遗传算法实现平面连杆机构运动-轨迹综合

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1、1．1研究背景与意义第一章绪论随着我国加入世界贸易组织，企业的产品创新意识越来越强烈，可以肯定，企业的竞争力在很大程度上决定于其创新能力，设计出具有自主知识产权的产品，赢得市场。本课题来源于上海工业缝纫机股份有限公司的重点攻关项目，本文探讨针对于特定运动要求的平面连杆轨迹机构如何通过参数优化达到最佳性能，同时也从优化的角度研究如何进行产品创新设计，设计出具有优良性能的新型机构。机构是运动确定的构件系统，用于运动的传递与变换。机构学是随着蒸汽机的出现而形成与发展的一门学科。机构学的基本问题有机构结构学

2、、机构运动学与机构动力学三大部分。机构学所研究的问题有两大类：机构分析与机构综合。机构分析着重于机构结构学、运动学与动力学特性的分析研究，揭示机构结构组成、运动学与动力学规律及其相互间的联系，用于现有机构系统的性能分析与改进并为机构综合提供重要的理论依据。机构综合则着重于创造性构思、发明、创新设计新机构的理论与方法的研究。机构的分析与综合是密切相关的，机构的综合要应用机构分析所得的结果，只有在机构分析的基础上才能进行机构的综合，而机构分析的目的也是为了改进或设计出性能更卓越的新机构。在机构的综合过程

3、中，首先需进行结构类型综合，根据输出运动的总体要求确定机构的类型：然后进行尺度综合，根据输出运动的预期规律确定机构中的结构运动参数；再是进行机构的动力参数综合，根据机构的动力性能要求确定机构中各构件的质量、质心位置以及各运动构件相对质心的转动惯量等动力参数。在上述机构综合的三大步骤中都离不开机构性能的评价与方案的优选。在机构的结构类型综合中，通过对机构的拓扑结构分析进行结构类型优选；在机构尺度综合中，通过对机构的运动分析进行机构的尺寸优选；在动力参数综合中，则通过对机构的动力特性分析进行机构的动力参

4、数优选。当前科技飞速发展，由于工业机器人、宇航技术、医疗器械与海洋开发等技术的开发利用以及机电一体化技术的发展，为机构学提供了许多新的研究课题，对机构系统提出了更高的要求，诸如高精度、高速度、强承载力、微型结构等多种特殊性能要求，这些都为机构学的发展指明了方向并使其呈现出勃勃生机。微电子学、计算机科学、材料科学、自动化技术、人工智能技术等多种学科与机构学的交叉、补充渗透与融合大大拓宽了机构学的研究面并涌现出许多新的机构学分支。电子计算机以及一些新的数学工具的应用使得机构分析与综合的方法与手段大为改进

5、。机构结构理论由于机器人、步行机、人工假肢等产品的发展需要以第一章绪论及图论等工具的应用得以深入。改进优化现有机构，创造新机构仍是提高机械产品性能的关键之一。此外，由于现代机构系统包含柔体、液压、气动、电磁、光电等等非传统刚性构件，机构的选型研究仍在不断的开拓与发展之中。常规的平面与空间连杆机构、凸轮与间歇运动机构、齿轮机构等的分析与综合由于众多的分析综合计算机软件的涌现而变得较为便利。由于目前不少机械产品向高速、高精度、小型化方向发展，这对机械的动力性能要求提出了越来越高的要求，从而在研究机构的动

6、力性能时需要考虑机构中的构件变形、制造误差、运动副间隙等因素的影响，促使机构的弹性动力学与机构的振动、噪声、平衡等方面研究的不断深入【25t71。平面连杆机构之所以在各种机械系统中(如自动化机械、机器人等)得到广泛应用，在于其自身的显著优点。平面连杆机构不仅能够实现多种运动规律和运动轨迹的要求，而且连杆机构中的运动副一般均为低副，其元素之间为面接触，传动时单位接触面积所受压力较小，磨损也相应减小：构成这些运动副的元素(如圆柱面、平面等)加工比较简便，容易得到较高的制造精度；低副元素的接触是依靠本身的

7、几何约束来保证的，不需要附加诸如弹簧等零件：连杆机构还能起到增力或扩大行程的作用，若接长连杆，则能控制较远距离的某些动作。所以，连杆机构已在各种机器和仪表中获得广泛使用¨圳。但是，连杆机构所能实现的运动规律有一定的局限性，即难以准确地实现任意的运动规律。而且，连杆机构中待定的设计参数较多，设计连杆机构远比设计凸轮机构复杂。连杆机构综合的基本问题是根据生产工艺所提出的动作和运动规律等要求，确定机构的运动简图及其尺度参数。因此连杆机构的综合过程可以分为两大步：第一是型式选择，即机构的型综合：第二是参数选

8、择，即机构的尺度综合。目前连杆机构综合所运用的主要方法是解析法，在解析法中又分为精确点法综合和优化综合两种求解过程。精确点法综合是只指定少量的点位，保证生成的机构的运动在这些点位是精确的，至于除这些点位之外的误差则没有明确的估算。由于受机构独立设计参数的限制，精确点数目不能超过待定机构参数的数目。而优化综合则是把机构所能实现的运动与要求机构所实现运动二者间的结构误差作为最小化求优的目标函数，而把曲柄的存在条件和机构的传动角要求等作为约束条件，因此在综合过程中同时考虑了