第21卷2OO2年第3期5月机械科学与技术
MEC~ANICALSCIENCE AND TEC~N0L 0G Y
文章编号:1OO3-8728(2OO2D O3-O485-O3
V ol. 21May No. 32OO2
弹性连杆机构智能化仿真软件设计
王国庆1 刘宏昭2
(1长安大学工程机械学院 西安
71OO64; 2西安理工大学机仪学院 西安
71OO48D
王国庆
摘
要:针对具有工程实用价值的通用平面及空间弹性连杆机构动力学仿真软件仍处于空白的现状 本文以机构运
动弹性动力分析方法为核心 在多刚体动力学分析软件ADAMS 的基础上 结合专家系统技术提出了平面及空间弹性连杆机构动力学仿真软件的设计方案 并完成了原型系统的设计 最后以实例验证了方案的可行性, 关
键
词:专家系统; 机构; 软件设计; 原型系统
文献标识码:A
中图分类号:TP 31
A Sof tware f or Intelligent Dynamic Analysis of the Elastic linkage Mechanisms
12
WANG Guo -cing LIU ~ong-Zhao
(1Chang /an University Xi /an 71OO64; 2Xi /an University of Technology Xi /an 71OO48D
Abstract :There is still no dynamic analysis software for elastic linkage mechanisms which can be used in pratical engineering this paper adopts the famous mechanisms dynamic analysis software ADAMS and KED (kineto -elasto-dynamic analysis D method to build the scheme of elastic linkage mechanisms dynamic analysis software . Finally an example is given to show the running process of the prototype software system Key words :Expert system ; Mechanism ; Software programming ; Prototype system 使用机构动力学仿真软件能够大幅度提高设计效率~降低开发成本 这一优势使机构动力学仿真软件的应用越来越广泛 典型的有UG /Mechanism ~P R 0/Motion 和ADAMS 等, 这些软件的核心算法采用刚体动力学方法 但刚体理论的一个重要假设是不计构件弹性 将构件作为刚体考虑 这一假设在低速机构设计中是可行的 而对于现代高速~高精度弹性机构来说 由于惯性力的增大及构件重量的减少 构件的弹性不能忽略 传统低速机构设计方法已不能适用于这些高速~轻质的弹性机构, 同样 上述机构动力学仿真软件在这方面也不能发挥作用, 因此 选择合适的动力学分析方法为核心算法 进而建立弹性连杆(平面~空间D 机构的动力学仿真软件是十分必要的 具有很大的实用价值,
考虑构件弹性的机构动力学分析方法主要有多柔体动
1I 2I 和从Winfrey 开始的机构运动弹性动力分析力学方法
KED (Kineto -Elastodynamic Analysis D 方法 KED 方法是
3I
指出多柔体系统动力学方法虽程组 求解比较简单, 文献
具有一般性 但从实用角度来看 所涉及的是病态非线性微分方程 数值求解仍是一个难度较大的问题 只有当机构的相对柔度较大 需要考虑弹性对刚体机构运动影响时 才采用这种方法, 而对于绝大多数在地面实际应用的机构 构件均具有一定的刚度 符合小变形假设 构件的弹性变形对整机的刚体运动影响很小 可以忽略不计, 因此 KED 方
法是一种适应面广 实用性较好的弹性机构分析方法, 本文采用KED 方法为动力学分析核心 以多刚体软
4I
为基础 采用专家系统技术提出了智能化通件ADAMS
用弹性连杆机构动力学仿真软件的设计方案 并完成了原型系统的编制 最后通过实例验证了设计方案的可行性, 1
智能化有限元建模
以小变形假设为前提的一种近似方法 认为由构件变形引起的弹性位移很小 这种弹性位移不会影响机构的名义运动 把构件的真实运动看成是构件弹性运动和标称运动的线性叠加 所得到的运动方程是线性变系数二阶常微分方
收稿日期:2OO1O5O9
基金项目:长安大学科技发展基金项目(G OOO5O12D 资助作者简介:王国庆(1972-D 男(汉D 陕西 讲师 博士研究生
E -mail :wgcZhr @public . xa . sn .
cn
5I
弹性连杆机构的KED 分析大多采用有限元方法 在针对某一具体机构时 可以根据KED 理论和实践经验人
工进行单元处理(单元划分和广义坐标设定D 但对于仿真软件而言 这种方法是不可行的 软件应能实现对任意机构的自动化单元处理,
在构件单元处理中 理论知识和经验是十分重要的 但这些知识和经验都是定性化的 如:' 对于一连杆机构 曲柄和' 与机架相连的构件广义坐(原动件D 可做为悬臂梁处理' 标要相应去除' 等, 对于这一问题 本文采用人工智能领域
486
中的专家系统技术来处理这些知识和经验O
机械科学与技术
第21卷
识库 结合构件特征参数完成单元划分~广义坐标设定和单元矩阵的建立 模块7将各单元矩阵装配成系统质量矩阵M ~系统阻尼矩阵C 和系统刚度矩阵K 模块3~7由集成环境完成O 模块8 9 1O 用Matlab 编程实现 进行系统方程的求解 频率分析和响应分析O 模块11采用非线性规划法~最佳性准则法等进行机构的弹性动力优化设计O 2. 2
弹性连杆机构动力学仿真软件原型系统
知识与经验的表达采用产生式表达方法O 模型如下, 前提 结果IF THEN
构件的特征~相邻构件的约束关系~位移模式的选择和驱动力(矩) 的设定位置等可以作为 前提 单元划分结果和广义坐标的设定可以作为 结果 将所有单元划分和广义坐标设定的知识搜集在一起形成知识库 作为推理机的数据源O 单元划分和广义坐标设定的知识及经验都是确定型的 知识的推理采用确定型反向推理机制O
在平面或空间连杆机构中 对于等截面直杆可以采用梁单元O 但在实际中 连杆机构构件的形状是比较复杂的 只有极少数采用等截面直杆 因此可以将变截面杆划分为多个单元 在每一个单元内 认为截面保持不变O 虽然单元的增加会使广义坐标增多 计算时间延长 但由于计算机运行速度的飞速增长 采用这种方法是可行的O 在单元划分和广义坐标设定后 可以由拉格朗日方程建立机构的系统运动方程O 2
弹性连杆机构仿真软件设计
弹性连杆机构仿真软件能够完成连杆机构的弹性动力分析和综合O 为了缩短开发周期 机构的刚体运动仿真可以直接采用已有的机构运动仿真软件 本文在HP 工作站上(双 PU PIII 55O) 采用目前世界上最负盛名的多刚体系统仿真软件 ADAMS (也被称为 虚拟样机系统) 进行机构的刚体运动分析O 在ADAMS 对机构进行运动分析的基础上 用Matlab 语言编程作为服务器进行机构的振动分析 而单元处理~两者之间的信息管理~相互调用和软件的集成环境用VB 编程完成
O
图1
软件结构和功能流程
2. 1
软件功能
软件的总体结构和功能流程如图1所示O 软件由12个模块组成 1 2模块以ADAMS 为基础 完成机构的建模和运动分析 并形成机构模型文件~机构特征文件和机构运动数据文件O 机构模型文件是ADAMS 三维实体编程文件 用于由模块12修改以完成弹性机构的优化设计及测试结点的添加(对应单元节点) ; 机构特征文件包括各构件的几何和物理参数 对变截面杆输出外形曲线参数; 机构运动数据文件包括各结点的刚体运动加速度值和刚体角位移等数据O 模块3完成从机构特征文件中提取构件参数 模块4将运动数据文件转换为Matlab 可以接受的格式 模块5储存单元划分和广义坐标设定所用的知识O 模块6通过调用知
图2
软件原型系统界面
弹性连杆机构仿真软件是一个大型复杂软件 为了避免不必要的弯路 采用信息系统开发方法中的 原型化方法 即先建立软件系统的基本功能和工作环境 在此基础上不断的加以完善 最后形成一个完整的系统O 原型系统的用户界面如图2O
弹性连杆机构仿真软件的原型系统包含了软件的基本功能 菜单中的 平面机构模型和 空间机构模型通过宏调用调用ADAMS 建立机构模型 弹性动力分析实现位移模型选择~自动装配系统质量矩阵和刚度矩阵和动力学分析的基本功能O 后处理能以图形和数据表的形式完成对数据的分析O 在这个原型系统中 经过多次改进就可以得到完善的软件系统
O
图3ADAMS 建立的机构模型
3
实例
为了说明弹性连杆机构动力学分析软件的工作过程 验证计方案的可行性 以一个平面曲柄摇杆机构为例进行机构中连杆的变形分析和截面参数优化O 图3为用ADAMS 建立的机构模型O
曲柄摇杆机构的各项参数如下, 曲柄长5O mm 连杆和摇杆均为16O mm 机架长2OO mm 各杆质量分别为, O. 2O kg O. 548kg 和O. 548kg 连杆初始截面参数为2O
mm X 3. 52mm 弹性模量为2. 1MN /cm 2
曲柄匀速转动
第3期
转速为600r /min O
采用梁单元对机构进行离散, 选择五次埃尔米特多项式为单元位移模式, 对应广义坐标为纵向位移~横向位移~弹性转角和曲率O 在ADAMS 中建立虚拟机构模型(见
王国庆等:弹性连杆机构智能化仿真软件设计487
(上接第478页
)
根据所解决问题域的需要, 我们将对象集合O 中的对象分为问题描述对象, 类生成对象子集O 问题描述对象是与用
图4
连杆中点横向变形响应
图6
自动生成系统模型
图3) , 输出特征文件~数
据文件和模型文件O 在集成环境中, 根据在机构模型文件中查找出的构件约束关系及在机构特征文件中查找出的构件户交互的接口, 从用户那
里获取问题将之转换为规范形式O 类生成对象子集, 是生成目标程序中的类的对象的集合O 因为所生成的源程序是由若干个类组合而成的, 按分布式生成方法, 目标程序中的每几何尺寸和物理参数, 由推理机调用知识库中的知识划分单元, 设定具体单元的广义坐标, 形成各单元的协调矩阵, 并修改模型文件及自动添加测试点Mark A ~Mark B ~Mark C 和Mark D , 各测试点对应单元的结点O 由测试点可见, 曲柄被作为一个单元, 连杆划分为两个单元, 摇杆也被划分为两个单元O 在完成刚体运动分析后输出测试点处的刚体加速度值, 即对应各单元结点处的刚体加速度O 接着在集成环境中最后完成系统质量矩阵和刚度矩阵的装配, 在Matlab 中进行方程求解, 求解所得的连杆中点处的横向弹性变形随时间的变化曲线见图4O
为了减少材料成本和运转时的动力消耗, 可取机构总质量为目标函数, 设计变量为各杆的截面参数H (高度) , 优化约束只考虑应力约束和边界约束O 采用非线性规划法计算得:连杆的截面参数为6. 58mm >8. 69mm , 连杆重量减少18. 77%O 4
结束语
针对弹性连杆机构动力学研究在软件化方面的空白, 本文提出了智能化通用弹性连杆机构动力学仿真软件的设计方案, 能够对平面和空间弹性连杆机构进行智能化的动力学分析O 通过编制的原型系统进行实际的机构分析与优化表明, 这一方案是可行的O
[参考文献]
[1]
Sunada W , DuboWSky S . 0n the dynamic analySiS and be-haVior of induStrial robotic manipulator With elaStic member [J ].ASME J . of Mechanism , Transmissions and Automa-tion in design , 1983, 105(1) :42~51[2]Winfrey R C . ElaStic link mechaniSm dynamicS [J ].ASME J . of Engineering f or Industry , 1971, (93) :168~272
[3]刘宏昭, 曹惟庆. 关于多柔体动力学与弹性机构动力学的讨论[J ].机械设计, 1994, (1)
[4]ADAMS /VIEW , VerSion 9. 0. Mechanical Dynamic Inc , U . S . A , 1997
[5]
张策等. 弹性连杆机构的分析与设计[M ].机械工业出版社, 1997
个类均有类生成对象, 它组成了类生成对象子集O 如有小车类生成对象, 机床类生成对象, 中央刀库类生成对象, 主程序生成对象等等O 图6为问题域中对象之间的关系, 它通过消息发生器M 这个特殊对象向对象集中的对象发送消息处理(这体现分布式生成原理的过程[5]) , 当对象集中的对象处理完后, 向M 发送一个消息, 报告结果O
因而, 程序自动生成的过程是消息发生器对象M 首先向问题描述对象发送消息, 进行获取问题, 并将问题转换为标准的形式; 然后向生成类对象子集中的对象发送消息完成目标软件中类的生成O 5
结束语
为实现FMS 的快速构造, 降低FMS 软件的开发费用, 提高软件的开发质量, 本文研究了FMS 控制软件自动生成系统, 利用面向对象技术实现软件的自动生成O 通过对FMS 控制软件自动生成的可行性分析, 提出分布式生成方法即按类生成应用程序, 并深入系统地研究了类源程序的自动生成原理和主程序的自动生成原理O 自动生成系统开发的根本问题就是确定程序自动生成的原理, 因而程序自动生成原理的研究为开发自动生成系统提供了理论基础O 文中介绍的软件自动生成方法和自动生成系统的基本结构, 已用于自动生成系统的软件系统开发中, 对生成的FMS 控制软件的核心部分已用于实际工厂的FMS 500系统中, 取得了初步成效O
[参考文献]
[1]
Smith J S , JoShi S B . ReuSable SoftWare conceptS applied to the deVelopment of FMS control SoftWare [J ].Int . J . Com p uter Integrated Manufacturing , 1992, 5(3) :182~196[2]
JoShi S B , Mettala E G , Smith J S , WySk R A . Formal model for control of fle x ible manufacturin g cellS :phySical and SyStem Model [J ].IEEE Transaction on R o b otics and Automation , 1995, 11(4) :558~570
[3]李宏. FMS 动态调度软件自动生成系统的研究和实现[D ].南京:南京航空航天大学, 1996
[4]张洁. 面向对象FMS 控制软件集成开发环境的研究[D ].南京:南京航空航天大, 1997
[5]
张洁, 王宁生. FMS 运控软件的面向对象的建模与研究[J ].航空工艺技术, 1997, (6) :17~19
弹性连杆机构智能化仿真软件设计
作者：
作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
王国庆， 刘宏昭
王国庆(长安大学,工程机械学院,西安,710064)， 刘宏昭(西安理工大学,机仪学院,西安,710048)
机械科学与技术
MECHANICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY2002,21(3)
1. Sunada W;Dubowsky S On the dynamic analysis and behavior of industrial robotic manipulator withelastic member 1983(01)
2. Winfrey R C Elastic link mechanism dynamics[外文期刊] 1971(93)3. 刘宏昭;曹惟庆 关于多柔体动力学与弹性机构动力学的讨论 1994(01)4. ADAMS/VIEW,Version 9.0 19975. 张策 弹性连杆机构的分析与设计 1997
1. 王军. 熊绮华. 楮金奎. 王建平 考虑运动副间隙及全尺寸参数误差的平面连杆机构运动误差的概率分析[期刊论文]-机械设计2000,17(8)
2. 宗志坚. 吴明华. 陈新. 张新访. 周济. 余俊 自主版权通用机构分析与仿真系统的研制[期刊论文]-机械科学与技术2000,19(2)
3. 朱巨才. 符炜 含间隙机构无质量杆-弹簧阻尼组合模型的近似解法[期刊论文]-机械设计2004,21(2)4. 于德介 弹性连杆机构灵敏度分析方法与应用[会议论文]-1998
5. 聂松辉. 李晓龙. 邱爱红. NIE Song-hui. LI Xiao-long. QIU Ai-hong 弹性连杆机构受力分析方法[期刊论文]-湘潭大学自然科学学报2001,23(1)
6. 刘建琴. 张策. 梁德. 王玉新 具有一个受控原动件的五杆机构精确实现弹性连杆机构创成轨迹的研究[会议论文]-2000
7. 郑树琴. 成建平. 王大江. Zheng Shuqin. Cheng Jianping. Wang Dajiang 曲柄摇杆机构运动轨迹计算机仿真[期刊论文]-太原理工大学学报2001,32(3)
8. 宋黎. 杨坚. SONG Li. YANG Jian 用杆组法分析含间隙平面连杆机构的过渡过程[期刊论文]-湘潭大学自然科学学报2000,22(1)
9. 李延平 平面曲柄摇杆机构可视化性能图谱自动生成与应用软件开发[期刊论文]-机械科学与技术2002,21(6)10. 常宗瑜. 张策. 王玉新 含间隙连杆机构的分叉和混沌现象[期刊论文]-机械强度2001,23(1)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jxkxyjs200203051.aspx
第21卷2OO2年第3期5月机械科学与技术
MEC~ANICALSCIENCE AND TEC~N0L 0G Y
文章编号:1OO3-8728(2OO2D O3-O485-O3
V ol. 21May No. 32OO2
弹性连杆机构智能化仿真软件设计
王国庆1 刘宏昭2
(1长安大学工程机械学院 西安
71OO64; 2西安理工大学机仪学院 西安
71OO48D
王国庆
摘
要:针对具有工程实用价值的通用平面及空间弹性连杆机构动力学仿真软件仍处于空白的现状 本文以机构运
动弹性动力分析方法为核心 在多刚体动力学分析软件ADAMS 的基础上 结合专家系统技术提出了平面及空间弹性连杆机构动力学仿真软件的设计方案 并完成了原型系统的设计 最后以实例验证了方案的可行性, 关
键
词:专家系统; 机构; 软件设计; 原型系统
文献标识码:A
中图分类号:TP 31
A Sof tware f or Intelligent Dynamic Analysis of the Elastic linkage Mechanisms
12
WANG Guo -cing LIU ~ong-Zhao
(1Chang /an University Xi /an 71OO64; 2Xi /an University of Technology Xi /an 71OO48D
Abstract :There is still no dynamic analysis software for elastic linkage mechanisms which can be used in pratical engineering this paper adopts the famous mechanisms dynamic analysis software ADAMS and KED (kineto -elasto-dynamic analysis D method to build the scheme of elastic linkage mechanisms dynamic analysis software . Finally an example is given to show the running process of the prototype software system Key words :Expert system ; Mechanism ; Software programming ; Prototype system 使用机构动力学仿真软件能够大幅度提高设计效率~降低开发成本 这一优势使机构动力学仿真软件的应用越来越广泛 典型的有UG /Mechanism ~P R 0/Motion 和ADAMS 等, 这些软件的核心算法采用刚体动力学方法 但刚体理论的一个重要假设是不计构件弹性 将构件作为刚体考虑 这一假设在低速机构设计中是可行的 而对于现代高速~高精度弹性机构来说 由于惯性力的增大及构件重量的减少 构件的弹性不能忽略 传统低速机构设计方法已不能适用于这些高速~轻质的弹性机构, 同样 上述机构动力学仿真软件在这方面也不能发挥作用, 因此 选择合适的动力学分析方法为核心算法 进而建立弹性连杆(平面~空间D 机构的动力学仿真软件是十分必要的 具有很大的实用价值,
考虑构件弹性的机构动力学分析方法主要有多柔体动
1I 2I 和从Winfrey 开始的机构运动弹性动力分析力学方法
KED (Kineto -Elastodynamic Analysis D 方法 KED 方法是
3I
指出多柔体系统动力学方法虽程组 求解比较简单, 文献
具有一般性 但从实用角度来看 所涉及的是病态非线性微分方程 数值求解仍是一个难度较大的问题 只有当机构的相对柔度较大 需要考虑弹性对刚体机构运动影响时 才采用这种方法, 而对于绝大多数在地面实际应用的机构 构件均具有一定的刚度 符合小变形假设 构件的弹性变形对整机的刚体运动影响很小 可以忽略不计, 因此 KED 方
法是一种适应面广 实用性较好的弹性机构分析方法, 本文采用KED 方法为动力学分析核心 以多刚体软
4I
为基础 采用专家系统技术提出了智能化通件ADAMS
用弹性连杆机构动力学仿真软件的设计方案 并完成了原型系统的编制 最后通过实例验证了设计方案的可行性, 1
智能化有限元建模
以小变形假设为前提的一种近似方法 认为由构件变形引起的弹性位移很小 这种弹性位移不会影响机构的名义运动 把构件的真实运动看成是构件弹性运动和标称运动的线性叠加 所得到的运动方程是线性变系数二阶常微分方
收稿日期:2OO1O5O9
基金项目:长安大学科技发展基金项目(G OOO5O12D 资助作者简介:王国庆(1972-D 男(汉D 陕西 讲师 博士研究生
E -mail :wgcZhr @public . xa . sn .
cn
5I
弹性连杆机构的KED 分析大多采用有限元方法 在针对某一具体机构时 可以根据KED 理论和实践经验人
工进行单元处理(单元划分和广义坐标设定D 但对于仿真软件而言 这种方法是不可行的 软件应能实现对任意机构的自动化单元处理,
在构件单元处理中 理论知识和经验是十分重要的 但这些知识和经验都是定性化的 如:' 对于一连杆机构 曲柄和' 与机架相连的构件广义坐(原动件D 可做为悬臂梁处理' 标要相应去除' 等, 对于这一问题 本文采用人工智能领域
486
中的专家系统技术来处理这些知识和经验O
机械科学与技术
第21卷
识库 结合构件特征参数完成单元划分~广义坐标设定和单元矩阵的建立 模块7将各单元矩阵装配成系统质量矩阵M ~系统阻尼矩阵C 和系统刚度矩阵K 模块3~7由集成环境完成O 模块8 9 1O 用Matlab 编程实现 进行系统方程的求解 频率分析和响应分析O 模块11采用非线性规划法~最佳性准则法等进行机构的弹性动力优化设计O 2. 2
弹性连杆机构动力学仿真软件原型系统
知识与经验的表达采用产生式表达方法O 模型如下, 前提 结果IF THEN
构件的特征~相邻构件的约束关系~位移模式的选择和驱动力(矩) 的设定位置等可以作为 前提 单元划分结果和广义坐标的设定可以作为 结果 将所有单元划分和广义坐标设定的知识搜集在一起形成知识库 作为推理机的数据源O 单元划分和广义坐标设定的知识及经验都是确定型的 知识的推理采用确定型反向推理机制O
在平面或空间连杆机构中 对于等截面直杆可以采用梁单元O 但在实际中 连杆机构构件的形状是比较复杂的 只有极少数采用等截面直杆 因此可以将变截面杆划分为多个单元 在每一个单元内 认为截面保持不变O 虽然单元的增加会使广义坐标增多 计算时间延长 但由于计算机运行速度的飞速增长 采用这种方法是可行的O 在单元划分和广义坐标设定后 可以由拉格朗日方程建立机构的系统运动方程O 2
弹性连杆机构仿真软件设计
弹性连杆机构仿真软件能够完成连杆机构的弹性动力分析和综合O 为了缩短开发周期 机构的刚体运动仿真可以直接采用已有的机构运动仿真软件 本文在HP 工作站上(双 PU PIII 55O) 采用目前世界上最负盛名的多刚体系统仿真软件 ADAMS (也被称为 虚拟样机系统) 进行机构的刚体运动分析O 在ADAMS 对机构进行运动分析的基础上 用Matlab 语言编程作为服务器进行机构的振动分析 而单元处理~两者之间的信息管理~相互调用和软件的集成环境用VB 编程完成
O
图1
软件结构和功能流程
2. 1
软件功能
软件的总体结构和功能流程如图1所示O 软件由12个模块组成 1 2模块以ADAMS 为基础 完成机构的建模和运动分析 并形成机构模型文件~机构特征文件和机构运动数据文件O 机构模型文件是ADAMS 三维实体编程文件 用于由模块12修改以完成弹性机构的优化设计及测试结点的添加(对应单元节点) ; 机构特征文件包括各构件的几何和物理参数 对变截面杆输出外形曲线参数; 机构运动数据文件包括各结点的刚体运动加速度值和刚体角位移等数据O 模块3完成从机构特征文件中提取构件参数 模块4将运动数据文件转换为Matlab 可以接受的格式 模块5储存单元划分和广义坐标设定所用的知识O 模块6通过调用知
图2
软件原型系统界面
弹性连杆机构仿真软件是一个大型复杂软件 为了避免不必要的弯路 采用信息系统开发方法中的 原型化方法 即先建立软件系统的基本功能和工作环境 在此基础上不断的加以完善 最后形成一个完整的系统O 原型系统的用户界面如图2O
弹性连杆机构仿真软件的原型系统包含了软件的基本功能 菜单中的 平面机构模型和 空间机构模型通过宏调用调用ADAMS 建立机构模型 弹性动力分析实现位移模型选择~自动装配系统质量矩阵和刚度矩阵和动力学分析的基本功能O 后处理能以图形和数据表的形式完成对数据的分析O 在这个原型系统中 经过多次改进就可以得到完善的软件系统
O
图3ADAMS 建立的机构模型
3
实例
为了说明弹性连杆机构动力学分析软件的工作过程 验证计方案的可行性 以一个平面曲柄摇杆机构为例进行机构中连杆的变形分析和截面参数优化O 图3为用ADAMS 建立的机构模型O
曲柄摇杆机构的各项参数如下, 曲柄长5O mm 连杆和摇杆均为16O mm 机架长2OO mm 各杆质量分别为, O. 2O kg O. 548kg 和O. 548kg 连杆初始截面参数为2O
mm X 3. 52mm 弹性模量为2. 1MN /cm 2
曲柄匀速转动
第3期
转速为600r /min O
采用梁单元对机构进行离散, 选择五次埃尔米特多项式为单元位移模式, 对应广义坐标为纵向位移~横向位移~弹性转角和曲率O 在ADAMS 中建立虚拟机构模型(见
王国庆等:弹性连杆机构智能化仿真软件设计487
(上接第478页
)
根据所解决问题域的需要, 我们将对象集合O 中的对象分为问题描述对象, 类生成对象子集O 问题描述对象是与用
图4
连杆中点横向变形响应
图6
自动生成系统模型
图3) , 输出特征文件~数
据文件和模型文件O 在集成环境中, 根据在机构模型文件中查找出的构件约束关系及在机构特征文件中查找出的构件户交互的接口, 从用户那
里获取问题将之转换为规范形式O 类生成对象子集, 是生成目标程序中的类的对象的集合O 因为所生成的源程序是由若干个类组合而成的, 按分布式生成方法, 目标程序中的每几何尺寸和物理参数, 由推理机调用知识库中的知识划分单元, 设定具体单元的广义坐标, 形成各单元的协调矩阵, 并修改模型文件及自动添加测试点Mark A ~Mark B ~Mark C 和Mark D , 各测试点对应单元的结点O 由测试点可见, 曲柄被作为一个单元, 连杆划分为两个单元, 摇杆也被划分为两个单元O 在完成刚体运动分析后输出测试点处的刚体加速度值, 即对应各单元结点处的刚体加速度O 接着在集成环境中最后完成系统质量矩阵和刚度矩阵的装配, 在Matlab 中进行方程求解, 求解所得的连杆中点处的横向弹性变形随时间的变化曲线见图4O
为了减少材料成本和运转时的动力消耗, 可取机构总质量为目标函数, 设计变量为各杆的截面参数H (高度) , 优化约束只考虑应力约束和边界约束O 采用非线性规划法计算得:连杆的截面参数为6. 58mm >8. 69mm , 连杆重量减少18. 77%O 4
结束语
针对弹性连杆机构动力学研究在软件化方面的空白, 本文提出了智能化通用弹性连杆机构动力学仿真软件的设计方案, 能够对平面和空间弹性连杆机构进行智能化的动力学分析O 通过编制的原型系统进行实际的机构分析与优化表明, 这一方案是可行的O
[参考文献]
[1]
Sunada W , DuboWSky S . 0n the dynamic analySiS and be-haVior of induStrial robotic manipulator With elaStic member [J ].ASME J . of Mechanism , Transmissions and Automa-tion in design , 1983, 105(1) :42~51[2]Winfrey R C . ElaStic link mechaniSm dynamicS [J ].ASME J . of Engineering f or Industry , 1971, (93) :168~272
[3]刘宏昭, 曹惟庆. 关于多柔体动力学与弹性机构动力学的讨论[J ].机械设计, 1994, (1)
[4]ADAMS /VIEW , VerSion 9. 0. Mechanical Dynamic Inc , U . S . A , 1997
[5]
张策等. 弹性连杆机构的分析与设计[M ].机械工业出版社, 1997
个类均有类生成对象, 它组成了类生成对象子集O 如有小车类生成对象, 机床类生成对象, 中央刀库类生成对象, 主程序生成对象等等O 图6为问题域中对象之间的关系, 它通过消息发生器M 这个特殊对象向对象集中的对象发送消息处理(这体现分布式生成原理的过程[5]) , 当对象集中的对象处理完后, 向M 发送一个消息, 报告结果O
因而, 程序自动生成的过程是消息发生器对象M 首先向问题描述对象发送消息, 进行获取问题, 并将问题转换为标准的形式; 然后向生成类对象子集中的对象发送消息完成目标软件中类的生成O 5
结束语
为实现FMS 的快速构造, 降低FMS 软件的开发费用, 提高软件的开发质量, 本文研究了FMS 控制软件自动生成系统, 利用面向对象技术实现软件的自动生成O 通过对FMS 控制软件自动生成的可行性分析, 提出分布式生成方法即按类生成应用程序, 并深入系统地研究了类源程序的自动生成原理和主程序的自动生成原理O 自动生成系统开发的根本问题就是确定程序自动生成的原理, 因而程序自动生成原理的研究为开发自动生成系统提供了理论基础O 文中介绍的软件自动生成方法和自动生成系统的基本结构, 已用于自动生成系统的软件系统开发中, 对生成的FMS 控制软件的核心部分已用于实际工厂的FMS 500系统中, 取得了初步成效O
[参考文献]
[1]
Smith J S , JoShi S B . ReuSable SoftWare conceptS applied to the deVelopment of FMS control SoftWare [J ].Int . J . Com p uter Integrated Manufacturing , 1992, 5(3) :182~196[2]
JoShi S B , Mettala E G , Smith J S , WySk R A . Formal model for control of fle x ible manufacturin g cellS :phySical and SyStem Model [J ].IEEE Transaction on R o b otics and Automation , 1995, 11(4) :558~570
[3]李宏. FMS 动态调度软件自动生成系统的研究和实现[D ].南京:南京航空航天大学, 1996
[4]张洁. 面向对象FMS 控制软件集成开发环境的研究[D ].南京:南京航空航天大, 1997
[5]
张洁, 王宁生. FMS 运控软件的面向对象的建模与研究[J ].航空工艺技术, 1997, (6) :17~19
弹性连杆机构智能化仿真软件设计
作者：
作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
王国庆， 刘宏昭
王国庆(长安大学,工程机械学院,西安,710064)， 刘宏昭(西安理工大学,机仪学院,西安,710048)
机械科学与技术
MECHANICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY2002,21(3)
1. Sunada W;Dubowsky S On the dynamic analysis and behavior of industrial robotic manipulator withelastic member 1983(01)
2. Winfrey R C Elastic link mechanism dynamics[外文期刊] 1971(93)3. 刘宏昭;曹惟庆 关于多柔体动力学与弹性机构动力学的讨论 1994(01)4. ADAMS/VIEW,Version 9.0 19975. 张策 弹性连杆机构的分析与设计 1997
1. 王军. 熊绮华. 楮金奎. 王建平 考虑运动副间隙及全尺寸参数误差的平面连杆机构运动误差的概率分析[期刊论文]-机械设计2000,17(8)
2. 宗志坚. 吴明华. 陈新. 张新访. 周济. 余俊 自主版权通用机构分析与仿真系统的研制[期刊论文]-机械科学与技术2000,19(2)
3. 朱巨才. 符炜 含间隙机构无质量杆-弹簧阻尼组合模型的近似解法[期刊论文]-机械设计2004,21(2)4. 于德介 弹性连杆机构灵敏度分析方法与应用[会议论文]-1998
5. 聂松辉. 李晓龙. 邱爱红. NIE Song-hui. LI Xiao-long. QIU Ai-hong 弹性连杆机构受力分析方法[期刊论文]-湘潭大学自然科学学报2001,23(1)
6. 刘建琴. 张策. 梁德. 王玉新 具有一个受控原动件的五杆机构精确实现弹性连杆机构创成轨迹的研究[会议论文]-2000
7. 郑树琴. 成建平. 王大江. Zheng Shuqin. Cheng Jianping. Wang Dajiang 曲柄摇杆机构运动轨迹计算机仿真[期刊论文]-太原理工大学学报2001,32(3)
8. 宋黎. 杨坚. SONG Li. YANG Jian 用杆组法分析含间隙平面连杆机构的过渡过程[期刊论文]-湘潭大学自然科学学报2000,22(1)
9. 李延平 平面曲柄摇杆机构可视化性能图谱自动生成与应用软件开发[期刊论文]-机械科学与技术2002,21(6)10. 常宗瑜. 张策. 王玉新 含间隙连杆机构的分叉和混沌现象[期刊论文]-机械强度2001,23(1)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jxkxyjs200203051.aspx