(gòu)。 此外，雖然可以利用連桿機構(gòu)來滿足一些運動規(guī)律和運動軌跡的設(shè)計要求，但其設(shè)計十分繁難，且 一般只能近似地得以滿足。正因如此，如何根據(jù)最優(yōu)化方法來設(shè)計連桿機構(gòu)，使其能最佳地滿足設(shè)計要求，一直是連桿機構(gòu)研究的一個重要課題。 近年來，對平面連桿機構(gòu)的研究，不論從研究范圍上還是方法上都有了很大進展。對多桿多自由度平面連桿的研究，也提出了一些有關(guān)的分析及綜合的方法。同時，在設(shè)計要求上，也已不再局限于運動學(xué)要求，而是同時要求兼機構(gòu)的動力學(xué)特性。在研究方法上，優(yōu)化設(shè)計和計算機輔助設(shè)計的應(yīng)用已成為研究連桿機構(gòu)的重要方法，并已相應(yīng)地編制出大量的、適用范圍廣、計算機時少、使用方便的通用軟件。隨著計算機的發(fā)展和現(xiàn)代數(shù) 學(xué)工具的日益完善，以前不易解決的復(fù)雜平面連桿機構(gòu)的設(shè)計問題正在逐步獲得解決。 平面四桿機構(gòu)的特點： 連桿機構(gòu)的共同特點是原動件的運動都要經(jīng)過一個與機架直接相連的一個中間機構(gòu)（稱為連桿）才能傳動從動件，故稱之為連桿機構(gòu)。 連桿機構(gòu)具有一下一些傳動特點： （ 1）連桿機構(gòu)中的運動副一般均為低副，其運動副元素為面接觸，壓力較小，承載能力較大，潤滑好，磨損小，加工制造容易，且連桿機構(gòu)中的低副一般是幾何封閉，對保證工作的可靠性有利。 （ 2）在連桿機構(gòu)中，在原動件的運動規(guī)律不變的條件下，可以改變各構(gòu)件的相對長度來 使從動件得到不同的運動規(guī)律。 （ 3）在連桿機構(gòu)中，連桿尚各點的軌跡是各種不同形狀的曲線（稱為連桿曲線），其形狀隨著各構(gòu)件相對長度的改變而改變，故連桿曲線的形狀多樣，可以來滿足一些特定工作的需要。 利用連桿機構(gòu)還可以很方便地達到改變運動的傳遞方向、擴大行程、實現(xiàn)增力和遠距離傳動等目的。 本文的主要研究內(nèi)容 機械優(yōu)化設(shè)計是把數(shù)學(xué)規(guī)劃理論和計算方法應(yīng)用于機械設(shè)計，按照預(yù)定的目標(biāo)，借助與電子計算機的運算尋求最優(yōu)的設(shè)計方案的有關(guān)參數(shù)，從而獲得較好的技術(shù)經(jīng)濟效果，進而對機械零件結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇進行優(yōu)化，從而在滿足 一定工作條件下，使工作零件結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇盡可能達到最優(yōu) 。 在實際生產(chǎn)中 ,曲柄滑塊機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計關(guān)系到生產(chǎn)成本的減低。 本文的研究目的是尋求 曲柄滑塊機構(gòu) 的最有效設(shè)計方法，使 曲柄滑塊機構(gòu) 的設(shè)計更加簡單方便。進一步開發(fā)出設(shè)計 曲柄滑塊機構(gòu)軸 專用設(shè)計程序，并通過設(shè)計程序 ,對 曲柄滑塊機構(gòu) 尺寸進行初步的優(yōu)化，對 曲柄滑塊機構(gòu) 的后續(xù)設(shè)計提供最有參考價值的數(shù)據(jù)。 本文所設(shè)計的 曲柄滑塊機構(gòu) 的方向和內(nèi)容，國內(nèi)國外沒有完整的可供參考的資料，完全是根據(jù) 曲柄滑塊機構(gòu) 基本設(shè)計理論，優(yōu)化設(shè)計基本思想與 VB 技術(shù)相 結(jié)合，在 曲柄滑塊機構(gòu) 數(shù)化設(shè)計上的 大膽有意義的探索！是 曲柄滑塊機構(gòu) 參數(shù)化設(shè)計一系列課題中很小的一部分！ 本文針對 曲柄滑塊機構(gòu) 設(shè)計中設(shè)計變量的性質(zhì)不同、取值離散性大和受設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)限制多等關(guān)鍵技術(shù)問題，研究優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型的建立、繪圖程序編制與支撐平臺的關(guān)系和 曲柄滑塊機構(gòu) 的計算程序結(jié)構(gòu)等，為實現(xiàn) 曲柄滑塊機構(gòu) 的優(yōu)化設(shè)計與參數(shù)化繪圖的一體化提供依據(jù)和實現(xiàn)的手段。主要包括以下幾個方面的內(nèi)容： （ 1）根據(jù)機械設(shè)計實際問題和對設(shè)計所提出的要求，建立優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型，確定軸的設(shè)計變量，建立目標(biāo)函數(shù)、約束條件等具體的優(yōu)化設(shè)計計算的數(shù)學(xué)模型； （ 2）按照數(shù)學(xué)模 型的性質(zhì)，選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法，和相應(yīng)的計算程序，針對常用曲柄滑塊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點，建立設(shè)計變量與各個幾何尺寸之間的基本關(guān)系，為參數(shù)化繪圖接口模塊程序編制提供依據(jù)，對設(shè)計變量數(shù)，約束條件數(shù)，目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的復(fù)雜程度等進行分析； （ 3）根據(jù)優(yōu)化計算結(jié)果， 對 軸 進行再設(shè)計， 進一步提高 曲柄滑塊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)合理性 、尋求幾何尺寸的最佳組合 , 協(xié)調(diào)零件之間的尺寸關(guān)系；分析輸出結(jié)果是否達到預(yù)期的目的，檢查數(shù)學(xué)模型，所用優(yōu)化方法及輸入數(shù)據(jù)是否正確，進行必要的修正后再作運算，對運算結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理，使其滿足實際要求。 （ 4）在具 體的設(shè)計中，會遇到某一優(yōu)化設(shè)計問題，可采用不同的算法求解，為提高設(shè)計和繪圖效率，實現(xiàn)人機對話，開發(fā)出 曲柄滑塊機構(gòu) 優(yōu)化設(shè)計與參數(shù)化自動繪圖軟件包提出具體的實施方案，并遵循以下幾個原則： ①可靠性要好：在合理的精度要求下，在一定的計算時間內(nèi)，求解優(yōu)化問題的成功率越高，可靠性越好。 ②效率要高：算法的效率是指解題的效率，一般可用算法所用計算時間或計算函數(shù)的次數(shù)來衡量，最好選用不計算梯度與海色矩陣的優(yōu)化方法，盡可能選用計算過程中調(diào)用函數(shù)值次數(shù)少的優(yōu)化方法。 ③穩(wěn)定性要好 ：遇到高度非線性的偏心率大的函數(shù)時，不會因為 計算機字長截斷誤差迭代過程正常運行，而中斷運算過程。 ④采用成熟的計算程序：對現(xiàn)有的成熟的計算程序應(yīng)盡可能的采用，使得解題簡便。 4 曲柄滑塊機構(gòu)的設(shè)計分析 曲柄滑塊機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析 曲柄滑塊機構(gòu)具有運動副為低副，各元件間為面接觸，構(gòu)成低副兩元件的幾 何形狀比較簡單，加工方便，易于得到較高的制造精度等優(yōu)點，因而在包括煤礦機械在內(nèi)的各類機械中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于這種機構(gòu)在多數(shù)情況下應(yīng)用于載荷較重的場合，所以在對它的設(shè)計時，必須考慮其傳動性能，尤其是隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，曲柄滑塊機構(gòu)的運動速度和承載能 力要求都有了大幅度的提高，從而對其傳動性能提出了更高的要求。 最小傳動角γ min 的大小是衡量曲柄滑塊機構(gòu)傳動性能的指標(biāo)，γ min 愈大，機構(gòu)運轉(zhuǎn)愈輕松，傳動效率愈高。而在曲柄滑塊機構(gòu)設(shè)計中，為提高機構(gòu)的勞動生產(chǎn)率，又往往要求其有急回特性。機構(gòu)的急回特性用行程速比系數(shù) K 來表示，K 愈大，機構(gòu)的急回程度愈明顯。 K 的大小和最小傳動角γ min 之間存在著一定的關(guān)系，它直接影響到機構(gòu)達到一定傳動性能的可能性。如何在滿足急回運動要求的前提下，又能使機構(gòu)具有良好的傳動性能，是設(shè)計者需要考慮的問題。對這一設(shè)計問題，許多文獻中 已有所論述，但往往沒有考慮到最小傳動角應(yīng)該是工作行程中的最小值γ wmin ，因為機構(gòu)只有在工作行程中才受到較大的工作阻力的作用。所以從最佳設(shè)計角度講，應(yīng)按照工作行程中的最小傳動角γ wmin 進行設(shè)計。 本文從機構(gòu)在工作行程中擁有最佳傳動性能出發(fā)，