毕业设计论文基于型算法对装载机工作装置举升机构进行优化设计

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1、第章 绪 论1.1 课题背景装载机是一种用途较广的铲运、施工机械。广泛应用于建筑、公路、铁路、水电、港口、矿山、林业、国防等工程中，对加快工程建设速度、减轻劳动强度、提高工程质量、降低工程本钱都发挥着重要的作用。近几年来，无论国内还是国外，装载机的品种和质量都得到了迅猛的开展，已成为工程机械的主导产品之一。其工作装置是组成装载机的关键部件之一，设计水平直接影响工作装置性能的好坏，影响整机的工作效率与经济指标。目前，大多数设计仍采用传统的类比法和作图试凑法，工作繁琐，设计精度低，周期长，不易获得各项指标都满意的设计方案，这就需要采用现代设计方法提高设计水平和产品质量。 论文的研究目的是：建立举升

2、机构的数学模型，使用MATLAB语言采用粒子群算法对其进行优化设计，并对装载机工作装置进行性能分析。1.2 工作装置的根本概念装载机工作装置是完成装卸工作并带液压缸的空间多杆机构。工作装置是组成装载机的关键部件之一，其设计水平的上下直接影响工作装置性能的好坏，进而影响整机的工作效率与经济性指标。 崛起力 崛起力是指具有标准使用重量的装载机停放在坚硬的水平面上，铲斗斗刃底部平行于地面，且在地面上下偏差不超过25cm的情况下，当转斗或升臂时，后轮不准离地或即将离地。这是工作装置所产生的作用在铲斗斗刃后10cm处的最大垂直向上的力，即掘起力。1.2.2 传力比装载机工作装置的传力比分为连杆机构的传力

3、比和举升机构的传力比两大类。连杆机构的传力比是指单位转斗缸力所获得的铲斗崛起力；举升机构的传力比是指单位动臂举升缸力所获得的铲斗崛起力。引入装载机工作装置传力比概念的目的是,为了便于不同类型转载机工作装置铲掘性能的比拟。显然，传力比越大，工作装置的铲掘性能就越好。1.2.3 铲斗自动平放铲斗自动平放是指铲斗在某一常用位置通常是动臂上限位置卸料后，转斗缸闭锁不作收斗行程，当动臂举升缸下放动臂至地面位置时，由举升机构运动实现铲斗的运动路线，铲斗进入下次插入状态。铲斗自动放平并不是绝对的，它只能保证机构在某一个位置卸料后实现铲斗自动放平，其它位置那么无此特性。要保证机构在每个位置卸料后均能实现铲斗自

4、动放平，必须增设自动放平装置。如由连杆的运动实现铲斗的自动放平，那么将具有以下三个优点：1由于每次作业循环转斗缸省掉一次收斗行程，节省了动力消耗，具有较好的经济效果；2由于转斗缸省掉一次收斗行程，减少了司机操作转斗缸手柄次数，从而，改善了司机劳动条件，减轻了司机劳动强度；3铲斗自动放平，既能保证铲斗自动、准确复位铲斗水平插入料堆位置，减小铲装阻力，又能防止因铲斗复位不准的反复操作，缩短了作业循环时间。1.2.4 铲斗靠挡块我们经常可以发现，有的装载机在运输物料过程中，铲斗会绕动臂下铰接点转动，即发生所谓的“点头现象。特别是当车体碰到障碍物或紧急制动时，这种现象更加显著，严重时会破坏连杆、油缸等

5、工作装置中一些薄弱杆件。所以，必须提出有效的解决方法。要消除铲斗在运输过程中产生的“点头现象，必须保证铲斗紧靠动臂。这就是所谓的铲斗靠挡块。它通常是通过铲斗与动臂的强制干预来实现的。. 1铲斗2连杆3动臂杆4摇臂5举升油缸6转斗油缸图1-1装载机工作装置结构的组成 1.3 工作装置的总体结构与布置 装载机工作装置分为有铲斗托架和无铲斗托架两种根本结构型式，如图1.1所示，它由运动相互独立的两局部构成连杆机构和动臂举升机构，主要由铲斗、动臂、连杆、上下摇臂、转斗油缸、动臂举升缸、托架、液压系统等组成。设计的对象是无铲斗托架，无铲斗托架的工作装置见图1.1b，其动臂下铰接点与铲斗铰接，上铰接点与前

6、车架支座铰接；转斗缸一端与前车架铰接，另一端与上摇臂铰接；连杆一端与摇臂铰接，另一端与铲斗铰接；摇臂铰接在动臂上。动臂举升缸一般采用立式或卧式布置形式，常见有两种连接方式：一种是油缸顶端与前车架铰接；另一种是油缸中部通过销轴与前车架铰接。铲斗是装载物料的容器，通常具有两个铰接点，一个与动臂下铰接点铰接，另一个与连杆铰接。操纵转斗缸实现铲斗的装载或卸料；操纵举生缸实现动臂和铲斗升降运动。1.4 装载机的开展概况 我国装载机的研究和使用已有五十年的历史，经历了三个开展阶段：60年代仿制摸索阶段；70年代自立更生研制阶段；80-90年代技术引进、合资开展阶段。从1976-1996年，我国装载机产量增

7、长了41倍，研究设计水平有了很大的开展和提高，取得了许多成果，如成功地研制了ZL系列。然而，从整体上看，我国工程机械的性能相当于国际80年代末的水平；质量相当于国外70年代末的水平：生产和制造相当于其70年代中期的水平；另一方面，由于我国经济开展和建设的需要，对工程机械的需求量很大，在“量和“质上，要求都很高。国内轮式装载机的需求2000年之前为每年2500027000台，到2005年到达50000-60000台，给装载机行业的开展提供了很好的市场前景。目前，工程机械已上升为机械工业十大行业中的第二位。其中，装载机的生产厂家有60多家，产销量和经济效益的增长速度己成为工程机械行业中的第一位。因

8、此，提高设计和制造水平是开展装载机行业的重点。在过去几十年中，我国主要研制的是中吨型(2-6吨)的轮式装载机，产品己比拟成熟和稳定。既有自行开发的ZL系列，也有引进德国、日本、美国、英国等的技术，通过实验和技术测试而合作生产的产品。未来，我国装载机开展的趋势是：(1向八吨以上的大型开展。(2以下，工作重量在4t以下,可以在狭小的环境中作业。目前，许多工程工程，尤其是城市中的工程，如管道架设、电缆铺设、道路拓宽、住宅建筑等，工程规模小、道路狭小。小型装载机能适应灵活的工作环境，运输也方便。如日本生产的SDK6，SGK6和SDK-4型，斗容在和，机重不到一吨；日、美等国还生产斗容的微型装载机。(3

9、开展多功能、多用途装载机，如“两头忙(挖掘装载机)。随着液压和液力技术的开展，设计水平的提高，工程机械的通用性提高，使用户能方便，快速、经济地对装载机进行改装，满足多种作业要求。美国的Caterpillar公司开发的IT系列；美国Clark公司的Bobcat；英国JCB公司生产的410型；德国Kramer公司研制的213E，312E型；日本小松公司的WA系列；意大利菲亚特的FR系列等，都配有几十种不同的作业装置，可适用于近200种工况，如装载、挖掘、抓取、清扫、平地、吊装、压实、堆土等等。我国的UNC-060多功能装载机可以快速装换十余种工作装置。1.5 工作装置设计方法的开展概况从设计方法来

10、看，工作装置的设计水平直接决定着装载机的工作性能和市场竞争力。机械产品设计阶段的费用虽然只占最终产品本钱的一小局部，但却决定了70%80%的制造和销售本钱，这一阶段也是技术创新的主要局部。从设计技术开展角度，装载机的研究也可以分为三个时期：经验设计阶段研制样机，主要应用类比法和经验公式进行设计、科学试验和技术分析阶段用测试技术，进行应力、应变、疲劳、振动等试验，增加设计依据和现代设计时期用先进的设计理论和方法学，广泛应用计算机CAD技术，提高设计质量和科学性。目前，许多企业，尤其是中小企业，还处于经验设计阶段，一些大型企业的设计水平到达了科学试验和技术分析阶段，而现代设计主要在高校和科研机构中

11、开展，在此阶段，就涉及设计方法的选用问题，即采用什么样的方法可使设计结果更令人满意，使工作装置的工作效率更高。装载机工作装置的常用设计方法有如下几种： 1图解设计法最早采用的设计方法是图解设计法，它将工作装置的连杆机构看成是由斗杆机构和缸杆机构两局部组成。其关键是确定摇臂在动臂上的铰点位置和斗油缸在机架上的位置。其大致的做法是这样的：首先，根据作业物料的性能要求，设计出铲斗的结构，确定斗铰线的长度和位置，并将其作为掘起力的计算位置，在满足卸载高度、卸载距离的前提下，根据总体结构的要求，确定动臂的长度和位置。然后，将六连杆机构分为斗杆机构和缸杆机构两个四连杆机构，运用作图法分别设计出斗杆机构和缸

12、杆机构。最后，将设计好的斗杆机构和缸杆机构组合成一个完整的工作装置连杆机构。很显然这种方案只是一种可行方案，但是并不是最优的方案。在这个根底上，经过几次分析和改良还可以继续提高其性能。但是这种方案比拟费事，要想同时满足多个约束的要求比拟困难。这种方式根本属于一种“类比试凑法。如我国研制的ZL20, 30, 40轮式装载机，就是在ZL50型的根底上，将额定装载重量按R10优先数系排列，把各总体参数和作用力的关系做成图表，找出装载重量和各参数之间的关系，用放大或缩小比例的方法设计的。这种方法在过去研究水平和手段落后的情况下是起着很大的作用。但它的缺点也是明显的。首先，所得的载重量与各参数之间的经验

13、关系式必然只是一种近似，精确程度不高；其次，这种设计方法工作量大，效率低，设计人员的经验在很大程度上影响着设计结果的质量，而且，存在着较大的盲目性。 2解析法解析法是根据平移性、卸料性、动力性的要求做出连杆机构的近似特性曲线，并根据近似特性曲线确定一组杆件方程组。然后再根据数据和杆件方程组计算出其它杆件的长度。最后做出连杆机构的实际特性曲线，根据实际特性曲线和近似特性曲线之间的差值做出一些修正。解析法设计连杆机构较作图法来说省去了反复试凑作图的过程。特别是根据连杆机构的特性曲线，用杆件方程组设计出符合预定性的方案，减少了设计过程的盲目性，从而利于提高设计的质量和效率。这比起作图法来说是一个进步

14、，但使用效果仍不很理想，仍然未能全面解决卸料性与平移性、动力性与铲斗自动放平性之间的矛盾。并且计算复杂，因此一般只对几个作业位置进行分析计算，难以了解全部工况的作业性能。 3优化设计方法工程机械的优化设计是在七十年代中期才开展起来的一种设计方法。它以数学规划为理论根底，以电子计算机为工具，来寻求机械设计的最优参数，这是机械设计领域的一场革命。它用理论设计代替经验设计，以精确设计代替近似设计，以动态设计代替静态设计。在工程机械的优化设计中，由于设计变量比拟多，往往是复杂的多目标函数，以往的计算工具和计算方法已经不能满足优化设计的需要，而计算机的快速开展和新的计算方法的研究保证了机械优化设计的快速

15、和可靠。在装载机的工作装置的优化设计方面，国内的研究工作者做了大量的工作。优化算法不像图解设计法那样把约束条件都在图面上表示出来，而是将约束条件用方程表示出来，编制成计算机程序，输入计算机内。其优化方法主要有两种：复合形法和惩罚函数法。吉林工业大学的杨成康建立了工作装置的正、反转六连杆机构铰点位置优化设计的数学模型，编制了内点惩罚函数法优化设计程序。得到了比拟理想的结果。其结果在19851986年间在山东临沂工程机械厂试制成功，使用效果良好，特别是ZL5OC己经批量生产，己经为临沂工程机械厂取得了较好的效益。其动力性能比原来提高了40%。太原重型机械学院的迟泳滨在1997年开发出了一个装载机工

16、作装置设计CAD系统。它对工作装置的优化设计过程大概是这样的：首先利用专家系统技术构造一个初始的设计方案，专家系统中的知识库主要是一些现有机型的主要参数以及有关的标准、标准等，这些现有机型的方案参数主要用于相近机型的初始方案设计。由于在工作装置的设计中设计参数一般要精确到毫米级，有时一些关键设计参数即使有几个毫米的误差，也会引起性能上的较大的变化。专家系统还难以构造到达这样的精度的最正确方案，因此专家系统提供的方案可以作为优化设计的初始方案，需要进一步的优化设计。有了初始方案以后，再根据优化设计的目标函数选择合理的目标函数加权系数，并且根据各个约束函数，采用复合形法对目标函数进行优化。这套系统

17、对于现有机型的改良设计和相似机型的设计还是比拟理想的。如果优化设计的结果不能够满足设计者的要求，还可以修改各个构件的参数再进行新一轮的优化，直到满足设计者的要求为止。总结以上方法可以看出当前的优化方法主要有两种：复合形法和惩罚函数法。但是这两种优化方法均存在一定的缺陷：复合形法是解约束非线性问题的直接方法，其原理简单、实用性广，比拟容易获得全局最优。但是对于强约束问题产生初始复合形法的效率较低，所以要求所给的设计空间尽可能小且包含可行域。 而外点惩罚函数法不要求可行的初始点，它可以从可行域外一点出发，经过寻优和迭代过程逼近可行域，最后收敛于可行域边界的最优点上。这正好弥补了复合形法的缺点。对于

18、初始值远离可行域或者是根本没有可行点的新设计，采用外点惩罚函数求解，可以较好地解决可行点的问题。但是惩罚函数法对于多极值问题常常难以得到全局最优解。 随着计算机性能的不断提高，出现了许多用于工程设计和计算的专用软件，为工程技术人员的研究工作带来了方便，减少了工程开发中自己编程的繁琐工作，同时也使得许多优秀的数学理论得到推广应用。目前，较前沿的可用于机构设计、仿真、优化和计算的软件有ADAMS，PROENGINEER， ANSYS，MATLAB，UG等。4优化设计方法目前的优化方法包括：遗传算法、蚁群算法、粒子群算法、模拟退火、禁忌搜索、神经网络等。这些算法或理论都有一些共同的特性，比方模拟自然

19、过程，它们对于一些复杂工程问题的求解是其它传统优化方法所无匹敌的。优化算法中的粒子群算法是模拟自然界生物某种过程的优化方法，作为新的全局优化搜索算法，具有简单通用、适于并行处理以及高效、实用等显著特点，并逐渐成为重要的算法。本文将采用粒子群算法对工作装置举升机构进行优化。1.6 装载机工作装置优化的目的及意义 传统的工程机械设计根本上属于一种经验设计。当要开发出一种新产品的时候，根据现有的技术资料，进行一些合理的简化和改良。经验设计比拟消耗工时，设计周期比拟长，而且设计出来的产品比拟笨重，机械性能低，设计本钱高。造成这种结果的原因是：传统机械设计是在有限的几个方案中院比拟和选择一个比拟优秀的方

20、案进行设计的，这使得设计工作带有很大的盲目性和局限性。同时选择的方案也没有一个十分精确的评价标准来衡量其优劣。设计工作处于一种摸索状态。这种设计方法要经过设计试制样机再改良再试制，往往要经过几轮的设计才能到达一定的水平，这使得设计的周期拉的很长，同时也造成了人力、物力上的浪费，增加了产品的设计和实验本钱。而许多厂家对于产品的设计仍然停留在参考设计的水平上。参考设计是在借鉴别的生产厂家的设计的根底上，对产品的外观和一些小的装置进行改良，它没有从根本的设计理论上解决问题，从而也没有到达优化的目的。 资料说明我国的工程机械行业比拟落后，绝大局部仍然处于国外同行业八十年代的水平。随着我国国民经济的快速

21、持续增长，全国上下正在大兴土木地进行硬件建设：修筑公路、高楼、桥梁、铁路、铺设天然气和石油管道等。而进行这些硬件建设又离不开现代化的工程机械装备。对于工程机械的需求量比1998年增长了几乎60%。然而在国内的工程机械市场上国际知名的品牌例如：大宇、卡特、日立、小松、沃尔沃等都是外国产品，在市场上的占有额到达60%。其中韩国大宇的市场占有额就到达23%。因此国内的工程机械行业为了提高其竞争力，就必须进行技术革新，不断优化和提高其产品的性能，推出新的产品。 装载机是一种很常见的、典型的进行铲装作业的工程机械。进行铲装工作的时候主要是由装载机的工作装置来完成的，它的工作性能如何、设计质量的好坏将直接

22、影响到装载机的工作效率和经济性。从提高工作效率和经济性指标这个角度出发，采用现代的设计理论、现代的设计方法和手段对装载机的工作装置进行优化设计具有现实而深远的意义。本文研究的目的就是建立一个装载机工作装置的优化设计数学模型，这个数学模型以工作装置处于地面铲掘工况时候的举升机构的最大传力比为目标函数，以举升机构各个杆件的长度及其相关角度为设计变量，以工作装置的工作性能和结构设计要求为约束函数。然后运用复合形法，粒子群算法两种最优化理论，对这个数学模型进行优化。使得优化设计软件能够为工作装置的设计提供一套动力性能优良、符合设计要求并且结构合理的设计方案，并且通过优化结果比照两种优化方案处理该问题时

23、的优劣。本文的研究可以提高装载机工作装置的设计水平，缩短工作装置的设计周期，并且为将现代优化理论成功地应用于机械设计领域做出有益的探讨。1.7 研究设想长时间以来对机构优化设计多是采用传统的方法，而本次设计会大胆地运用型优化算法对装载机工作装置举升机构进行优化设计，本次设计将建立一个装载机工作装置的优化设计数学模型，这个数学模型以工作装置处于地面铲掘工况时候的举升机构的最大传力比为目标函数，以举升机构各个杆件的长度及其相关角度为设计变量，以工作装置的工作性能和结构设计要求为约束函数。然后运用复合形法，粒子群算法两种最优化理论，对这个数学模型进行优化。使得优化设计软件能够为工作装置的设计提供一套

24、动力性能优良、符合设计要求并且结构合理的设计方案，并且通过优化结果比照两种优化方案处理该问题时的优劣。最后得出结论：优化的对象传力比会大大提高。而且本次设计还会通过型算法和传统型算法的比拟来说明型算法的优越性。第2章 总体方案设计装载机的工作装置由动臂举升机构、连杆机构和铲斗组成。本设计的对象为工作装置举升机构，是目前最为普及的一种结构形式。本章的主要任务是通过对装载机工作装置分析，建立起工作装置各构件之间的函数关系，进而建立优化设计的目标函数，约束条件，确定使用编程语言及优化算法。 工作装置的设计要求2.1.1 动力性当铲斗从地面铲掘位置向上运动时，举升机构应有的举升力传动比，以保证有较大的

25、掘起力。动力性好，可充分发挥整机及其液压系统的工作能力，在液压系统压力不变的前提下，可获得较大的掘起力。在设计阶段，可以通过调整各杆长度之间的比例，而获得较好的动力性。工作装置的动力性与卸料性之间有很大的联系，它们之间存在着矛盾。片面的追求某种性能的提高，会导致其它性能的降低，所以应对整个举升机构进行整体的的考虑。2.1.2 卸载性当动臂处于任何作业位置时，在转斗缸作用下，应保证铲斗的卸料角均大于45，即所谓的“任意位置45角卸料的可能性。但从实际情况出发，认为动臂在运输位置以下时，铲斗的卸料角小于45，也还是可以使用的。因为装载机很少在低位卸料。在工作装置设计中，卸料性主要受限于转斗缸的最小

26、结构长度及其行程。如果设计合理，就不会发生干预现象。2.1.3 平移性当转斗缸闭锁后，动臂在举升过程中，工作装置应能使铲斗在收斗位置保持平移，或使斗底平面与水平面夹角的变化量不大于15。如果考虑土壤的安息角 ，在动臂从地面铲掘位置升到运输位置阶段，那么希望铲斗收斗要快些；动臂从运输位置升到上限位置阶段，那么希望铲斗保持平移。平移性是为了提高装载机工作效率而提出的重要指标，无论是大型还是小型装载机都对平移性有较高的要求。在工作装置的整个作业过程中，铲掘工况耗能最多。如果铲斗平移性较差，在铲斗举升过程中，物料就会大量撒落，增加了整机的无功消耗。.4 自动放平性当动臂在上限位置卸料后，转斗缸闭锁，动

27、臂下降至下限位置时，应保证铲斗自动放平，自动进入下一次铲掘状态。装载机工作装置具有自动放平性，这样不仅可以提高工作效率，减少每一次工作循环的作业时间，减轻司机的劳动强度，还可以防止因铲斗复位不准而引起作业阻力的增加，增加装载机的无功能耗。目前国外在大型装载机上，厂商可以根据用户需要，选配自动放平控制机构。中小型装载机，由于其经济性限制，不易安装铲斗自动放平控制机构，主要在设计阶段，通过合理确定工作装置的杆长比例力求加以解决。2.1.5 机构效率机构的机械效率由其传力比反映，许多文献中都把它作为重点追求的日标。传力比大意味着同样的油缸工作力通过机构传动，可以在铲斗尖产生较大的铲掘力6。换句话说，

28、克服相同的铲掘阻力，假设机构传力比大那么油缸缸径可设计得较小。铲掘力和铲掘速度是一对矛盾，由于装置工作所需的能量是一定的，铲掘力增大就意味着铲掘速度的降低。因此，一味追求大的传力比会造成机构工作效率的降低。传力比的取值应在一个合理的范围内。2.1.6 工作效率1卸载速度指铲斗能否快速地卸干净物料。一般由转斗油缸的行程反映。行程越短，那么转斗时间短，卸载速度越快。它影响着装置的工作效率。2工作时间工作时间是表达工作效率的直接指标，时间越短那么工作效率越高。2.1.7 干预性工作机构各构件之间不允许发生运动干预。2.1.8 传动角传动角符合某限制范围，以保证工作装置的传力性能良好。 2.1.9 辅

29、助要求在满足作业要求的前提下，工作结构简单、自重轻、受力合理、强度高；应保证驾驶员具有良好的工作条件，确保工作平安、视野良好、操作简单和维修方便。2.2 举升机构设计变量确实定 在优化设计中，确定一个方案所需的独立参数称为设计变量。设计变量一经确定，那么设计方案也就随之确定了。因而，设计变量也就是设计中所要求的量，设计变量的个数也称为设计问题的维数。设计变量一般用矩阵向量的形式表示，即 2-1它在n维设计空间是设计点的诸坐标值。设计点的集合称为设计空间。在装载机工作装置的优化设计中，由于设计变量皆为实数，所以，设计空间是实欧氏空间Rn，即。显然，某个设计问题所含的设计变量越多，即设计的自由度越

30、大，那么易于获得比拟理想的结果，但相应的会使问题更加复杂，给求解带来更大的困难。因此，在实际工程设计中，应在满足主要设计要求的条件下，尽可能较少设计变量的维数。举升机构由举升机构中GI长度R9, 举升机构中机架杆GH长度R10, 机架杆GF与Y轴负向的夹角UG3, 动臂AGD中AGD GI杆径向角，即IGA，I点在AG杆之上为正，反之为负,动臂下限位置角UG5。2.2.1 工作装置的结构参数 选取工作装置处于地面铲掘位置时的作业工况作为优化设计的标定工况。当组成工作装置的各构件长度及其相互间的位置确定之后，工作装置的结构形式可以确定。通过分析发现，要得到一个确定的工作装置方案至多需要4个设计变

31、量，即：R9,R10,UG3,UG5 为优化设计变量,设计变量符号的物理意义见表2-1。设计变量规格化为 (2-2) 2.2.2 工作装置的动态特性变量 由于该机构的运动自由度为2，当铲斗位置角和动臂位置角确定之后，机构的运动状态就被唯一确定下来。选取UG、U作为装载机工作装置在运动过程中的自变量。因此装载机工作装置在运动过程中的自变量或者说动态特性变量共两个： 动臂位置角UG 动臂与Y轴负方向的夹角铲斗位置角U 铲斗举升各瞬间时位置与X轴夹角。 图 2-1装载机工作装置分析模型表 2-1 装载机工作装置各符号的物理意义 符号物 理 意 义符号物 理 意 义R1动臂AGD中AD边长UG6动臂上

32、限位置角R2铲斗两铰接点A、B间的长度 UG7动臂运输位置角R3拉杆BC长度UD1上、下摇臂杆DE与DC所夹的钝角，即R5下摇臂CD长度UD2动臂AGD中AGDR6动臂AGD中GD边长UD3地面铲掘工况时的ADER7上摇臂DE长度UA1AB杆与X轴正向夹角R8任意工况下转斗缸EF长度A2动臂AGD中GADR9GF长度L动臂长度R10举升机构中GI长度UG40铲斗具有下挖深度时的动臂位置角R11举升机构中机架杆GH长度UG64动臂回摆角，即UG64=UG6UG4UG1GF与Y轴负向的夹角H1最小卸载距离UG2动臂AGD中AGDH2最大卸载高度UG3GI杆径向角，即IGAH3铲斗斗底长度UG4动臂

33、下限位置角H5铲斗下挖深度，H50UG5GH与Y轴所夹的锐角Y1动臂上铰接点G的离地高度XJ，YJ前桥中心点J在XOY在坐标系中的坐标Y3地面铲掘工况时，动臂下铰接点A的离地高度 举升机构目标函数确实定目标函数又称评价函数，是用来衡量设计方案优劣的标准，任何一个具体的设计问题，往往存在着许多的设计方案，而这些设计方案中肯定会有优劣之分。优化设计的目的就是要在所有的设计方案中找出一个最适宜和最满意的方案。对于特定的设计问题，优化设计的目标函数通常以所追求的目标函数与设计变量的函数关式来表示，记为 2-3优化设计一般是寻求一个最优点X*,使得目标函数F(X)在满足特定的约束条件下到达最小值,即 2

34、-4一般情况下，总是把追求的目标函数化成求极小值的形式。对追求F(X)最大值的问题，可以转化成求其相反数F(X)的最小值问题。目标函数的数值是评价一个设计方案优劣程度的标准或准那么。就一般的优化设计而言，所追求的目标常包括：重量最轻，能耗最少，刚度最大，效率最高，应力分布最正确，运动轨迹偏差最小，动力性能最优等等，具体设计中所追求的目标有时是单一的，有时是几项指标的组合，前者所建立的目标函数是单目标函数，后者那么称为多目标函数。单目标函数的寻优求解过程简洁明确；多目标函数的求解过程比拟繁琐，但常常可以求得最正确的设计方案。由于处理单目标函数的优化问题已有许多行之有效的方法，因此常采用线性加权法

35、、主目标法或成效系数法等方法力图将多目标函数的优化问题装化为单目标函数的优化问题进行求解。对于举升机构，通常以举升机构的传动比作为优化设计的对象函数，即极大化举升机构的传动比。 2-5式中 动臂下铰接点的横坐标，其余见表2-1。2.4 举升机构约束条件确实定所谓“最优设计，实际上是满足某些设定的限制条件下的一个最好的设计方案。对于举升机构一般有两类约束条件：边界约束、性能约束。2.4.1 边界约束条件确实定 根据整机的尺寸及工作装置布置的可能性要求，设计中应给出各设计变量允许的空间范围。这些限制设计变量的取值范围，称为边界约束。边界约束的选取带有一定的经验性，一般应考虑以下因素：1选取边界约束

36、时，应在充分了解设计变量与性能之间的关系的根底上，综合考虑性能约束、目标函数的性质，不要使二者过于矛盾，以便使优化计算少走弯路，提高计算效率。2考虑结构设计实现的可能性，以获得真正可行的设计方案。3考虑整机总体参数的要求，以获得与总体参数相匹配的边界约束。4一般说来，边界约束所取的范围越大，与最优解的离散程度越高，那么计算时所需的机时就越多；反之，机时就越少。5分析同类机型工作装置现有的结构尺寸，估计最优解可能出现的近似解范围，使边界约束的中心尽量靠近最优解。在充分考虑了上述因素后，本文采用传统的设计方法确定4个计算变量的上下界，形成共4个边界约束条件，即 2-6式中 分别为设计变量Xi的上、

37、下限。在具体计算时，设计变量上、下限的取值我们参考了同吨位的现有装载机ZL50工作装置的结构尺寸。2.4.2 性能约束确实定性能约束是指某些性能或设计要求所推导出来的一些约束条件。它的建立保证了工作装置的作业性能，动臂举升缸的选择由崛起力WR、油压P及举升机构传力比f2X2来确定，在此假设选顶动臂举升缸的结构长度为H1J。动臂举升缸确定以后，为满足动臂举升缸安装距及举升高度的要求，可设计以下约束，即： FM6 上限位置时，举升机构的单位举升力矩； FM0 举升机构单位举升力矩的最小值； HI4 下限位置时动臂举升缸的长度；HH 动臂举升缸最小安装距；GG 动臂举升缸行程最大值；RJ 前车轮中心

38、点J到动臂举升缸轴线的距离；其余见表2-1。 式中 下挖时，动臂举升缸长度； 下挖时，动臂位置角。图 - 总体参数计算简图 编程语言的选择MATLAB软件具有强大的数值运算核心，和诸多优秀于其他高级语言的功能。与其他编程语言比起来，MATLAB擅长于数值计算，能处理大量的数据，而且效率比拟高。MATLAB具有诸多特点：1.编程效率高，2.用户使用方便，3.扩充能力强，交互性好，4.移植性和开放性都很好，所以本设计采用MATLAB。 优化算法的选择优化设计计算方法很多，传统方法有求解无约束优化问题的一维搜索法、坐标轮换法、Powell法、牛顿法和变尺度法等等；有求解约束问题的随机方向搜索法、符合

39、形法、优选法、可行方向以及约束变尺度法等直接解法和惩罚函数法等间接解法。复合形法在传统优化算法中可以说是比拟容易得到全局最优解的，所以对于传统算法，本次设计选择复合形算法。遗传算法、蚁群算法、粒子群算法是基于生物模拟的新兴的优化方法，由于其优良的优化性能，使得其在许多复杂问题的优化过程中得到了越来越广泛的应用。但针对特定的问题，每一种算法要选择相应的优化策略，以便到达理想的优化设计结果。本次设计选取粒子群算法作为与传统算法相比拟的优化算法。第3章 优化设计程序编程语言MATLAB的选择以往进行装载机工作装置优化设计时常选用计算机第三代高级语言，如FORTRAN77语言与C语言等。虽然第三代计算

40、机语言也摆脱了对计算机硬件的操作，但是语言的编写工作量非常大，程序代码也非常繁琐，过于抽象，导致设计效率和设计精度都非常的低。所以本设计举升机构程序的编写。因为MATLAB 6.5软件具有强大的数值运算核心，和诸多优秀于其他高级语言的功能。特别值得一提的是，MATLAB 6.5是一种开放式的软件，任何人经过一定的程序都可以将自己开发的优秀的应用程序集参加到MATLAB工具的行列。3.1 MATLAB语言的产生背景MATLAB诞生于20世纪70年代，它的编写者是Cleve Miler博士和他的同事。当时，Cleve Mole博士与他的同事开发了EISPACK和LINPACK的Fortran子程序

41、库。这两个程序库主要是求解线性方程的程序库。但是，Cleve Mole发现学生使用这两个程序库时有困难，主要是接口程序不好写，很费时间。于是Cleve Mole自己动手，在业余时间里编写了EISPACK和LINPACK的接口程序。Cleve Mole给这个接口程序取名MATLAB，意为矩阵MATRIX和实验室LABORATORY的组合。以后几年，MATLAB作为免费软件在大学里使用，深受大学生的欢送和喜爱。1984年，Cleve和John Little成立了Math Works公司，正式把MATLAB推向市场，并继续进行MATLAB的开发。1993年，Math Works公司推出MATLAB4

42、.0；1995年，Math Works公司推出MATLAB版For Win3.x；1997年推出MATLAB5.0，2000年10月，Math Works公司推出MATLAB6.0，2002年8月，新的版本MATLAB6.5上市。每一次版本的推出都使MATLAB有长足的进步，界面越来越友好，内容越来越丰富，功能越来越强大。它的帮助信息采用超强文本格式和PDF格式，可以很方便的阅读。3.2 MATLAB的功能用途MATLAB擅长于数值计算，能处理大量的数据，而且效率比拟高。MathWorks公司在此根底上开拓了符号计算、文字处理、可视化建模和实时控制能力，增强了MATLAB的市场竞争力，使MAT

43、LAB成为了市场主流的数值计算软件。MATLAB应用程序接口为用户提供了一个功能完善的函数库,它包含了大量的MATLAB与FORTRAN语言之间的接口函数,这些接口函数是MATLAB的一个非常重要的组成局部。通过它不仅可以在MATLAB下以动态链接库的形式调用FORTRAN语言编写的子程序,而且可以在FORTRAN语言中调用MATLAB的大量函数,将MATLAB作为一个计算引擎,同时还能够完成MATLAB与外界必要的数据交换,极大地增强了MATLAB的灵活性。MATLAB软件是支持从概念设计、算法开发、建模仿真，实时实现的理想的集成软件。无论是进行科学研究和产品开发，MATLAB软件都是必不可

44、少的工具。MATLAB软件可用来进行：数据分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统设计、数字图象信号处理、财务工程、建模、仿真、原型开发、应用开发、图形用户界面设计等等。3.3 MATLAB语言特点MATLAB语言有不同于其他高级语言的特点，它的丰富的函数使开发者无需重复编程，只需简单地调用和使用即可。MATLAB语言最大的特点是简单和直接。MATLAB语言的主要特点有以下几点。 (1)编程效率高MATLAB是一种面向科学与工程计算的高级语言，允许用数学形式的语言编写程序，比Basic、Fortran和C等语言更接近我们书写计算公式的思维，用MATLAB编写程序犹如在演算纸上排列出公式求

45、解问题。因此，MATLAB语言也可通俗地称为演算纸式科学算法语言。由于它编写简单，所以编程效率高，易学易懂。(2)用户使用方便MATLAB语言是一种解释执行的语言在没有被专门的工具编译之前，它灵活、方便，其调试程序手段丰富，调试速度快，需要学习时间少。人们用任何一种语言编写程序和调试程序一般都要经过四个步骤：编辑、编译、连接及执行和调试。各个步骤之间是顺序关系，编程的过程就是在它们之间做瀑布型的循环。MATLAB语言与其他语言相比，较好地解决了上述问题，把编辑、编译、连接及执行融为一体。它能在同一画面上进行灵活操作，快速排除输入程序中的书写错误、语法错误及语言错误，从而加快了用户编写、修改和调

46、试程序的速度，可以说在编程和调试过程中它是一种比VB还要简单的语言。具体地说，MATLAB运行时，如直接在命令行输入MATLAB语句命令，包括调用M文件的语句，每输入一条语句，就立即对其进行处理，完成编译、连接和运行的全过程。又如，将MATLAB源程序编辑为M文件，由于MATLAB磁盘文件也是M文件，所以编辑后的源文件就可以直接运行，而不需要进行编译和连接。在运行M文件时，如果有错，计算机屏幕上会给出详细的出错信息，用户经修改后再执行，直到正确为止。所以可以说，MATLAB语言不仅是一种语言，而且从广义上讲是一种该语言开发系统，即语言调试系统。(3)扩充能力强，交互性好高版本的MATLAB语言

47、有丰富的库函数，在进行复杂的数学运算时可以直接调用，而且MATLAB的库函数与用户文件在形成上一样，所以用户文件也可以作为MATLAB的库函数来调用。因而，用户可以根据自己的需要方便地建立和扩充新的库函数，以便提高MATLAB的使用函数效率和扩充它的功能。另外，为了充分利用Basic、Fortran和C等语言的资源，包括用户已编好的Fortran、C语言程序，通过建立Me调文件的形式，混合编程，方便地调用有关的Fortran、C语言的子程序；还可以在C语言和Fortran语言中方便地使用MATLAB的数值计算功能，这样良好的交互性使程序员可以使用以前编写过的程序，减少重复性工作，也使现在编写的

48、程序具有重复利用价值。(4)移植性和开放性都很好MATLAB是用C语言编写的，C语言的可移植性很好。于是MATLAB可以很方便地移植到能运行C语言的操作平台上。MATLAB适合的平台有：Windous系列、UNIN、Linux、VMS6.1、PowerMac。除了内部函数外，MATLAB所有的核心文件和工具箱文件都是公开的，都是可读可写的源文件，用户可以通过对源文件的修改和自己编程构成新的工具箱。(5)语言简单，内涵丰富MATLAB语言重要的成分是函数，其一般形式为a，b，c， = fun(d，e，f，)，即一个函数由函数名、输入变量d，e，f，和输出变量a，b，c，组成。第4章 优化理论及优

49、化方法的选择4.1 复合形法理论及优化策略选择复合型法是国内工程优化设计问题中最常见的一种优化算法。其根本思路是：在可行域内由n+1K2n个顶点形成一个称为复合型的多面体，比拟各定点的目标函数值，找到目标函数值到达最大的最坏点，然后沿最坏点和复合型顶点的几何中心点连线方向进行一维搜索，找出一个既满足约束条件，又使目标函数值有所下降的点已取代最坏点，从而形成新的复合形。如此反复进行下去，当复合形收缩到足够小时，即可将复合形顶点中的最好点作为近似最优点输出。复合形法过程可分为三大局部：构造初始复合形，调优过程，判断收敛。4.1.1 构造初始复合形 初始复合机构对于调优计算有着决定性的作用，为了方便

50、用户的选择，采用人机对话方式设置了三个构造初始复合形的方法： 1K个可行点全部有设计者提供。这种方式收敛速度很快，在维数较低及约束函数较简单时使用。(2设计者给定一个初始可行点，其余K-1个有程序随即生成。这种方式一般用于具有可参考方案的设计。(3K个可行点全部有随即点子程序产生，该方式用于那些维数较高，约束函数复杂的优化设计中，但是其缺点是速度较慢。 调优过程调优过程也就是迭代格式，其步骤如下： (1计算复合形K个顶点函数值，找出最坏点XH，次坏点XG，最好点XL (2求除X10 以外的其余各项点的几何中心点X5 4-1检验XS是否在可行域内。假设在那么转入(3),否那么以XL为顶点重新构造

51、复合形。然后转1，直至XS成为可行点为止。(3沿XS和XH连线方向求映射点XR 4-2式中=1.3为映射系数。假设X(R)不是可行点那么转入(4；否那么计算FXR进行比拟，假设FXRFXH那么以FH建立复合形完成依次迭代运算。转(1。(4缩短步长或者改变搜索方向，假设预定系数a大于预定的很小正数b=10-5 那么令a=a/2反(3 假设小于那么说明沿此方向找不到一个较好的点。那么应该沿XG，XH方向进行搜索，假设仍然找不到较好的点，那么说明调优失败，应停止迭代。3 判断收敛判断收敛应该在每一轮迭代结束，新的一轮迭代开始前进行反复进行上述迭代过程使之收敛到达条件： 4-3那么迭代终止，X(L)就

52、是最优点。也就是说这一代的最好点就是我们要求的最优点。4.2 粒子群优化方法的理论及优化策略的选择 粒子群优化算法是对鸟群觅食过程中迁徙和群集的模拟。鸟群在觅食时，它们无时无刻地相互传递着信息，总是有那么一只鸟对事物的嗅觉较好，从而，这只鸟就拥有对食源的较好信息所以，在这种“好消息的指引下，最终导致鸟群“一窝蜂地奔向食源，到达了在食源的群集。解群相当于一个鸟群，一地到另一地的迁徙相当于解群的进化，“好消息相当于解群每代进化中的最优解，食源相当于全局最优解。粒子和鸟的区别是：在空间中的任意一点，只能有一只鸟，而粒子数目可以有多个。具体算法步骤如下：1初始化粒子群:，给定群体规模M，解空间维数N，

53、随机产生每个粒子的位置Xi速度Vi。2用基准测试函数分别计算每个粒子的当前适应值。3更新个体极值：对每个粒子的适应值进行评价，即将第i个粒子的当前适应值与该粒子的个体极值Pi的适应值进行比拟，假设前者优，那么更新Pi，否那么保持Pi不变。4更新全局极值：从所有Pi中选出最好的，作为全局极值Pg。5更新速度和位置：通过公式(3-19), (3-20)来更新每个粒子的速度Vi和位置Xi 。6检查是否满足中止条件，假设满足，那么退出；否那么，转至步骤(2) 。PSO算法存在早熟收敛、收敛性能差等缺点。鉴于此，研究者们对其作了各种各样的改良，主要归类为：参数选择、拓扑改良以及混合算法。本设计中选择了第

54、一种改良方法参数选择法。其可选择的参数包括以下两种：4.2.1 惯性权重可以想象，如果没有上述的第一局部，PSO的搜索过程是一个通过迭代搜索空间逐渐收缩的过程，展现出一种局部搜索(exploitation)能力14；反之，如果增加了第一局部，粒子就有能力扩展搜索空间，展现出一种全局搜索(exploration)的能力。在搜索过程中，全局搜索能力与局部搜索能力的平衡对于算法的成功起着至关重要的作用。考虑到这些方面，引入一个惯性权重w到公式(4.4), 惯性权重w是与前一次速度有关的一个比例因子，较大的w可以加强PSO的全局探测能力，而较小的w能加强局部搜索能力，也就是这个w执行了全局搜索和局部搜

55、索之间的平衡角色。速度更新方程为： 4-4 惯性权重对算法性能的影响很大，对其研究也很多，比拟典型的有以下几种方法：1线性调整w策略观察公式(4.4)发现，允许的最大速度Vmax实际上作为一个约束，来控制PSO能够具有的最大全局搜索能力。如果Vmax较小，那么最大的全局搜索能力将被限制，不管惯性权重w的大小，PSO只支持一个局部搜索：如果设置Vmax较大，那么PSO通过选择w，有一个可供很多项选择择的搜索能力范围。由此可以看出，允许的最大速度间接地影响全局搜索能力，而惯性权重w直接影响全局搜索能力，所以希望找到一个非常好的惯性权重来到达全局搜索和局部搜索之间的平衡。w类似于人的“原动力，如果原

56、动力比拟大，当到达某个目标的时候，会继续向前实现更高的目标；如果原动力较小，到达某个目标就停滞。Shi和Eberhart提出了一种随着算法迭代次数的增加惯性权重线性下降的方法，惯性权重的计算公式如下： 4-5wmax，wmin分别是w的最大值和最小值；iter、itermax分别是当前迭代次数和最大迭代次数。将w设置为从0.9到0.4的线性下降，使得PSO在开始时探索较大的区域，较快地定位最优解的大致位置，随着w逐渐减小，粒子速度减慢，开始精细的局部搜索。该方法使PSO更好地控制exploration和exploitation能力，加快了收敛速度，提高了算法的性能，我们称之为惯性权重线性下降的

57、粒子群算法，简记为LDW(Linearly Decreasing Inertia Weight)。2模糊调整w的策略PSO搜索过程是一个非线性的复杂过程，让w线性下降的方法并不能正确的反映真实的搜索过程。因而，Shi等提出用模糊推理机来动态地调整惯性权重的技术。模糊w法的优缺点如下：模糊推理机能预测适宜的w，动态地平衡全局和局部搜索能力，大大提高了平均适应值；但是其参数比拟多，增加了算法的复杂度，使得其实现较为困难。3随机调整w的策略 传统的PSO算法在解决静态系统问题时，搜索速度快，优化结果较精确。但是在实际的工程应用中，系统环境往往是动态变化的，这就决定了优化目标也是动态变化的。如果系统频

58、繁地改变状态，这些系统状态的改变要求一个频繁的，有时几乎是连续的重优化。当优化目标的变化较小时，PSO有一定的自纠错能力，但当变化较显著时，PSO往往不能跟踪动态目标的变化。目前已经有很多学者致力于这方面的研究。Parsopoulos等的试验说明，根本PSO可以有效而稳定地在噪声环境中工作，且在很多情况下，噪声的存在还可以帮助PSO防止陷入局部最优。Eberhart等提出一种动态惯性权重法以试图解决优化目标变化显著的问题，该方法令： 4-6 式(4-6)产生一个在0.5,1之间的w值。通过使用Paradolic数测试性能，显示PSO能跟随非静态目标函划和进化策略得到的结果精度更高，收敛速度更快

59、。 4.2.2 收缩因子粒子群优化算法起源于模拟社会系统，算法本身缺乏坚实的数学根底。1999年Clerk对算法的数学研究证明，采用收缩因子能够确保算法的收敛。收缩因子模型见式4-7： 4-7 4-8 式中各符号代表算法中的变量参数，可参见附录程序。其中 4-9通常将设为4-1(c1=c2 =2.05)，那么k由式(4-8)计算得0.729，将k代入式(4-9)中与公式(4.9)对应一下，那么相当于w=0.729，cl=c2=0.7292.05=1.49445。在算法早期的实验和应用中，认为当采用收缩因子模型时Vmax参数无足轻重，后来的研究说明将其限定为Xmax，可以取得更好的优化结果。收缩因子法控制系统行为最终收敛，该方法简记为CFM(Constriction Factor Model) 。两个参数w和k的增加，相应产生了两种版本的标准PSO算法：惯性权重线性下降算法(LDW)和收缩因子模型(CFM)。前者是为了提高算法的收敛性能，平衡收敛的全局性和收敛速度，在多峰函数上效果显著：后者是为了保证算法的收敛性，同时使得速度的限制放松，在单峰函数上效果优于LDW。但两种标准算法在高维复杂问题寻优时仍然存在早熟收敛、收敛精度比拟低的缺点。第5章 举升机构的优化设计5.1 复合形法的Matlab优化计算5.1