基于MATLAB的偏心曲柄滑块机构的优化设计
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平整厚料卷芯擦伤的产生原因及解决 措施
117000 本溪钢铁集团公司 辽宁本溪 - 高一铭
关键词
擦伤 / 张力 / 擦伤缺陷
摘要： 查找平整厚料卷芯擦伤产生的原因，通过实际的验证分析找到关键原因，并对平整厚料卷芯擦伤的缺陷进行了有效的控制。
Abstract: Search formation kinds of cuts a core of the reasons, through practical test and analysis to find the key reason, and the level of core kinds of cuts made effective control. Key words: Scratch ,tension , cuts defects 1. 引言 在冷轧带钢的生产过程中，平整机组是一 个重要的生产工序， 不但决定产品的机械性能， 而且也决定带钢的板形质量与表面质量。平整 即小变形量（通常为 0.3%-3%）进行轧制，平整 的目的 : ①消除明显的屈服平台，改善钢的综 合性能。②改善带钢的平直度。③使带钢达到 一定值的粗糙度。 在平整的过程中不但要保证良好机械性能 和带钢的平整度，同时也要减少表面缺陷的产 生，来提高产品的实物质量与成材率。 2. 平整机组现状 本钢冷轧平整机组采用单机架四辊平整机， 平整方式是干平整，2003 年进行平整改造，增 设了前后 S 辊，主要目的是增加张力 . 来防止 带钢在轧制的过程中跑偏并保证带钢的平直 . 随 着生产节奏的加快 , 在现有设备的情况下 , 平 整机组在生产厚规格产品时容易在卷芯的位置 产生横向的条状或点状的擦伤 , 不但影响了产 品质量也影响了产品的成材率 . 下面根据现场 实际生产情况 , 来探讨平整厚料卷芯擦伤的产 生原因与解决措施 .
图1
平整卷芯擦伤原因分析图
（3）严格控制原料质量。对带头厚度超差 严重、板形不良、有打折硌印缺陷的钢卷，在 准备站进行切头处理， 保证带钢头部质量良好。 发现有缺陷的带头要进行分切。 （4）加强操作技能。穿带的过程中，要保 证带钢的平直，不能有跑偏现象，其他各操作 工序也要严格按照操作规程去执行。 4. 结语 上述生产过程中实施后，精整 R2 横切机组 的成材率提高了 1-2 个百分点，产品质量指标 有明显的提高。在针对平整机组本身产生的擦 伤缺陷，今后要做以下的工作： （1）对设备不足的地方进行相应的改造， 加强对设备的维护与点检。 （2）在备件使用方面，作好周期安排。 （3）加强职工的操作技能，作好交流工作。
位置的偏差，由设计题目要求，可以将设计问 题转换为在两个极限位置的实际位置与要求位 置偏差最小，及转换为两个目标的多目标优化 问题。由设计要求得
本文通过对曲柄滑块的几何构型进行分析， 得出了其优化设计数学模型，并通过 Matlab 使 用遗传算法，得到了优化结果，结果显示可以 较好的避开局部最优的情况发生。 参考文献： [1] 李泳鲜 , 孟庆国 , 姬振豫 . 机械稳健设 计的研究概况与趋势 , 工程设计学报 , 1999. [2]Otto K N, Antonsson E K. Extensions to the Taguchi Method of Product Design. Journal of Mechanical Design, 1991, 115(1): 5-13. [3] 胡笛川 . 机械优化设计 . 内蒙古科技与 经济，2006.
2
2
以上式即为优化设计的目标函数。
g1 = e − (b − a) ≤ 0 g 2 = (e+ a) − bsin 450 ≤ 0 s.t 1 ≤ a ≤ 200 1 ≤ b ≤ 200 1 ≤ e ≤ 200
遗传算法优化
转动设备现场动平衡技术与应用
545005 东风柳州汽车有限公司 广西 柳州 - 韦玉明
关键词
汽车车身 / 材料 / 发展趋势
摘要： 汽车车身是汽车整体结构中重要的组成部分，材料一般以钢板、碳纤维、铝、强化塑料等为主。针对于不同用途的汽车车身而言构成材料 也具有一定的差异性，同时也带来了不同的属性。本文对汽车车身材料的现状进行了分析并对其发展趋势进行了展望，提出了相关观点，供以 参考。
引言 一直以来汽车加工都处于制造业的前沿领 域，这也使得汽车加工承载了很多新型技术。 作为汽车最为主要的构件之一车身质量的把握 对于汽车的整体质量而言无疑是重要的，在汽 车技术不断发展的过程中汽车也朝着多功能化 方向迈进，另外人们对汽车的安全性要求也越 来越高，这也使得汽车车身材料也越来越受到 关注。如今承载式车身已经是目前汽车行业的 主流， 其最显著特点便是底盘与车厢的一体化， 这也让车身材料得到了更大的发展空间。 1. 汽车车身材料现状分析 1.1 金属材料 金属材料是汽车车身构成当中最常见的材 料，最为普遍的即为黑色金属，也就是钢材料。 在承载式车身前提下其主要加工工艺为冲压成 型，在加工过程中采取挤压的方式让平整化钢 板成型。在这个过程中若材料强度高则会对其 可塑性带来较大的影响；而低强度材料尽管易 于加工，但是易出现变形的情况，换句话说材 料强度与可塑性两者间事实上存在着明显的矛 盾，然而随着 UISAB 项目 (Ultra Light Steel Auto Body) 的 出 现 给 钢 材 料 带 来 了 新 的 契 机 [1]，加速了新型高强度钢的研发。新型高强度 钢主要包括以下类型： （1）烘烤硬化钢。这种钢既具有强度又具 有较高的可成形性，通过加工过程中的加工硬 化和烤漆过程中的时效现象，使得材料的屈服 强度提升、抗凹性能提高。烘烤硬化钢广泛应 用于汽车外板上，如车门外板、发动机盖外板 和行李箱外板等。 （2）相变诱发塑性钢（TRIP 钢）。相变诱 发塑性钢是由钢组织中逐步进行的马氏体相变 73
设计的目标变量。设计中认为杆长变量 a 和 b 由于加工制造以及装配误差导致其尺寸发生变 化，这种变化一般服从正态分布规律。对于变 量 e ，是根据不同的安装位置确定的，其分布 一般是要满足一定的区间误差，这里给定 e 的 平均值为 e 。目标函数的分析与建立：
a (mm)
b(mm)
e(mm)
由上图可得 和则有下式
3. 平整生产厚料卷芯擦伤的产生原因与分析 3.1 原因分析 运用鱼骨图分析影响厚料卷芯擦伤的产生 原因 , 见图 1
的部位，容易产生不同程度的偏差，如皮带助 卷器极限挡块，从而造成皮带助卷器包角位置 变化，使轧制时卷取内圈松动，在带头位置产 生层与层间的擦伤。在后序机组发现有擦伤缺 陷时，及时反馈，并做以相应的调整。同时定 期检查标定。 （2）卷取套筒定期更换。设备长时间的运 行，卷取套筒表面网纹磨损，表面粗糙度减小， 同时套筒的外径减小，间接导致皮带助卷器抱 臂包角变化，使带钢产生擦伤。在备件使用上 应严格按照其使用周期进行更换 . 随筒的磨损， 对皮带助卷器的极限位置做相应的调整。
s2 =
s = s1 + s2 s1 = a cos θ
b 2 − ( e + a sin θ )
2
13.2388
22.2087
1.0000
s (100 )
35 5．结论
s (600 )
25
min f
0.060
其 中 ε (θ ) 为极限位置下的曲柄实际所达位置与期望所达
= ε (θ ) a cos θ + b 2 − (e+ asin θ ) 2 − d (θ )
针对图 1 所列的 13 条末端原因，经生产实 践逐一验证，找出在生产的过程中造成厚料卷 芯擦伤的主要原因有： （1）皮带助卷器未正常投入，造成卷取时 头部松动，带头位置逐层窜动，产生擦伤，直 接影响后续机组的产量质量。 （2）卷取套筒的磨损，造成皮带助卷器抱 臂包角变化，产生擦伤。 （3）对来料带头质量不好的钢卷，在准备 站未切头， 卷取的过程中对板面产生不良的影响。 （4）操作在穿带过程中操作失误，使带钢 不对中，卷取时带钢受力不均产生相对窜动。 3.2 控制措施 针对上述原因，采取了以下措施： （1）对设备定期点检制度，由于设备本身 的原因，机组长时间的运行，对精度要求较高
1. 引言 在机械工程中， 随着现代机械设计的发展， 72 机构运动状态要求越来越复杂，曲柄滑块机构 的运动设计要求能精确及时协调地完成规定的 复杂的机械动作。曲柄滑块机构作为机械装置 的基本机构之一具有广泛而重要的用途，但在
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其工作的整个寿命过程中受到多种不可测因素 的干扰，如制造误差、装配误差、使用中的磨 损导致的误差等，这些如果处理不当，将会造 成严重的机械故障，更为甚者将会造成严重的 安全事故。所以如果在设计阶段充分考虑到各 种不可测因素的影响，从而使机械装置在整个 使用寿命阶段的性能达到最优，对机械系统有 非常重要。稳健设计方法的出现成为解决此类 问题的有效手段。 2. 优化设计 优化设计是以数学模型为其理论基础进行 设计的。在具体设计中我们一般关注其如下一 些基本术语的内容 , 如设计变量、目标函数、 约束条件等。机械优化设计是构造具体机械结 构的数学模型，并转化为方便求解的数学问题 进行分析，并形成一种数学规划的办法，来求 解规划的内容。最终使其已起最优的方式来满 足设计要求，进而得到最优的设计方案。优化 设计改变了传统的设计方式。传统设计方法是 被动地重复分析产品的性能 , 而不是主动设计 产品的参数。 作为一项设计不仅要求方案可行、 合理 , 而且应该是某些指标达到最优的理想方 案。并从大量的可行设计方案中找出—种最优 化的设计方案 , 从而实现最优化的设计。优化 设计可以满足多方面的性能要求，而这些利用 传统方法是无法解决的。实践证明 , 最优化设 计是一种非常有效的方法，它可以保证产品具 有优良的性能 , 减轻自重或体积 , 降低工程造 价等。 曲柄滑块机构建模 本节的设计目标是设计如图所示曲柄滑块 距离应该满足 s 应该满足从 35mm 到 25mm 的要 机构，其曲柄的转角 θ 是从 100 到 600 ，滑块
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基于MATLAB的偏心曲柄滑块机构的优化设计
作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 罗绥辉 610039西华大学机械工程与自动化学院,四川成都 中国机械 Machine China 2014(16)
参考文献(3条) 1.李泳鲜;孟庆国;姬振豫 机械稳健设计的研究概况与趋势 1999 2.Otto K N;Antonsson E K Extensions to the Taguchi Method of Product Design 1991(01) 3.胡笛川 机械优化设计 2006
求。曲柄杆长
a ，连杆杆长 b ，偏移距离 e 是
由于曲柄滑块属于四连杆机构的一种，获 得相应的约束条件：在设计中取 x = [ a b e] ，设 计的初值取为 [ 4 8 1] 带入 Matlab 中在其优化设 计工具箱中用 GA 优化进行优化，设定种群数量 为 20. 得到输出结果如下： x =11.3349 25.2966 6.4985 fval=3.5922e-004 计算中得到的为其优化结果，整理如下
ε = (100 ) a cos100 + b 2 − (e+ asin100 ) 2 − 35
ε = (600 ) a cos 600 + b 2 − (e+ asin 600 ) 2 − 25
即使得如下式达到最小
ห้องสมุดไป่ตู้
min f= ε=
ε (100 ) + ε (600 )
基于 MATLAB 的偏心曲柄滑块机构 的优化设计
610039 西华大学机械工程与自动化学院 四川 成都 - 罗绥辉
关键词
稳健设计 / 曲柄滑块 / 优化设计
摘要： 曲柄滑块机构作为机械装置的基本机构之一具有广泛而重要的用途，但在其工作的整个寿命过程中受到多种不可测因素的干扰，如制造误 差、装配误差、使用中的磨损导致的误差等。所以如果在设计阶段充分考虑到各种不可测因素的影响，从而使机械装置在整个使用寿命阶段的 性能达到最优，对机械系统有非常重要。稳健设计方法的出现成为解决此类问题的有效手段。
117000 本溪钢铁集团公司 辽宁本溪 - 高一铭
关键词
擦伤 / 张力 / 擦伤缺陷
摘要： 查找平整厚料卷芯擦伤产生的原因，通过实际的验证分析找到关键原因，并对平整厚料卷芯擦伤的缺陷进行了有效的控制。
Abstract: Search formation kinds of cuts a core of the reasons, through practical test and analysis to find the key reason, and the level of core kinds of cuts made effective control. Key words: Scratch ,tension , cuts defects 1. 引言 在冷轧带钢的生产过程中，平整机组是一 个重要的生产工序， 不但决定产品的机械性能， 而且也决定带钢的板形质量与表面质量。平整 即小变形量（通常为 0.3%-3%）进行轧制，平整 的目的 : ①消除明显的屈服平台，改善钢的综 合性能。②改善带钢的平直度。③使带钢达到 一定值的粗糙度。 在平整的过程中不但要保证良好机械性能 和带钢的平整度，同时也要减少表面缺陷的产 生，来提高产品的实物质量与成材率。 2. 平整机组现状 本钢冷轧平整机组采用单机架四辊平整机， 平整方式是干平整，2003 年进行平整改造，增 设了前后 S 辊，主要目的是增加张力 . 来防止 带钢在轧制的过程中跑偏并保证带钢的平直 . 随 着生产节奏的加快 , 在现有设备的情况下 , 平 整机组在生产厚规格产品时容易在卷芯的位置 产生横向的条状或点状的擦伤 , 不但影响了产 品质量也影响了产品的成材率 . 下面根据现场 实际生产情况 , 来探讨平整厚料卷芯擦伤的产 生原因与解决措施 .
图1
平整卷芯擦伤原因分析图
（3）严格控制原料质量。对带头厚度超差 严重、板形不良、有打折硌印缺陷的钢卷，在 准备站进行切头处理， 保证带钢头部质量良好。 发现有缺陷的带头要进行分切。 （4）加强操作技能。穿带的过程中，要保 证带钢的平直，不能有跑偏现象，其他各操作 工序也要严格按照操作规程去执行。 4. 结语 上述生产过程中实施后，精整 R2 横切机组 的成材率提高了 1-2 个百分点，产品质量指标 有明显的提高。在针对平整机组本身产生的擦 伤缺陷，今后要做以下的工作： （1）对设备不足的地方进行相应的改造， 加强对设备的维护与点检。 （2）在备件使用方面，作好周期安排。 （3）加强职工的操作技能，作好交流工作。
位置的偏差，由设计题目要求，可以将设计问 题转换为在两个极限位置的实际位置与要求位 置偏差最小，及转换为两个目标的多目标优化 问题。由设计要求得
本文通过对曲柄滑块的几何构型进行分析， 得出了其优化设计数学模型，并通过 Matlab 使 用遗传算法，得到了优化结果，结果显示可以 较好的避开局部最优的情况发生。 参考文献： [1] 李泳鲜 , 孟庆国 , 姬振豫 . 机械稳健设 计的研究概况与趋势 , 工程设计学报 , 1999. [2]Otto K N, Antonsson E K. Extensions to the Taguchi Method of Product Design. Journal of Mechanical Design, 1991, 115(1): 5-13. [3] 胡笛川 . 机械优化设计 . 内蒙古科技与 经济，2006.
2
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以上式即为优化设计的目标函数。
g1 = e − (b − a) ≤ 0 g 2 = (e+ a) − bsin 450 ≤ 0 s.t 1 ≤ a ≤ 200 1 ≤ b ≤ 200 1 ≤ e ≤ 200
遗传算法优化
转动设备现场动平衡技术与应用
545005 东风柳州汽车有限公司 广西 柳州 - 韦玉明
关键词
汽车车身 / 材料 / 发展趋势
摘要： 汽车车身是汽车整体结构中重要的组成部分，材料一般以钢板、碳纤维、铝、强化塑料等为主。针对于不同用途的汽车车身而言构成材料 也具有一定的差异性，同时也带来了不同的属性。本文对汽车车身材料的现状进行了分析并对其发展趋势进行了展望，提出了相关观点，供以 参考。
引言 一直以来汽车加工都处于制造业的前沿领 域，这也使得汽车加工承载了很多新型技术。 作为汽车最为主要的构件之一车身质量的把握 对于汽车的整体质量而言无疑是重要的，在汽 车技术不断发展的过程中汽车也朝着多功能化 方向迈进，另外人们对汽车的安全性要求也越 来越高，这也使得汽车车身材料也越来越受到 关注。如今承载式车身已经是目前汽车行业的 主流， 其最显著特点便是底盘与车厢的一体化， 这也让车身材料得到了更大的发展空间。 1. 汽车车身材料现状分析 1.1 金属材料 金属材料是汽车车身构成当中最常见的材 料，最为普遍的即为黑色金属，也就是钢材料。 在承载式车身前提下其主要加工工艺为冲压成 型，在加工过程中采取挤压的方式让平整化钢 板成型。在这个过程中若材料强度高则会对其 可塑性带来较大的影响；而低强度材料尽管易 于加工，但是易出现变形的情况，换句话说材 料强度与可塑性两者间事实上存在着明显的矛 盾，然而随着 UISAB 项目 (Ultra Light Steel Auto Body) 的 出 现 给 钢 材 料 带 来 了 新 的 契 机 [1]，加速了新型高强度钢的研发。新型高强度 钢主要包括以下类型： （1）烘烤硬化钢。这种钢既具有强度又具 有较高的可成形性，通过加工过程中的加工硬 化和烤漆过程中的时效现象，使得材料的屈服 强度提升、抗凹性能提高。烘烤硬化钢广泛应 用于汽车外板上，如车门外板、发动机盖外板 和行李箱外板等。 （2）相变诱发塑性钢（TRIP 钢）。相变诱 发塑性钢是由钢组织中逐步进行的马氏体相变 73
设计的目标变量。设计中认为杆长变量 a 和 b 由于加工制造以及装配误差导致其尺寸发生变 化，这种变化一般服从正态分布规律。对于变 量 e ，是根据不同的安装位置确定的，其分布 一般是要满足一定的区间误差，这里给定 e 的 平均值为 e 。目标函数的分析与建立：
a (mm)
b(mm)
e(mm)
由上图可得 和则有下式
3. 平整生产厚料卷芯擦伤的产生原因与分析 3.1 原因分析 运用鱼骨图分析影响厚料卷芯擦伤的产生 原因 , 见图 1
的部位，容易产生不同程度的偏差，如皮带助 卷器极限挡块，从而造成皮带助卷器包角位置 变化，使轧制时卷取内圈松动，在带头位置产 生层与层间的擦伤。在后序机组发现有擦伤缺 陷时，及时反馈，并做以相应的调整。同时定 期检查标定。 （2）卷取套筒定期更换。设备长时间的运 行，卷取套筒表面网纹磨损，表面粗糙度减小， 同时套筒的外径减小，间接导致皮带助卷器抱 臂包角变化，使带钢产生擦伤。在备件使用上 应严格按照其使用周期进行更换 . 随筒的磨损， 对皮带助卷器的极限位置做相应的调整。
s2 =
s = s1 + s2 s1 = a cos θ
b 2 − ( e + a sin θ )
2
13.2388
22.2087
1.0000
s (100 )
35 5．结论
s (600 )
25
min f
0.060
其 中 ε (θ ) 为极限位置下的曲柄实际所达位置与期望所达
= ε (θ ) a cos θ + b 2 − (e+ asin θ ) 2 − d (θ )
针对图 1 所列的 13 条末端原因，经生产实 践逐一验证，找出在生产的过程中造成厚料卷 芯擦伤的主要原因有： （1）皮带助卷器未正常投入，造成卷取时 头部松动，带头位置逐层窜动，产生擦伤，直 接影响后续机组的产量质量。 （2）卷取套筒的磨损，造成皮带助卷器抱 臂包角变化，产生擦伤。 （3）对来料带头质量不好的钢卷，在准备 站未切头， 卷取的过程中对板面产生不良的影响。 （4）操作在穿带过程中操作失误，使带钢 不对中，卷取时带钢受力不均产生相对窜动。 3.2 控制措施 针对上述原因，采取了以下措施： （1）对设备定期点检制度，由于设备本身 的原因，机组长时间的运行，对精度要求较高
1. 引言 在机械工程中， 随着现代机械设计的发展， 72 机构运动状态要求越来越复杂，曲柄滑块机构 的运动设计要求能精确及时协调地完成规定的 复杂的机械动作。曲柄滑块机构作为机械装置 的基本机构之一具有广泛而重要的用途，但在
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其工作的整个寿命过程中受到多种不可测因素 的干扰，如制造误差、装配误差、使用中的磨 损导致的误差等，这些如果处理不当，将会造 成严重的机械故障，更为甚者将会造成严重的 安全事故。所以如果在设计阶段充分考虑到各 种不可测因素的影响，从而使机械装置在整个 使用寿命阶段的性能达到最优，对机械系统有 非常重要。稳健设计方法的出现成为解决此类 问题的有效手段。 2. 优化设计 优化设计是以数学模型为其理论基础进行 设计的。在具体设计中我们一般关注其如下一 些基本术语的内容 , 如设计变量、目标函数、 约束条件等。机械优化设计是构造具体机械结 构的数学模型，并转化为方便求解的数学问题 进行分析，并形成一种数学规划的办法，来求 解规划的内容。最终使其已起最优的方式来满 足设计要求，进而得到最优的设计方案。优化 设计改变了传统的设计方式。传统设计方法是 被动地重复分析产品的性能 , 而不是主动设计 产品的参数。 作为一项设计不仅要求方案可行、 合理 , 而且应该是某些指标达到最优的理想方 案。并从大量的可行设计方案中找出—种最优 化的设计方案 , 从而实现最优化的设计。优化 设计可以满足多方面的性能要求，而这些利用 传统方法是无法解决的。实践证明 , 最优化设 计是一种非常有效的方法，它可以保证产品具 有优良的性能 , 减轻自重或体积 , 降低工程造 价等。 曲柄滑块机构建模 本节的设计目标是设计如图所示曲柄滑块 距离应该满足 s 应该满足从 35mm 到 25mm 的要 机构，其曲柄的转角 θ 是从 100 到 600 ，滑块
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基于MATLAB的偏心曲柄滑块机构的优化设计
作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 罗绥辉 610039西华大学机械工程与自动化学院,四川成都 中国机械 Machine China 2014(16)
参考文献(3条) 1.李泳鲜;孟庆国;姬振豫 机械稳健设计的研究概况与趋势 1999 2.Otto K N;Antonsson E K Extensions to the Taguchi Method of Product Design 1991(01) 3.胡笛川 机械优化设计 2006
求。曲柄杆长
a ，连杆杆长 b ，偏移距离 e 是
由于曲柄滑块属于四连杆机构的一种，获 得相应的约束条件：在设计中取 x = [ a b e] ，设 计的初值取为 [ 4 8 1] 带入 Matlab 中在其优化设 计工具箱中用 GA 优化进行优化，设定种群数量 为 20. 得到输出结果如下： x =11.3349 25.2966 6.4985 fval=3.5922e-004 计算中得到的为其优化结果，整理如下
ε = (100 ) a cos100 + b 2 − (e+ asin100 ) 2 − 35
ε = (600 ) a cos 600 + b 2 − (e+ asin 600 ) 2 − 25
即使得如下式达到最小
ห้องสมุดไป่ตู้
min f= ε=
ε (100 ) + ε (600 )
基于 MATLAB 的偏心曲柄滑块机构 的优化设计
610039 西华大学机械工程与自动化学院 四川 成都 - 罗绥辉
关键词
稳健设计 / 曲柄滑块 / 优化设计
摘要： 曲柄滑块机构作为机械装置的基本机构之一具有广泛而重要的用途，但在其工作的整个寿命过程中受到多种不可测因素的干扰，如制造误 差、装配误差、使用中的磨损导致的误差等。所以如果在设计阶段充分考虑到各种不可测因素的影响，从而使机械装置在整个使用寿命阶段的 性能达到最优，对机械系统有非常重要。稳健设计方法的出现成为解决此类问题的有效手段。