基于压延机的机构运动分析软件开发

周 凌

ZHOU Ling

（无锡商业职业技术学院，无锡 214023）

基于压延机的机构运动分析软件开发

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

周 凌

ZHOU Ling

（无锡商业职业技术学院，无锡 214023）

多连杆机构作为拉延压力机的工作机构是拉延压力机的关键部件之一，在产品的设计阶段，对拉延压力机工作机构进行运动分析与优化设计对合理设计拉延压力机工作机构具有重要作用。本文主要介绍软件开发中的接口问题和编程关键问题，并提供了一个压延机运动分析和优化的算例介绍该软件的使用方法，介绍了该软件的一些特点。

拉延压力机；多连杆机构；运动分析；优化设计

0 引言

拉延压力机是应用于薄板拉延工艺的专用压力机，多连杆机构是现代拉延压力机内、外滑块普遍采用的工作机构。多连杆机构作为拉延压力机的工作机构是拉延压力机的关键部件之一，其设计水平的高低直接影响到工作机构性能的好坏，进而影响整机的性能以及拉延工件的质量等。在产品的设计阶段，对拉延压力机工作机构进行运动分析与优化设计对合理设计拉延压力机工作机构具有重要作用。

本文用VB6.0和Matlab开发的拉延压力机多连杆机构运动分析与优化设计软件。利用Visual Basic 6.0开发了程序主界面，利用Matlab 强大的计算及绘图功能建立机构运动分析与优化设计软件的内核，这种方法可以充分发挥两者的优势，基本实现了程序的智能化，提高了软件操作时的人机交互性，降低了对使用者的要求。利用所开发的软件，对拉延压力机工作机构的运动特性曲线进行跟踪显示，不仅可以检验设计方案的合理性，而且可以检验机构参数设计是否合理，为拉延压力机多连杆机构的设计提供了一个有力的工具。对深入研究拉延压力机多连杆机构的优化设计和整机性能参数的优化设计将产生一定的指导意义。

1 系统的基本模块结构

拉延压力机多连杆机构的运动分析及优化设计用传统方法(使用Turbo C, FORTRAN 77和高级BASIC )开发的程序是在DOS环境下，编程相当困难，而且界面不直观，不能根据仿真结果随时修改机构参数。Visual Basic(简称VB)的特点是它的简易性，用户分析压力机多连杆机构时，只要按照提示输入原始已知数据并按相应按钮，就能得到多连杆机构滑块运动的位移、速度、加速度曲线，实现实时运动分析，并可对运动学曲线图进行实时参数修改。对现有机构进行优化设计时，用户只将机构的性能约束指标输入，系统会进行多次优化输出，用户选择最优方案即可。

1.1 基本模块

该系统分为现有方案预处理模块、现有方案运动分析模块、多连杆机构最优化设计模块和优化结果的后处理模块。各模块的功能简述如下:

1）现有方案预处理模块

该模块用VB开发，实现对现有的多连杆机构进行前期的预处理判断。通过输入现有机构方案的机构参数，该模块将判断现有方案是否满足各杆长的边界条件、曲柄存在条件以及是否满足机构其他的限制条件等。如果现有方案通过合法性检验，该模块将生成一个中间数据文件，供后续Matlab编写的程序模块调用；同时该模块结束前自动调用Matlab程序，进行后续模块的处理。

2）现有方案运动分析模块

该模块在预处理模块的基础上，根据多连杆机构的运动学分析方程，生成在一个工作循环内拉延压力机多连杆机构内外滑块的位移曲线、速度曲线及加速度曲线。对于起压边作用的外滑块，该模块还给出在压紧角范围内的位移波动曲线。

该模块是一个现有方案的运动学正向求解的过程。

3）机构最优化设计模块

该模块根据拉延压力机的性能要求，确定目标函数、设计变量和约束条件，建立多连杆机构优化设计模型。并根据所选的优化设计方法进行迭代收敛计算，最终得到机构的最优化设计方案结果。

4）优化结果后处理模块

该模块针对最优化设计模块得到的最优化结果，完成后期的处理过程。包括优化结果的运动特性曲线显示、外滑块在压紧角内的位移波动量比较等优化结果的后期显示处理过程。

后三个模块都是在Matlab环境中用M文件编制的。

1.2 程序的数据结构

本项目中使用的数据结构并不复杂，利用数组（尤其动态数组）和自定义数据类型（Type Statement）就可以满足需求，且机制上也非常灵活。首先新建一个模块（commondata.bas）专门用于存储输入数据，然后声明各种类型的变量。其中自定义数据类型（Type Statement）可以包含多个互相关联的不同数据类型的元素，声明了一个自定义数据类型后便可以定义一个那种类型的变量。对于需要在全域使用的变量，要将其定义成Public变量。

1.3 基本框架的建立

利用VB6.0提供的快速开发工具来进行数据信息的合法性校验和采集，生成一个中间数据文件，该文件是VB和Matlab程序的数据接口。

Matlab 是一个功能强大的工具软件，对数据运算、图形处理仿真有很强的处理能力。本软件用VB实现数据准备工作，然后VB调用matlab 来进行运动分析和优化设计。运动分析和优化设计的结果以直观的图形形式给出。在matlab 中绘制好图形后，保存成jpg格式的文件。VB使用loadpicture()函数，把图形加载到主界面中的Picture控件中，实现可视化的人机交互。在matlab中使用m函数绘制图形时，默认的图形格式为fig,这种格式是VB所无法处理的，为此可以使用如下的m函数，将其图形变成jpg格式保存：

h=get(0, 'Current Figure' ); //获得当前图形句柄saveas(h,'me','jpg') //另存为me.jpg

2 主要功能及界面

2.1 主要功能

本软件可实现拉延压力机“连杆曲线”型六连杆机构和外滑块串接四连杆机构各杆长参数和几何参数的输入、修改;可根据输入的各个数据计算、显示多连杆机构滑块的位移、速度、加速度曲线，显示外滑块在压紧角内的位移波动曲线;进行“连杆曲线”型六连杆机构的优化设计，根据给定的设计性能指标，进行多次优化，并输出各次优化的滑块速度曲线比较，选择合适的优化方案，输出优化方案的机构参数和运动学图线;进行外滑块串接四连杆机构的优化设计，根据设计给定的滑块位移波动限定值进行优化，输出优化后的位移波动比较曲线，输出优化方案的各个机构参数。

2.2 六杆机构优化设计软件主界面

六杆机构优化设计软件主界面包括“连杆曲线”型六连杆机构运动分析与优化设计主界面和外滑块串接四连杆机构运动分析与优化设计主界面。按功能分为机构参数输入、几何参数输入、运动分析、压紧角内位移波动显示、优化设计等主要按钮，每一个主要功能按钮又有相应的二级对话框，完成该功能按钮指定的输入、计算或显示功能。

3 系统应用设计实例

为了检验系统运动分析的正确性以及优化设计的合理性，以应用“连杆曲线”型六连杆机构的德国类型压力机进行运动分析与优化设计，得到了相应机构的运动学函数曲线和优化方案。

输入机构参数：曲柄长度R=122.0，杆长L1=400.00，L4=460.52，L5=467.63固定支架01、02间距X0=87.66，YO=764.08,，角度δ=129.03，转速ω=1.50，系统进行运动分析，得到了该六连杆机构滑块的位移、速度、加速度曲线，从曲线可以看出，该机构滑块在工作行程内的速度波动比较大，拉延速度不稳定，导致拉延质量降低。给定滑块的额定行程和机构额定最大加速度，应用系统对该机构进行优化设计，得到工作行程内速度稳定的曲线，并输出优化方案的机构参数：曲柄长度R=122.000，杆长L1=400.000，L4=479.072，L5=467.630，固定支架01、02间距X0=132.646,YO=602.610,角度δ=126.298，转速ω=1.50，供对该机构进行进一步的改进设计。

4 本软件的特点

利用Visual Basic 6.0和matlab，开发了拉延压力机“连杆曲线”型六连杆机构的运动分析与优化设计软件，可用于这种机构的现有机构运动学分析及优化设计，给出相应的优化设计方案。

该软件具有以下主要特点:

1）信息可视化即输入的信息和输出的信息都以显式的形式在图形区显示出来，便于用户观察。

2）数据调整可视化 任一参数数据调整时，图形观察区将显示参数调整后的机构状况。

利用该软件对压力机多连杆机构进行了优化设计，不仅可以检验原有设计方案的不足，而且可以通过优化设计得到比原方案更优的设计方案。同时，该软件对深入研究压力机多连杆机构的设计和整机性能参数的优化设计将产生深刻的指导意义。

[1] 何德誉.曲柄压力机[M].北京:机械工业出版社,1996.

[2] 华中工学院等五院.机械传动及曲柄压力机[M].北京:人民教育出版社,1977.

[3] 刘惟信.机械最优化设计[M].北京:清华大学出版社,1994.

[4] 陈立周.机械优化设计方法[M].北京:冶金工业出版社,1995.

[5] 王文博.机构和机械零部件优化设计[M].北京:机械工业出版社,1990.

[6] 张海涛.平面五连杆机构优化设计[J].苏盐科技,2001(2):2123.

[7] 田福祥.拉延压力机六杆机构优化设计[J].重型机械,1990,(20):2630.

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 ，江苏无锡人， 讲师，本科，研究方向为机械设计。