基于Matlab的復演預期函數四連桿機構的設計

陳靜珊，鄭世成，王麗君，曾雄輝，陳春欣（中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院，北京　100083）

基于Matlab的復演預期函數四連桿機構的設計

陳靜珊，鄭世成，王麗君，曾雄輝，陳春欣
（中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院，北京100083）

根據給定液壓支架前后連桿的運動情況，確定其四連桿機構參數。論文介紹了利用三維建模軟件與MATLAB軟件相結合的技術，通過復演預期函數分析設計變量與目標函數之間的關系，從實例中抽象出數學模型，從而建立目標函數，再通過隨機方向法運用Matlab軟件編程實現最優點求解，結合結果進行分析，確定四連桿機構的最終設計方案。并用三維建模軟件模擬四連桿運動，為確定液壓支架中四連桿機構參數設計提供了方法。

液壓支架；四連桿；Matlab；隨機方向法

0　引言

在采煤工作面的煤炭生產過程中，為了防止頂板冒落，維持一定的工作空間，保證工作人員安全和各項作業正常進行，必須對頂板進行支護。而液壓支架是以高壓液體作為動力，由液壓元件與金屬構件組成的支護和控制頂板的設備，它能實現支承、切頂、移動和推移輸送機等一套工序。液壓支架是技術上先進、經濟上合理、安全上可靠，是實現采煤綜合機械化和自動化不可缺少的主要設備［1］。四連桿機構是液壓支架最重要的部件之一，其作用概括起來主要有兩個，其一是當液壓支架由高到低變化時，借助四連桿機構使支架頂梁前端點的運動軌跡呈近似雙紐線，從而使液壓支架頂梁前端點與煤壁間距離的變化大大減小，提高了管理頂板的性能；其二是使液壓支架能承受較大的水平力。人們對四連桿機構的運動分析往往是查閱連桿曲線圖譜，或借助平面連桿機構的仿真軟件查找類似的軌跡，但需要很多經驗的積累，所以研究一種已知軌跡直接得出四連桿機構的結構參數的方法是很有必要的［2］。本文通過隨機方向法和梯度法利用Matlab軟件編程，對液壓支架四連桿機構運動軌跡進行復演，分析并優化求解得出桿長，具有較廣的適用性，為研究人員提供了一個快捷精準的方法，為合理分析支架構件的受力、建立液壓支架的載荷圖譜及其參數的優化設計奠定了理論基礎。

1　研究方法

1.1機構原理

給定四連桿機構的各桿長度分別為l1，l2，l3，l4，主動桿1的輸入角為φ，相應于搖桿3在左極限位置時其主動桿1的初始位置角為φ0，從動桿3的輸出角為ψ，初始位置角為ψ0，如圖1所示。

設計液壓支架四連桿機構的任務是，當主動桿從初始位置轉過一定角度時使搖桿3最佳再現一定的給定角度函數關系，從而確定處四桿機構的運動參數。

圖1　液壓支架前后連桿機構運動簡圖Fig.1 Kinematic sketch of mecha nism of the front and rear rod

1.2數學模型的建立

（1）設計變量：搖桿3輸出角與曲柄1輸入角的函數關系可表示為：ψ=f （φ，l1，l2，l3，l4，φ0，ψ0）。根據實際工況給定主動桿長和機架長度，利用幾何關系-由各桿長度表示φ0和ψ0，

所以只剩下兩個獨立參數，這是約束優化問題中的二維設計問題。

（2）目標函數：為求復演精確，目標函數按期望預期機構實際輸出函數與理論給定函數的均方根誤差達到最小來建立［3］。由于ψ與ψE均為輸入角φ的連續函數，為便于進行數值計算，可將區間劃分為30等分，將上式定積分運算改寫為梯形近似積分計算公式。其中，等分區間的首尾兩端按照三角形面積公式近似積分，其余區間按照梯形面積公式近似積分。故可得［4］：

式中：ψi—機構當 φ=φi時的實際輸出角；ψEi—預期復演函數當φ=φi時的函數值，i=0，1，2，…，30，φi可由幾何關系求出。綜上所述，目標函數：

（3）約束條件：首先桿長為正可得兩個約束方程，若機構還存在最小、最大傳動角約束條件及四桿機構的曲柄存在條件，可得另外五個不等式約束方程。約束方程包括直線方程和橢圓方程，根據這些約束方程可在設計平面內畫出可行設計區域D。

1.3基于Matlab的二維約束優化求解

根據優化方法的基本原則：效率高、可靠性高、采用成熟的計算程序、穩定性好，故采取隨機方向法迭代計算步驟［5］。將以上方法寫入Matlab編程中，由約束條件畫出曲線，找出可行區域D，事先給定每次產生隨機方向（隨機點）的數目k，收斂精度ε1、ε2和初始步長α0進行最優解的求解。部分Matlab編程語句如圖2所示。

2　分析與結論

在搜索過程中，隨機方向的個數、初始步長的大小、初始點的確定和迭代終止精度（包括目標函數值的收斂精度及步長的收斂精度）的不同，會直接影響迭代次數和與復演預期函數吻合的程度。

又因為隨機方向搜索法是應用計算機產生的偽隨機數形成數個隨機方向，將這些隨機方向進行比較，選擇目標函數值下降最大的方向進行一維搜索，即使選擇參數相同，每一次執行程序時計算機產生的隨機方向是不同的，搜索的路徑不同，到最優點所需的時間不同，求解的最優值也不同。

圖3為相同程序執行10次的搜索路徑圖。由圖可知，隨著執行次數的增多，每次搜索所得的最優點均向某一個固定點靠近，該固定點即為目標函數的最優解。但在達到收斂精度的前提下，每一次運行的結果都是合理正確的。

圖2　Matlab中的部分程序Fig.2 The part program of Matlab

圖3　最優點的多次迭代過程Fig.3 Repeated iterative process of optimum point in Matlab

3　結束語

利用復演函數，采用Matlab軟件編寫的液壓支架四連桿機構程序進行分析，可做出約束條件和可行區域方便觀察，并可使迭代過程點X以及最優點顯示在圖形可行域內，方便快速的分析迭代的過程。通過程序編輯，輸出主動桿輸入角以及從動桿輸出角變動，可以直觀的看出角度的變化范圍。從實例中抽象出數學模型，從而建立目標函數，利用隨機方向法運用軟件編程實現最優點求解，結合結果分析，確定曲柄搖桿機構的最終設計方案。通過手動修改復演函數，可以得出所需要的桿件參數，對研發與設計人員提供了捷徑，為精確設計液壓支架奠定了基礎。

［1］曹連民，等.基于Solidworks軟件的液壓支架設計［J］.礦山機械，2008，7.

［2］王知行.機械原理［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學機械原理教研室，2000.

［3］吳宗澤，等.機械設計課程設計手冊［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［4］張翔，陳建能.機械優化設計［M］.北京：科學出版社，2012.

［5］鞏云鵬，等.機械設計課程設計［M］.沈陽：東北大學出版社，2008.

The Design of Four Bar Linkage Mechanism with the Expected Function Based on Matlab Software

CHEN Jing-Shan，ZHENG Shi-Cheng，WANG Li-Jun，ZENG Xiong-Hui，CHEN Chun-Xin
（China University of Mining and Technology（Beijing）Institute of Technology and Information Engineering，Beijing 100083，China）

According to the given front and rear rod of the hydraulic support movement situations，determines the parameters of four bar linkage.This paper introduces the use of the combination of the three-dimensional modeling software and Matlab software technology，through the expected action function to analyze the relations between the design variables and objective function，abstracting the mathematical model from living examples，in order to establish the objective function.We can get an accurate optimum solution by using Matlab software programming with random direction method.Combined with the result analysis，determine the final designing scheme of four bar linkage，and using the three-dimensional modeling software to simulate the four connecting rod movement，in order to determine the four bar linkage parameters in hydraulic support design provides a method.

hydraulic support；four bar linkage；Matlab；method of random directions

TP317

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.029

1002-6673（2015）05-078-02

2015-07-15

陳靜珊（1994-），女，廈門人，本科學歷。研究方向為機械工程及其自動化；鄭世成（1993-），男，遼寧海城人。研究方向：機械工程及其自動化。