大尺度重型构件夹持机构近恒力优化设计.pdf

一l 8 一 机械 设 计 与制 造 Ma c h i n e r y De s i g n&Ma nu f a c t u r e 第 4期 2 0 0 8年 4月 文章编号：1 0 0 1 3 9 9 7(2 0 0 8)0 4 0 0 1 8 0 3 大尺度重型构件夹持机构近恒力优化设计六 王艾伦 刘 云(中南大学 机 电工程学院，长沙 4 1 0 0 8 3)De s i g n o p t i mi z a t i o n o f l a r g e r a n g e o p e r a t i n g c l a mp ma c h i n e o f a p p r o x i ma t e c o n s t a n t f o r c e W ANG Ai l u n，LI U Yu n (C o l l e g e o f me c h a n i c a l a n d e l e c t r i c a l e n g i n e e ri n g，U n i v e r s i t y o f C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y，C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3，C h i n a)中图分类号：T H1 2，0 2 2 4 文献标识码：A 机械夹持机构是机械制造装备的重要组件。重载操作装备 中的夹持机构相对轻、小型夹持机构来说具有以下不同的特点 和要求：为满足可靠性及稳定性要求，一般采用单自由度并联机 构；所夹持锻件为重型锻件，重量大(如2 5 0吨锻件)且对应不同 材质的锻件尺寸会在大尺度范围变化，因此夹持机构的钳口开 口大小必须满足大尺度范围。在实际操作过程中，现有重型构件夹持机构存在如下问题：夹持机构钳口开口因夹持不同尺寸大型工件而大尺度变化时，存在夹持力波动很大的情况而很难保证夹持过程稳定性，甚至 造成夹持机构功能失效；驱动机构输入力到夹持机构钳口输出 力的传递过程中损失比较大，效率比较低。因此，有必要对重型 构件夹持机构进行优化设计以克服以上问题。国内外许多学者对夹持机构的研究主要集中于夹持力、工件接触、工件定位、夹具一 工件变形等方面，只有少数学者对 小型夹持进行过近恒力研究，如王建维I 利用进化算法对小型机 械夹持器进行了优化设计。进化算法是基于生物进化的进程而 提出的全局最优的智能优化算法，但也存在参数的选择困难、局 部搜索能力差、收敛性能较差等不足。王建维在文献 中只对小 型夹持机构的近恒力单 目 标进行了研究，而没有考虑最大夹持 力这一目标。针对以上足，采用统一目标函数法对大尺度夹持机构近恒 力及夹持力进行多目标优化建模，利用逐步循环寻优方法与 Ma t l a b 软件 自带的非线性约束最优问题求解工具箱 f m i n c o n相 结合的优化方法进行全局性寻优。1 夹持机构及驱动力与夹持力的关联模型 1 1机构简介 大型夹持机构结构，如图 1 所示。由连杆 1、钳壳 2、钳臂 3 及钳口4组成。钳臂 3的两端通过铰链分别与钳口4 及连杆 1 连接，连杆 1 与液压缸的推杆也以铰链连接，当推杆作直线运动 时，通过连杆 1，使钳臂 3绕固定于钳壳上的销轴旋转，实现钳 口张开和闭合动作。这类并联夹持机构具有拉紧力(驱动力)较 小，拉紧装置轻便，结构较紧凑，外形尺寸较小，行程较好、零件 相对较少，制造及维修比较方便等优点。|P 1典型夹持机构 1 2驱动力与夹持力关联模型的建立 对图 1 所示典型夹持机构建立运动简图，如图2所示。由自 由度分析可知该机构满足单自由度要求。在不考虑各构件的质 量及弹性变形，且忽略铰链间摩擦的前提下，根据静力学平衡方 程可知驱动力与夹持力之间满足。来稿 13 期：2 0 0 7-0 7 3 0 基金项目：国家 9 7 3 重点基础研究发展计划资助项目(2 0 0 6 C B 7 0 5 4 04)图 2夹持机构运动简 图 维普资讯 第 4期 王艾伦等：大尺度重型构件夹持机构近恒力优化设计 一l 9一 =p)(cxb n(0+8)-t a n o t x c o s()且式(1)各参数满足：s j n 卢=+6 x s i ()s i n 一(1)(2)(3)式(1)(3)中P为推杆推力(即液压缸输 出力，文 中假设 为 I O 0 0 K N)，o，b，C 分别对应连杆长度及钳臂两边 的长度，为两 钳臂 固定于钳体上 的角链 中心距，0为钳臂 两边 的夹角，口分 别对应连杆及钳臂与水平方 向的夹角。2夹持机构多 目标优化 机械优化设计一般流程图，如图3所示，其中关键的是数学 模型的建立和优化计算方法的选取。在生产实际中我们希望夹持机构能在恒定输入力的前提下 既能产生更大的夹持输出力，又能在钳E l 开E l 大尺度变化过程 中能够保持夹持力的稳定性，因此将引入多 目标优化 问题。其 数学模型可表示如下：求=1，X 2*，4 ，m l 使 mi n )=()()()r S u b j e c t t o：g(X)0(i=1 2，L)2 1 设计变量 以图 1 a 夹持器作为研究对象，其结构，如图 3 所示。选择 它的5个主要结构参数作为设计变量，即优化问题的设计变量 为：=【0，b，C，0，H (4)图 3优化设计流程图 2 2子 目标函数的建立 考虑两个子 目标函数，分别为近恒力夹持优化目标函数及 夹持力优化 目标函数。2 2 1 近恒力夹持优化 目标 函数 在 夹持机构末端 H大尺度范 围移动确定 的情况 下，以最大 夹持力与最小夹持力之比最小作为 目标函数：州 X)_ (5)式 中：(，H)一，(，H)_ 夹持 机构末 端在 H范 围 内移 动 时的最大和最小夹紧力。2 2 2夹持力优化 目标函数 在夹持机构末端 H 大尺度范围移 动确定的前提下，以最大 夹持力作为目标函数，为统一形式，可取其倒数作为 目标函数，从而取其最小值：mi n ()6)2 3约束条件 此处约束分为边界约束及几何结构约束。对于边界约束，为缩小寻优范围，可给出变量适当的下限和 上 限。由此建立 1 0个边界约束：f 一 鼍 0 (7)I舰()-X。一 X i u-0 式 中：。的下限；。的上限，1，2，3，4，5 对于几何结构约束，根据 实际情况有：g l()：2 5 一 0_-C S i n()0 (8)g ：()：+c s i n()一 3 5 0 (9)g 3()：-C S i n(一 9 0。)一 1 0 (1 0)g I4()：b+一 0 (1 1)g 5(X)=。c o 1+6 c o s(-0-a 2)卜 a。c o 2+6 c o s(1 T 一 6 L 3)卜2 0(i=1，2)(1 4)2 4 2加 权 因子 的确 定 加权因子反映了各个子 目标函数在整个多 目标优化问题中 的相对重要程度。考虑到文中已经求得各子目标函数的极值，采 用辅助参数法。其具体步骤如下：先求出各子 目标函数()的约束极小点，即 S(x )=B i n ()(1，2)(1 5)利用 计算四个 目标值()，i,j=l，2 (1 6)引入辅助参数，构造如下线性方程组 一，2(1 7)维普资讯 一2 0一 机 械设 计 与 制造 NO 4 Ap r 2 0 0 8 这是一个关于 (l，2)和 O t 的三阶方程组，式(1 7)l前 2 个方程 的系数矩阵为】此系数矩阵可逆，求解方程(1 7)即可得到一组唯一解为)错 1 式中：，-【l，l】L 二维单位向量；)。一 的逆矩阵；t o l(i=1，2)一所求的一组权数。2 5优化方法的选择 考虑到此模型为非线性问题，可以利用 Ma t l a b软件 自带的 非线性约束最优问题求解工具箱f m i n c o n进行求解。f mi n c o n综 合采用了 m e d i u m s c a l e：S Q P，Q u a s i N e w t o n，l i n e s e a r c h等寻优 方法，但容易限人局部最优解，为此作者采用逐步循环寻优方法 在全局域中寻找粗略的最优点，其流程框图，如图4所示。然后 以此点为初始迭代点，利用优化工具箱 f m i n c o n进行局部寻优，从而能够保证所求解为全局最优解。图 4逐步循环寻优程序设计 流程框 图 3 优化结果及分析 作为对比，对两个子目标进行了优化，并将结果进行了汇 总。如图 5 所示，夹持机构夹持力随钳 口大尺度变化的曲线，其 中(a)为近恒力单 目标优化后对应的夹持力曲线，(b)为夹持力 单目标优化后对应的夹持力曲线，图(c)为多目标优化后对应的 夹持力曲线。由优化结果可得出以下结论：(1)优化后夹持机构的夹持力相对液压缸输入力单边分力(夹持机构两并联对称组件之一)是放大的，即此夹持机构具有 力放大作用；(2)此优化后的夹持机构在大尺度范围内最大输入力与最 大输出力只相差 6 7，较好地满足了近恒力这一要求；(3)此夹持机构在开口到达中间位置输出力达到最大值，而 在钳口张开尺寸最小和最大两个位置对应的输出力最小；(4)输出力增大时将导致近恒力输出特性降低，因此在设计 中可根据实际生产需要以此原则进行调整。Z 蛊 建 丑 Z 击 壤 j i Z R 姑 丑 夹持的工件尺寸(m)(a)近恒力单 目 标 夹持的工件尺寸 h(m)(b)夹持 的工件 尺寸 (m)(c)图 5 优化后夹持力曲线 4 结论及未来的工作 通过逐步循环寻优方法和 Ma d a b非线性优化工具箱f m i n c o n 相结合的方法，对某大尺度夹持机构进行了优化设计，优化后的 各参数值比较合理，从而满足了既要求近恒力夹持又要求夹持 力较大两个 目标(见表 1)。为生产实际提供了有价值的参考，只 是对大尺度重型构件夹持机构近恒力优化设计的一个初步探 索，在验证了这一研究必要性的同时也明确了未来的工作：(1)对其它相似夹持机构进行近恒力优化研究；(2)建立综合考虑铰链摩擦及夹持机构弹性变形等因素的 驱动力与夹持力关联模型，使之更符合现实工况；(3)采用其它更为高效的智能优化算法，以提高设计的准确 维普资讯 第 4期 2 0 0 8年 4月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g n&M a n uf a c t u r e 一 21一 文章编号：1 0 0 1 3 9 9 7(2 0 0 8)0 4 0 0 2 1 0 3 大振幅电磁振动机械 的优化设计 宋书中 王红霞 z 吕少锋 崔广渊(河南科技大学，洛阳 4 7 1 0 0 3)(洛阳理工学院，洛阳 4 7 1 0 0 3)T h e o p t i mi z e d d e s i g n o f h i g h a mp l i t u d e e I e c t r O ma g n e t i C v i b r a t i o n ma c h i n e r y SONG S h u z h o n g W ANG Ho n g x i a ，LV S h a o f e ng ，CUI Gu a n g y u a n (He n a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y，L u o y a n g 4 7 1 0 0 3，Ch i n a)(2 L u o y a n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o gy，L u o y a n g 4 7 1 0 0 3，C h i n a)-尊女 一女 一尊一 橐 一女一套 一 一女一 鼻 一鼻一 鼻一橐 一 一 女 一鼻 一 一女一奠 一受 。一 寞 一垒 一奠 一女一 虫 一 一女 一安 一寞 一寞 一鱼 一生 一鼻 一 一 女 一 一女 一女 一_ 一女 l 【摘要】基于大振幅电 磁振动机械的电 磁分析结果，详细分析了电磁振动机械的结构参数，并以 ：振动 机 械运行 和制 造成 本最小为 原则 构建了目 标函 数，利用M A T L A B 软 件对电 磁振动 机 械在共 振状 态下的结构和运行参数进行 了优化设计。1|关键词：电 磁；振动机械；结构参数；优化设计 ：【A b s t r a c t】B a s e o n t h e e l e c t r o m a g n e t ic a n a l y s i s r e s u h s o f h ig h a m p l i t u d e e l e c t r o m a g n e t ic v ib r a t io n m c h i n e r y，t h e s t r u c t u r al p a r a m e t e r ofe l e c t r o m a g n e t i c v i b r at io n m a c h i n e r y W as anal y z e d T h e o b j e c t iv e f u n c t i o n W as c o n s t i t u t e d acc o r d in g t o t h e p r i n c ip le th at t h e s u m of m anu f act u r i n gand o p e r at i o n al c o s t W as m in i m u m)v al u e B y u s i n g MA T L AB S o ftw are，t h e o p t i miz e d d e s i g n o n s t r uct u r al and o p e r ati o n al p ara me t e r W as b e e n i n ：p ro g re s s w h e n th e e le c t ro m a g n e tic ib r at io n m a c h ine D is u ru le r r e s o e ：Ke y w o r d s：E l e c t r o ma g n e t i s m；V i b r a t i o n ma c h i n e r y；S t r u c t u r a l p a r a me t e r；Op t i mi z e d d e s i g n 0 中图分类号：T H1 2，T H1 6 文献标识码：A 1 引言 在矿山工业及其它一些工业部门中各种电磁振动设备使用 图 l 大振 幅共振式 电磁振 动机械微机控制系统原理 Fi g 1 T h e p rin c ipl e fi g u r e o f h i g h a mp l i t u d e r e s o n a n c e e l e c t r o ma g n e t i c v i b r a t i o n ma c h i n e r y mt、m 一上、下质体质量；。、一弹簧刚度；x 2 一上、下质体位移 一施加于上、下层筛的电层激振力 来稿 日期：2 0 0 7 0 7-0 2 每岛 每岛 岛 每 匈 专 性及精确度；(4)夹持机构的动力学优化，保证在时变重载工况下的夹持 稳定性和可靠性。表 1优化后参数值及 函数值 优化目标 b c 0 1 t o P i n P o m i n P o m a x f (m)(m)(m)(度)(m)(K N)(K N)(K N)近恒力单目标4 0 0 0 0 2 0 0 0 02 3 0 4 9 l 1 4 5 5 9 9 2 5 0 0 0 1 0 1 3 0 5 8 9 4 6 3 0 6 2 5 8 0 7 2 0 9 4 1 9 输出力单目 标3 9 9 9 6 2 0 0 1 2 2 1 9 9 3 l 1 6 0 0 0 0 2 7 0 0 0 1 1 0 0 0 6 2 9 7 8 5 3 6 7 4 6 1 4 5 0 9 3 3 5 多目 标4 0 0 0 0 2 O O O 7 2 2 0 0 2 l 1 6 0 0 0 0 2 7 0 0 1 1 0 0 0 6 2 9 3 1 3 2 6 7 4 0 1 1 5 0 9 3 3 7 量很大，主要用作为振动试验台、振动给料机、振动输送机、振动 筛分机等。所研究的大振幅共振式电磁振动机械，是运行在机电 共振状态并能实现大振动位移的振动系统。大振幅共振式电磁 振动机械微机控制系统原理，如图 1 所示。从结构上看，该振动机械是一个 型电磁铁。当供电频率 和机械系统的固有频率相等时即产生机电共振，较小的电磁激 振力可以产生较大的振幅，从而能够满足许多矿山振动振动机 械对大振幅的工艺要求。大振幅电磁振动机械运行在机电共振 状态，对电磁振动机械结构参数进行优化设计是十分必要的。2电磁振动机械结构 电磁振动机械 的结构，如图 2所示。b 为绕组骨架厚度，a。绕组挡板厚度，o a 中间铁芯超出挡板以外的长度，三个铁心柱的 高度 l g=1 4 g，+啦+2 6 3。b 为绕组的宽度，所以6=6 6 ，l o=2 a+2 b=2 a+2 b g+2 b l。电磁振动机械横剖面图，如图3所示。b 为骨架厚度，b：为 参考文献 l Ha i y a n De n g，S h r e y e s N Me l k o t e De t e r mi n a t i o n o f mi n i mu m c l a mp i n g f o r c e s f o r d y n a mi c Ml y s t a b l e fi x t u rin g I n t e r n a t i o n a l J o u rnal o f Ma c h i n e T o o l s Ma n u f a c t u r e，2 0 0 6：8 4 7 8 5 7 2王建维基于进化算 法的机械夹持器优化设计锕煤矿机械，2 0 0 6，2 7(1 0)3 O 3 2 3魏巍 M A T L A B应用数学工具箱技术手册【M】北京：国防工业出版社，2 0 04 维普资讯