淺析面向對象的多桿機構多目標多約束優(yōu)化設計方法的論文
0引言
多桿機構可以通過不同桿系的串聯(lián)組合及對桿系參數的調整實現(xiàn)末端執(zhí)行機構復雜的運動規(guī)律和運動軌跡，從而滿足不同機械的結構設計要求，廣泛應用于各種機械、儀表和機電一體化產品結構設計中。
多桿機構的傳統(tǒng)桿系設計方法主要包括圖解法，解析法，圖譜法和模型實驗法等，尤其是隨著數值計算方法的發(fā)展，解析法成為各類多桿機構運動設計的一種有效方法。文獻針對多桿機構末端執(zhí)行機構運動存在非線性傳遞的問題提出了一種基于遺傳算法的多桿壓力機運動優(yōu)化方法;文獻通過對多桿系統(tǒng)的分級處理，借助桿系設計變量、約束函數和目標函數推導出最終的增廣目標函數，從而計算得到系統(tǒng)的主要參數(運動參數和結構參數);文獻通過建立了滑塊位移，速度，加速度的數學模型，按滑塊在工作行程內速度波動最小的原則建立了優(yōu)化設計數學模型，最終運用復數矢量法對壓力機雙曲柄多桿機構進行了運動分析;文獻以一種平面八連桿機構為例建立了平面多桿機構的運動分析數學模型，并利用MATLAB對其進行了優(yōu)化設計和仿真分析。上述方法解決多桿機構運動設計問題的核心思想在于依賴建立能夠客觀反映機構運動學和動力學特性的代數解析方程(組)，借助系統(tǒng)耦合矩陣，實現(xiàn)對全系統(tǒng)狀態(tài)方程的程式化推導，通過探討方程(組)解的形式以及方程(組)解的存在條件等方式，實現(xiàn)對特定結構，特定參數變化條件下系統(tǒng)動態(tài)性能的定性描述與比較。然而，當多桿機構給定的運動設計要求較多或較復雜，難以用數學語言對其進行模型表達時，上述多桿結構優(yōu)化設計方法表現(xiàn)出明顯的建模周期長，模型可靠性差，模型重用性差等缺點，延長了產品的設計周期，增加了產品的設計成本。
自20世紀80年代以來，諸多學者提出從系統(tǒng)工程角度將計算機輔助設計優(yōu)化技術應用于復雜產品研發(fā)，借助多種計算機輔助設計軟件實現(xiàn)了不同領域仿真物理模型自動向數學模型的轉化，并通過綜合使用數值仿真技術、優(yōu)化技術、統(tǒng)計技術、計算機和網絡技術，最終實現(xiàn)多目標多約束條件下，產品綜合性能和整體質量的改進，極大地提高了產品的設計效率，縮短了產品的設計周期。
1多桿機構優(yōu)化設計問題
具有不等式約束的多桿機構優(yōu)化設計問題的數學表達模型可以概括為:
min/maxf(x)=f(x1，x2，…，xn)
s.t.Rj(x··)=gj(x1，x2，…，xm)0≤(j=1，2，…，m)
即在滿足m個不等式約束gj(x)≤0的限制條件下，求使目標函數f(x)趨于最小或最大的設計變量向量x=[x1，x2，…，xn]T，(x篟n，Rn為設計變量可行域)。其中目標函數f(x)可以是給定的滑塊運動要求，也可以是機構整體的動力學輸出特性要求。當給定的運動要求較多或桿系較復雜時，針對多桿機構結構優(yōu)化設計可以歸納為典型的多目標多約束優(yōu)化問題。
1.1雙曲柄滑塊機構
以一種由雙曲柄機構與曲柄滑塊機構串聯(lián)組成的`六連桿機構，即雙曲柄滑塊機構的優(yōu)化設計問題為例。雙曲柄滑塊機構運動原理圖，由于雙曲柄機構ABCD的存在，雙曲柄滑塊機構的滑塊運動輸出特性得到了有效改善。在恒速驅動條件下，2種機構滑塊運動輸出特性對比。在相同滑塊負載條件下，2種機構驅動電機扭矩對比。
在相同驅動條件下，雙曲柄滑塊機構與傳統(tǒng)曲柄滑塊機構相比，兩者具有相同的工作周期，且在圖示工作行程內，雙曲柄滑塊機構滑塊運動速度趨于平穩(wěn)，而傳統(tǒng)曲柄滑塊機構則表現(xiàn)出明顯的速度波動。當上述機構應用于鍛壓機械傳動系統(tǒng)，尤其是進行拉伸工藝操作時，傳統(tǒng)曲柄滑塊機構的上述運動特性極易造成拉伸件的拉裂，加劇模具的磨損。
在相同滑塊負載條件下，雙曲柄滑塊機構與傳統(tǒng)曲柄滑塊機構相比，在圖示負載作用周期內，雙曲柄滑塊機構驅動扭矩最大值明顯小于傳統(tǒng)曲柄滑塊機構。雙曲柄滑塊機構上述動力學特性使其更適于作為需要實現(xiàn)大增力比的大型機械傳動系統(tǒng)。
由于雙曲柄滑塊機構的上述特性，該機構被廣泛應用于不同功能機床的傳動系統(tǒng)，最典型的應用包括多連桿壓力機的傳動機構和插齒機傳動機構，前者利用雙曲柄滑塊機構滑塊加工工作行程內速度變化平穩(wěn)的優(yōu)點，相對傳統(tǒng)鍛壓機械在相同加工效率的條件下，能夠顯著提高拉深工件的成形質量，同時降低模具的磨損;后者則利用相同負載條件下，雙曲柄機構的加入能夠顯著降低系統(tǒng)對于驅動電機容量要求的特點，在不影響加工效率的前提下達到顯著的增力效果，最大限度地提高相關加工設備的加工能力。
1.2多桿機構多目標多約束問題描述
以上述雙曲柄滑塊機構為例，作為多連桿壓力機傳動系統(tǒng)為適應不同加工工藝操作，不同加工材料，不同材料加工厚度對滑塊加工運動軌跡的不同要求，往往需要針對特性的滑塊運動軌跡對桿系結構參數進行優(yōu)化設計;而作為插齒機傳動機構，由于要綜合考慮結構強度，齒刀壽命等因素，也需針對不同的結構增力要求對其結構參數進行優(yōu)化。
如何針對不同加工應用領域，不同的功能設計要求，對同一多桿機構的尺寸參數進行優(yōu)化，使其更合理地規(guī)劃末端執(zhí)行機構的運動學和動力學輸出特性是多桿機構優(yōu)化設計的核心問題。顯然，上述雙曲柄滑塊機構針對不同加工應用領域，其優(yōu)化目標側重點不同，當雙曲柄滑塊機構應用于多連桿壓力機時，其優(yōu)化目標可以概括為:求使滑塊運動輸出滿足特定曲線要求的連桿參數優(yōu)化組合，側重于對滑塊運動學特性的優(yōu)化;當雙曲柄滑塊機構應用于插齒機時，其優(yōu)化目標則更側重于提高雙曲柄機構的增力效果，即求能夠使機構輸出扭矩最大化的桿系參數優(yōu)化組合。
其中，M代表變量Loa，Lab，Lbc，Loc的可行域，雙曲柄機構成立條件可以表述為:取最短桿為機架，且最短構件與最長構件長度之和小于或等于其他兩構件長度之和，即:
Loc<LOA< p>
Loc<LAB< p>
Loc<LOA< p>
Loa+Lab+Lbc-Loc-2max(Loa，Lab，Lbc，Loc)≤0
2基于Isight與ADAMS面向對象的多桿機構優(yōu)化設計
通過Isight對用戶建立的ADAMS參數化仿真模型的仿真分析流程進行集成和管理，借助Isight提供的多種優(yōu)化搜索策略對多桿機構的多目標多約束優(yōu)化問題進行求解，從而獲得滿足設計要求的整體優(yōu)化結果。
2.1ADAMS參數化模型的建立
取雙曲柄滑塊機構從動曲柄水平位置為建模參考位置，利用優(yōu)化參數對模型坐標點進行參數化，從而建立雙曲柄滑塊機構的仿真參數化模型。最終建立由桿系幾何參數約束的ADAMS參數化模型。其中:α=cosLab2+Loa2+Loc2-Lbc22LoaLoa2槡+Loc()2，β=atanLocLoa()。
2.2雙曲柄滑塊機構優(yōu)化
Isight具備試驗設計方法(designofexperiment)，梯度優(yōu)化算法(gradientoptimization)，直接搜索方法(directsearch)，全局優(yōu)化算法(globaloptimization)等多個優(yōu)化求解模塊，考慮到上述雙曲柄滑塊機構設計參數不多，以梯度優(yōu)化算法中的NLPQL算法為例，對雙曲柄滑塊相關目標函數的優(yōu)化問題進行求解。
NLPQL算法將目標函數以二階泰勒級數展開，并通過把約束條件線性化的方式二次規(guī)劃得到下一個設計點，然后根據2個可供選擇的優(yōu)化函數執(zhí)行一次線性搜索，其中Hessian矩陣由BFGS公式更新，該算法具有運行穩(wěn)定，數據收斂速度快的特點。
3仿真結果分析
在Isight中設置好設計變量，約束條件和優(yōu)化目標后調用ADAMS模型進行批處理運算，計算過程中對每個樣本點進行迭代，以雙曲柄滑塊機構增力特性優(yōu)化流程結果為例。
在NLPQL算法作用下，設計變量在所定義的變化限制范圍內逐步收斂得到所限制范圍內的局部最優(yōu)解。，相同負載條件下，優(yōu)化后的驅動扭矩較優(yōu)化之前降低了35%，達到了良好的優(yōu)化效果。
4結語
本文提出了一種基于Isight與ADAMS集成的面向對象的解決多桿機構多目標多約束條件下的優(yōu)化設計方法，并以一種六連桿機構為例對上述方法進行了驗證。與傳統(tǒng)解析法解決類似問題相比，上述集成優(yōu)化方法能夠借助計算機軟件將仿真物理模型自動轉化為數學模型，并通過對仿真模型參數及分析結果的有效管理，達到解決多桿機構多目標多約束問題的目的。從而使工程設計人員從繁瑣的數學模型建模和求解流程中解放出來，將精力集中在設計方案的選取和評價方面，能夠顯著提高產品的設計效率，縮短產品設計周期。
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