[發明專利]一種西蘭花切塊去芯機構的參數優化設計方法

有效

• 申請號: 201811585816.X
• 申請日: 2018-12-24
• 公開（公告）號: CN109676671B
• 公開（公告）日: 2020-10-02
• 發明（設計）人: 陳建能;武傳宇;黃建勛;杜小強;景寒松
• 申請（專利權）人: 浙江德菲洛智能機械制造有限公司
• 主分類號: B26D5/00
• 分類號: B26D5/00;B26D5/06;B26D5/14
• 代理公司: 杭州之江專利事務所(普通合伙) 33216
• 代理人: 張費微

1.一種西蘭花切塊去芯機構的參數優化設計方法，所述西蘭花切塊去芯機構包括曲柄AB、連桿BC、搖桿CD、氣缸EF、擺臂DI、三角桿FGH、拉桿HJ、拉桿HK、刀柄IJ、刀柄IK、刀具M、刀具N，點A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K為鉸鏈點，所述曲柄AB繞點A轉動時，所述連桿BC做平面運動并帶動所述搖桿CD與所述擺臂DI做平面內繞點D的擺動，所述擺臂DI與所述搖桿CD擺動至切塊位置時，所述氣缸EF開始動作并推動所述三角桿FGH做平面運動，所述三角桿FGH推動所述拉桿HJ和所述拉桿HK向下運動，所述拉桿HJ、拉桿HK推動所述刀柄IJ和刀柄IK做切塊運動，所述刀柄IJ上焊接有刀具M，所述刀柄IK上焊接刀具N，進行切塊運動，所述擺臂DI的擺動與所述刀具M、刀具N的切塊運動的合成，形成了所述刀具M、刀具N的西蘭花切塊軌跡，所述搖桿CD擺動至另一極限位置時，所述氣缸EF往回動作，所述刀具M、刀具N張開，所述刀具M、刀具N內的西蘭花芯由于慣性會做拋體運動，拋擲至回收裝置，其特征在于：所述的參數優化設計方法包括如下步驟：

(a)確定設計變量：

取擺臂上一點G＇，點I與點G＇的連線IG＇的長度為設計變量X₁(單位：mm)，取點G與點G＇的連線GG＇的長度為設計變量X₂(單位：mm)，取桿HG的長度為設計變量X₃(單位：mm)，取拉桿HJ的長度為設計變量X₄(單位：mm)，取拉桿HK的長度為設計變量X₅(單位：mm)；

(b)確定步驟(a)中X₁、X₂、X₃、X₄、X₅的取值范圍；

(c)建立西蘭花切塊去芯機構的運動學模型，以點A為坐標原點的直角坐標系，將各桿表示為桿矢，并將各桿矢用指數形式的復數表示，

由封閉圖形ABCDA可寫出機構第一個封閉矢量方程：

將矢量方程寫成其復數形式：

將方程(2)實部與虛部分離得到：

解方程組(3)可得θ₂、θ₃的值，

由封閉圖形EGF可得機構第二個封閉矢量方程：

將矢量方程寫成其復數形式：

式中V為氣缸運動速度是以X軸方向為正方向的矢量；

將方程組(5)的實部和虛部分離得：

其中:

θ₃₁＝θ₃-β₁-β₄ (8)

解方程組(7)可得θ₅、θ₇的值，

由封閉圖形GHJIG可得機構第三個封閉矢量方程：

將矢量方程寫成其復數形式：

將方程(10)實部與虛部分離得到：

其中：

θ₆＝θ₅+j₂

θ₃₂＝θ₄₂+β₃+β₅

θ₄₂＝θ₃-β₁-β₃ (12)

解方程組(11)可得θ₈、θ₁₀的值，

由封閉圖形GHKIG可得機構第四個封閉矢量方程：

將矢量方程寫成其復數形式：

將方程(14)實部與虛部分離得到：

解方程組(15)可得θ₉、θ₁₁的值，則:

θ₁₂＝θ₁₀+(π+j₁)

θ₁₃＝θ₁₁-(π-j₁) (16)

計算所述刀具M、刀具N的運動位移方程，

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

則

其中：

其中：

θ₄₁＝θ₃-β₁-β₂ (26)

l_AB為曲柄AB的長度(單位：mm)；

l_BC為連桿BC的長度(單位：mm)；

l_CD為搖桿CD的長度(單位：mm)；

l_AD為點A、D間的距離(單位：mm)；

l_EG為點E、G間的距離(單位：mm)；

l_GF為三角桿FGH中點G、F間的距離(單位：mm)；

l_EF為氣缸缸底點E與氣缸活塞桿頂端點F間的距離(單位：mm)；

l_GH為三角桿FGH中點G、H間的距離，也即設計變量X₃(單位：mm)；

l_HJ為拉桿HJ的長度，也即設計變量X₄(單位：mm)；

l_GI為點G、I間的距離(單位：mm)；

l_IJ為刀柄IJ的長度(單位：mm)；

l_HK為拉桿HK的長度，也即設計變量X₅(單位：mm)；

l_IK為刀柄IK的長度(單位：mm)；

l_JM為點J與刀具M之間的距離(單位：mm)；

l_KN為點K與刀具N之間的距離(單位：mm)；

θ₁為曲柄AB與X軸的夾角(單位：度)；

θ₂為連桿BC與X軸的夾角(單位：度)；

θ₃為搖桿CD與X軸的夾角(單位：度)；

θ₄為擺臂DI與X軸的夾角(單位：度)；

θ₅為桿GF與X軸的夾角(單位：度)；

θ₆為桿HG與X軸的夾角(單位：度)；

θ₇為氣缸EF與X軸的夾角(單位：度)；

θ₈為拉桿HJ與X軸的夾角(單位：度)；

θ₉為拉桿HK與X軸的夾角(單位：度)；

θ₁₀為刀柄IJ與X軸的夾角(單位：度)；

θ₁₁為刀柄IK與X軸的夾角(單位：度)；

θ₁₂為點J與刀具M連線與X軸的夾角(單位：度)；

θ₁₃為點K與刀具N連線與X軸的夾角(單位：度)；

θ₃₁為點E與點G連線與X軸的夾角(單位：度)；

θ₃₂為點G與點I連線與X軸的夾角(單位：度)；

θ₄₁為擺臂DI與X軸的夾角(單位：度)；

θ₄₂為點G與點D連線與X軸的夾角(單位：度)；

θ_AD為桿AD與X軸的夾角(單位：度)；

β₁擺臂DI與桿DC之間的夾角(單位：度)；

β₂擺臂DI與桿ED之間的夾角(單位：度)；

β₃擺臂DI與桿DG之間的夾角(單位：度)；

β₄點G與點E連線與點E與點E＇連線之間的夾角(單位：度)；

β₅擺臂DI與點G與點I連線之間的夾角(單位：度)；

j₂桿HG與桿GF之間的夾角(單位：度)；

j₁刀柄IJ與刀柄IK之間的夾角(單位：度)；

(d)建立目標函數：

為保證機構末端切塊軌跡與理想切塊軌跡誤差最小，目標函數用f₁(x)來表示，其表達式為：

式中：

—西蘭花切塊去芯機構刀具M的實際位置的X坐標；

—西蘭花切塊去芯機構刀具M的理想位置的X坐標；

—西蘭花切塊去芯機構刀具M的實際位置的Y坐標；

—西蘭花切塊去芯機構刀具M的理想位置的Y坐標；

—西蘭花切塊去芯機構刀具N的實際位置的X坐標；

—西蘭花切塊去芯機構刀具N的理想位置的X坐標；

—西蘭花切塊去芯機構刀具N的實際位置的Y坐標；

—西蘭花切塊去芯機構刀具N的理想位置的Y坐標；

其中西蘭花的理想切塊軌跡得到M、N的理想切塊軌跡的方程為：

0≤i≤360，步長為1，機構切塊入切點為i＝340時，則當340≤i≤360時為機構的切塊軌跡，將x_lM、x_lN的取值范圍進行n等分，n＝20；則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]；

將理想軌跡點與實際軌跡點對應則：

為保證機構末端切塊兩刀具的同步性最好，目標函數用f₂(x)來表示，其表達式為：

綜合考慮上述各分目標函數，建立目標函數：min F(x)＝λ₁f₁(x)+λ₂f₂(x)

其中λ₁、λ₂為加權因子；

(e)建立約束函數：

根據西蘭花切塊去芯機構的結構空間和工作空間、運動時不發生干涉以及傳動性能良好的要求，確定設計變量及傳動角的約束如下：

設計變量X＝[X₁ X₂ X₃ X₄ X₅]的上限和下限分別為：

ub＝[60,80,60,160,160]；

lb＝[125,150,125,180,180]；

機構傳動角γ≥50°；

(f)根據設計變量、約束函數、西蘭花切塊去芯機構的運動學模型及目標函數編制優化設計的計算機程序并輸入計算機進行運行，采用有約束的優化設計算法對各設計變量X₁、X₂、X₃、X₄、X₅進行優化計算，直至達到期望的優化值，所述的有約束的優化設計算法為遺傳算法；

(g)輸出優化設計計算結果及其運動仿真圖形。