基于VB6.0的曲柄滑塊機構的參數(shù)化設計與實現(xiàn)論文.doc

目錄1緒論.12設計要求.13平面四桿機構簡況與本課題的研究意義.13.1平面四桿機構的應用.13.2平面四桿機構的特點：.23.3本文的主要研究內(nèi)容.24曲柄滑塊機構的設計分析.34.1曲柄滑塊機構結構分析.34.2工作行程最小傳動角wmin.44.2.1曲柄轉向與滑塊工作行程方向的合理配置.44.2.2幾何尺寸設計公式.54.3機構特殊位置處的傳動角.64.4優(yōu)化與設計數(shù)據(jù).74.4.1設計變量及其范圍.74.4.2尋優(yōu)目標函數(shù)及約束條件.84.4.3設計數(shù)據(jù).84.4.4結語.95曲柄滑塊機構優(yōu)化設計的方法.95.1編程語言的選擇.95.2關于VisualBasic.95.3VisualBasic的其它特性.105.4程序運行界.105.4.1設計窗口.115.4.2工具箱.115.4.3屬性窗口.125.4.4【工程】窗口.125.4.5代碼窗口.125.4.6【窗體布局】窗口(如圖8).135.4.7菜單欄.135.4.8工具欄.135.5用戶界面的設計.146設計實例.147結束語.15謝辭.17參考文獻：.18附程序代碼.191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)品設計的數(shù)字化是制造業(yè)信息化的重要組成部分。結合我國國情，立足應用，實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字化設計，為我國制造企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新、技術創(chuàng)新和管理創(chuàng)新提供成熟成套的技術和軟件工具是實現(xiàn)制造業(yè)信息化的有效措施。據(jù)有關資料顯示，在產(chǎn)品設計過程中，繪圖時間約占總設計時間的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計時間的一半左右。曲柄滑塊機構作為使用最廣的機械零件之一,實現(xiàn)其數(shù)字化設計與制造對制造業(yè)的信息化具有重要意義。本課題通過對曲柄滑塊機構的深入分析,把優(yōu)化設計與VB技術相結合,在windows平臺上開發(fā)了一個具有參數(shù)優(yōu)化的曲柄滑塊機構設計程序,實現(xiàn)了曲柄滑塊機構的數(shù)字化設計。2設計要求根據(jù)曲柄滑塊機構的設計理論，根據(jù)參數(shù)化設計的原理，建立起考慮傳動性能時曲柄滑塊機構參數(shù)化設計的數(shù)學模型，并采用一定的算法，編出程序來實現(xiàn)其參數(shù)化設計過程。（1）建立程序的運行界面；（2）建立數(shù)學模型；（3）程序采用的算法及運行時間；（4）程序所得出的設計參數(shù)是否合理，是否全局最優(yōu)；3平面四桿機構簡況與本課題的研究意義3.1平面四桿機構的應用連桿機構應用十分廣泛，它不僅在眾多工農(nóng)業(yè)機械和工程機械中得到廣泛應用，而且諸如人造衛(wèi)星太陽能板的展開結構、機械手的傳動結構折疊傘的收放機構及人體假肢等也都用有連桿機構。此外，雖然可以利用連桿機構來滿足一些運動規(guī)律和運動軌跡的設計要求，但其設計十分繁難，且一般只能近似地得以滿足。正因如此，如何根據(jù)最優(yōu)化方法來設計連桿機構，使其能最佳地滿足設計要求，一直是連桿機構研究的一個重要課題。近年來，對平面連桿機構的研究，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，也提出了一些有關的分析及綜合的方法。同時，在設計要求上，也已不再局限于運動學要求，而是同時要求兼機構的動力學特性。在研究方法上，優(yōu)化設計和計算機輔助設計的應用已成為研究連桿機構的重要方法，并已相應地編制出大量的、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)學工具的日益完善，以前不易解決的復雜平面連桿機構的設計問題正在逐步獲得解決。3.2平面四桿機構的特點：連桿機構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（稱為連桿）才能傳動從動件，故稱之為連桿機構。連桿機構具有一下一些傳動特點：（1）連桿機構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）在連桿機構中，在原動件的運動規(guī)律不變的條件下，可以改變各構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。3.3本文的主要研究內(nèi)容機械優(yōu)化設計是把數(shù)學規(guī)劃理論和計算方法應用于機械設計，按照預定的目標，借助與電子計算機的運算尋求最優(yōu)的設計方案的有關參數(shù)，從而獲得較好的技術經(jīng)濟效果，進而對機械零件結構參數(shù)的選擇進行優(yōu)化，從而在滿足一定工作條件下，使工作零件結構參數(shù)的選擇盡可能達到最優(yōu)。在實際生產(chǎn)中,曲柄滑塊機構的優(yōu)化設計關系到生產(chǎn)成本的減低。本文的研究目的是尋求曲柄滑塊機構的最有效設計方法，使曲柄滑塊機構的設計更加簡單方便。進一步開發(fā)出設計曲柄滑塊機構軸專用設計程序，并通過設計程序,對曲柄滑塊機構尺寸進行初步的優(yōu)化，對曲柄滑塊機構的后續(xù)設計提供最有參考價值的數(shù)據(jù)。本文所設計的曲柄滑塊機構的方向和內(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)曲柄滑塊機構基本設計理論，優(yōu)化設計基本思想與VB技術相結合，在曲柄滑塊機構數(shù)化設計上的大膽有意義的探索！是曲柄滑塊機構參數(shù)化設計一系列課題中很小的一部分！本文針對曲柄滑塊機構設計中設計變量的性質(zhì)不同、取值離散性大和受設計標準限制多等關鍵技術問題，研究優(yōu)化設計數(shù)學模型的建立、繪圖程序編制與支撐平臺的關系和曲柄滑塊機構的計算程序結構等，為實現(xiàn)曲柄滑塊機構的優(yōu)化設計與參數(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)機械設計實際問題和對設計所提出的要求，建立優(yōu)化設計的數(shù)學模型，確定軸的設計變量，建立目標函數(shù)、約束條件等具體的優(yōu)化設計計算的數(shù)學模型；（2）按照數(shù)學模型的性質(zhì)，選擇適當?shù)膬?yōu)化方法，和相應的計算程序，針對常用曲柄滑塊機構的結構特點，建立設計變量與各個幾何尺寸之間的基本關系，為參數(shù)化繪圖接口模塊程序編制提供依據(jù)，對設計變量數(shù)，約束條件數(shù)，目標函數(shù)和約束函數(shù)的復雜程度等進行分析；（3）根據(jù)優(yōu)化計算結果，對軸進行再設計，進一步提高曲柄滑塊機構的結構合理性、尋求幾何尺寸的最佳組合,協(xié)調(diào)零件之間的尺寸關系；分析輸出結果是否達到預期的目的，檢查數(shù)學模型，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，對運算結果進行數(shù)據(jù)處理，使其滿足實際要求。（4）在具體的設計中，會遇到某一優(yōu)化設計問題，可采用不同的算法求解，為提高設計和繪圖效率，實現(xiàn)人機對話，開發(fā)出曲柄滑塊機構優(yōu)化設計與參數(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：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。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。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。采用成熟的計算程序：對現(xiàn)有的成熟的計算程序應盡可能的采用，使得解題簡便。4曲柄滑塊機構的設計分析4.1曲柄滑塊機構結構分析曲柄滑塊機構具有運動副為低副，各元件間為面接觸，構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用。然而，由于這種機構在多數(shù)情況下應用于載荷較重的場合，所以在對它的設計時，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min的大小是衡量曲柄滑塊機構傳動性能的指標，min愈大，機構運轉愈輕松，傳動效率愈高。而在曲柄滑塊機構設計中，為提高機構的勞動生產(chǎn)率，又往往要求其有急回特性。機構的急回特性用行程速比系數(shù)K來表示，K愈大，機構的急回程度愈明顯。K的大小和最小傳動角min之間存在著一定的關系，它直接影響到機構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，又能使機構具有良好的傳動性能，是設計者需要考慮的問題。對這一設計問題，許多文獻中已有所論述，但往往沒有考慮到最小傳動角應該是工作行程中的最小值wmin，因為機構只有在工作行程中才受到較大的工作阻力的作用。所以從最佳設計角度講，應按照工作行程中的最小傳動角wmin進行設計。本文從機構在工作行程中擁有最佳傳動性能出發(fā)，通過以機構wmin最大為尋優(yōu)目標函數(shù)對機構進行優(yōu)化設計，分析了速比系數(shù)對曲柄滑塊機構工作行程傳動性能的影響，給出了相應設計參數(shù)。4.2工作行程最小傳動角wmin4.2.1曲柄轉向與滑塊工作行程方向的合理配置在下圖所示的曲柄滑塊機構設計原理圖中，1l,2l分別為曲柄AB、連桿BC的長度，e為偏距，H為滑塊行程。許多文獻中已闡述了以下結論：曲柄位于AB0時，傳動角為機構在整個運動循環(huán)中的最小值min=arccos(1l+e)/2若滑塊從1c到2c為工作行程，2c到1c為空回行程，工作行程中一般受到較大的工作阻力，運動速度較慢。此時，曲柄AB的轉向有2種配置：一種是AB逆時針轉動，此時min將出現(xiàn)在工作行程中；另一種是AB順時針回轉，此時min將出現(xiàn)在空回行程中，不但滿足工作行程中滑塊的平均速度較小的要求，而且工作行程中的最小傳動角minw將比min大，這樣有利于機構獲得良好的傳動性能，能克服更大的工作阻力，提高機器的機械效率。所以，在曲柄滑塊機構設計中，曲柄的轉動方向與滑塊工作行程方向之間存在著合理的配置問題。顯然，對于圖中滑塊從1c到2c為工作行程時，不論從傳動性能要求還是滿足急回特性要求來考慮，曲柄AB的合理轉向都應該是順時針方向。4.2.2幾何尺寸設計公式極位夾角與行程速比系數(shù)K的關系為=1800（K-1）/（K+1），根據(jù)極位夾角的定義，00090。為了便于討論，采用相對尺寸表示機構，取滑塊行程H=1，下面的a，b，c都表示為H=l時的相對長度，即a=l1/H，b=l2/H，c=e/H。在AC1C2中，根據(jù)余弦定理有cosab2a2b212222）（1）正弦定理得c=(b+a)sinAC1C2=(b2-a2)sin（2）已知相對偏心距e的機構設計由式（1）、式（2）得到a=sin4cos1c2sin）（3）b=sin4cos1c2sin）（由運動連續(xù)聯(lián)系性條件，相對偏心距應不大于PC2,即ccos（4）已知曲柄相對長度a的機構設計由式（1）得b=）（）（cos12cos1a212（5）c=sincos12a412）（由AC1C2的存在條件可得a5.0，再由運動連續(xù)性條件式（4）和式（5）解得：t