基于VB6.0的曲柄滑块机构的参数化设计与实现论文.doc

目录1绪论.12设计要求.13平面四杆机构简况与本课题的研究意义.13.1平面四杆机构的应用.13.2平面四杆机构的特点：.23.3本文的主要研究内容.24曲柄滑块机构的设计分析.34.1曲柄滑块机构结构分析.34.2工作行程最小传动角wmin.44.2.1曲柄转向与滑块工作行程方向的合理配置.44.2.2几何尺寸设计公式.54.3机构特殊位置处的传动角.64.4优化与设计数据.74.4.1设计变量及其范围.74.4.2寻优目标函数及约束条件.84.4.3设计数据.84.4.4结语.95曲柄滑块机构优化设计的方法.95.1编程语言的选择.95.2关于VisualBasic.95.3VisualBasic的其它特性.105.4程序运行界.105.4.1设计窗口.115.4.2工具箱.115.4.3属性窗口.125.4.4【工程】窗口.125.4.5代码窗口.125.4.6【窗体布局】窗口(如图8).135.4.7菜单栏.135.4.8工具栏.135.5用户界面的设计.146设计实例.147结束语.15谢辞.17参考文献：.18附程序代码.191绪论制造业是我国工业的主体，据统计，我国制造业的增加值占整个工业产业的78%，从业人员占82%，国内生产总值的约40%、财政收入的50%、外贸出口的80%来源于制造业。因此，必须大力推进制造业信息化，以信息化带动工业化，提高我国制造业的整体素质和竞争力。产品设计的数字化是制造业信息化的重要组成部分。结合我国国情，立足应用，实现产品数字化设计，为我国制造企业的产品创新、技术创新和管理创新提供成熟成套的技术和软件工具是实现制造业信息化的有效措施。据有关资料显示，在产品设计过程中，绘图时间约占总设计时间的34%，图纸修改时间约占8%-9%，编写零部件明细表时间约占5%，也就是说，在图纸上所花费的时间约占总设计时间的一半左右。曲柄滑块机构作为使用最广的机械零件之一,实现其数字化设计与制造对制造业的信息化具有重要意义。本课题通过对曲柄滑块机构的深入分析,把优化设计与VB技术相结合,在windows平台上开发了一个具有参数优化的曲柄滑块机构设计程序,实现了曲柄滑块机构的数字化设计。2设计要求根据曲柄滑块机构的设计理论，根据参数化设计的原理，建立起考虑传动性能时曲柄滑块机构参数化设计的数学模型，并采用一定的算法，编出程序来实现其参数化设计过程。（1）建立程序的运行界面；（2）建立数学模型；（3）程序采用的算法及运行时间；（4）程序所得出的设计参数是否合理，是否全局最优；3平面四杆机构简况与本课题的研究意义3.1平面四杆机构的应用连杆机构应用十分广泛，它不仅在众多工农业机械和工程机械中得到广泛应用，而且诸如人造卫星太阳能板的展开结构、机械手的传动结构折叠伞的收放机构及人体假肢等也都用有连杆机构。此外，虽然可以利用连杆机构来满足一些运动规律和运动轨迹的设计要求，但其设计十分繁难，且一般只能近似地得以满足。正因如此，如何根据最优化方法来设计连杆机构，使其能最佳地满足设计要求，一直是连杆机构研究的一个重要课题。近年来，对平面连杆机构的研究，不论从研究范围上还是方法上都有了很大进展。对多杆多自由度平面连杆的研究，也提出了一些有关的分析及综合的方法。同时，在设计要求上，也已不再局限于运动学要求，而是同时要求兼机构的动力学特性。在研究方法上，优化设计和计算机辅助设计的应用已成为研究连杆机构的重要方法，并已相应地编制出大量的、适用范围广、计算机时少、使用方便的通用软件。随着计算机的发展和现代数学工具的日益完善，以前不易解决的复杂平面连杆机构的设计问题正在逐步获得解决。3.2平面四杆机构的特点：连杆机构的共同特点是原动件的运动都要经过一个与机架直接相连的一个中间机构（称为连杆）才能传动从动件，故称之为连杆机构。连杆机构具有一下一些传动特点：（1）连杆机构中的运动副一般均为低副，其运动副元素为面接触，压力较小，承载能力较大，润滑好，磨损小，加工制造容易，且连杆机构中的低副一般是几何封闭，对保证工作的可靠性有利。（2）在连杆机构中，在原动件的运动规律不变的条件下，可以改变各构件的相对长度来使从动件得到不同的运动规律。（3）在连杆机构中，连杆尚各点的轨迹是各种不同形状的曲线（称为连杆曲线），其形状随着各构件相对长度的改变而改变，故连杆曲线的形状多样，可以来满足一些特定工作的需要。利用连杆机构还可以很方便地达到改变运动的传递方向、扩大行程、实现增力和远距离传动等目的。3.3本文的主要研究内容机械优化设计是把数学规划理论和计算方法应用于机械设计，按照预定的目标，借助与电子计算机的运算寻求最优的设计方案的有关参数，从而获得较好的技术经济效果，进而对机械零件结构参数的选择进行优化，从而在满足一定工作条件下，使工作零件结构参数的选择尽可能达到最优。在实际生产中,曲柄滑块机构的优化设计关系到生产成本的减低。本文的研究目的是寻求曲柄滑块机构的最有效设计方法，使曲柄滑块机构的设计更加简单方便。进一步开发出设计曲柄滑块机构轴专用设计程序，并通过设计程序,对曲柄滑块机构尺寸进行初步的优化，对曲柄滑块机构的后续设计提供最有参考价值的数据。本文所设计的曲柄滑块机构的方向和内容，国内国外没有完整的可供参考的资料，完全是根据曲柄滑块机构基本设计理论，优化设计基本思想与VB技术相结合，在曲柄滑块机构数化设计上的大胆有意义的探索！是曲柄滑块机构参数化设计一系列课题中很小的一部分！本文针对曲柄滑块机构设计中设计变量的性质不同、取值离散性大和受设计标准限制多等关键技术问题，研究优化设计数学模型的建立、绘图程序编制与支撑平台的关系和曲柄滑块机构的计算程序结构等，为实现曲柄滑块机构的优化设计与参数化绘图的一体化提供依据和实现的手段。主要包括以下几个方面的内容：（1）根据机械设计实际问题和对设计所提出的要求，建立优化设计的数学模型，确定轴的设计变量，建立目标函数、约束条件等具体的优化设计计算的数学模型；（2）按照数学模型的性质，选择适当的优化方法，和相应的计算程序，针对常用曲柄滑块机构的结构特点，建立设计变量与各个几何尺寸之间的基本关系，为参数化绘图接口模块程序编制提供依据，对设计变量数，约束条件数，目标函数和约束函数的复杂程度等进行分析；（3）根据优化计算结果，对轴进行再设计，进一步提高曲柄滑块机构的结构合理性、寻求几何尺寸的最佳组合,协调零件之间的尺寸关系；分析输出结果是否达到预期的目的，检查数学模型，所用优化方法及输入数据是否正确，进行必要的修正后再作运算，对运算结果进行数据处理，使其满足实际要求。（4）在具体的设计中，会遇到某一优化设计问题，可采用不同的算法求解，为提高设计和绘图效率，实现人机对话，开发出曲柄滑块机构优化设计与参数化自动绘图软件包提出具体的实施方案，并遵循以下几个原则：可靠性要好：在合理的精度要求下，在一定的计算时间内，求解优化问题的成功率越高，可靠性越好。效率要高：算法的效率是指解题的效率，一般可用算法所用计算时间或计算函数的次数来衡量，最好选用不计算梯度与海色矩阵的优化方法，尽可能选用计算过程中调用函数值次数少的优化方法。稳定性要好：遇到高度非线性的偏心率大的函数时，不会因为计算机字长截断误差迭代过程正常运行，而中断运算过程。采用成熟的计算程序：对现有的成熟的计算程序应尽可能的采用，使得解题简便。4曲柄滑块机构的设计分析4.1曲柄滑块机构结构分析曲柄滑块机构具有运动副为低副，各元件间为面接触，构成低副两元件的几何形状比较简单，加工方便，易于得到较高的制造精度等优点，因而在包括煤矿机械在内的各类机械中得到了广泛的应用。然而，由于这种机构在多数情况下应用于载荷较重的场合，所以在对它的设计时，必须考虑其传动性能，尤其是随着现代化工业的发展，曲柄滑块机构的运动速度和承载能力要求都有了大幅度的提高，从而对其传动性能提出了更高的要求。最小传动角min的大小是衡量曲柄滑块机构传动性能的指标，min愈大，机构运转愈轻松，传动效率愈高。而在曲柄滑块机构设计中，为提高机构的劳动生产率，又往往要求其有急回特性。机构的急回特性用行程速比系数K来表示，K愈大，机构的急回程度愈明显。K的大小和最小传动角min之间存在着一定的关系，它直接影响到机构达到一定传动性能的可能性。如何在满足急回运动要求的前提下，又能使机构具有良好的传动性能，是设计者需要考虑的问题。对这一设计问题，许多文献中已有所论述，但往往没有考虑到最小传动角应该是工作行程中的最小值wmin，因为机构只有在工作行程中才受到较大的工作阻力的作用。所以从最佳设计角度讲，应按照工作行程中的最小传动角wmin进行设计。本文从机构在工作行程中拥有最佳传动性能出发，通过以机构wmin最大为寻优目标函数对机构进行优化设计，分析了速比系数对曲柄滑块机构工作行程传动性能的影响，给出了相应设计参数。4.2工作行程最小传动角wmin4.2.1曲柄转向与滑块工作行程方向的合理配置在下图所示的曲柄滑块机构设计原理图中，1l,2l分别为曲柄AB、连杆BC的长度，e为偏距，H为滑块行程。许多文献中已阐述了以下结论：曲柄位于AB0时，传动角为机构在整个运动循环中的最小值min=arccos(1l+e)/2若滑块从1c到2c为工作行程，2c到1c为空回行程，工作行程中一般受到较大的工作阻力，运动速度较慢。此时，曲柄AB的转向有2种配置：一种是AB逆时针转动，此时min将出现在工作行程中；另一种是AB顺时针回转，此时min将出现在空回行程中，不但满足工作行程中滑块的平均速度较小的要求，而且工作行程中的最小传动角minw将比min大，这样有利于机构获得良好的传动性能，能克服更大的工作阻力，提高机器的机械效率。所以，在曲柄滑块机构设计中，曲柄的转动方向与滑块工作行程方向之间存在着合理的配置问题。显然，对于图中滑块从1c到2c为工作行程时，不论从传动性能要求还是满足急回特性要求来考虑，曲柄AB的合理转向都应该是顺时针方向。4.2.2几何尺寸设计公式极位夹角与行程速比系数K的关系为=1800（K-1）/（K+1），根据极位夹角的定义，00090。为了便于讨论，采用相对尺寸表示机构，取滑块行程H=1，下面的a，b，c都表示为H=l时的相对长度，即a=l1/H，b=l2/H，c=e/H。在AC1C2中，根据余弦定理有cosab2a2b212222）（1）正弦定理得c=(b+a)sinAC1C2=(b2-a2)sin（2）已知相对偏心距e的机构设计由式（1）、式（2）得到a=sin4cos1c2sin）（3）b=sin4cos1c2sin）（由运动连续联系性条件，相对偏心距应不大于PC2,即ccos（4）已知曲柄相对长度a的机构设计由式（1）得b=）（）（cos12cos1a212（5）c=sincos12a412）（由AC1C2的存在条件可得a5.0，再由运动连续性条件式（4）和式（5）解得：t