曲柄滑块机构的优化设计及运动仿真

学 士 学 位 论 文 系    别：      机电 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 系      学科专业：  机械 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 制造及自动化 2011年 5 月 曲柄滑块机构的优化设计及运动仿真 系    别：      机电工程系      学科专业：  机械设计制造及自动化 姓    名：              指导教师：             2011年5月 曲柄滑块机构的优化设计及运动仿真 摘 要 本论文主要针对目前国内外采用图解法对曲柄滑块机构的设计研究，普遍存在着机构的设计效率、设计精度以及设计质量低的诸多不足，从而导致了机构的运动潜能没有得到充分的发挥，还会使得机构的运动性能不良、运动不顺畅，不能实现预期的运动要求。而运用MATLAB对曲柄滑块机构进行优化设计与运动仿真，可以达到设计的目的。通过设计的要求，先建立起优化目标的数学模型，然后对设计目标确定约束条件，再运用MATLAB中的优化工具箱编程求解最优 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。其次根据所求得的优化尺寸，运用仿真工具箱进行运动仿真，最后再对仿真结果运动 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 。为此，利用功能强大的MATLAB软件设计曲柄滑块机构，及其中的Simulink模块，可以方便的实现机构的优化设计和运动仿真，提高了机构的设计效率、设计精度以及降低了开发的成本。 关键词：曲柄滑块机构，优化设计，运动仿真，MATLAB，运动规律 OPTIMAL DESIGN OF SLIDER-CRANK MECHANISM AND SIMULATION ABSTRACT In this paper, using graphic method for the current domestic and international organizations on the design of the slider crank, the prevalence of body design efficiency, design accuracy, and design the disadvantages of low quality, leading to the institution's athletic talent is not given full play, but also will make the poor kinematic performance, movement is not smooth, the movement can not achieve the desired requirements. Crank slider mechanism on the use of MATLAB to optimize the design and motion simulation to achieve the design objectives. Requirements through the design, first built a mathematical model of optimization objectives, and then determine the constraints on the design goals, and then use the optimization toolbox in MATLAB programming to solve the optimal solution. Second, the optimization according to the size obtained using the simulation toolbox for simulation, and finally motion analysis. To this end, the use of the powerful MATLAB software slider-crank mechanism, and the Simulink module, you can easily achieve organizational optimization and motion simulation, improved the design efficiency of institutions, design accuracy and reduce the development costs. Key　words: Slider-Crank mechanisms;  Optimization;  Motion Simulation;  MATLAB;  Law of motion 目  录 目录 工贸企业有限空间作业目录特种设备作业人员作业种类与目录特种设备作业人员目录1类医疗器械目录高值医用耗材参考目录     1 摘要    第1章 绪论    1.1选题的目的及意义    1.2优化设计方法的概述    1.3 国内外的研究现状    1.4 本文主要研究内容    第2章 曲柄滑块机构的受力分析    2.1曲柄滑块机构的分类    2.2曲柄滑块机构的动力学特性    2.3曲柄滑块机构中运动学特性    第3章 偏置式曲柄滑块机构的优化设计    3.1 优化软件的介绍    3.1.1 MATLAB的发展历程和影响    3.1.2 MATLAB在机构设计中的应用    3.2 机构优化设计实例分析    3.2.1 设计目标的建立    3.2.2根据设计要求，确定约束条件    3.3  利用MATLAB进行优化设计    3.3.1编制优化程序    3.3.2程序运行结果及处理    3.3.3 对优化结果进行验证和分析    第4章 偏置曲柄滑块机构的运动学建模与仿真    4.1偏置曲柄滑块机构运动特性建模    4.1.1仿真环境简介    4.1.2机构的运动学建模    4.2 运动学仿真的实现     4.2.1函数的编制及初始参数的设定    4.2.2构建Simulink仿真框图    4.2.3 对仿真结果进行分析    总结    参考文献    致谢    第一章 绪　论 1.1选题的目的及意义 曲柄滑块机构由于可以实现旋转运动与直线运动之间的变换，并可以实现急回运动，所以在机械设备中得到广泛的应用，如冲压机械、惯性筛、自动送料机构、冲床、剪床和往复活塞式发动机等。随着现代化工业的发展，对曲柄滑块机构的传力性能提出了更高的要求。机构的设计方法有图解法、实验法和解析法。虽然图解法、实验法比较直观，机构各组成部分的位移、速度、加速度以及所受力的大小，改变趋势都能通过反复作图一目了然，但是过程相当繁琐，且误差较大；而解析法是把机构中已知的尺寸参数和运动变量与未知的运动变量之间的关系用数学式表达出来，然后求解。只要解析式一列出，则机构在各位置时的运动变量的计算将变得简单便捷，而且精度很高。解析法的虽然有直观性差的缺点，但是随着计算机的普及和图形软件的发展将不复存在。计算结果可以很容易地通过曲线、图表甚至动画展示出来，可视化问题便得到很好的解决。 传统的曲柄滑块机构是应用图解法设计，是先给定滑块的行程速比系数K和滑块的行程H以及辅助条件（如偏距e或曲柄长度或连杆长度），来确定未知的长度尺寸，然后再检验传动角。其整个过程都是人的定性分析和试凑选择的过程，受到计算方法与手段的限制，这样设计出来精度不足，效率低，可能导致了曲柄滑块机构的运动潜能在一些领域没有得到充分的发挥。因此，可以采用解析法对曲柄滑块机构的参数方面进行优化设计，借助于计算机强大的计算处理数据的能力使其结构更加紧凑，传力性能更优。 1.2优化设计方法的概述 优化设计是以数学中的最优化理论为基础，以计算机为手段，根据设计所追求的性能目标，建立目标函数，在满足给定的各种约束条件寻求最优的设计方案。对曲柄滑块机构进行优化设计，首先需要将设计问题转化成数学模型，即用优化设计的数学表达式描述工程设计问题。然后，按照数学模型的特点选择合适的优化方法和计算程序，运用计算机求解，获得最优设计方案。传统的设计方法只是要求能够解决问题，而不在意最优的设计方案，即使理论上有最优的方案，一般的手段还不容易达到。 MATLAB是Mathworks公司推出的交互式计算分析软件，最早开发是为了解决矩阵运算问题的，具有强大的运算分析功能。目前被广泛应用于自动控制、信号处理、机械设计、流体力学和数理统计等工程领域，利用该软件的仿真工具箱，我们可以在完成了设计之后，方便的实现对机构的动态仿真分析，完成对新产品的设计性能检验。可以从众多的设计方案中寻找出最佳设计方案，大大提高设计水平和质量。由于该软件的功能强大，具有集科学计算、程序设计和可视化于一体的高度集成软件环境，使它已经成为具有广泛应用前景的高级编程语言，是目前国际上公认的最优秀计算分析软件[11]。 因此，将计算机应用于曲柄滑块机构的优化设计，建立优化设计目标的数学函数，通过优化处理软件，得到比传统的设计方法更合理的方案，使曲柄滑块机构的应用潜能得到发挥，创造更多的工业价值。 1.3国内外的研究现状 随着机械工业化的发展，机械优化设计方法越来越受到设计者的重视，采用优化设计方法能有效的提高设计效率和设计的精度要求。而曲柄滑块又是现代机械设备常用的一种传动设备，因此，对它进行优化设计，具有相当重要的意义。 曲柄滑块机构由于具有结构简单，运动规律明确，可以实现旋转运动和直线运动之间的变换，并且具有急回运动等优点，使其在机械工程设备中得到广泛的应用。但由于目前的设计方法存在着效率低，精度不足等诸多缺点，阻碍了其运动潜能的发挥。为了实现其功能作用的最优化，在保证工作要求的前提下，对其进行更加合理的优化设计。 而目前，国内外对曲柄滑块机构的优化设计及运动仿真研究有关课题的研究也不少。其中，娄建国的《按最佳传动角的曲柄滑块机构的优化设计》，采用几何解析方法设计偏置曲柄滑块机构，在满足给定的滑块行程和行程速比系数的前提下，借助计算机进行寻优设计，从而方便地求得具有最佳传动角的曲柄滑块机构。刘菊蓉、王旭飞《偏置式曲柄滑块机构的优化设计及运动分析》，运用MATLAB及其中的SIMULINK模块，对给出行程H，行程速比系数K和许用角[γ]进行设计分析。设计结果不但满足现代机械设计的要求，设计过程编程简单，而且得到曲柄在任意位置对应的其它参数。陈杰平、姚智华《基于MATLAB的曲柄滑块机构仿真研究》，借助于功能强大的分析仿真软件MATLAB，实现了机构性能分析和动态仿真，降低分析的难度，有效提高设计工作效率、产品开发质量，降低开发成本。漆小敏、喻全余、阚宏林《基于Simulink的偏置式曲柄滑块机构运动仿真》，建立了速度和加速度的闭环矢量方程，使用Simulink对偏置式曲柄滑块机构进行了运动学仿真，得到了连杆及滑块的运动曲线，使用该方法的优势在于可以方便的观察第机构运动特性的变化。 因此，将计算机软件用于曲柄滑块机构的优化设计中，是曲柄滑块机构的设计发展趋势。 1.4本文主要研究内容 对曲柄滑块机构中的偏置式曲柄滑块机构运用仿真软件进行优化设计与运动仿真分析，其主要的研究内容有： （1）对偏置式曲柄滑块机构进行深入研究，确定系统主要参数和工作任务，以便明确设计要求； （2）对曲柄滑块机构进行运动学和动力学分析，分析该机构中各个杆件的受力情况，以及它们之间的相互作用关系，从而为偏置式曲柄滑块的研究奠定基础； （3）根据设计目标，建立偏置式曲柄滑块机构的数学模型，确定约束条件，运用软件MATLAB优化工具箱进行编程优化求解，对优化结果进行验证分析，确定机构中主要部件如曲柄、连杆等以及传动角的优化尺寸，以便运动仿真的实现； （4）根据已求得的优化设计尺寸，利用MATLAB中的Simulink 模块进行运动仿真，从而可以得到各个杆件任意时刻的位置、速度以及加速度的值，并且可以观察到各个构件在整个运动周期内的变化规律。为进一步对机构后续研究机构的运动协调性及机构动力性能分析等方面提供了基础。 第2章 曲柄滑块机构的受力分析 曲柄滑块机构是最早获得广泛应用的连杆机构之一,在运作时各构件产生的惯性力会引起机构的强迫振动，加剧及其构件的磨损并产生噪声污染，降低机构的运动精度和平稳性。因此，对曲柄滑块机构进行受力的分析，可以深入认识机构在运动的整个过程中的受力情况，对提高机构的运动精度和运动平稳性，延长机构的使用寿命具有重要的意义。 2.1曲柄滑块机构的分类 根据结构特点，曲柄滑块机构可以分为三大类： （一）对心曲柄滑块机构：机构在运动时滑块C的运动轨跡通过曲柄的回转中心A，则称为对心曲柄滑块机构。如在内燃机机构中的应用等。 图（1）对心曲柄滑块机构 （二）偏置式曲柄滑块机构：机构在运动时﹐滑块B的运动轨跡不通过曲柄的回转中心A﹐则称为偏置曲柄滑块机构。例如在自动送料机构中的使用等。 图（2）偏置式曲柄滑块机构 （三）偏心轮机构：在曲柄滑块机构（曲柄摇杆机构）中，若曲柄很短，可将转动副B的尺寸扩大到超过曲柄长度，则曲柄AB就演化成几何中心B不与转动中心A重合的圆盘，该圆盘称为偏心轮，含有偏心轮的机构称为偏心轮机构。