周 凌

ZHOU Ling

（無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無錫 214023）

基于壓延機的機構(gòu)運動分析軟件開發(fā)

Based on the analysis of mechanism motion of the calender software development

周 凌

ZHOU Ling

（無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無錫 214023）

多連桿機構(gòu)作為拉延壓力機的工作機構(gòu)是拉延壓力機的關(guān)鍵部件之一，在產(chǎn)品的設(shè)計階段，對拉延壓力機工作機構(gòu)進行運動分析與優(yōu)化設(shè)計對合理設(shè)計拉延壓力機工作機構(gòu)具有重要作用。本文主要介紹軟件開發(fā)中的接口問題和編程關(guān)鍵問題，并提供了一個壓延機運動分析和優(yōu)化的算例介紹該軟件的使用方法，介紹了該軟件的一些特點。

拉延壓力機；多連桿機構(gòu)；運動分析；優(yōu)化設(shè)計

0 引言

拉延壓力機是應(yīng)用于薄板拉延工藝的專用壓力機，多連桿機構(gòu)是現(xiàn)代拉延壓力機內(nèi)、外滑塊普遍采用的工作機構(gòu)。多連桿機構(gòu)作為拉延壓力機的工作機構(gòu)是拉延壓力機的關(guān)鍵部件之一，其設(shè)計水平的高低直接影響到工作機構(gòu)性能的好壞，進而影響整機的性能以及拉延工件的質(zhì)量等。在產(chǎn)品的設(shè)計階段，對拉延壓力機工作機構(gòu)進行運動分析與優(yōu)化設(shè)計對合理設(shè)計拉延壓力機工作機構(gòu)具有重要作用。

本文用VB6.0和Matlab開發(fā)的拉延壓力機多連桿機構(gòu)運動分析與優(yōu)化設(shè)計軟件。利用Visual Basic 6.0開發(fā)了程序主界面，利用Matlab 強大的計算及繪圖功能建立機構(gòu)運動分析與優(yōu)化設(shè)計軟件的內(nèi)核，這種方法可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，基本實現(xiàn)了程序的智能化，提高了軟件操作時的人機交互性，降低了對使用者的要求。利用所開發(fā)的軟件，對拉延壓力機工作機構(gòu)的運動特性曲線進行跟蹤顯示，不僅可以檢驗設(shè)計方案的合理性，而且可以檢驗機構(gòu)參數(shù)設(shè)計是否合理，為拉延壓力機多連桿機構(gòu)的設(shè)計提供了一個有力的工具。對深入研究拉延壓力機多連桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和整機性能參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計將產(chǎn)生一定的指導(dǎo)意義。

1 系統(tǒng)的基本模塊結(jié)構(gòu)

拉延壓力機多連桿機構(gòu)的運動分析及優(yōu)化設(shè)計用傳統(tǒng)方法(使用Turbo C, FORTRAN 77和高級BASIC )開發(fā)的程序是在DOS環(huán)境下，編程相當(dāng)困難，而且界面不直觀，不能根據(jù)仿真結(jié)果隨時修改機構(gòu)參數(shù)。Visual Basic(簡稱VB)的特點是它的簡易性，用戶分析壓力機多連桿機構(gòu)時，只要按照提示輸入原始已知數(shù)據(jù)并按相應(yīng)按鈕，就能得到多連桿機構(gòu)滑塊運動的位移、速度、加速度曲線，實現(xiàn)實時運動分析，并可對運動學(xué)曲線圖進行實時參數(shù)修改。對現(xiàn)有機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計時，用戶只將機構(gòu)的性能約束指標(biāo)輸入，系統(tǒng)會進行多次優(yōu)化輸出，用戶選擇最優(yōu)方案即可。

1.1 基本模塊

該系統(tǒng)分為現(xiàn)有方案預(yù)處理模塊、現(xiàn)有方案運動分析模塊、多連桿機構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計模塊和優(yōu)化結(jié)果的后處理模塊。各模塊的功能簡述如下:

1）現(xiàn)有方案預(yù)處理模塊

該模塊用VB開發(fā)，實現(xiàn)對現(xiàn)有的多連桿機構(gòu)進行前期的預(yù)處理判斷。通過輸入現(xiàn)有機構(gòu)方案的機構(gòu)參數(shù)，該模塊將判斷現(xiàn)有方案是否滿足各桿長的邊界條件、曲柄存在條件以及是否滿足機構(gòu)其他的限制條件等。如果現(xiàn)有方案通過合法性檢驗，該模塊將生成一個中間數(shù)據(jù)文件，供后續(xù)Matlab編寫的程序模塊調(diào)用；同時該模塊結(jié)束前自動調(diào)用Matlab程序，進行后續(xù)模塊的處理。

2）現(xiàn)有方案運動分析模塊

該模塊在預(yù)處理模塊的基礎(chǔ)上，根據(jù)多連桿機構(gòu)的運動學(xué)分析方程，生成在一個工作循環(huán)內(nèi)拉延壓力機多連桿機構(gòu)內(nèi)外滑塊的位移曲線、速度曲線及加速度曲線。對于起壓邊作用的外滑塊，該模塊還給出在壓緊角范圍內(nèi)的位移波動曲線。

該模塊是一個現(xiàn)有方案的運動學(xué)正向求解的過程。

3）機構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計模塊

該模塊根據(jù)拉延壓力機的性能要求，確定目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計變量和約束條件，建立多連桿機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模型。并根據(jù)所選的優(yōu)化設(shè)計方法進行迭代收斂計算，最終得到機構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計方案結(jié)果。

4）優(yōu)化結(jié)果后處理模塊

該模塊針對最優(yōu)化設(shè)計模塊得到的最優(yōu)化結(jié)果，完成后期的處理過程。包括優(yōu)化結(jié)果的運動特性曲線顯示、外滑塊在壓緊角內(nèi)的位移波動量比較等優(yōu)化結(jié)果的后期顯示處理過程。

后三個模塊都是在Matlab環(huán)境中用M文件編制的。

1.2 程序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

本項目中使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，利用數(shù)組（尤其動態(tài)數(shù)組）和自定義數(shù)據(jù)類型（Type Statement）就可以滿足需求，且機制上也非常靈活。首先新建一個模塊（commondata.bas）專門用于存儲輸入數(shù)據(jù)，然后聲明各種類型的變量。其中自定義數(shù)據(jù)類型（Type Statement）可以包含多個互相關(guān)聯(lián)的不同數(shù)據(jù)類型的元素，聲明了一個自定義數(shù)據(jù)類型后便可以定義一個那種類型的變量。對于需要在全域使用的變量，要將其定義成Public變量。

1.3 基本框架的建立

利用VB6.0提供的快速開發(fā)工具來進行數(shù)據(jù)信息的合法性校驗和采集，生成一個中間數(shù)據(jù)文件，該文件是VB和Matlab程序的數(shù)據(jù)接口。

Matlab 是一個功能強大的工具軟件，對數(shù)據(jù)運算、圖形處理仿真有很強的處理能力。本軟件用VB實現(xiàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作，然后VB調(diào)用matlab 來進行運動分析和優(yōu)化設(shè)計。運動分析和優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果以直觀的圖形形式給出。在matlab 中繪制好圖形后，保存成jpg格式的文件。VB使用loadpicture()函數(shù)，把圖形加載到主界面中的Picture控件中，實現(xiàn)可視化的人機交互。在matlab中使用m函數(shù)繪制圖形時，默認(rèn)的圖形格式為fig,這種格式是VB所無法處理的，為此可以使用如下的m函數(shù)，將其圖形變成jpg格式保存：

h=get(0, 'Current Figure' ); //獲得當(dāng)前圖形句柄saveas(h,'me','jpg') //另存為me.jpg

2 主要功能及界面

2.1 主要功能

本軟件可實現(xiàn)拉延壓力機“連桿曲線”型六連桿機構(gòu)和外滑塊串接四連桿機構(gòu)各桿長參數(shù)和幾何參數(shù)的輸入、修改;可根據(jù)輸入的各個數(shù)據(jù)計算、顯示多連桿機構(gòu)滑塊的位移、速度、加速度曲線，顯示外滑塊在壓緊角內(nèi)的位移波動曲線;進行“連桿曲線”型六連桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)給定的設(shè)計性能指標(biāo)，進行多次優(yōu)化，并輸出各次優(yōu)化的滑塊速度曲線比較，選擇合適的優(yōu)化方案，輸出優(yōu)化方案的機構(gòu)參數(shù)和運動學(xué)圖線;進行外滑塊串接四連桿機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)設(shè)計給定的滑塊位移波動限定值進行優(yōu)化，輸出優(yōu)化后的位移波動比較曲線，輸出優(yōu)化方案的各個機構(gòu)參數(shù)。

2.2 六桿機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計軟件主界面

六桿機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計軟件主界面包括“連桿曲線”型六連桿機構(gòu)運動分析與優(yōu)化設(shè)計主界面和外滑塊串接四連桿機構(gòu)運動分析與優(yōu)化設(shè)計主界面。按功能分為機構(gòu)參數(shù)輸入、幾何參數(shù)輸入、運動分析、壓緊角內(nèi)位移波動顯示、優(yōu)化設(shè)計等主要按鈕，每一個主要功能按鈕又有相應(yīng)的二級對話框，完成該功能按鈕指定的輸入、計算或顯示功能。

3 系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計實例

為了檢驗系統(tǒng)運動分析的正確性以及優(yōu)化設(shè)計的合理性，以應(yīng)用“連桿曲線”型六連桿機構(gòu)的德國類型壓力機進行運動分析與優(yōu)化設(shè)計，得到了相應(yīng)機構(gòu)的運動學(xué)函數(shù)曲線和優(yōu)化方案。

輸入機構(gòu)參數(shù)：曲柄長度R=122.0，桿長L1=400.00，L4=460.52，L5=467.63固定支架01、02間距X0=87.66，YO=764.08,，角度δ=129.03，轉(zhuǎn)速ω=1.50，系統(tǒng)進行運動分析，得到了該六連桿機構(gòu)滑塊的位移、速度、加速度曲線，從曲線可以看出，該機構(gòu)滑塊在工作行程內(nèi)的速度波動比較大，拉延速度不穩(wěn)定，導(dǎo)致拉延質(zhì)量降低。給定滑塊的額定行程和機構(gòu)額定最大加速度，應(yīng)用系統(tǒng)對該機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，得到工作行程內(nèi)速度穩(wěn)定的曲線，并輸出優(yōu)化方案的機構(gòu)參數(shù)：曲柄長度R=122.000，桿長L1=400.000，L4=479.072，L5=467.630，固定支架01、02間距X0=132.646,YO=602.610,角度δ=126.298，轉(zhuǎn)速ω=1.50，供對該機構(gòu)進行進一步的改進設(shè)計。

4 本軟件的特點

利用Visual Basic 6.0和matlab，開發(fā)了拉延壓力機“連桿曲線”型六連桿機構(gòu)的運動分析與優(yōu)化設(shè)計軟件，可用于這種機構(gòu)的現(xiàn)有機構(gòu)運動學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計，給出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計方案。

該軟件具有以下主要特點:

1）信息可視化即輸入的信息和輸出的信息都以顯式的形式在圖形區(qū)顯示出來，便于用戶觀察。

2）數(shù)據(jù)調(diào)整可視化 任一參數(shù)數(shù)據(jù)調(diào)整時，圖形觀察區(qū)將顯示參數(shù)調(diào)整后的機構(gòu)狀況。

利用該軟件對壓力機多連桿機構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，不僅可以檢驗原有設(shè)計方案的不足，而且可以通過優(yōu)化設(shè)計得到比原方案更優(yōu)的設(shè)計方案。同時，該軟件對深入研究壓力機多連桿機構(gòu)的設(shè)計和整機性能參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計將產(chǎn)生深刻的指導(dǎo)意義。

[1] 何德譽.曲柄壓力機[M].北京:機械工業(yè)出版社,1996.

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TH166

A

1009-0134(2010)11(下)-0183-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(下).61

2010-09-06

周凌（1976 -），女 ，江蘇無錫人， 講師，本科，研究方向為機械設(shè)計。