CN112528430A - 一种装载机工作连杆机构优化设计方法及系统 - Google Patents

一种装载机工作连杆机构优化设计方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种装载机工作连杆机构优化设计方法，包括以下步骤：步骤a、根据初始结构的各点的坐标创建工作连杆的线框模型；步骤b、设置油缸参数，将工作连杆机构的性能限制转化为约束函数，并设置约束函数的优化区间；步骤c、设置优化目标数量与权重系数，选取设计变量和约束函数，根据实际需要选择优化目标数量；步骤d、根据目标的重要程度设置权重系数的大小，选取对目标有影响关系的约束函数以及设计变量，运行计算后查看仿真结果。本发明还公开一种装载机工作连杆机构优化设计系统。本发明的一种装载机工作连杆机构优化设计方法及系统，能够提高装载机工作连杆机构性能计算参数化程度，方便对多个性能参数进行同步优化计算。

Description

一种装载机工作连杆机构优化设计方法及系统
技术领域
本发明涉及一种装载机工作连杆机构优化设计方法及系统，属于工程机械装载机技术领域。
背景技术
装载机工作连杆机构在装载机设计中显得尤为重要，工作连杆系统是装载机传递力与运动到机具的机构，其结构性能对装载机的整机性能、工作可靠性、节能性、作业效率和安全性都有重要的影响。工作连杆机构性能包括掘起力，对物料的举升能力，卸载能力，连杆机构效率以及决定连杆机构性能的连杆间的夹角。目前国内对工作装置性能计算的方法有很多种，包括运用动力学软件，语言编程等，但是一般都针对单个性能的设计优化，其中方便易用，参数化程度普遍较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种能够提高装载机工作连杆机构性能计算参数化程度，方便对多个性能参数进行同步优化计算的装载机工作连杆机构优化设计方法及系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种装载机工作连杆机构优化设计方法，包括以下步骤：
步骤a、根据初始结构的各点的坐标创建工作连杆的线框模型；
步骤b、设置油缸参数，将工作连杆机构的性能限制转化为约束函数，并设置约束函数的优化区间；
步骤c、设置优化目标数量与权重系数，选取设计变量和约束函数，根据实际需要选择优化目标数量；
步骤d、根据目标的重要程度设置权重系数的大小，选取对目标有影响关系的约束函数以及设计变量，运行计算后查看仿真结果。
步骤a中，装载机工作连杆机构的9个铰接点分别为动臂下铰接点—A(X1，Y1)，铲斗与拉杆铰接点B(X2，Y2)，摇臂与拉杆铰接点—C(X3，Y3)，动臂与摇臂铰接点—D(X4，Y4)，翻斗油缸与摇臂铰接点—E(X5，Y5)，动臂与动臂油缸铰接点—F(X6，Y6)，摇臂油缸与前车架铰接点—G(X7，Y7)，动臂油缸与前车架下铰接点—H(X8，Y8)，动臂上铰点与前车架上铰接点—I(X9，Y9)，以及表示铲斗切削刃的两个点a，a'，前轮中心点O。
步骤a中，铲斗用四个点a，a'，A，B创建的四边形来代替，拉杆用两个点B，C组成的线段代替，摇臂用C，D，E，组成的折线代替，动臂用A，F，I，D组成的四边形代替，前车架用H，I，G组成的三角形代替，动臂油缸用两个点F，H组成的两个线段代替，翻斗油缸用E，G组成的两个线段代替，前轮与地面的接触点为O。
步骤b中，油缸参数包括油缸尺寸参数和油缸运动参数，油缸尺寸参数和油缸运动参数分别为FDG_S：翻斗缸在地面位置收斗时走过的行程；Sys_Pre：系统压力；FDG_D：翻斗缸大腔直径；DBG_D：动臂缸大腔直径；DBG_L：动臂缸最小安装距离；DBG_S：铲斗从地面掘起位置升到最高位置时的动臂缸行程。
步骤b中，性能参数包括在约束创建功能区中的定义的XieZai_H：卸载高度约束；SDJiao：地面收斗角约束；XLJiao：高位卸料角约束；CDJiao_max：最大传动角约束；CDJiao_min：最小传动角约束；DBG_JSL：动臂缸举升力高位约束；DBG_JQL：动臂缸掘起力地面约束；FDG_JQL：翻斗缸掘起力地面位置约束；FPJiao：动臂放平角约束；PDJiao：举升平动角度约束。
步骤c中，多目标函数F(i,j,k)＝w1i+w2j+w3k；，其中w1、w2、w3为加权比重系数，i为定义动臂油缸掘起力传力比、j为翻斗油缸掘起力传力比以及k为动臂油缸高位举升力传力比，动臂油缸掘起力传力比i＝f(l1，l2，l3，l4)；
翻斗油缸掘起力传力比j＝f(l0，l1，l2，l3，l4，l5，l6)；
动臂油缸高位举升力传力比k＝f(l1，l2，l3，l4)。
其中，l0：为铲斗切削板到前车架上铰点的水平距离；l1为装载机铲斗斗底长度；l2：为动臂下铰点A到拉杆BC的距离；l3：为动臂与摇臂铰接点D到摇臂与拉杆铰接点C的距离；l4：为动臂与摇臂铰接点D到摇臂与翻斗油缸铰接点E的距离；l5：为前车架上铰点I到摇臂油缸EG的距离；l5为前车架上铰点I到动臂油缸FH的距离。
一种装载机工作连杆机构优化设计系统，包括装载机连杆机构模型创建模块、约束函数的参数化模块和多目标函数设置与优化模块，所述装载机连杆机构模型创建模块用于根据初始结构各铰点坐标创建工作连杆的线框模型；所述约束函数的参数化模块用于将油缸的油压，行程，安装距参数化，将工作连杆机构的性能限制转化为约束函数，并设置约束函数的优化区间；所述多目标函数设置与优化模块用于选择目标数量，根据性能需求设置权重系数、设计变量、约束函数以及查看结果性能曲线。
本发明的有益效果：本发明提供的一种装载机工作连杆机构优化设计方法及系统，通过对装载机连杆机构性能、约束条件的参数化设置，实现同时对多个目标性能的优化设计，该方法可以帮助设计人员根据工况实际需求，综合协调多个性能参数，计算出同时满足多种性能要求的最优解，得到装载机工作连杆机构参数化的铰点线框模型和实时动作下的运动学曲线、动力学曲线等。本发明对装载机工作连杆机构模型做了参数化处理，能实现自动建模的功能，性能及约束函数的参数化，计算分析及优化设计流程的自动化，设计人员只需在平台显示界面输入油缸参数、设计变量及设计域、选择约束函数，仿真平台会调用设置好的动力学软件进行计算，此平台对设计人员动力学软件的熟悉程度没有要求，大大降低了装载机工作连杆机构的设计门槛，同时有效的提升了计算效率，节约了人员和时间成本。
附图说明
图1为本发明中一种装载机工作连杆机构优化设计方法的仿真优化计算流程图；
图2为本发明中一种装载机工作连杆机构优化设计系统的显示界面图；
图3为本发明中一种装载机工作连杆机构优化系统中仿真平台模型可视化区界面图；
图4为本发明中一种装载机工作连杆机构优化系统中的油缸参数设置、约束函数设置界面图；
图5为本发明仿真平台求解计算与结果查看设置界面图；
图6为本发明中传力比定义示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明提供一种基于线框结构的装载机工作连杆机构多目标优化设计方法及系统，基于线框模型的仿真优化设计平台。包括线框模型自动搭建及设计变量的参数化，机构运动副自动创建、装载机工作连杆机构约束函数创建及多目标函数的权重组合设定。
本发明中优化设计系统包括以下几个模块：包括装载机连杆机构模型创建模块、约束函数的参数化模块和多目标函数设置与优化模块，装载机连杆机构模型创建模块用于根据初始结构各铰点坐标创建工作连杆的线框模型；约束函数的参数化模块用于将油缸的油压，行程，安装距参数化，将工作连杆机构的性能限制转化为约束函数，并设置约束函数的优化区间；多目标函数设置与优化模块用于选择目标数量(不大于3个)，根据性能需求设置权重系数、设计变量、约束函数以及查看结果性能曲线。
如图1所示，本发明提供的一种装载机工作连杆机构优化方法，主要包括以下步骤：
步骤一：工作连杆线框模型的搭建，打开仿真平台，显示界面出现通用的连杆线框模型，设计师根据自己连杆机构的特征，准备好初始结构的各点的坐标，并输入到对应的模型坐标中，此时仿真平台里的线框模型已经更新为初始结构的模型。
步骤二：油缸参数设置、驱动的创建，约束函数的设置，输入动臂缸、翻斗缸安装距，行程，油压等参数，根据实际需求输入约束函数的优化区间。
步骤三：优化目标数量与权重系数的设置，设计变量与约束函数的选取，根据实际需要选择优化目标数量(不大于3个)，根据目标的重要程度设置权重系数的大小，选取对目标有影响关系的约束函数以及设计变量，运行计算后即可查看仿真结果。
本发明中装载机的工作连杆机构包括动臂，摇臂，拉杆，铲斗均采用了简化的线框来代替三维模型，为了方便后期约束函数的参数化设置，从而忽略了工作机构的外形。
线框模型如图3的创建与定义：本发明中定义了装载机工作连杆机构的9个铰接点分别为动臂下铰接点—A(X1，Y1)，铲斗与拉杆铰接点B(X2，Y2)，摇臂与拉杆铰接点—C(X3，Y3)，动臂与摇臂铰接点—D(X4，Y4)，翻斗油缸与摇臂铰接点—E(X5，Y5)，动臂与动臂油缸铰接点—F(X6，Y6)，摇臂油缸与前车架铰接点—G(X7，Y7)，动臂油缸与前车架下铰接点—H(X8，Y8)，动臂上铰点与前车架上铰接点—I(X9，Y9)，以及表示铲斗切削刃的两个点a，a'，前轮中心点O。动臂，摇臂，拉杆，铲斗等是用铰点相连的直线表示，创建装载机六连杆多体动力学模型，将连杆机构用线框来代替以简化繁杂的实体几何模型创建工作。本发明通过调用了动力学软件中线框、运动副及驱动创建的API函数，根据所输入初始结构的各点坐标，自动创建通用的装载机连杆机构动力学线框模型，同时将线框模型中的各铰点坐标进行参数化处理。
如图3：铲斗用四个点a，a'，A，B创建的四边形来代替，拉杆用两个点B，C组成的线段代替，摇臂用C，D，E，组成的折线代替，动臂用A，F，I，D组成的四边形代替，前车架用H，I，G组成的三角形代替，动臂油缸用两个点F，H组成的两个线段代替，翻斗油缸用E，G组成的两个线段代替，前轮与地面的接触点为O；其中在点A、B、C、D、E、F、G、H、I处设置了旋转副，旋转轴垂直于模型平面，动臂油缸筒FH与位于同位置的动臂油缸杆HF两线段用滑动副约束，翻斗油缸筒EG与位于同位置的翻斗油缸杆GE两线段用滑动副约束，其只能沿着两点连线方向平移，同时根据输入的油缸参数对油缸运动副建立驱动，从而实现了仿真模型自动创建。
油缸的参数化与性能、约束函数的参数化如图4所示，本发明中定义了详细的油缸尺寸参数和油缸运动参数分别为FDG_S：翻斗缸在地面位置收斗时走过的行程，Sys_Pre：系统压力，FDG_D：翻斗缸大腔直径，DBG_D：动臂缸大腔直径，DBG_L：动臂缸最小安装距离，DBG_S：铲斗从地面掘起位置升到最高位置时的动臂缸行程；约束函数的定义是将装载机工作连杆机构性能参数化以及工作连杆机构尺寸数据参数化，并其参数化的数据进行相关的限制来转化成约束函数；在本发明中定义了XieZai_H：卸载高度约束(表示优化时，卸载高度不低于输入值)，SDJiao：地面收斗角约束(表示优化时，地面收斗角为输入值)，XLJiao：高位卸料角约束(表示优化时，高位卸料角不低于输入值)，CDJiao_max：最大传动角约束(表示优化时，传动角最大值不高于输入值)，CDJiao_min：最小传动角约束(表示优化时，传动角最小值不低于输入值)，DBG_JSL：动臂缸举升力(高位)约束(表示优化时，动臂缸高位举升力不低于输入值)，DBG_JQL：动臂缸掘起力(地面)约束(表示优化时，动臂缸地面掘起力不低于输入值)，FDG_JQL：翻斗缸掘起力(地面位置)约束(表示优化时，地面掘起力不低于输入值)，FPJiao：动臂放平角约束(表示优化时，放平角不高于输入值)，PDJiao：举升平动角度约束(表示优化时，举升过程中铲斗角度变化最大值不高于输入值)。
多目标优化设置区如图5是在仿真平台界面有优化目标的设置的功能Function_Objective，权重系数(w1，w1，w1)的设置功能，约束函数的选取功能Function_Constrains，设计变量的选取和设计域的设定功能Design_Variables，运行计算功能Run，性能参数实时监测显示功能与优化后性能曲线结果的输出Plot。
多目标优化功能的实现是通过定义了动臂油缸掘起力传力比i、翻斗油缸掘起力传力比j、动臂油缸高位举升力传力比k；
多目标函数F(i,j,k)＝w1i+w2j+w3k；(w1、w2、w3为加权比重系数，其中w1+w2+w3＝1)在仿真优化时，可以根据预期的结果修改加权系数的值来得到想要的结果
根据图6所示：动臂油缸掘起力传力比定义函数为
i＝f(l1，l2，l3，l4)；
翻斗油缸掘起力传力比定义函数为
j＝f(l0，l1，l2，l3，l4，l5，l6)；
动臂油缸高位举升力传力比定义函数为k＝f(l1，l2，l3，l4)。
如图6所示，l0：为铲斗切削板到前车架上铰点的水平距离；l1为装载机铲斗斗底长度；l2：为动臂下铰点A到拉杆BC的距离；l3：为动臂与摇臂铰接点D到摇臂与拉杆铰接点C的距离；l4：为动臂与摇臂铰接点D到摇臂与翻斗油缸铰接点E的距离；l5：为前车架上铰点I到摇臂油缸EG的距离；l5为前车架上铰点I到动臂油缸FH的距离。
本发明系统的操作方法如下：第一步：打开仿真平台，输入初定铰点坐标。显示仿真平台总体界面如图2所示，系统根据各铰点坐标自动创建装载机工作连杆机构线框模型，各铰点表示为：A(X1,Y1)，B(X2,Y2)，C(X3,Y3)，D(X4,Y4)，E(X5,Y5)，F(X6,Y6)，G(X7,Y7)，H(X8,Y8)，I(X9,Y9)，以及铲斗铲斗切削刃的两个点a、a'，前轮中心点O，设计人员需要根据实际需求对其进一步确认，如果有不理想的点，可以再次修改，并根据各点实际的运动情况给出设计变量的变化范围。
第二步：油缸参数设置、驱动的创建，约束函数的设置，如图6所示，油缸分为动臂油缸和摇臂油缸，设计人员需要根据实际需求输入性能参数的最大或最小的限制值。
第三步：求解计算与结果查看，定义了Function_Objective：目标函数设置，根据实际需求选择目标数量，w1、w2、w3为权重系数，根据目标的重要度设置权重百分比；Function_Constrains：约束函数的选取，Design_Variables：设计变量的选取，Run：运行仿真计算；Plot：进入性能参数曲线实时查看页面。根据需要选择设计变量，并确定其范围；选取相关的约束函数；等计算完成后，在该区域点击Plot，查看各性能曲线是否满足自己的要求，如果对这次优化结果不满意，则需要返回第一步修改相关数据再一次优化计算，如果得到了满意的结果，则只需输出优化后的工作连杆机构的各性能曲线。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种装载机工作连杆机构优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤a、根据初始结构的各点的坐标创建工作连杆的线框模型；
步骤b、设置油缸参数，将工作连杆机构的性能限制转化为约束函数，并设置约束函数的优化区间；
步骤c、设置优化目标数量与权重系数，选取设计变量和约束函数，根据实际需要选择优化目标数量；
步骤d、根据目标的重要程度设置权重系数的大小，选取对目标有影响关系的约束函数以及设计变量，运行计算后查看仿真结果。
2.根据权利要求1所述的一种装载机工作连杆机构优化设计方法，其特征在于：步骤a中，装载机工作连杆机构的9个铰接点分别为动臂下铰接点—A(X1，Y1)，铲斗与拉杆铰接点B(X2，Y2)，摇臂与拉杆铰接点—C(X3，Y3)，动臂与摇臂铰接点—D(X4，Y4)，翻斗油缸与摇臂铰接点—E(X5，Y5)，动臂与动臂油缸铰接点—F(X6，Y6)，摇臂油缸与前车架铰接点—G(X7，Y7)，动臂油缸与前车架下铰接点—H(X8，Y8)，动臂上铰点与前车架上铰接点—I(X9，Y9)，以及表示铲斗切削刃的两个点a，a'，前轮中心点O。
3.根据权利要求1所述的一种装载机工作连杆机构优化设计方法，其特征在于：步骤a中，铲斗用四个点a，a'，A，B创建的四边形来代替，拉杆用两个点B，C组成的线段代替，摇臂用C，D，E，组成的折线代替，动臂用A，F，I，D组成的四边形代替，前车架用H，I，G组成的三角形代替，动臂油缸用两个点F，H组成的两个线段代替，翻斗油缸用E，G组成的两个线段代替，前轮与地面的接触点为O。
4.根据权利要求1所述的一种装载机工作连杆机构优化设计方法，其特征在于：步骤b中，油缸参数包括油缸尺寸参数和油缸运动参数，油缸尺寸参数和油缸运动参数分别为FDG_S：翻斗缸在地面位置收斗时走过的行程；Sys_Pre：系统压力；FDG_D：翻斗缸大腔直径；DBG_D：动臂缸大腔直径；DBG_L：动臂缸最小安装距离；DBG_S：铲斗从地面掘起位置升到最高位置时的动臂缸行程。
5.根据权利要求1所述的一种装载机工作连杆机构优化设计方法，其特征在于：步骤b中，性能参数包括在约束创建功能区中的定义的XieZai_H：卸载高度约束；SDJiao：地面收斗角约束；XLJiao：高位卸料角约束；CDJiao_max：最大传动角约束；CDJiao_min：最小传动角约束；DBG_JSL：动臂缸举升力高位约束；DBG_JQL：动臂缸掘起力地面约束；FDG_JQL：翻斗缸掘起力地面位置约束；FPJiao：动臂放平角约束；PDJiao：举升平动角度约束。
6.根据权利要求1所述的一种装载机工作连杆机构优化设计方法，其特征在于：步骤c中，多目标函数F(i,j,k)＝w1i+w2j+w3k；，其中w1、w2、w3为加权比重系数，i为定义动臂油缸掘起力传力比、j为翻斗油缸掘起力传力比以及k为动臂油缸高位举升力传力比，动臂油缸掘起力传力比i＝f(l1，l2，l3，l4)；
翻斗油缸掘起力传力比j＝f(l0，l1，l2，l3，l4，l5，l6)；
动臂油缸高位举升力传力比k＝f(l1，l2，l3，l4)，
其中，l0：为铲斗切削板到前车架上铰点的水平距离；l1为装载机铲斗斗底长度；l2：为动臂下铰点A到拉杆BC的距离；l3：为动臂与摇臂铰接点D到摇臂与拉杆铰接点C的距离；l4：为动臂与摇臂铰接点D到摇臂与翻斗油缸铰接点E的距离；l5：为前车架上铰点I到摇臂油缸EG的距离；l5为前车架上铰点I到动臂油缸FH的距离。
7.一种装载机工作连杆机构优化设计系统，其特征在于：包括装载机连杆机构模型创建模块、约束函数的参数化模块和多目标函数设置与优化模块，所述装载机连杆机构模型创建模块用于根据初始结构各铰点坐标创建工作连杆的线框模型；所述约束函数的参数化模块用于将油缸的油压，行程，安装距参数化，将工作连杆机构的性能限制转化为约束函数，并设置约束函数的优化区间；所述多目标函数设置与优化模块用于选择目标数量，根据性能需求设置权重系数、设计变量、约束函数以及查看结果性能曲线。
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