目錄1緒論.12設(shè)計要求.13平面四桿機構(gòu)簡況與本課題的研究意義.13.1平面四桿機構(gòu)的應(yīng)用.13.2平面四桿機構(gòu)的特點：.23.3本文的主要研究內(nèi)容.24曲柄滑塊機構(gòu)的設(shè)計分析.34.1曲柄滑塊機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析.34.2工作行程最小傳動角wmin.44.2.1曲柄轉(zhuǎn)向與滑塊工作行程方向的合理配置.44.2.2幾何尺寸設(shè)計公式.54.3機構(gòu)特殊位置處的傳動角.64.4優(yōu)化與設(shè)計數(shù)據(jù).74.4.1設(shè)計變量及其范圍.74.4.2尋優(yōu)目標(biāo)函數(shù)及約束條件.84.4.3設(shè)計數(shù)據(jù).84.4.4結(jié)語.95曲柄滑塊機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方法.95.1編程語言的選擇.95.2關(guān)于VisualBasic.95.3VisualBasic的其它特性.105.4程序運行界.105.4.1設(shè)計窗口.115.4.2工具箱.115.4.3屬性窗口.125.4.4【工程】窗口.125.4.5代碼窗口.125.4.6【窗體布局】窗口(如圖8).135.4.7菜單欄.135.4.8工具欄.135.5用戶界面的設(shè)計.146設(shè)計實例.147結(jié)束語.15謝辭.17參考文獻(xiàn)：.18附程序代碼.191緒論制造業(yè)是我國工業(yè)的主體，據(jù)統(tǒng)計，我國制造業(yè)的增加值占整個工業(yè)產(chǎn)業(yè)的78%，從業(yè)人員占82%，國內(nèi)生產(chǎn)總值的約40%、財政收入的50%、外貿(mào)出口的80%來源于制造業(yè)。因此，必須大力推進(jìn)制造業(yè)信息化，以信息化帶動工業(yè)化，提高我國制造業(yè)的整體素質(zhì)和競爭力。產(chǎn)品設(shè)計的數(shù)字化是制造業(yè)信息化的重要組成部分。結(jié)合我國國情，立足應(yīng)用，實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計，為我國制造企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新和管理創(chuàng)新提供成熟成套的技術(shù)和軟件工具是實現(xiàn)制造業(yè)信息化的有效措施。據(jù)有關(guān)資料顯示，在產(chǎn)品設(shè)計過程中，繪圖時間約占總設(shè)計時間的34%，圖紙修改時間約占8%-9%，編寫零部件明細(xì)表時間約占5%，也就是說，在圖紙上所花費的時間約占總設(shè)計時間的一半左右。曲柄滑塊機構(gòu)作為使用最廣的機械零件之一,實現(xiàn)其數(shù)字化設(shè)計與制造對制造業(yè)的信息化具有重要意義。本課題通過對曲柄滑塊機構(gòu)的深入分析,把優(yōu)化設(shè)計與VB技術(shù)相結(jié)合,在windows平臺上開發(fā)了一個具有參數(shù)優(yōu)化的曲柄滑塊機構(gòu)設(shè)計程序,實現(xiàn)了曲柄滑塊機構(gòu)的數(shù)字化設(shè)計。2設(shè)計要求根據(jù)曲柄滑塊機構(gòu)的設(shè)計理論，根據(jù)參數(shù)化設(shè)計的原理，建立起考慮傳動性能時曲柄滑塊機構(gòu)參數(shù)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型，并采用一定的算法，編出程序來實現(xiàn)其參數(shù)化設(shè)計過程。（1）建立程序的運行界面；（2）建立數(shù)學(xué)模型；（3）程序采用的算法及運行時間；（4）程序所得出的設(shè)計參數(shù)是否合理，是否全局最優(yōu)；3平面四桿機構(gòu)簡況與本課題的研究意義3.1平面四桿機構(gòu)的應(yīng)用連桿機構(gòu)應(yīng)用十分廣泛，它不僅在眾多工農(nóng)業(yè)機械和工程機械中得到廣泛應(yīng)用，而且諸如人造衛(wèi)星太陽能板的展開結(jié)構(gòu)、機械手的傳動結(jié)構(gòu)折疊傘的收放機構(gòu)及人體假肢等也都用有連桿機構(gòu)。此外，雖然可以利用連桿機構(gòu)來滿足一些運動規(guī)律和運動軌跡的設(shè)計要求，但其設(shè)計十分繁難，且一般只能近似地得以滿足。正因如此，如何根據(jù)最優(yōu)化方法來設(shè)計連桿機構(gòu)，使其能最佳地滿足設(shè)計要求，一直是連桿機構(gòu)研究的一個重要課題。近年來，對平面連桿機構(gòu)的研究，不論從研究范圍上還是方法上都有了很大進(jìn)展。對多桿多自由度平面連桿的研究，也提出了一些有關(guān)的分析及綜合的方法。同時，在設(shè)計要求上，也已不再局限于運動學(xué)要求，而是同時要求兼機構(gòu)的動力學(xué)特性。在研究方法上，優(yōu)化設(shè)計和計算機輔助設(shè)計的應(yīng)用已成為研究連桿機構(gòu)的重要方法，并已相應(yīng)地編制出大量的、適用范圍廣、計算機時少、使用方便的通用軟件。隨著計算機的發(fā)展和現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具的日益完善，以前不易解決的復(fù)雜平面連桿機構(gòu)的設(shè)計問題正在逐步獲得解決。3.2平面四桿機構(gòu)的特點：連桿機構(gòu)的共同特點是原動件的運動都要經(jīng)過一個與機架直接相連的一個中間機構(gòu)（稱為連桿）才能傳動從動件，故稱之為連桿機構(gòu)。連桿機構(gòu)具有一下一些傳動特點：（1）連桿機構(gòu)中的運動副一般均為低副，其運動副元素為面接觸，壓力較小，承載能力較大，潤滑好，磨損小，加工制造容易，且連桿機構(gòu)中的低副一般是幾何封閉，對保證工作的可靠性有利。（2）在連桿機構(gòu)中，在原動件的運動規(guī)律不變的條件下，可以改變各構(gòu)件的相對長度來使從動件得到不同的運動規(guī)律。（3）在連桿機構(gòu)中，連桿尚各點的軌跡是各種不同形狀的曲線（稱為連桿曲線），其形狀隨著各構(gòu)件相對長度的改變而改變，故連桿曲線的形狀多樣，可以來滿足一些特定工作的需要。利用連桿機構(gòu)還可以很方便地達(dá)到改變運動的傳遞方向、擴大行程、實現(xiàn)增力和遠(yuǎn)距離傳動等目的。3.3本文的主要研究內(nèi)容機械優(yōu)化設(shè)計是把數(shù)學(xué)規(guī)劃理論和計算方法應(yīng)用于機械設(shè)計，按照預(yù)定的目標(biāo)，借助與電子計算機的運算尋求最優(yōu)的設(shè)計方案的有關(guān)參數(shù)，從而獲得較好的技術(shù)經(jīng)濟效果，進(jìn)而對機械零件結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇進(jìn)行優(yōu)化，從而在滿足一定工作條件下，使工作零件結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇盡可能達(dá)到最優(yōu)。在實際生產(chǎn)中,曲柄滑塊機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計關(guān)系到生產(chǎn)成本的減低。本文的研究目的是尋求曲柄滑塊機構(gòu)的最有效設(shè)計方法，使曲柄滑塊機構(gòu)的設(shè)計更加簡單方便。進(jìn)一步開發(fā)出設(shè)計曲柄滑塊機構(gòu)軸專用設(shè)計程序，并通過設(shè)計程序,對曲柄滑塊機構(gòu)尺寸進(jìn)行初步的優(yōu)化，對曲柄滑塊機構(gòu)的后續(xù)設(shè)計提供最有參考價值的數(shù)據(jù)。本文所設(shè)計的曲柄滑塊機構(gòu)的方向和內(nèi)容，國內(nèi)國外沒有完整的可供參考的資料，完全是根據(jù)曲柄滑塊機構(gòu)基本設(shè)計理論，優(yōu)化設(shè)計基本思想與VB技術(shù)相結(jié)合，在曲柄滑塊機構(gòu)數(shù)化設(shè)計上的大膽有意義的探索！是曲柄滑塊機構(gòu)參數(shù)化設(shè)計一系列課題中很小的一部分！本文針對曲柄滑塊機構(gòu)設(shè)計中設(shè)計變量的性質(zhì)不同、取值離散性大和受設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)限制多等關(guān)鍵技術(shù)問題，研究優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型的建立、繪圖程序編制與支撐平臺的關(guān)系和曲柄滑塊機構(gòu)的計算程序結(jié)構(gòu)等，為實現(xiàn)曲柄滑塊機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計與參數(shù)化繪圖的一體化提供依據(jù)和實現(xiàn)的手段。主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：（1）根據(jù)機械設(shè)計實際問題和對設(shè)計所提出的要求，建立優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型，確定軸的設(shè)計變量，建立目標(biāo)函數(shù)、約束條件等具體的優(yōu)化設(shè)計計算的數(shù)學(xué)模型；（2）按照數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)，選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法，和相應(yīng)的計算程序，針對常用曲柄滑塊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點，建立設(shè)計變量與各個幾何尺寸之間的基本關(guān)系，為參數(shù)化繪圖接口模塊程序編制提供依據(jù)，對設(shè)計變量數(shù)，約束條件數(shù)，目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的復(fù)雜程度等進(jìn)行分析；（3）根據(jù)優(yōu)化計算結(jié)果，對軸進(jìn)行再設(shè)計，進(jìn)一步提高曲柄滑塊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)合理性、尋求幾何尺寸的最佳組合,協(xié)調(diào)零件之間的尺寸關(guān)系；分析輸出結(jié)果是否達(dá)到預(yù)期的目的，檢查數(shù)學(xué)模型，所用優(yōu)化方法及輸入數(shù)據(jù)是否正確，進(jìn)行必要的修正后再作運算，對運算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使其滿足實際要求。（4）在具體的設(shè)計中，會遇到某一優(yōu)化設(shè)計問題，可采用不同的算法求解，為提高設(shè)計和繪圖效率，實現(xiàn)人機對話，開發(fā)出曲柄滑塊機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與參數(shù)化自動繪圖軟件包提出具體的實施方案，并遵循以下幾個原則：可靠性要好：在合理的精度要求下，在一定的計算時間內(nèi)，求解優(yōu)化問題的成功率越高，可靠性越好。效率要高：算法的效率是指解題的效率，一般可用算法所用計算時間或計算函數(shù)的次數(shù)來衡量，最好選用不計算梯度與海色矩陣的優(yōu)化方法，盡可能選用計算過程中調(diào)用函數(shù)值次數(shù)少的優(yōu)化方法。穩(wěn)定性要好：遇到高度非線性的偏心率大的函數(shù)時，不會因為計算機字長截斷誤差迭代過程正常運行，而中斷運算過程。采用成熟的計算程序：對現(xiàn)有的成熟的計算程序應(yīng)盡可能的采用，使得解題簡便。4曲柄滑塊機構(gòu)的設(shè)計分析4.1曲柄滑塊機構(gòu)結(jié)構(gòu)分析曲柄滑塊機構(gòu)具有運動副為低副，各元件間為面接觸，構(gòu)成低副兩元件的幾何形狀比較簡單，加工方便，易于得到較高的制造精度等優(yōu)點，因而在包括煤礦機械在內(nèi)的各類機械中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于這種機構(gòu)在多數(shù)情況下應(yīng)用于載荷較重的場合，所以在對它的設(shè)計時，必須考慮其傳動性能，尤其是隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，曲柄滑塊機構(gòu)的運動速度和承載能力要求都有了大幅度的提高，從而對其傳動性能提出了更高的要求。最小傳動角min的大小是衡量曲柄滑塊機構(gòu)傳動性能的指標(biāo)，min愈大，機構(gòu)運轉(zhuǎn)愈輕松，傳動效率愈高。而在曲柄滑塊機構(gòu)設(shè)計中，為提高機構(gòu)的勞動生產(chǎn)率，又往往要求其有急回特性。機構(gòu)的急回特性用行程速比系數(shù)K來表示，K愈大，機構(gòu)的急回程度愈明顯。K的大小和最小傳動角min之間存在著一定的關(guān)系，它直接影響到機構(gòu)達(dá)到一定傳動性能的可能性。如何在滿足急回運動要求的前提下，又能使機構(gòu)具有良好的傳動性能，是設(shè)計者需要考慮的問題。對這一設(shè)計問題，許多文獻(xiàn)中已有所論述，但往往沒有考慮到最小傳動角應(yīng)該是工作行程中的最小值wmin，因為機構(gòu)只有在工作行程中才受到較大的工作阻力的作用。所以從最佳設(shè)計角度講，應(yīng)按照工作行程中的最小傳動角wmin進(jìn)行設(shè)計。本文從機構(gòu)在工作行程中擁有最佳傳動性能出發(fā)，通過以機構(gòu)wmin最大為尋優(yōu)目標(biāo)函數(shù)對機構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，分析了速比系數(shù)對曲柄滑塊機構(gòu)工作行程傳動性能的影響，給出了相應(yīng)設(shè)計參數(shù)。4.2工作行程最小傳動角wmin4.2.1曲柄轉(zhuǎn)向與滑塊工作行程方向的合理配置在下圖所示的曲柄滑塊機構(gòu)設(shè)計原理圖中，1l,2l分別為曲柄AB、連桿BC的長度，e為偏距，H為滑塊行程。許多文獻(xiàn)中已闡述了以下結(jié)論：曲柄位于AB0時，傳動角為機構(gòu)在整個運動循環(huán)中的最小值min=arccos(1l+e)/2若滑塊從1c到2c為工作行程，2c到1c為空回行程，工作行程中一般受到較大的工作阻力，運動速度較慢。此時，曲柄AB的轉(zhuǎn)向有2種配置：一種是AB逆時針轉(zhuǎn)動，此時min將出現(xiàn)在工作行程中；另一種是AB順時針回轉(zhuǎn)，此時min將出現(xiàn)在空回行程中，不但滿足工作行程中滑塊的平均速度較小的要求，而且工作行程中的最小傳動角minw將比min大，這樣有利于機構(gòu)獲得良好的傳動性能，能克服更大的工作阻力，提高機器的機械效率。所以，在曲柄滑塊機構(gòu)設(shè)計中，曲柄的轉(zhuǎn)動方向與滑塊工作行程方向之間存在著合理的配置問題。顯然，對于圖中滑塊從1c到2c為工作行程時，不論從傳動性能要求還是滿足急回特性要求來考慮，曲柄AB的合理轉(zhuǎn)向都應(yīng)該是順時針方向。4.2.2幾何尺寸設(shè)計公式極位夾角與行程速比系數(shù)K的關(guān)系為=1800（K-1）/（K+1），根據(jù)極位夾角的定義，00090。為了便于討論，采用相對尺寸表示機構(gòu)，取滑塊行程H=1，下面的a，b，c都表示為H=l時的相對長度，即a=l1/H，b=l2/H，c=e/H。在AC1C2中，根據(jù)余弦定理有cosab2a2b212222）（1）正弦定理得c=(b+a)sinAC1C2=(b2-a2)sin（2）已知相對偏心距e的機構(gòu)設(shè)計由式（1）、式（2）得到a=sin4cos1c2sin）（3）b=sin4cos1c2sin）（由運動連續(xù)聯(lián)系性條件，相對偏心距應(yīng)不大于PC2,即ccos（4）已知曲柄相對長度a的機構(gòu)設(shè)計由式（1）得b=）（）（cos12cos1a212（5）c=sincos12a412）（由AC1C2的存在條件可得a5.0，再由運動連續(xù)性條件式（4）和式（5）解得：t