基于壓延機的機構運動分析軟件開發

周 凌

ZHOU Ling

（無錫商業職業技術學院，無錫 214023）

基于壓延機的機構運動分析軟件開發

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

周 凌

ZHOU Ling

（無錫商業職業技術學院，無錫 214023）

多連桿機構作為拉延壓力機的工作機構是拉延壓力機的關鍵部件之一，在產品的設計階段，對拉延壓力機工作機構進行運動分析與優化設計對合理設計拉延壓力機工作機構具有重要作用。本文主要介紹軟件開發中的接口問題和編程關鍵問題，并提供了一個壓延機運動分析和優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。

拉延壓力機；多連桿機構；運動分析；優化設計

0 引言

拉延壓力機是應用于薄板拉延工藝的專用壓力機，多連桿機構是現代拉延壓力機內、外滑塊普遍采用的工作機構。多連桿機構作為拉延壓力機的工作機構是拉延壓力機的關鍵部件之一，其設計水平的高低直接影響到工作機構性能的好壞，進而影響整機的性能以及拉延工件的質量等。在產品的設計階段，對拉延壓力機工作機構進行運動分析與優化設計對合理設計拉延壓力機工作機構具有重要作用。

本文用VB6.0和Matlab開發的拉延壓力機多連桿機構運動分析與優化設計軟件。利用Visual Basic 6.0開發了程序主界面，利用Matlab 強大的計算及繪圖功能建立機構運動分析與優化設計軟件的內核，這種方法可以充分發揮兩者的優勢，基本實現了程序的智能化，提高了軟件操作時的人機交互性，降低了對使用者的要求。利用所開發的軟件，對拉延壓力機工作機構的運動特性曲線進行跟蹤顯示，不僅可以檢驗設計方案的合理性，而且可以檢驗機構參數設計是否合理，為拉延壓力機多連桿機構的設計提供了一個有力的工具。對深入研究拉延壓力機多連桿機構的優化設計和整機性能參數的優化設計將產生一定的指導意義。

1 系統的基本模塊結構

拉延壓力機多連桿機構的運動分析及優化設計用傳統方法(使用Turbo C, FORTRAN 77和高級BASIC )開發的程序是在DOS環境下，編程相當困難，而且界面不直觀，不能根據仿真結果隨時修改機構參數。Visual Basic(簡稱VB)的特點是它的簡易性，用戶分析壓力機多連桿機構時，只要按照提示輸入原始已知數據并按相應按鈕，就能得到多連桿機構滑塊運動的位移、速度、加速度曲線，實現實時運動分析，并可對運動學曲線圖進行實時參數修改。對現有機構進行優化設計時，用戶只將機構的性能約束指標輸入，系統會進行多次優化輸出，用戶選擇最優方案即可。

1.1 基本模塊

該系統分為現有方案預處理模塊、現有方案運動分析模塊、多連桿機構最優化設計模塊和優化結果的后處理模塊。各模塊的功能簡述如下:

1）現有方案預處理模塊

該模塊用VB開發，實現對現有的多連桿機構進行前期的預處理判斷。通過輸入現有機構方案的機構參數，該模塊將判斷現有方案是否滿足各桿長的邊界條件、曲柄存在條件以及是否滿足機構其他的限制條件等。如果現有方案通過合法性檢驗，該模塊將生成一個中間數據文件，供后續Matlab編寫的程序模塊調用；同時該模塊結束前自動調用Matlab程序，進行后續模塊的處理。

2）現有方案運動分析模塊

該模塊在預處理模塊的基礎上，根據多連桿機構的運動學分析方程，生成在一個工作循環內拉延壓力機多連桿機構內外滑塊的位移曲線、速度曲線及加速度曲線。對于起壓邊作用的外滑塊，該模塊還給出在壓緊角范圍內的位移波動曲線。

該模塊是一個現有方案的運動學正向求解的過程。

3）機構最優化設計模塊

該模塊根據拉延壓力機的性能要求，確定目標函數、設計變量和約束條件，建立多連桿機構優化設計模型。并根據所選的優化設計方法進行迭代收斂計算，最終得到機構的最優化設計方案結果。

4）優化結果后處理模塊

該模塊針對最優化設計模塊得到的最優化結果，完成后期的處理過程。包括優化結果的運動特性曲線顯示、外滑塊在壓緊角內的位移波動量比較等優化結果的后期顯示處理過程。

后三個模塊都是在Matlab環境中用M文件編制的。

1.2 程序的數據結構

本項目中使用的數據結構并不復雜，利用數組（尤其動態數組）和自定義數據類型（Type Statement）就可以滿足需求，且機制上也非常靈活。首先新建一個模塊（commondata.bas）專門用于存儲輸入數據，然后聲明各種類型的變量。其中自定義數據類型（Type Statement）可以包含多個互相關聯的不同數據類型的元素，聲明了一個自定義數據類型后便可以定義一個那種類型的變量。對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提供的快速開發工具來進行數據信息的合法性校驗和采集，生成一個中間數據文件，該文件是VB和Matlab程序的數據接口。

Matlab 是一個功能強大的工具軟件，對數據運算、圖形處理仿真有很強的處理能力。本軟件用VB實現數據準備工作，然后VB調用matlab 來進行運動分析和優化設計。運動分析和優化設計的結果以直觀的圖形形式給出。在matlab 中繪制好圖形后，保存成jpg格式的文件。VB使用loadpicture()函數，把圖形加載到主界面中的Picture控件中，實現可視化的人機交互。在matlab中使用m函數繪制圖形時，默認的圖形格式為fig,這種格式是VB所無法處理的，為此可以使用如下的m函數，將其圖形變成jpg格式保存：

h=get(0, 'Current Figure' ); //獲得當前圖形句柄saveas(h,'me','jpg') //另存為me.jpg

2 主要功能及界面

2.1 主要功能

本軟件可實現拉延壓力機“連桿曲線”型六連桿機構和外滑塊串接四連桿機構各桿長參數和幾何參數的輸入、修改;可根據輸入的各個數據計算、顯示多連桿機構滑塊的位移、速度、加速度曲線，顯示外滑塊在壓緊角內的位移波動曲線;進行“連桿曲線”型六連桿機構的優化設計，根據給定的設計性能指標，進行多次優化，并輸出各次優化的滑塊速度曲線比較，選擇合適的優化方案，輸出優化方案的機構參數和運動學圖線;進行外滑塊串接四連桿機構的優化設計，根據設計給定的滑塊位移波動限定值進行優化，輸出優化后的位移波動比較曲線，輸出優化方案的各個機構參數。

2.2 六桿機構優化設計軟件主界面

六桿機構優化設計軟件主界面包括“連桿曲線”型六連桿機構運動分析與優化設計主界面和外滑塊串接四連桿機構運動分析與優化設計主界面。按功能分為機構參數輸入、幾何參數輸入、運動分析、壓緊角內位移波動顯示、優化設計等主要按鈕，每一個主要功能按鈕又有相應的二級對話框，完成該功能按鈕指定的輸入、計算或顯示功能。

3 系統應用設計實例

為了檢驗系統運動分析的正確性以及優化設計的合理性，以應用“連桿曲線”型六連桿機構的德國類型壓力機進行運動分析與優化設計，得到了相應機構的運動學函數曲線和優化方案。

輸入機構參數：曲柄長度R=122.0，桿長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，轉速ω=1.50，系統進行運動分析，得到了該六連桿機構滑塊的位移、速度、加速度曲線，從曲線可以看出，該機構滑塊在工作行程內的速度波動比較大，拉延速度不穩定，導致拉延質量降低。給定滑塊的額定行程和機構額定最大加速度，應用系統對該機構進行優化設計，得到工作行程內速度穩定的曲線，并輸出優化方案的機構參數：曲柄長度R=122.000，桿長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，轉速ω=1.50，供對該機構進行進一步的改進設計。

4 本軟件的特點

利用Visual Basic 6.0和matlab，開發了拉延壓力機“連桿曲線”型六連桿機構的運動分析與優化設計軟件，可用于這種機構的現有機構運動學分析及優化設計，給出相應的優化設計方案。

該軟件具有以下主要特點:

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顯示出來，便于用戶觀察。

2）數據調整可視化 任一參數數據調整時，圖形觀察區將顯示參數調整后的機構狀況。

利用該軟件對壓力機多連桿機構進行了優化設計，不僅可以檢驗原有設計方案的不足，而且可以通過優化設計得到比原方案更優的設計方案。同時，該軟件對深入研究壓力機多連桿機構的設計和整機性能參數的優化設計將產生深刻的指導意義。

[1] 何德譽.曲柄壓力機[M].北京:機械工業出版社,1996.

[2] 華中工學院等五院.機械傳動及曲柄壓力機[M].北京:人民教育出版社,1977.

[3] 劉惟信.機械最優化設計[M].北京:清華大學出版社,1994.

[4] 陳立周.機械優化設計方法[M].北京:冶金工業出版社,1995.

[5] 王文博.機構和機械零部件優化設計[M].北京:機械工業出版社,1990.

[6] 張海濤.平面五連桿機構優化設計[J].蘇鹽科技,2001(2):2123.

[7] 田福祥.拉延壓力機六桿機構優化設計[J].重型機械,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 ，江蘇無錫人， 講師，本科，研究方向為機械設計。