對給定任務(wù)的機構參數優(yōu)化

第11期機械設計與制造2013年11月Machinery Design & Manufacture9對給定任務(wù)的機構參數優(yōu)化駱海濤12,王洪光!(1.中國科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所,遼寧沈陽(yáng)110016;2.中國科學(xué)院大學(xué) ,北京100049)摘要:針對給定任務(wù)的機構參 數優(yōu)化問(wèn)題,提出了一種由兩款軟件協(xié)同的聯(lián)合仿真設計方法。首先,利用MATLAB/SimMechanics工具箱建立了平面四桿機構的機械系統模型;其次,借助于Isight- -FD 建立該優(yōu)化問(wèn)題的目標函數;最后，通過(guò)聯(lián)合仿真分析得到了滿(mǎn)足任務(wù)要求的一組最優(yōu)參教。 仿真結果表明,優(yōu)化后的仿真曲線(xiàn)能夠很好地逼近于給定的任務(wù)軌跡,保證了工作路徑的擬合精度。該種聯(lián)合仿真設計方法結合了不同種軟件自身的優(yōu)勢,具有便捷、高效和直觀(guān)的特點(diǎn),對于其他不同樣式的機構和結構參數優(yōu)化具有指導和借鑒意義。關(guān)鍵詞:參數優(yōu)化;聯(lián)合仿真;Isight- FD;MATLAB/SimMechanics中圖分類(lèi)號:TH16文獻標識碼:A文章編號: 1001 -3997(2013)11- -0019 -04Parameters Optimization for Mechanism for a Given TaskLUO Hai-taol2, WANG Hong- guang'( 1.Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Liaoning Shenyang 1 10016, China;2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)Abstract:A iming at parameters optimization problem for a given mechanism, a co-simulation desigm method by t1wo kinds ofsofware cooperation is put fonward. Firstly, it establishes the mechanical system model of plane four-bar mechanism usingMATLAB/SimMechanics lolbox, and the next, creates the objective function for the optimizaion problem by means of Isight-FD; at last, oblains a group of optimal parameters to satisfy the requirements of given tasks through co- simulation analysis.The simulation results show that optimized simulation curve can be a good approximation to given trgjectory and ensure thefutting precision of working path. Combined with the advanloges of different kinds of sofuware, the co -simulation designmethod is convenient, high eficient and intuitive ，which has guidance and significance to other different style of mechanismand structure for parameters optimization.Key Words:Parameters Optimization; Co Simulation; lsight-FD; MATLABSimMechanics1引言以方便的建立復雜機械系統的圖示化模型,進(jìn)行機械系統的單獨在連桿機構運動(dòng)的過(guò)程中，固接在連桿平面上的各點(diǎn)將描分析或與其它優(yōu)化分析軟件的聯(lián)合仿真分析網(wǎng)。繪出各種不同形狀的曲線(xiàn),這些曲線(xiàn)稱(chēng)之為連桿軌跡線(xiàn)。而連桿綜合上述兩種仿真軟件自身的優(yōu)勢,對工程中經(jīng)常用到的機構的設計,很多情況下是利用連桿上某- -位置點(diǎn)的軌跡線(xiàn)來(lái)完四桿機構進(jìn)行了聯(lián)合仿真設計。首先,利用了SimMechanics的圖成預期任務(wù)的。由于任務(wù)的特殊性,使得連桿上設計點(diǎn)的軌跡線(xiàn)示化建模,所見(jiàn)即可得,簡(jiǎn)單易懂的特點(diǎn),減少了編程計算的工變得相對復雜。如果要保證連桿的軌跡線(xiàn)能夠很好地吻合給定的作量。同時(shí),也利用了lsight-FD超強的軟件集成能力和優(yōu)化計任務(wù)路徑進(jìn)行作業(yè),這就需要對連桿機構進(jìn)行合理的設計。因此，算能力,將SimnMechanics的仿真框圖集成進(jìn)來(lái)進(jìn)行多次優(yōu)化迭連桿機構設計的問(wèn)題不僅包括常規的結構設計、動(dòng)力設計和連續代。最終,得到了滿(mǎn)足給定任務(wù)要求的最優(yōu)機構參數。該種聯(lián)合運動(dòng)設計,還要滿(mǎn)足給定任務(wù)約束條件下的機構參數優(yōu)化設計。仿真方法簡(jiǎn)便易行,為連桿機構的快速優(yōu)化設計提供了高效地解Isight-FD是法國某公司最新發(fā)布的一款功能強大易于使用決方案。的多學(xué)科多目標設計優(yōu)化軟件。它通過(guò)-種搭積木的方式快速集2平面四桿機構優(yōu)化模型的建立成和耦合各種仿真軟件并使整個(gè)設計流程實(shí)現數字化和全自動(dòng)化，為了滿(mǎn)足工程應用中的任務(wù)需求，我們引出了下面所述的能夠幫助廣:大產(chǎn)品設計人員CAE仿真人員完成從簡(jiǎn)單部件的參平面四桿機構優(yōu)化設計問(wèn)題，如圖1所示。該平面四桿機構是一數研究到復雜系統的綜合優(yōu)化任務(wù)"。SimMechanics 是MATLAB曲柄搖桿機構 ,其中,AB為曲柄,BC為連桿,CD為搖桿。連桿BC中的一個(gè)工具箱,同時(shí)結合了Simulink的功能。它利用模塊框圖有一定的面積中國煤化三我們所設計機構的工的建模環(huán)境來(lái)對剛體機構運動(dòng)進(jìn)行設計和仿真。使用這些模塊可作點(diǎn)。 它的位長(cháng)度來(lái)決定的。YHCNMH G來(lái)稿日期:2013-01-01基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(51175494)作者簡(jiǎn)介:駱海濤,( 1983-),男,遼寧興城人,博士研究生,主要研究方向:機器人動(dòng)力學(xué)20駱海濤等:對給定任務(wù)的機構參數優(yōu)化第11期量的取值范圍。[-2≤A.≤0,0≤A,≤22.0≤D,≤2,0SD,≤2LCD-(4)-1≤E,≤3,- -0.5≤E,≤1(Ex,Ey)0≤LAB≤3,0≤LCD≤30.5...券分2.3指定目標函數(Dx,Djy)為了無(wú)限逼近給定的工作曲線(xiàn),將這兩條曲線(xiàn)進(jìn)行離散,并(Ax,Ay)把相應離散點(diǎn)的橫縱坐標之差平方和的均方根值作為該優(yōu)化模型的目標函數。圖1四桿機構優(yōu)化問(wèn)題模型(5)Fig.1 ptimization Problem Model of Four-Bar Mechanism圖中曲線(xiàn)是基于特定任務(wù)的工作曲線(xiàn),并將其固定在給定式中:E,,E,- -所設計機構E點(diǎn)軌跡曲線(xiàn)的橫縱坐標值;的坐標系范圍內。因此,連桿機構的設計問(wèn)題即是如何保證位置E, ,E,一固定任務(wù)路徑的橫縱坐標值;點(diǎn)E的連桿軌跡能夠與坐標系中固定的工作曲線(xiàn)近似重合。為n一離散點(diǎn)的數量。了解決上述問(wèn)題，我們需要對平面四桿機構進(jìn)行優(yōu)化模型的建3平面四桿機構聯(lián)合仿真分析Isight- -FD與SimMechanics聯(lián)合仿真主要是在lsight-FD中2.1設計變定義為了建立四桿機構的參數化模型，定義了如下變量進(jìn)行建進(jìn)行的。首先，根據初始機構參數,在SimMechanics中建立起四模。曲柄的長(cháng)度LAB,搖桿的長(cháng)度LCD,曲柄和搖桿與大地相連桿機構的機械系統模型。其次，在Isight- FD中按照指定的優(yōu)化算接位置點(diǎn)的坐標分別為(A.,A,)和(,,D),設計點(diǎn)E的坐標(E,法對所集成軟件的輸人文件進(jìn)行修改和求解計算并讀取目標函E,)。根據這八個(gè)設計變量即可建立起四桿機構的參數化模型,四數值。然后,判別目標函數值是否達到最優(yōu),如果達到最優(yōu)則優(yōu)化結束,否則對輸人文件再次進(jìn)行修改計算,直至取得理想的目標桿機構的設計變量為:值啊,這一典型優(yōu)化過(guò)程,如圖3所示。X-(A,A,D,D,L,B,LCD)2.2施加約束條件初始機構設計根據曲柄搖桿機構的特點(diǎn),曲柄存在的約束條件為:↓(LAB+LAD≤LBC+LCD機械系統分析模型LAB≤LAD(2)LABSLBC的設計變量LABSLCD為保證機構的傳動(dòng)性能良好，設計時(shí)一般應使傳動(dòng)角大于運行分析模型代程:40%。曲柄搖桿機構的傳動(dòng)角,如圖2所示。|獲取輸出文件的目標變量 kBN是否滿(mǎn)足設計要求?XD,D,D2lsight- -FDFranework最終設計方案)圖2曲柄搖桿機構圖3 lsight- FD與SimMechanics聯(lián)合仿真流程Fig2 Crank and Rocker MechanismFig3 Co simulation Process Between Isight-FD and SimMechanics當CB2CD290°,則CB,CDI為最小傳動(dòng)角;當∠B2CD>3.1機械系統模型的建立90° ,應該比較LBCD和180°-∠BCD2,兩者中較小者為最小在SimMechanics中,首先繪制出固定機架,用剛體模塊組中傳動(dòng)角。的Ground模塊來(lái)表示。然后從Joints模塊組中復制Revolute模LBCD=LBC +LCD -(LAD-LAB)塊,構造出第一個(gè)轉動(dòng)副。 依此類(lèi)推,就可以將所需的模塊都復制2LBCXLCD(3)到此模型窗口帆乎田米們干獸通sin模塊連接的方法,將LB,CD,= LBC +LCD'-(LAD-LAB)所有模塊連接中國煤化工=角速度為20deg/s,這2LBCxLCD四桿機構設計變量的取值范圍主要受工作路徑曲線(xiàn)所限樣整個(gè)機構就CN M H Ganics中,建立好的四制,根據工作路徑曲線(xiàn)在圖1所示坐標系中的位置,定義設計變桿機構機械系統模型, 如圖4所示。.No.1lNov.2013機械設計與制造4優(yōu)化結果分析在lighr FD的Runtime Cateway窗口內可以觀(guān)察到整個(gè)優(yōu)化的迭代過(guò)程B。同時(shí),在SimMechanics中也可以實(shí)時(shí)地顯示設申計點(diǎn)E的軌跡曲線(xiàn)逼近情況。最終優(yōu)化結果,如表1示。表1機構的最優(yōu)參數回r國由一-Tab.1 The Optimal Parameters of Four Bar Mechanism設計變量?jì)?yōu)化值A，-1.0-1.501710.5309四一首日1.4870圖4機械系統仿真框圖1.0.5190Fig4 Simulation Block Diagrams00.9864of Mechanical System1.02893.2優(yōu)化仿真模型的建立最后，我們將優(yōu)化結果軌跡線(xiàn)與原始給定的任務(wù)軌跡進(jìn)行將SimMechanics中的連桿機械系統模型集成到Isight-FD比較, 發(fā)現該種優(yōu)化算法能夠很好地滿(mǎn)足我們的設計要求,整個(gè)中進(jìn)行參數優(yōu)化,優(yōu)化框圖和仿真曲線(xiàn),如圖5所示。仿真的逼近效果,如圖6所示。又Optimizationl生0.8--I 10/440吉0.6--→MATLAB(a)優(yōu)化仿真框圖0o時(shí)間歷程1.2-一設計軌跡(a)時(shí)間歷程曲線(xiàn)初始軌跡優(yōu)化軌跡, 任務(wù)軌跡0.60.0.70.24。o.點(diǎn)E橫坐標(b)E點(diǎn)連桿曲線(xiàn)圖s lsighr FD集成仿真FigS Integated Simulation with Isight-FD-0.5.5由于模型簡(jiǎn)單，采用NLPQL序列二次規劃法進(jìn)行優(yōu)化設橫坐標值置。仿真結束后，用戶(hù)可以使用MATLAB自帶畫(huà)圖功能或(b)逼近效果曲線(xiàn)圖6優(yōu)化仿真結果Simulink示波器顯示仿真結果。Fig6 Simulation Results for the Opimization Analyislsight-FD調用MATLABSimMechanics的方法主要有以下其中,虛線(xiàn)代表設計變量取初值時(shí)E點(diǎn)的初始軌跡曲線(xiàn),點(diǎn)三種類(lèi)型網(wǎng):劃線(xiàn)代表原始給定任務(wù)的固定路徑,而實(shí)線(xiàn)代表的是四桿機構EMatlab input.m;點(diǎn)優(yōu)化后的設計軌跡曲線(xiàn)。從圖中,我們可以看到優(yōu)化后的設計Matlab-ri input.m-logfile output.dat;曲線(xiàn)與任務(wù)需求的固定軌跡線(xiàn)逼近良好。從而驗證了該種聯(lián)合仿采用DOS命令進(jìn)行調用;真方法的有效中國煤化工其中，前兩種方式可以直接將調用命令寫(xiě)人Isight-FD中，“Y片CNMH G第三種需要調用可執行文件。但是第三種比較通,用1igh-D測5 總結采用SimMechanices對四桿機構進(jìn)行了建模，解決了機械系用其它軟件均可以類(lèi)似方式進(jìn)行。No.1122機械設計與制造Nov.2013統的仿真問(wèn)題。應用Isight- FD對連桿上一點(diǎn)的軌跡進(jìn)行了優(yōu)化,得(Min Jian -qing, Xu Zi -bin. Motion analysis and simulation of planarfour -bar mechanism based on SimMechanics [J]. Jourmal of Light到了滿(mǎn)足設計要求的連桿機構參數。lsight-FD結合SimMechanicsIndustrial Machinery, 2004(1):63- -65.)進(jìn)行聯(lián)合仿真分析使得整個(gè)優(yōu)化過(guò)程全數字化和自動(dòng)化,突破了[6]龐和喜,曹鴻鈞.基于SimMechanics和iSICHT的平面四桿機構的運傳統優(yōu)化設計方法的局限性。該種設計方法具有直觀(guān)便捷,功能動(dòng)仿真和優(yōu)化[J].機械傳動(dòng),2008,32(4),46 47,56.強大,自動(dòng)分析且不需要編程等優(yōu)勢。它使得傳統的機構優(yōu)化設(Pang He -xi, Cao Hong -jun. Planar four -bar mechanism motion計思想發(fā)生了轉變,并且對其他不同樣式機構的優(yōu)化設計工作也Journal of Mechanical Transmission, 2008,32(4):46- 47,56.)起到了一定地借鑒和促進(jìn)作用。[7]鄭宏偉,李平康.基于SimMechanices的四桿機構仿真技術(shù)研究[].機參考文獻電工程技術(shù),2005,34(5):62- -65.[1]薛定宇,陳陽(yáng)泉基于MATLAB/Simulink的系統仿真技術(shù)與應用[M].(Zheng Hong -wei, Li Ping -kang Simulation technology research of北京:清華大學(xué)出版社,2002.four -bar mechanism based on SimMechanicsJ]. Mechanical & Elctrical(Xue Ding -yu, Chen Yang - quan. 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