摘要：提出了采用混合驱动六杆机构来实现对糖果包装机中推糖机构的优化，通过在原有五杆机构系统中加入第六杆即调节杆来形成混合动力六连杆机构，应用回路矢量法建立了数学模型，从运动学对六连杆机构进行了运动学分析，依据要实现期望的运动输出轨迹，优化混合动力六连杆机构参数。
关键词：混合动力六连杆；运动学分析；Matlab
Optimal design of linkage mechanism based on hybrid drive
Abstract：This paper presents the use of the hybrid driven six bar mechanism to realize the optimization of candy packing machine in sugar push mechanism，the five bar mechanism system with sixth lever adjusting rod to form a hybrid six bar mechanism，the application of loop vector method and establishes the mathematical model，from the movement of six linkage kinematic analysis.According to the desired trajectory of motion output，the parameters of hybrid six bar linkage are optimized.
Key words：Hybrid six link；kinematic analysis；Matlab
0引言
包装产业目前在社会经济中的地位越来越重，综观全球领域而言，包装行业作为一个成长迅速、产值巨大的新兴产业，具有高效率，优化环境，减少成本等诸多优点，同时为商品加强产品竞争力，并提供巨大的经济效益。目前，在我国应用最多的为扭结式包装[1]。扭结式包装绝大部分处于现代化生产，即采用包装机进行包装。但对于糖果扭结机，由于机械化包装速度问题，会产生糖果位置不确定，运动过快，送糖与出糖流程不紧密，包装纸偏移等一系列的问题，机械化生产过程仍有一些弊端的存在。而这些问题的产生都与包装机中的推糖机构有关。在包装过程，糖块需顺次被推糖机构推到回转盘内，加紧装置将糖块和糖纸进行相应。其中，推糖机构主要作用为按照既定路线进行送糖，在送糖过程中要求运行轨迹为直线，返程轨迹为曲线，目的是为了推糖工序的有序进行，提高包装效率[2]。
本文将混合动力六连杆机构应用于推糖机构上，目的在于得到推糖装置准确，平稳的期望输出轨迹，提高生产包装效率。
1 系统的运动学分析
如图1所示，为混合动力六连杆机构的结构示意图，将电机固定于 点和 点，固定的目的是为减小整个机构的转动惯量，从而提高了系统动态性能， 为固定机架。定速电机产生的动力源带动杆 转动，伺服电机产生的动力源带动杆 运动。其中，以 点为坐标原点建立直角坐标系， 为 轴，过 点做垂直于 的直线为 轴， 为各杆杆长。
本文所设计的混合驱动连杆需要定转速电机提供主要的动力，还需要提供辅助动力源的伺服电机，因此对电机具有一定的要求，例如需要较大的运转速度和运转稳定性、以及较高的载荷承受能力，同时要求在运转的过程中只能向一个方向运动等特点，基于此，应选择无条件双周转副应用于本文所设计的连杆机构中。在机构中，将齿轮传动应用在杆 与杆 的连接中，且杆 、杆 实现的是无条件双周转副，杆 应实现的是整周回转，为此，要求的连杆机构必须为无条件三周转副[3]。
正运动学分析指机构的输入运动参数以及各构件的尺度参数（杆长、角度、电机等参数）己知，求解点的输出运动规律和参数。
2.机构的参数选择及优化
2.1 机构的输出轨迹选择
对混合驱动机构的优化主要有正运动优化和逆运动优化两种，逆运动学优化是根位移计算伺服电机的运动规律，并以伺服电机角加速度波动为目标函数优化设计机构的尺寸参数。正运动优化是设计伺服电机的运动参数及机构的尺寸参数，使得最终的运动规律与理想工艺要求的偏差在允许范围之内[4]。所研究机构输出点21个，运行轨迹如图所示，本文采用文献[5]中的轨迹坐标进行研究分析。给定的21个点位置如表2.1所示的坐标，轨迹图图3所示D点的轨迹。
图3 点运动轨迹图
2.2 混合动力六连杆机构参数的优化
在对所研究机构进行优化的过程中，目标函数设定为理想输出轨迹与实际输出轨迹点之间误差最小，并加入适当的约束条件，以此来获得更好的运动学和动力学性能，最终使得输出轨迹与给定轨迹更加接近。优化综合的步骤为：首先，建立目标函数，以实际输出轨迹点与理想轨迹点之间的误差最小建立目标函数，通过正运动学分析求出运动规律，并将此作为为输入，最后进行优化综合，获得机构的运动与结构参数。
1）六连杆机构参数优化
在所研究的杆件机构中，杆2越短对于机构的动力和功率性能越好，因此在优化六连杆机构的参数时，也需要增加杆2长度最小作为附加的约束条件。在优化过程中，采用MATLAB软件中的fmincon函数作为求解优化的函数[6]，优化的目标函数为：
图4为优化后在多个点上近似精确实现给定定点位，蓝色线为理想轨迹输出，红色线为优化后轨迹输出，通过分析可知，优化后参数能较好的满足所研究机构的运行轨迹。
图4 点运动轨迹图与理想轨迹对比图
本文所研究的优化轨迹和已知理想轨迹的误差的绝对值之和为 58.063。与文献[5]中的优化结果比较可知，该误差绝对值和为 123.4681，相比较而言，本文在实现轨迹追踪的优化方面具有更加显著的优势。
3.结论
（1）将混合驱动六杆机构应用在糖果包装机中推糖机构中，实现运动学分析。
（2）建立目标函数，约束条件，采用优化函数进行优化。
（3）通过对相应杆件的参数的优化，使输出运动的路线也得到了较高精度的拟合，从而提高了六连杆系统的动态性能，
参考文献：
［1］马骏，王俊元，杜文华等，糖果包装机推糖机构运动分析[J]，包装工程，2014，21（10），1001-3563
［2］马骏，实现D形运动轨迹混合驱动平面五杆机构研究[D].山西：中北大学，2016
［3］石固欧，机械设计基础[M]，北京：高等教育出版社，2008：30-33.
［4］孟宪举，李辉.精确实现给定轨迹的混合动力五连杆机构.河北理工大学学报，2004（5）26-28.
［5］程光蕴.两自由度连杆机构精确实现平面轨迹的研究[J].东南大学学报，1990，20（3）：64-67.
［6］张新华.实现轨迹创成的混合动力可控机构分析与综合[D].天津：天津大学，2002.
论文作者:尚杰1,李建功2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第20期
论文发表时间:2018/8/17
标签：机构论文; 轨迹论文; 连杆论文; 运动学论文; 参数论文; 函数论文; 混合动力论文; 《基层建设》2018年第20期论文;