[发明专利]一种保证凸轮机构运动可靠性的优化设计方法

权利要求书

1.一种保证凸轮机构运动可靠性的优化设计方法，其特征在于利用该方法可得到使盘形凸轮机构运动可靠性最大的参数组合，提高盘形凸轮机构使用寿命，该方法具有下列步骤：

步骤1，通过分析基本尺寸误差、运动副间隙误差对盘形凸轮机构运动精度的影响，建立考虑两种误差的摆动推杆盘形凸轮机构运动可靠性R、可靠性灵敏度S_σ(i)数学模型；其中，摆动推杆盘形凸轮机构运动可靠性R的计算模型建立方法为：

1)设凸轮转动中心为坐标原点，令初始位置时摆杆与x轴间夹角为摆杆长为l、滚子半径为r、凸轮轴轴心与摆动回转中心距离为a、凸轮及滚子接触点与凸轮轴轴心距为b，c为凸轮顶点转过θ时所处位置与凸轮及滚子接触点的间距，则任意位置摆杆摆角表达式为：

2)运用泰勒级数展开法对各变量二阶展开，可得由基本尺寸误差所引起的摆杆摆角位置误差

3)因基本参数x、y、r、l、a均为随机变量且符合正态分布，故可求得由基本尺寸误差所引起的摆杆摆角位置误差均值与方差：

4)运动副非连续接触模型，设凸轮与支座连接处销轴中心坐标为O(x₁,y₁)，滚子与摆杆连接处销轴中心坐标为O₃(x₂,y₂)，将各尺寸参数a、b、l、r分别利用有效长度理论进行替换：

5)按泰勒级数展开法进行二阶展开，可得由运动间隙所引起的摆杆摆角位置误差

6)因x₁、x₂、y₁、y₂皆为随机变量且服从正态分布，故可知由运动副间隙所引起的摆杆摆角位置误差均值与方差：

另外，对于可靠性灵敏度S_σ(i)的计算模型，首先令盘形凸轮机构运动可靠性R为适应度函数：

其中Φ(·)为标准正态分布函数，δ为给定机构允许总误差，服从正态分布；分别为基于上述两种误差所得摆杆摆角位置误差均值、标准差；由此可知各参数的标准差对机构运动可靠性的灵敏度S_σ(i)：

式中i∈(a、l、b、r、z_g)，φ(·)为标准正态分布的概率密度函数；

步骤2，依据盘形凸轮机构优化模型的要求，确定盘形凸轮机构中摆杆长l、滚子半径r、凸轮轴轴心与摆动回转中心距离a、铰链运动副间隙z_g、凸轮及滚子接触点与凸轮轴轴心距b这五项参数优化范围、允许尺寸误差及分布类型，并建立盘形凸轮机构轮廓曲线方程；

步骤3，利用嵌入边界缓冲策略的正弦余弦算法在解空间内对摆杆长l、滚子半径r、凸轮轴轴心与摆动回转中心距离a、铰链运动副间隙z_g、凸轮及滚子接触点与凸轮轴轴心距b进行优化，并以盘形凸轮机构运动一周内的最小可靠度值作为评判标准，得到最优参数组合，该过程可分为以下几步：

1)参数初始化，假设种群规模为m，种群中任意个体由d维分量构成，第t代时个体i表示为：其中i∈{1,2,…,m}，j∈{1,2,…,d}；首先在解空间内随机初始化种群：ub、lb分别为解空间上下限；

2)将全部个体每一维所对应的不同参数(a、l、b、r、z_g)代入适应度函数中，得到相应个体的适应度值；取种群内最优个体的位置为pop_best，并设其为初始全局最优值；

3)依据初始化所得各项前置条件进行迭代更新：

其中，pop_best随t的增加而不断更新；r₂、r₃、r₄均为均匀分布的随机数，r₂∈[0,2π]，决定当前解是否靠近最优解；r₃∈[0,2]，控制最优解对当前解的影响程度；r₄∈[0,1]，主要影响正弦、余弦机制切换，由上式可知当r₁sin(r₂)或r₁cos(r₂)大于1或小于-1时，进行全局搜索；介于-1与1之间时，进行局部开发；r₁＝2-2t/T，其定义个体下次迭代的最大可能移动范围，起平衡算法全局搜索能力与局部开发能力的作用，T为最大迭代次数；

4)判断个体每一维参数是否存在超出解空间上下限的情况，若否，则转到步骤5)；若是，则对个体该维参数进行边界缓冲处理：

式中ε为缓冲控制系数，取缓冲上下边界分别为popMax＝0.1*ub、popMin＝0.1*lb，当个体超越上边界时：

当个体超越下边界时：

5)更新种群适应度最优值，并判断是否达到最大迭代次数条件，若否，则转到步骤3)；若是，则输出最优参数组合及对应的运动可靠性曲线、运动可靠性灵敏度曲线；

步骤4，依据步骤3所得结论对摆动推杆盘形凸轮机构模型提出合理的改进意见。

2.根据权利要求1所述的一种保证凸轮机构运动可靠性的优化设计方法，其特征在于：所述的步骤2，对盘形凸轮机构轮廓曲线方程进行如下定义，

1)轮廓曲线:

2)推程曲线:

P＝acosθ-lcosα(1+0.3491sinθ)

Q＝-asinθ+lsinα(1+0.3491sinθ)

α＝θ-0.3491cosθ+0.667

3)回程曲线:

P＝acosθ-lcosα(1-0.3491sin(θ-π))

Q＝-asinθ+lsinα(1-0.3491sin(θ-π))

α＝θ+0.3491cos(θ-π)+0.667。