基于壓延機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析軟件開(kāi)發(fā)

周 凌

ZHOU Ling

（無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無(wú)錫 214023）

基于壓延機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析軟件開(kāi)發(fā)

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

周 凌

ZHOU Ling

（無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無(wú)錫 214023）

多連桿機(jī)構(gòu)作為拉延壓力機(jī)的工作機(jī)構(gòu)是拉延壓力機(jī)的關(guān)鍵部件之一，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，對(duì)拉延壓力機(jī)工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)合理設(shè)計(jì)拉延壓力機(jī)工作機(jī)構(gòu)具有重要作用。本文主要介紹軟件開(kāi)發(fā)中的接口問(wèn)題和編程關(guān)鍵問(wèn)題，并提供了一個(gè)壓延機(jī)運(yùn)動(dòng)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(diǎn)。

拉延壓力機(jī)；多連桿機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

拉延壓力機(jī)是應(yīng)用于薄板拉延工藝的專(zhuān)用壓力機(jī)，多連桿機(jī)構(gòu)是現(xiàn)代拉延壓力機(jī)內(nèi)、外滑塊普遍采用的工作機(jī)構(gòu)。多連桿機(jī)構(gòu)作為拉延壓力機(jī)的工作機(jī)構(gòu)是拉延壓力機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其設(shè)計(jì)水平的高低直接影響到工作機(jī)構(gòu)性能的好壞，進(jìn)而影響整機(jī)的性能以及拉延工件的質(zhì)量等。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，對(duì)拉延壓力機(jī)工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)合理設(shè)計(jì)拉延壓力機(jī)工作機(jī)構(gòu)具有重要作用。

本文用VB6.0和Matlab開(kāi)發(fā)的拉延壓力機(jī)多連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件。利用Visual Basic 6.0開(kāi)發(fā)了程序主界面，利用Matlab 強(qiáng)大的計(jì)算及繪圖功能建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件的內(nèi)核，這種方法可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，基本實(shí)現(xiàn)了程序的智能化，提高了軟件操作時(shí)的人機(jī)交互性，降低了對(duì)使用者的要求。利用所開(kāi)發(fā)的軟件，對(duì)拉延壓力機(jī)工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性曲線(xiàn)進(jìn)行跟蹤顯示，不僅可以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的合理性，而且可以檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理，為拉延壓力機(jī)多連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)有力的工具。對(duì)深入研究拉延壓力機(jī)多連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和整機(jī)性能參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)多連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)用傳統(tǒng)方法(使用Turbo C, FORTRAN 77和高級(jí)BASIC )開(kāi)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(guān)，不能根據(jù)仿真結(jié)果隨時(shí)修改機(jī)構(gòu)參數(shù)。Visual Basic(簡(jiǎn)稱(chēng)VB)的特點(diǎn)是它的簡(jiǎn)易性，用戶(hù)分析壓力機(jī)多連桿機(jī)構(gòu)時(shí)，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(jī)構(gòu)滑塊運(yùn)動(dòng)的位移、速度、加速度曲線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)分析，并可對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)曲線(xiàn)圖進(jìn)行實(shí)時(shí)參數(shù)修改。對(duì)現(xiàn)有機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，用戶(hù)只將機(jī)構(gòu)的性能約束指標(biāo)輸入，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行多次優(yōu)化輸出，用戶(hù)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(yùn)動(dòng)分析模塊、多連桿機(jī)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊和優(yōu)化結(jié)果的后處理模塊。各模塊的功能簡(jiǎn)述如下:

1）現(xiàn)有方案預(yù)處理模塊

該模塊用VB開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有的多連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行前期的預(yù)處理判斷。通過(guò)輸入現(xiàn)有機(jī)構(gòu)方案的機(jī)構(gòu)參數(shù)，該模塊將判斷現(xiàn)有方案是否滿(mǎn)足各桿長(zhǎng)的邊界條件、曲柄存在條件以及是否滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)其他的限制條件等。如果現(xiàn)有方案通過(guò)合法性檢驗(yàn)，該模塊將生成一個(gè)中間數(shù)據(jù)文件，供后續(xù)Matlab編寫(xiě)的程序模塊調(diào)用；同時(shí)該模塊結(jié)束前自動(dòng)調(diào)用Matlab程序，進(jìn)行后續(xù)模塊的處理。

2）現(xiàn)有方案運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方程，生成在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)拉延壓力機(jī)多連桿機(jī)構(gòu)內(nèi)外滑塊的位移曲線(xiàn)、速度曲線(xiàn)及加速度曲線(xiàn)。對(duì)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(dòng)曲線(xiàn)。

該模塊是一個(gè)現(xiàn)有方案的運(yùn)動(dòng)學(xué)正向求解的過(guò)程。

3）機(jī)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊

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

4）優(yōu)化結(jié)果后處理模塊

該模塊針對(duì)最優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊得到的最優(yōu)化結(jié)果，完成后期的處理過(guò)程。包括優(yōu)化結(jié)果的運(yùn)動(dòng)特性曲線(xiàn)顯示、外滑塊在壓緊角內(nèi)的位移波動(dòng)量比較等優(yōu)化結(jié)果的后期顯示處理過(guò)程。

后三個(gè)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(xiàng)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(dòng)態(tài)數(shù)組）和自定義數(shù)據(jù)類(lèi)型（Type Statement）就可以滿(mǎn)足需求，且機(jī)制上也非常靈活。首先新建一個(gè)模塊（commondata.bas）專(zhuān)門(mén)用于存儲(chǔ)輸入數(shù)據(jù)，然后聲明各種類(lèi)型的變量。其中自定義數(shù)據(jù)類(lèi)型（Type Statement）可以包含多個(gè)互相關(guān)聯(lián)的不同數(shù)據(jù)類(lèi)型的元素，聲明了一個(gè)自定義數(shù)據(jù)類(lèi)型后便可以定義一個(gè)那種類(lèi)型的變量。對(duì)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(kāi)發(fā)工具來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的合法性校驗(yàn)和采集，生成一個(gè)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(gè)功能強(qiáng)大的工具軟件，對(duì)數(shù)據(jù)運(yùn)算、圖形處理仿真有很強(qiáng)的處理能力。本軟件用VB實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作，然后VB調(diào)用matlab 來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。運(yùn)動(dòng)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果以直觀(guān)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(shí)現(xiàn)可視化的人機(jī)交互。在matlab中使用m函數(shù)繪制圖形時(shí)，默認(rèn)的圖形格式為fig,這種格式是VB所無(wú)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(shí)現(xiàn)拉延壓力機(jī)“連桿曲線(xiàn)”型六連桿機(jī)構(gòu)和外滑塊串接四連桿機(jī)構(gòu)各桿長(zhǎng)參數(shù)和幾何參數(shù)的輸入、修改;可根據(jù)輸入的各個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算、顯示多連桿機(jī)構(gòu)滑塊的位移、速度、加速度曲線(xiàn)，顯示外滑塊在壓緊角內(nèi)的位移波動(dòng)曲線(xiàn);進(jìn)行“連桿曲線(xiàn)”型六連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)給定的設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，進(jìn)行多次優(yōu)化，并輸出各次優(yōu)化的滑塊速度曲線(xiàn)比較，選擇合適的優(yōu)化方案，輸出優(yōu)化方案的機(jī)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)學(xué)圖線(xiàn);進(jìn)行外滑塊串接四連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)給定的滑塊位移波動(dòng)限定值進(jìn)行優(yōu)化，輸出優(yōu)化后的位移波動(dòng)比較曲線(xiàn)，輸出優(yōu)化方案的各個(gè)機(jī)構(gòu)參數(shù)。

2.2 六桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件主界面

六桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件主界面包括“連桿曲線(xiàn)”型六連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)主界面和外滑塊串接四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)主界面。按功能分為機(jī)構(gòu)參數(shù)輸入、幾何參數(shù)輸入、運(yùn)動(dòng)分析、壓緊角內(nèi)位移波動(dòng)顯示、優(yōu)化設(shè)計(jì)等主要按鈕，每一個(gè)主要功能按鈕又有相應(yīng)的二級(jí)對(duì)話(huà)框，完成該功能按鈕指定的輸入、計(jì)算或顯示功能。

3 系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析的正確性以及優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性，以應(yīng)用“連桿曲線(xiàn)”型六連桿機(jī)構(gòu)的德國(guó)類(lèi)型壓力機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了相應(yīng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)函數(shù)曲線(xiàn)和優(yōu)化方案。

輸入機(jī)構(gòu)參數(shù)：曲柄長(zhǎng)度R=122.0，桿長(zhǎng)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(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，得到了該六連桿機(jī)構(gòu)滑塊的位移、速度、加速度曲線(xiàn)，從曲線(xiàn)可以看出，該機(jī)構(gòu)滑塊在工作行程內(nèi)的速度波動(dòng)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(jī)構(gòu)額定最大加速度，應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到工作行程內(nèi)速度穩(wěn)定的曲線(xiàn)，并輸出優(yōu)化方案的機(jī)構(gòu)參數(shù)：曲柄長(zhǎng)度R=122.000，桿長(zhǎng)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(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)設(shè)計(jì)。

4 本軟件的特點(diǎn)

利用Visual Basic 6.0和matlab，開(kāi)發(fā)了拉延壓力機(jī)“連桿曲線(xiàn)”型六連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，可用于這種機(jī)構(gòu)的現(xiàn)有機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

該軟件具有以下主要特點(diǎn):

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(lái)，便于用戶(hù)觀(guān)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(shí)，圖形觀(guān)察區(qū)將顯示參數(shù)調(diào)整后的機(jī)構(gòu)狀況。

利用該軟件對(duì)壓力機(jī)多連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅可以檢驗(yàn)原有設(shè)計(jì)方案的不足，而且可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到比原方案更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，該軟件對(duì)深入研究壓力機(jī)多連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和整機(jī)性能參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)將產(chǎn)生深刻的指導(dǎo)意義。

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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(wú)錫人， 講師，本科，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。