水泥储罐清理机械臂设计与仿真-硕士论文

分类号：TP242分类号：TP242 密密 级：公级：公 开开 U D C ： 单位代码：10424单位代码：10424 学学 位位 论论 文文 水泥储罐清理机械臂设计与仿真 刘刘 宝宝 军军 申请学位级别：申请学位级别：硕士学位硕士学位 专业名称：专业名称： 机械设计及理论机械设计及理论 指导教师姓名：指导教师姓名：樊 炳 辉樊 炳 辉 职 称：职 称： 教教 授授 山 东 科 技 大 学 山 东 科 技 大 学 二 一二年五月二 一二年五月 论文题目：论文题目： 水泥储罐清理机械臂设计与仿真 作者姓名：作者姓名： 刘宝军刘宝军 入学时间入学时间: 2009 年年 9 月月 专业名称：专业名称：机械设计及理论机械设计及理论 研究方向研究方向: 现代设计方法现代设计方法 指导教师：樊炳辉、张志献指导教师：樊炳辉、张志献 职职 称称: 教教 授 授 论文提交日期：2012 年 5 月论文提交日期：2012 年 5 月 论文答辩日期：2012 年 6 月 论文答辩日期：2012 年 6 月 授予学位日期： 授予学位日期： DESIGN AND SIMULATION ON CLEANING MECHANICAL ARM IN CEMENT STORAGE SILOS A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements of the Degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Liu Baojun Supervisor: Professor Fan Binghui College of Mechanical and Electronic Engineering May 2012 声声 明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名：硕士生签名： 日日 期：期： AFFIRMATION I declare that this thesis, submitted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Science to Shandong University of Science and Technology, is my own work except the parts indicated in the references. The document has not been submitted for qualification to any other academic institution. Signature: Date: 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘摘 要要 本文主要对水泥储罐清理机械臂进行了开发和研究，该清理机械臂具有手动调心机 构、三个定位臂，定位臂俯仰机构、两个工作臂和工作臂回转及俯仰机构5部分组成，能 够对水泥储罐内壁上的水泥垢进行清理。 本文在MATLAB中运用fmincon优化算法对手动调心机构、定位臂俯仰机构和工作 臂回转及俯仰机构进行了最优化计算，确定了结构设计中的待优化变量，建立起结构的 运动数学模型，构造了结构设计的约束与目标函数，确定各个机构的安装结构；并且利 用了SolidWorks对假肢模型进行了三维造型和装配，并直观且方便地发现了二维设计中 的错误；利用COSMOSMotion中对清理机械臂各个部分进行了运动仿真并输出了力和力 矩曲线，同时在COSMOSMotion分析的基础通过ADAMS对仿真模型做深入动力学碰撞 分析，为驱动件的选取提供了必要的数据支持；利用COSMOSWorks对清理机械臂中的 关键零件进行静力学仿真，并通过ANSYS对清理机械臂对水泥储罐碰撞安全性进行分 析，得到相应的应力、应变和位移等静力学参数，为清理机械臂零件的改进提供依据。 关键词： 关键词： 水泥储罐清理机械臂， MATLAB， 优化设计， SolidWorks， COSMOSMotion， ADAMS，COSMOSWorks，ANSYS 山东科技大学硕士学位论文摘要 ABSTRACT This thesis mainly focuses on the development and research of cleaning mechanical arm in cement storage silos,which including the hand-centering control mechanism,three positioning arm,. the positioning arm up-down mechanism, two working arm and the working arm rotational and up-down mechanism,and which can clean the dirt in cement storage silos well. This thesis optimize the structure of hand-centering control mechanism，positioning arm up-down mechanism and the working arm rotational and up-down mechanism through fmincon algorithm in MATLAB,the optimal variable of the structure is determined, the kinematic mathematical model is established, design constraints and objective function is constructed,the installation structure of every parts are fixed.The cleaning mechanical arms three-dimension model and assembly drawing is completed by Solidworks, many mistakes are found in the process of two-dimensional design. All parts of the cleaning mechanical arm are simulated with the Cosmosmotion in Solidworks,and the force and torque curve is output, and ADAMS is used to make the further simulation about the collision question ,that provide data support to choosing the drive.The key parts are made the statics simulation with the Cosmosworks in Solidworks,and the safe simulation of the collision to the cement storage silos with ANSYS,and the simulation data of stress, strain and displacement is obtained,that provide data support to the improvement of the parts of the cleaning mechanical arm. Keywords: : Cleaning mechanical arm, MATLAB, Optimization design, SolidWorks, COSMOSMotion, ADAMS, COSMOSWorks, ANSYS 山东科技大学硕士学位论文目录 目目 录录 1 绪论 . 1 1.1 课题的提出 1 1.2 课题研究内容 6 2 水泥储罐清理机械臂结构设计和优化. 7 2.1 水泥储罐清理机械臂整体结构设计 7 2.2 手动调心机构结构设计和优化分析 8 2.3 其他关键结构的优化设计 18 2.4 本章小结 23 3 水泥储罐清理机械臂实体建模. 24 3.1 SolidWorks简介24 3.2 SolidWorks环境下水泥储罐清理机械臂的三维建模25 3.3 本章小结 32 4 水泥储罐清理机械臂虚拟样机仿真. 33 4.1 虚拟样机仿真理论基础 33 4.2 利用Matlab和Excel进行csv仿真数据提取.36 4.3 COSMOSMotion虚拟样机技术在水泥储罐清理机械臂的应用40 4.4 ADAMS对机械臂的深化分析52 4.5 本章小结 62 5 水泥储罐清理机械臂关键部件有限元分析. 63 5.1 利用COSMOSWorks进行动态静力学分析63 5.2 基于ADAMS仿真数据的ANSYS静态分析.68 5.3 本章小结 73 6 结论与展望 . 75 致 谢 . 77 山东科技大学硕士学位论文 目 录 参考文献 . 78 攻读硕士学位期间从事科学研究及发表专利情况. 81 山东科技大学硕士学位论文目录 Contents 1 Introduction 1 1.1 Raising of the project1 1.2 Destination, contents and methods of this project.6 2 Structural design and optimization of the cleaning mechanical arm. 7 2.1 The whole structural design of the cleaning mechanical arm .7 2.2 Structural design and optimization of the hand-centering control mechanism .8 2.3 The optimization of other structure.18 2.4 Summary.23 3 Entity modeling of the cleaning mechanical arm. 24 3.1 Introduction of Solidworks24 3.2 Entity modeling of the cleaning mechanical arm by Solidworks25 3.3 Summary.32 4 Motion simulation of the cleaning mechanical arm. 33 4.1 The theoretical principle of simulation .33 4.2 The acquisition of CSV simulation data of with MATLAB and excel36 4.3 The use of COSMOSMotion in the cleaning mechanical arm40 4.4 The further simulation to the cleaning mechanical arm with ADAMS.52 4.5 Summary.62 5 The FEA simulation to the key parts of cleaning mechanical arm. 63 5.1 The dynamic statics simulation with COSMOSWorks.63 5.2 The ANSYS simulation based ADAMS simulation data68 5.3 Summary.73 6 Conclusion and Vistas . 75 Acknowledgement 77 山东科技大学硕士学位论文 目 录 References. 78 Scientific Research and Published Papers. 81 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 绪论绪论 1.1 课题的提出课题的提出 1.1.1 水泥储罐清理机械臂的研究背景水泥储罐清理机械臂的研究背景 在水泥生产过程中, 特别是大型厂家的生产中,水泥罐(也称水泥库、圆罐) 如图 1.1 所示，以它贮量大、存放保险、占地少、库内无运转件、一次建成无需专门维护, 使用 寿命长等优点, 发挥出了巨大作用, 被人们广泛采用。但是由于种种原因的存在(入库水 泥所含水份、压缩空气所含水份、气候影响、库内外温差等) , 使得整个罐壁内表面上不 可避免地凝结、粘挂了一层厚薄不均、坚硬程度不同的水泥石型的附着物。根据经验可 知, 这些附着物随着时间的增长越来越厚, 还会自行脱落成为大小不一的块状物或片状 物混在水泥粉中, 轻者经常堵死下料器, 重者在罐内漏斗上结拱起蓬, 把物料架空无法 泄出, 造成断料停产。为此, 生产厂家不得不抽调专人定时清库, 临时捅堵、炸拱。在进 行清理作业时会造成大量水泥外泄浪废, 而且费工费力，直接影响生产；又因劳动条件 及其恶劣, 还时有人身伤亡事故发生, 使得生产厂家伤透了脑筋。 目前国内主要以人工清库作业为主。其工艺是把作业人员固定在缆绳的末端，从库 顶的人孔放入，作业人员用手持工具把堆积在库壁的灰料捣落 1 。由此产生的不良效果 是： 1. 清理不彻底。作业人员由于需“全副武装” ，身穿防护衣，头戴钢帽及呼吸滤请 器等，同时被绑在缆绳末端，身体悬挂在半空中，致使行动极为不便，又由于全身不与 固定物体接触，作业时无承力点，人在空中不停摆动，因此，其整个作业过程都具有盲 目性，不可能清理干净。同时，由此还造成下次水泥的较快积聚，使清理周期相应缩短。 2. 工况恶劣，具有很大安全隐患。水泥罐内尘土飞扬，能见度极低，作业者相互之 间不能靠视觉辨别定位，常有误伤同伴情况发生。如下方作业者离罐底较近，上方发生 大块水泥坍塌时，还会酿成被活埋的伤亡事故，而且随着近年来水泥业的快速发展和空 前繁荣，伤亡事故呈逐年增多趋势。2007 年 4 月 22 日，徐州淮海水泥有限公司的 4 名 工人在罐内做清理作业时被罐壁坍落的水泥埋入罐中，全部遇难；2009 年 4 月 15 日， 漳州市龙文区郭坑镇的漳州水泥厂里，两名民工在清理水泥罐的过程中不慎坠落罐底， 1 山东科技大学硕士学位论文绪论 沉埋于数十吨干水泥中丧生；2009 年 8 月 29 日，福建莆田市秀屿港一名工人在清理作 业时因安全绳断开坠入尚有 400 多吨的水泥中丧生；2011 年 10 月 3 日，福州马尾一水 泥厂发生事故，有 4 名工人在清理水泥罐里的结块时，罐壁内水泥结块突然崩塌，3 名 工人最终逃出，1 人死亡。 3.作业效率低，费用高，而且对人体有潜在危害。由于工人作业姿态和方式的限制， 效率一直很低。因其是高危作业，费用当然也较高。在作业现场，尽管采取了各种防护 措施，但由于作业环境粉尘浓度极高，作业工人还是能吸入到肺里过量的粉尘颗粒，其 潜在危险就是引发尘肺病。 针对当前水泥行业普遍存在的上述严重问题，很多厂家早已提出了自动化作业的迫 切要求，某些技术实力较强的企业也进行了很多尝试。2010 年我们受青岛中联水泥有限 公司委托与青岛华控自动化有限公司联合开始研发水泥罐清垢机器人。 图 1.1 水泥储罐 图 1.2 国外清理设备模型图 Fig.1.1 Cement storage silos Fig.1.2 The model clean Equipment at abroad 水泥罐内壁除垢是长期以来一直困扰世界水泥行业的重大问题，各国同行专家曾尝 试诸如爆破、空气炮、声波振击、机械抽打等方法，但都未能有效解决，很多国家都还 是以悬吊人工法来作业。美国 Martin Engineering 公司在上世纪 90 年代研制成功机械抽 打作业设备， 其模型图如图 1.2 所示， 其原理是悬吊一个类似割草机的作业头 （如图 1.3） ， 依靠不停旋转的柔性链条抽打、切割结垢，使之破碎脱落。虽然该设备作业效率较低、 对壁面清理不彻底，但其把人工解放了出来，不再使人们直接面对危险和水泥粉尘的侵 害。这家公司目前正在世界范围内以昂贵的价格推广其清理服务，鉴于技术保密，拒售 设备 2 。 在世界著名的维基百科网站上，也列出了多种针对水泥库清理的方法。其中空气炮 2 山东科技大学硕士学位论文绪论 法主要用来清理小型水泥库、罐，作业时空气炮必须固定在某一特定位置，这对大型储 罐，尤其结垢较厚的情况是较难处理的，当前显示的成功应用案例是清理水泥厂的运输 管线。声波振击法包括使用超声波和低声波振击，超声波多用于流体设备，固体与粉料 多采用低声波振击法。对于水泥储罐，目前低声波振击法适用于小型的，尤其是散装槽 运罐，它既环保又不伤及罐体，但大功率的低声波发生设备较昂贵，操控较难，目前在 西方发达国家尚未查到具体应用案例 3 5 。 另外，从防止水泥库结垢的方面，人们也取得了很多进展，如建造带绞刀进出料系 统的水泥筒仓，在仓壁安装振动器等。联邦德国的 AJD 工业设备技术公司开发出了采用 绞刀系统进出料的大型筒仓，自 1988 年投入使用以来，一直运转正常，它有效地增加了 物料的流动性，避免了库内物料的结拱堵塞现象。这种料仓容量 300100000m，储存 的物料温度可达 90。进出料的能力可在 51000 m/小时之间。国内一些小型水泥厂 的散装水泥库，在库底或库侧安装绞刀出料，也取得了较好的效果。 我国是水泥生产大国，在水泥库清灰作业方面几乎每年都有人员伤亡的记录，因此 对其进行的研究和探索比较活跃，也取得了很多进展，但都尚未规模化应用。 2002 年河北省冀东水泥集团曾采用了爆破法清理水泥库，并积累了许多经验。当库 内料位较高且库壁、库底及分料锥体入料口被压实和板结而堵塞时，采用爆破作业进行 先期疏通，这样既可提高劳动效率，减轻工人劳动强度，又可避免清库时可能发生的危 险情况。但爆破法专业性极强，对于炸药包埋入位置、间距及形状、装药量等都必须经 严格的计算和考量。在清库中应用爆破技术可将清库作业效率提高 5-6 倍，进而获得较 明显的经济效益；同时极大地缩短人员进入库内作业的时间，保证了清库人员的人身安 全。但清库爆破的介质特性和环境特点还需进行大量的实验和实践探索，以进一步研究 爆破机理、建立理论公式、提高清库爆破技术水平 6。 低频声波清灰技术在我国也已得到了应用，其曾于 2001 年在中铝山西分公司 3#熟 料窑收尘器上进行了试验研究，取得了令人满意的成果。由于该熟料窑收尘器与水泥罐 非常相似，当然该技术也适用于水泥罐的清灰作业。他们采用的声波清灰装置是将一定 功率的低频声波输入氧化铝熟料窑收尘器腔体内，利用声波在一定范围内形成的声场能 量的作用，来清除物体表面的灰垢。声波清灰技术在熟料窑收尘器上的应用包括声波发 生器（气、声能量转换装置）和控制系统的设计、生产、安装与使用等一整套的软硬件 技术。试验证明，声波清灰技术可以有效的清除熟料窑收尘器极板、极线上的灰垢，充 3 山东科技大学硕士学位论文绪论 分弥补振打装置振打效果不佳的缺陷，改善放电极工作状态，明显提高其收尘效率。该 技术是首次应用在氧化铝熟料窑静电收尘器上，填补了国内空白。 空气炮（又叫空气破拱肋流器或清堵器）是以突然喷出的压缩气体强烈气流，以超 过一马赫（音速）的速度直接冲入贮存散体物料的闭塞故障区，这种突然释放的膨胀冲 击波，克服了物料静摩擦，使容器内的物料又一次恢复流动。它是利用空气动力学原理， 由一差压装置和可实现自动控制的电磁阀，瞬间将空气压力能转变成射流动力能，可以 产生强大的冲击力，是一种清洁，无污染，低耗能的理想清堵吹灰设备。空气炮具有结 构简单、冲击力大、安全、节能、自动控制、操作简单，不损伤仓斗等基本优点，是目 前最理想的破拱助流装置。当前，该技术已广泛应用于煤仓的清堵作业中，在水泥库清 灰中某些施工单位也有尝试，如江苏国丰建设集团有限公司、江苏省千秋高空建修防腐 有限公司 等。 空气炮清理技术之所以未能大范围推广应用， 主要是由于水泥库容量较大， 空气炮清理的效果有时不理想，而且不易安装。 另外，徐州新能科技有限公司研制出了一种可应用于煤仓和小型水泥库的 CBK 型 自动料仓疏松机（如图 1.4） ，该设备已在市场出售，但对于大型水泥库的结垢清理它还 无能为力。 图 1.3 抽打式清理图 图 1.4 CBK 型料仓疏松机 Fig.1.3 Whip in silo Fig.1.4 CBK Loosening Machine 1.1.2 水泥储罐清理机械臂的介绍 水泥储罐清理机械臂的介绍 水泥储罐清理机械臂的结构原理图如图 1.5 所示，整个水泥储罐清理机械臂由手动 调心机构、三个定位臂，定位臂俯仰机构、两个工作臂和工作臂回转及俯仰机构 5 部分 组成；其中手动调心机构主要是由曲柄滑块机构实现的，手柄带动丝杠转动，完成滑块 4 山东科技大学硕士学位论文绪论 的沿着丝杠方向上下移动，最终带动连杆转动，实现连杆从 0到 90的折叠转动，最 终将清理机械臂其余部分运送到工作位置；定位臂俯仰机构同样由曲柄滑块机构组成， 气缸带动滑块上下运动，带动连杆转动，完成定位臂的折叠，实现定位臂从 0到 90 的折叠转动；定位臂结构原理图如图 1.6 所示，同样由曲柄滑块机构组成，气缸带动滑 块上下运动，带动连杆转动展开，使得清理机械手固定到水泥储罐内壁上；工作臂回转 及俯仰机构完成两个工作臂的折叠和回转，折叠部分同样由曲柄滑块机构组成，调频电 机利用带传动完成丝杠的转动，带动滑块移动，实现连杆（工作臂）的转动折叠，完成 工作臂从 0到 90的折叠转动，回转是通过电机带动齿轮完成的；工作臂通过气缸实 现伸缩，工作臂末端是清理器。 1. 手动调心机构 2. 定位臂 3. 工作臂 4. 工作臂回转及俯仰机构 5. 定位臂俯仰机构 图 1.5 水泥储罐清理机械臂的结构原理图 Fig.1.5 The principal graphics of cleaning mechanical arm in cement storage silos 5 山东科技大学硕士学位论文 绪论 图 1.6 定位臂结构原理图 Fig.1.6 The principal graphics of positioning arm 1.2 课题研究内容课题研究内容 本课题目的：研发一种结构简单、清理效果好的水泥储罐清理机械臂，并通过优化 设计方法对水泥储罐清理机械臂进行优化，同时通过虚拟样机技术对水泥储罐清理机械 臂三维实体进行运动学和静力学仿真分析，并得到相关仿真数据，为水泥储罐清理机械 臂的研发提供数据支撑。 具体研究内容有以下几个方面： （1）实现水泥储罐清理机械臂的结构设计，完成清理臂的安装、定位、折叠、清理 功能，从结构设计上完成水泥储罐水泥垢的清理； （2）通过先进机械优化算法，对水泥储罐清理机械臂主要部分进行优化设计，主要 包括机械结构安装点位置和连接件长度的优化，在不干涉的情况下使得机械结构紧凑， 最终通过优化，使得各个部分的驱动力或力矩达到最优化； （3）通过 SolidWorks 三维软件对水泥储罐清理机械臂进行建模，并建立清理机械 臂的虚拟样机，利用 COSMOSMotion 和 ADAMS 对清理机械臂各个部分进行运动学仿 真，并得到相应的仿真数据，为清理机械臂各个部分的驱动提供选择依据，其中 ADAMS 动力学分析主要对 COSMOSMotion 中无法完成的仿真进行补充和深化； （4） 通过 COSMOSWorks 和 ANSYS 静力学分析软件对水泥储罐清理机械臂关键部 件进行分析， 通过静态仿真数据对零件可靠性进行分析， 其中 ANSYS 对 COSMOSWorks 中无法完成的分析进行补充和深化。 6 山东科技大学硕士学位论文水泥储罐清理机械臂结构设计和优化 2 水泥储罐清理机械臂结构设计和优化水泥储罐清理机械臂结构设计和优化 2.1 水泥储罐清理机械臂整体结构设计水泥储罐清理机械臂整体结构设计 由绪论中水泥储罐清理机械臂原理图 1.5 知，整个清理机械臂包括手动调心机构、 三个定位臂，定位臂俯仰机构、两个工作臂和工作臂回转及俯仰机构 5 部分。清理机械 臂进行工作时首先需要将其运送到水泥储罐顶端，其次需要从水泥储罐人入口进入到工 作空间，人入口尺寸小，因此设计清理机械臂时，不仅需要保证功能上完成水泥储罐内 部水泥垢的工作，同时在保证好功能的前提下，需要设计合理的机械结构和合适的材料 使清理机械臂结构紧凑。 水泥储罐清理机械臂的设计过程首先利用平面图纸设计软件 AutoCAD 完成，按照 原理图的设计、整体装配图的设计到最后的零件图纸的正向设计，然后再运用三维建模 软件对零件进行建模、装配和仿真，通过三维建模、装配和仿真发现进行平面设计时存 在的问题例如零件干涉、运动范围不足、结构设计不合理等问题，然后针对发现的问题 进行平面图修改设计，水泥储罐清理机械臂整体二维装配图如图 2.1 所示。 1.手动调心机构 2. 定位臂俯仰机构 3. 工作臂回转及俯仰机构 4. 工作臂 5. 定位臂 图 2.1 水泥储罐清理机械臂装配图 Fig.2.1 The assembly drawing of cleaning mechanical arm in cement storage silos 7 山东科技大学硕士学位论文水泥储罐清理机械臂结构设计和优化 2.2 手动调心机构结构设计和优化分析手动调心机构结构设计和优化分析 2.2.1 手动调心机构结构设计及其曲柄滑块机构安装形式手动调心机构结构设计及其曲柄滑块机构安装形式 手动调心机构如图 2.2 所示，其中整个手动调心机构主要部分为曲柄滑块机构， 其中滑块是通过手动方式转动手柄，通过齿轮传动，最后通过螺旋传动带动沿着竖直方 向上下移动的，利用曲柄滑块机构实现整个机械手的定位和调心功能，确定手动调心机 构中曲柄滑块机构安装形式，如图 2.3 所示，手动调心机构中曲柄滑块机构折叠状态和 展开状态的位置图， 合理的优化设计曲柄滑块机构各个铰链的位置和各个连接杆的长度， 能够使得手动调心机构驱动力小并且结构紧凑。 7 图 2.2 手动调心机构结构图 Fig.2.2 The structural drawing of hand-centering control mechanism 8 山东科技大学硕士学位论文水泥储罐清理机械臂结构设计和优化 图 2.3 手动调心曲柄滑块机构折叠和展开状态 Fig.2.3 The fold and unfold condition of hand-centering control slider-crank mechanism 2.2.2 确定优化目标和优化变量确定优化目标和优化变量 如图 2.2 所示，手动调心机构中的曲柄滑块机构依靠滑块提供动力，实现折叠和展 开动作，因此确定曲柄滑块中滑块推力 f 为优化目标 8 9 。 由图 2.4 可知,通过确定 OA、AB、BC、CD 和 DE 五根杆件的长度来确定机构各个 安装点和铰链的位置，其中 OA 为曲柄铰链 A 到滑块中心 OE 的距离，AB 为铰链 C 在 重力支撑杆件 AN 的投影距离，BC 为铰链 C 在重力支撑杆件 AN 的垂直距离，CD 为铰 链 C 和铰链 D 的距离，DE 为铰链 D 到滑块中心 OE 的垂直距离，因此设定 OA、AB、 BC、CD 和 DE 为优化变量，分别对应为 x(1)、x(2)、x(3)、x(4)和 x(5)五个参变量。 与图 2.3 机构简图比较，MN 和 NT 为图 2.2 图中的绳索，绳索悬挂整个设备，承受 重力，支点 N 为滑轮，简化为如图 2.4 所示的受力方式，MN 和 NT 受拉力且大小相等 方向相反，为设备自身重力，方向沿绳索方向，NS 为 MN 和 NT 上力的合力。 9 山东科技大学硕士学位论文水泥储罐清理机械臂结构设计和优化 10 图 2.4 手动调心曲柄滑块机构结构简图及参数 Fig.2.4 The diagram and parameters of hand-centering control slider-crank mechanism 其中下列元素均为定量，不随参变量的改变而改变： M=1077Kg （2.1） QM=380mm （2.2） OQ=1250mm （2.3） AN=3400mm （2.4） 2.2.3 建立运动学模型建立运动学模型 根据图 2.4 确定支撑杆件 AN 的转动角度为自变量，通过图 2.4 所示的几何关系， 确定模型的优化量 OA、AB、BC、CD 和 DE，最终确定手动调心曲柄滑块机构的运动 学模型。 2 AC= ABBC+ 2 （2.5） 山东科技大学硕士学位论文水泥储罐清理机械臂结构设计和优化 BC BH= tan （2.6） BC HC= sin （2.7） AH=AB+BH （2.8） AG=AH sin （2.9） EF=OG=OAAG+ （2.10） DF=|EF-DE| （2.11） DCF=arcsinDF CD （2.12） ACB=arctanAB BC （2.13） BCH=- 2 （2.14） ACD= - DCF- ACB- BCH （2.15） AI=AC sinACD （2.16） FC=CD cosDCF （2.17） CG=AC cosACH （2.18） OE=FG=FC+CG （2.19） DCF= （2.20） f 1 F cos f F = （2.21） F1 MFA ff =I （2.22） PQ=AN sinOA+ （2.23） MP=PQQM （2.24） PN=AN cosOQ+ （2.25） MP PNM=arctan PN （2.26） MNT= - PNM （2.27） 2 =2cos MNT ns Gmg （2.28） ( MNT AW=AN sin 2 ) （2.29） 11 山东科技大学硕士学位论文水泥储罐清理机械臂结构设计和优化 mgns MGA=W （2.30） 其中： ns G为重力mg在绳索MNT上的合力； Ff为滑块上的推力； 1 Ff为Ff产生的沿杆CD的分力； F M f 为 1 Ff在铰链A处的力矩； mg M为在铰链A处的力矩； ns G 2.2.4 建立最优化约束与目标函数建立最优化约束与目标函数 本次优化运动学模型的建立的前提条件：一，优化量OA、AB、BC、CD和DE能 够组成曲柄滑块机构，二，手动调心机构运动范围从0到90及自变量的范围从0到 90。 根据以上前提条件同时满足安装位置、干涉等要求建立以下约束条件 1 ： 0 11 20OA200 50AB1000 50BC200 100CD2000 60DE200 （2.31） () 2 2 DEOAAB OAACCE=CDDE OAABDECD= 2 OABCDEABCD=0 + + + + （） （） （2.32） 其中公式2.31是根据安装位置、 干涉等建立的， 公式2.32根据运行学建模前提条件 提出的。 以支撑杆件AN的转动过程中滑块推力的最大值达到最小为目标函数： mg f Mcos F AI = （2.33） 12 山东科技大学硕士学位论文水泥储罐清理机械臂结构设计和优化 2.2.5 调用调用 MATLAB 优化工具箱中的优化工具箱中的 fmincon 函数进行优化函数进行优化 函数fmincon的使用格式为 1 ： 2 14 xopt,fopt=fmincon(qblgmb,x0,A,b,Aeq,beq,ll,ul, qblgys,options) 其中：xopt为返回目标函数的最优解，即各个参变量的数值； fopt是返回目标函数最优解； qblgmb是调用目标函数的文件名； x0是优化量的初始点； 线形不等式约束条件的系数矩阵A，b是对应线形不等式约束条件的常向量； 线性等式约束条件的系数矩阵Aeq，beq为对应线性等式约束条件的常向量； ll与ul分别是优化变量x的上界向量和下界向量； qblgys是定义非线性约束条件的函数名； options为设置优化选项参数； 如果参数A,b,Aeq,beq,ll,ul, qblgys,options没有定义，用“”代替。 1、建立主函数文件qblgmian.m： x0=48;870;100;1300;118; a=1,1,0,-1,-1;-1,-1,0,0,1; b=zeros(2,1); ll=20;50;50;100;60; ul=200;1000;200;2000;200; options=optimset(MaxFunEvals,42550,TolCon,MaxIter,6420); x,fmax=fmincon(qblgmb,x0,a,b,ll,ul,qblgys,options); disp * 曲柄滑块机构优化最优解 * fprintf(1,x(1)=%3.4f mmn,x(1) fprintf(1,x(2)=%3.4f mmn,x(2) fprintf(1,x(3)=%3.4f mmn,x(3) 13 山东科技大学硕士学位论文水泥储罐清理机械臂结构设计和优化 fprintf(1,x(4)=%3.4f mmn,x(4) fprintf(1,x(5)=%3.4f mmn,x(5) fprintf(1,滑块最大驱动力fmax=%6.4f Nn,fmax) 2、建立优化目标函数文件qblgmb.m： function fmax=qblgmb(x) oa=x(1); %曲柄铰链到滑块中心的距离OA，单位为mm ab=x(2); %曲柄AB长度，单位为mm bc=x(3); %曲柄和连杆组成的铰链到曲柄AB的距离BC，单位为mm cd=x(4); %连杆CD长度，单位为mm de=x(5); %连杆和滑块的铰链到滑块的距离DE，单位为mm m=1077; %曲柄AB末端承受的重量，单位kg g=9.8; %重力加速度 l=3400; %重力支撑点N到铰链A的距离AN qm=380; %定滑轮到滑块中心距离 oq=2000; %定滑轮到曲柄支点A的距离 ac=(ab2+bc2)0.5; %距离AC bitaacb=atan(ab/bc); %角ACB alfa=zeros(1,12); bh=zeros(1,12); hc=zeros(1,12); ah=zeros(1,12); og=zeros(1,12); 14 山东科技大学硕士学位论文水泥储罐清理机械臂结构设计和优化 ef=zeros(1,12); df=zeros(1,12); bitadcf=zeros(1,12); bitabch=zeros(1,12); bitaacd=zeros(1,12); ai=zeros(1,12); fc=zeros(1,12); bitaach=zeros(1,12); cg=zeros(1,12); oe=zeros(1,12); bita=zeros(1,12); f1=zeros(1,12); for j=1:12 alfa(j)=(1+(j-1) 8) pi/180; %曲柄转动角度 bh(j)=bc/tan(alfa(j); %距离BH hc(j)=bc/sin(alfa(j); %距离HC ah(j)=ab+bh(j); %距离AH ag(j)=ah(j) sin(alfa(j); %距离AG og(j)=oa+ag(j); %距离OG ef(j)=og(j); %距离EF df(j)=abs(ef(j)-de); %距离DF，取绝对值abs（） bitadcf(j)=asin(df(j)/cd); %角DCF 15 山东科技大学硕士学位论文水泥储罐清理机械臂结构设计和优化 bitabch(j)=pi/2-alfa(j); %角BCH bitaacd(j)=pi-bitadcf(j)-bitaacb-bitabch(j); %角ACD ai(j)=acsin(bitaacd(j); %距离AI fc(j)=cdcos(bitadcf(j); %距离FC bitaach(j)=bitaacb+bitabch(j); %角ACH cg(j)=accos(bitaach(j); %距离CG oe(j)=fc(j)+cg(j); %距离OG bita(j)=bitadcf(j); %角 %下面是求重力和绳索拉力在滑轮处的合力 pq=lsin(alfa(j)+oa; mp=pq-qm; pn=lcos(alfa(j)+oq; bitapnm=atan(mp/pn); bitamnt=pi-bitapnm; gns=2mgcos(bitamnt/2); aw=lsin(pi-bitamnt/2-alfa(j); f1(j)=gnsawcos(bita(j)/ai(j); %滑块推力 end fmax=max(f1); %最大推力 3、建立优化约束函数文件qblgys.m： function c,cep=qblgys(x) c(1)=x(1)+(x(2)2+x(3)2)0.5-x(4)-x(5); 16 山东科技大学硕士学位论文水泥储罐清理机械臂结构设计和优化 c(2)=(x(1)+x(3)-x(5)2+x(2)2)0.5-x(4); cep=; 4、运行主程序并得以下优化结果 * 曲柄滑块机构优化最优解 * x(1)=20.0000 mm x(2)=1000.0000 mm x(3)=200.0000 mm x(4)=2000.0000 mm x(5)=200.0000 mm 滑块最