桑叶采摘机手动操作机构的优化设计.pdf

!#年$月农业机械学报第%&卷第$期桑叶采摘机手动操作机构的优化设计李健靳龙(摘要)应用力学理论*对桑叶采摘机手动操作机构曲柄的角速度和操作者的扣动力进行了分析计算+对操作机构进行优化设计时*以操作者的扣动力最小和曲柄在滑块移动到,-!处时的角速度最大为目标建立多目标优化的数学模型+采用统一目标法中的乘除法将各个目标函数统一到一个总的统一目标函数中*然后采用./01/2语言编程*使用优化工具箱求出最优解*将优化结果应用在桑叶采摘机的设计中*达到了预期效果+关键词3桑叶采摘机操作机构优化中图分类号34!#5678文献标识码39:；=?=ABCDE=FBAGHBIJ:；DKAGHIJNDKKOPDQDERJILS=BFHLM=BDTUVU/WVUWTXWYZ_abacdefaghijkdlmini_hopNEKLqrs/WYt1/uvs1XwU0xXywu/WzXy/Wt/1X|su/0UXWswr/WUXy/t12suux1s/vs|1twzUWY/wrUWs/WU0X|su/0UXWyXuws!susw/1wt1/0s2x0rsswr/WUw/10rsXux9/0rs/0Uw/1Xs1Xyt10U#X2$sw0UvsX|0UU%/0UXW!/s0/21Urs2xwXXuUW/0UWY0rsX2$sw0UvsXyUWUU%UWYX|su/0UXWyXuws/W/&UU%UWY/WYt1/uvs1XwU0xXy0rswu/Wz!rsW0rs1UsXvs0X/r/1y#U0/WwsqrsX2$sw0UvsytWw0UXW!sustWUyUs0X/YsWsu/1ytWw0UXWjZo2xtUWY0rss0rXXytWUyUsX2$sw0UXWqrsXs1!/X1vs2xtUWYX|0UU%/0UXW0XX12X&UW./01/2qrsX1t0UXWXyX|0UU%/0UXW!/|1UsUWsUYWXy0rst12suux1s/vs|1twzUWY/wrUWs*!rUwrsXW0u/0sU0syysw0UvsWs(DO)AK*E.t12suux1s/vs|1twzUWY/wrUWs*+|su/0UXWswr/WU*+|0UU%/0UXW收稿日期3!,6$%广西科学基金资助项目Z项目编号3桂科自,-$,o李健广西工学院机械工程系副教授*#,#&柳州市靳龙广西工学院机械工程系讲师引言桑叶采摘机主要由手动操作机构.增速机构.开口空心齿轮轴.刀片和接叶篮等部分组成/$0+手动操作机构是用于控制刀片旋转*由曲柄滑块机构与棘轮棘爪组合而成+桑叶采摘机手动操作机构的优化设计主要是对手动操作机构中曲柄滑块机构的优化设计*有关曲柄滑块机构的最优化设计*很多文章都做了报道*如再现运动规律的最优化设计.再现给定轨迹的最优化设计/!0等+本文针对桑叶采摘机的工作要求*首先对手动操作机构中曲柄滑块机构建立多目标优化设计的数学模型*然后采用适当的最优化算法*对桑叶采摘机的手动操作机构进行优化设计+1优化模型的建立151角速度2的计算桑叶采摘机手动操作机构的结构如图$所示+为操作方便*曲柄只是来回移动一定角度而不旋转%&3+4为棘爪对曲柄的作用力*它等于刀片切断桑叶所需的力和机构需克服的各种阻力之和*对桑叶采摘机来说*其值是一定的54!666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666为操作者采桑叶时万方数据手指的扣动力!为减轻劳动强度!#应愈小愈好$此外!由于刀片旋转越快!其切断桑叶的效果就越好!因此要求曲柄回转一定角度时!在滑块移动速度一定的情况下!其角速度%最大$为达到上述目的!建立图&所示的坐标系!运用正弦定理从三角形()*中求出角+与,的关系!得-./,012-./+于是34-,50&6172#-./#8+按二项式定理展开!得34-,0&65¬#-./#+95&#L&5&:#172；-./；+60&65¬#-./#+65&=172；-./；+6&；!则5&=172；&#?；=!比&小得多!因此取近似值!等式右边第项和其后各项可以略去!误差极小$由此得34-,0&65¬#-./#+0&65¬#&634-A#+B#0&65&；172#95&；172#34-A#+B式中1CC曲柄长度2CC连杆长度滑块)的运动方程为D0234-,9134-+0E2&65&；172#95&；172#34-A#+FB9134-+求导得GDGH0625#172#-./A#+BG+GH61-./+G+GH因I0GDGH%0G+GH故I061%-./+625#172#%-./A#+B所以%0I61-./+625#172#-./A#+BA&B式中%CC曲柄角速度ICC滑块速度假设操作者扣动滑块作匀加速直线运动!滑块移动的距离为J!时间为H!加速度为K!则滑块移动到JL#处的速度为I08#JH代入式A&B!得%08#JH61-./+625#172#-./A#+BA#BMNO扣动力#的计算根据图&计算&和#得&0P1-./A+9,B0PE1-./+&65&；172#95&；172#34-A#+B912F34-+AB#0&34-,9Q&-./,0E&65&；172#95&；172#34-A#+B9Q12F-./+A；B式中&CC曲柄*点的作用力PCC棘轮半径QCC摩擦因数MNR设计变量图&手动操作机构结构示意图S.TU&V4/W.TXYZ.4/W.TXY4WZ/XZ4_YZ.4/3Z/.-设计变量是影响设计质量或结果的可变参数!如果将所有能影响设计质量的参数都列为设计变量!将使问题复杂化!也没有必要$为确保桑叶采摘机的工作性能和设计质量!整机设计确定了一些参数!对手动操作机构来说!这些作为固定量将不再发生变化的参数包括aPaJaHaQ等$考虑对扣动力#和滑块移动到JL#处时曲柄角速度%的影响!选择曲柄长度1和初始角+a连杆长度2作为设计变量!即b0ED&!D#!DF0E1!2!+FMNc目标函数与约束条件手动操作机构设计所要追求的性能指标较多!为了突出主要设计目标!选择下面两个为目标函数dA&B操作者的扣动力最小考虑到桑田一般远离电源!因此桑叶采摘机主要靠操作者手指的扣动力作为动力来源$为降低劳动强度!以扣动力#最小为目标!即./e&AbB0./#A#B滑块移动到JL#处时曲柄的角速度%最大刀片旋转速度越快!切断桑叶的效果就越好!所需的切断力也越小$在操作者扣动滑块的距离和速度一定的情况下!以滑块移动到JL#处时曲柄的角速度%最大为目标!即Zfe#AbB0Zf%在通常情况下!1L2g&L；$根据棘轮半径P和整机结构的要求!曲柄的长度1应限定在一定范围内!即Pg1g2$由于手指来回扣动的距离有限!曲h第&期李健等d桑叶采摘机手动操作机构的优化设计万方数据柄旋转的角度应在!#$%!&因此约束条件为()*+!,+(+*!+-+$%!.多目标函数最优化方法的选择及其模型的求解由上述建立的优化数学模型可知/这是一个多目标函数的最优化问题&在多目标函数的最优化问题中/各个目标0$123/04123/5/06123的优化往往是相互矛盾的/不能期望它们的极小点重叠在一起/即不能同时达到最优解/需要在各个目标函数的最优解之间进行协调/以便取得整体最优方案&目前有不少多目标函数的最优化方法/如统一目标法7主要目标法7协调曲线法7设计分析法89:7基于广义满意度的多目标优化8:等/这些方法各有其特点/经比较首先采用统一目标法中的乘除法将各个目标函数统一到一个总的；统一目标函数?A语言编程/直接调用其数学工具箱中优化工具箱求解&所谓乘除法就是将多目标函数最优化中的全部6个目标分为目标函数值愈小愈好和目标函数值愈大愈好4类/且前者有B项/后者有16)B3项/则统一目标函数可取为0123CDBEC$0E123D6ECBF$0E123使0123最小可得最优解&对0123来说是一个约束最优化问题/其优化算法也不少/如拉格朗日1GHIJHKJ3乘子法7惩罚函数法89:1LM=N内点法7外点法7混合法37遗传算法8O:等&为方便快捷求出0123模型的最优解/直接使用=?A中的优化工具箱求解/其过程如下P1$3利用文本编辑器编写=文件QRJS?KTJ80/U:CQRJ1V3式中0WW目标函数UWW约束条件143在命令窗口中调用优化程序/应用限定条件下的极值函数STJX?I求出极值VC8Y/Z/:VCSTJX?I1QRJ/V3式中Y7Z7WW估计初值优化结果根据桑叶采摘机整机设计要求/设计的固定参数为P_C4S/aC!b4X/,COS/cC$!d/eC!b4&-限制在!#$%!之间&按上述使用=?A优化工具箱求解0123模型的过程/输入估计初值为VC8f/9!/ghi4:1单位为S/S/Ij3/最后优化结果为VC8kbO/4lb%4/$bO$:/即(CkbOS/*C4lb%4S/-C$bO$Ij1约mi43&n结束语在对操作机构进行优化设计时/以操作者的扣动力最小和曲柄在滑块移动到_i4处时的角速度最大为目标建立多目标最优化模型/然后选择多目标函数最优化方法及其算法/用=?A语言编程后求出最优解/最后将优化结果应用在桑叶采摘机的设计中/达到了预期效果&参考文献$李健/韦灵南/邓敏和o桑叶采摘机的设计o农业机械学报/4!/9O1$3P$l$#$l44pTqrG/sKtI?uvowx?KRjtXKHJTQSRIytzHtJtI?KJHKJHtX|K?KJtRK?!STJX?IKJ?XoNIJXS?KTJXTQ?tL=#1$3/$lfk/%l1$3P$#$O49刘惟信o机械最优化设计o北京P清华大学出版社/$llko黄红钟/姚新胜/周仲荣o基于满意度原理的装载机工作装置的多目标优化设计o机械工程学报/4!9/9l1O3Plk#$!9O尹健/谢庆生/罗延科等o考虑弹流润滑的齿轮传动多目标优化设计的遗传算法实现o机械工程学报/4!9/9l1f3Pf4#fOk农业机械学报4!O年万方数据桑叶采摘机手动操作机构的优化设计作者：李健，靳龙，LiJian，JinLong作者单位：广西工学院机械工程系刊名：农业机械学报英文刊名：TRANSACTIONSOFTHECHINESESOCIETYFORAGRICULTURALMACHINERY年，卷(期)：2005,36(11)被引用次数：1次参考文献(5条)1.尹健；谢庆生；罗延科考虑弹流润滑的齿轮传动多目标优化设计的遗传算法实现期刊论文-机械工程学报2003(06)2.黄红钟；姚新胜；周仲荣基于满意度原理的装载机工作装置的多目标优化设计期刊论文-机械工程学报2003(05)3.刘惟信机械最优化设计19974.FoxRL；WillmertKDOptimumdesignofcurve-generatinglinkageswithinequalityconstraints5.李健；韦灵南；邓敏和桑叶采摘机的设计期刊论文-农业机械学报2004(01)本文读者也读过(6条)1.李健.庞新维.LIJian.PANGXin-wei桑叶采摘机主运动系统公差的设计期刊论文-农机化研究2007(3)2.李健.韦灵南.邓敏和桑叶采摘机的设计期刊论文-农业机械学报2004,35(1)3.张日红.施俊侠.张瑞华菠萝自动采摘机的结构设计期刊论文-安徽农业科学2011,39(16)4