[发明专利]一种西兰花切块去芯机构的参数优化设计方法

权利要求书

1.一种西兰花切块去芯机构的参数优化设计方法，所述西兰花切块去芯机构包括曲柄AB、连杆BC、摇杆CD、气缸EF、摆臂DI、三角杆FGH、拉杆HJ、拉杆HK、刀柄IJ、刀柄IK、刀具M、刀具N，点A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K为铰链点，所述曲柄AB绕点A转动时，所述连杆BC做平面运动并带动所述摇杆CD与所述摆臂DI做平面内绕点D的摆动，所述摆臂DI与所述摇杆CD摆动至切块位置时，所述气缸EF开始动作并推动所述三角杆FGH做平面运动，所述三角杆FGH推动所述拉杆HJ和所述拉杆HK向下运动，所述拉杆HJ、拉杆HK推动所述刀柄IJ和刀柄IK做切块运动，所述刀柄IJ上焊接有刀具M，所述刀柄IK上焊接刀具N，进行切块运动，所述摆臂DI的摆动与所述刀具M、刀具N的切块运动的合成，形成了所述刀具M、刀具N的西兰花切块轨迹，所述摇杆CD摆动至另一极限位置时，所述气缸EF往回动作，所述刀具M、刀具N张开，所述刀具M、刀具N内的西兰花芯由于惯性会做抛体运动，抛掷至回收装置，其特征在于：所述的参数优化设计方法包括如下步骤：

(a)确定设计变量：

取摆臂上一点G＇，点I与点G＇的连线IG＇的长度为设计变量X₁(单位：mm)，取点G与点G＇的连线GG＇的长度为设计变量X₂(单位：mm)，取杆HG的长度为设计变量X₃(单位：mm)，取拉杆HJ的长度为设计变量X₄(单位：mm)，取拉杆HK的长度为设计变量X₅(单位：mm)；

(b)确定步骤(a)中X₁、X₂、X₃、X₄、X₅的取值范围；

(c)建立西兰花切块去芯机构的运动学模型，以点A为坐标原点的直角坐标系，将各杆表示为杆矢，并将各杆矢用指数形式的复数表示，

由封闭图形ABCDA可写出机构第一个封闭矢量方程：

将矢量方程写成其复数形式：

将方程(2)实部与虚部分离得到：

解方程组(3)可得θ₂、θ₃的值，

由封闭图形EGF可得机构第二个封闭矢量方程：

将矢量方程写成其复数形式：

式中V为气缸运动速度是以X轴方向为正方向的矢量；

将方程组(5)的实部和虚部分离得：

其中:

θ₃₁＝θ₃-β₁-β₄ (8)

解方程组(7)可得θ₅、θ₇的值，

由封闭图形GHJIG可得机构第三个封闭矢量方程：

将矢量方程写成其复数形式：

将方程(10)实部与虚部分离得到：

其中：

θ₆＝θ₅+j₂

θ₃₂＝θ₄₂+β₃+β₅

θ₄₂＝θ₃-β₁-β₃ (12)

解方程组(11)可得θ₈、θ₁₀的值，

由封闭图形GHKIG可得机构第四个封闭矢量方程：

将矢量方程写成其复数形式：

将方程(14)实部与虚部分离得到：

解方程组(15)可得θ₉、θ₁₁的值，则:

θ₁₂＝θ₁₀+(π+j₁)

θ₁₃＝θ₁₁-(π-j₁) (16)

计算所述刀具M、刀具N的运动位移方程，

(x_A、y_A)表示点A的坐标，(x_D、y_D)表示点D的坐标，(x_M、y_M)表示点M的坐标，(x_J、y_J)表示点J的坐标，(x_N、y_N)表示点N的坐标，(x_K、y_K)表示点K的坐标，(x_H、y_H)表示点H的坐标，(x_G、y_G)表示点G的坐标，(x_G′、y_G′)表述点G＇的坐标，已知：

则

其中：

其中：

θ₄₁＝θ₃-β₁-β₂ (26)

l_AB为曲柄AB的长度(单位：mm)；

l_BC为连杆BC的长度(单位：mm)；

l_CD为摇杆CD的长度(单位：mm)；

l_AD为点A、D间的距离(单位：mm)；

l_EG为点E、G间的距离(单位：mm)；

l_GF为三角杆FGH中点G、F间的距离(单位：mm)；

l_EF为气缸缸底点E与气缸活塞杆顶端点F间的距离(单位：mm)；

l_GH为三角杆FGH中点G、H间的距离，也即设计变量X₃(单位：mm)；

l_HJ为拉杆HJ的长度，也即设计变量X₄(单位：mm)；

l_GI为点G、I间的距离(单位：mm)；

l_IJ为刀柄IJ的长度(单位：mm)；

l_HK为拉杆HK的长度，也即设计变量X₅(单位：mm)；

l_IK为刀柄IK的长度(单位：mm)；

l_JM为点J与刀具M之间的距离(单位：mm)；

l_KN为点K与刀具N之间的距离(单位：mm)；

θ₁为曲柄AB与X轴的夹角(单位：度)；

θ₂为连杆BC与X轴的夹角(单位：度)；

θ₃为摇杆CD与X轴的夹角(单位：度)；

θ₄为摆臂DI与X轴的夹角(单位：度)；

θ₅为杆GF与X轴的夹角(单位：度)；

θ₆为杆HG与X轴的夹角(单位：度)；

θ₇为气缸EF与X轴的夹角(单位：度)；

θ₈为拉杆HJ与X轴的夹角(单位：度)；

θ₉为拉杆HK与X轴的夹角(单位：度)；

θ₁₀为刀柄IJ与X轴的夹角(单位：度)；

θ₁₁为刀柄IK与X轴的夹角(单位：度)；

θ₁₂为点J与刀具M连线与X轴的夹角(单位：度)；

θ₁₃为点K与刀具N连线与X轴的夹角(单位：度)；

θ₃₁为点E与点G连线与X轴的夹角(单位：度)；

θ₃₂为点G与点I连线与X轴的夹角(单位：度)；

θ₄₁为摆臂DI与X轴的夹角(单位：度)；

θ₄₂为点G与点D连线与X轴的夹角(单位：度)；

θ_AD为杆AD与X轴的夹角(单位：度)；

β₁摆臂DI与杆DC之间的夹角(单位：度)；

β₂摆臂DI与杆ED之间的夹角(单位：度)；

β₃摆臂DI与杆DG之间的夹角(单位：度)；

β₄点G与点E连线与点E与点E＇连线之间的夹角(单位：度)；

β₅摆臂DI与点G与点I连线之间的夹角(单位：度)；

j₂杆HG与杆GF之间的夹角(单位：度)；

j₁刀柄IJ与刀柄IK之间的夹角(单位：度)；

(d)建立目标函数：

为保证机构末端切块轨迹与理想切块轨迹误差最小，目标函数用f₁(x)来表示，其表达式为：

式中：

—西兰花切块去芯机构刀具M的实际位置的X坐标；

—西兰花切块去芯机构刀具M的理想位置的X坐标；

—西兰花切块去芯机构刀具M的实际位置的Y坐标；

—西兰花切块去芯机构刀具M的理想位置的Y坐标；

—西兰花切块去芯机构刀具N的实际位置的X坐标；

—西兰花切块去芯机构刀具N的理想位置的X坐标；

—西兰花切块去芯机构刀具N的实际位置的Y坐标；

—西兰花切块去芯机构刀具N的理想位置的Y坐标；

其中西兰花的理想切块轨迹得到M、N的理想切块轨迹的方程为：

0≤i≤360，步长为1，机构切块入切点为i＝340时，则当340≤i≤360时为机构的切块轨迹，将x_lM、x_lN的取值范围进行n等分，n＝20；则x_lMn＝[x_lM1,x_lM2,……，x_lMn]；x_lNn＝[x_lN1,x_lN2,……，x_lNn]；y_lMn＝[y_lM1,y_lM2,……，y_lMn]；y_lNn＝[y_lN1,y_lN2,……，y_lNn]；

将理想轨迹点与实际轨迹点对应则：

为保证机构末端切块两刀具的同步性最好，目标函数用f₂(x)来表示，其表达式为：

综合考虑上述各分目标函数，建立目标函数：min F(x)＝λ₁f₁(x)+λ₂f₂(x)

其中λ₁、λ₂为加权因子；

(e)建立约束函数：

根据西兰花切块去芯机构的结构空间和工作空间、运动时不发生干涉以及传动性能良好的要求，确定设计变量及传动角的约束如下：

设计变量X＝[X₁ X₂ X₃ X₄ X₅]的上限和下限分别为：

ub＝[60,80,60,160,160]；

lb＝[125,150,125,180,180]；

机构传动角γ≥50°；

(f)根据设计变量、约束函数、西兰花切块去芯机构的运动学模型及目标函数编制优化设计的计算机程序并输入计算机进行运行，采用有约束的优化设计算法对各设计变量X₁、X₂、X₃、X₄、X₅进行优化计算，直至达到期望的优化值，所述的有约束的优化设计算法为遗传算法；

(g)输出优化设计计算结果及其运动仿真图形。