平面连杆机构的优化设计教案

平面连杆机构的优化设计

【教学目标】

1.了解连杆机构优化设计的一般步骤

2.掌握连杆机构优化设计的方法

【教学重点】

1.掌握连杆机构优化设计的方法

【教学难点】

1.掌握连杆机构优化设计的方法

【教学准备】

多媒体课件、直尺、圆规。

【教学过程】

一、以工程实际案例引入课题

实例1：飞机起落架（结合最近美国波音飞机频繁失事的新闻）

实例2：汽车雨刮器

说明：平面连杆机构的实用在生产生活中随处可见，是机械设计当中常见的一种机构。

二、定义回顾

【提问】平面四杆机构的基本形式有哪些？

【预设】机械原理是本科第四学期的课程，学生可能记不全，要引导性地带大家回忆。

【答案】曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构

三、回顾以前所学习的连杆机构设计方法，对比引入优化设计。

新课教授

一、曲柄摇杆机构再现已知运动规律的优化设计

1.设计变量的确定

决定机构尺寸的各杆长度，以及当摇杆按已知运动规律开始运动时，曲柄所处的位置角φ0 为设计变量。

[][]

1234512340T T x x x x x x l l l l ϕ== 考虑到机构的杆长按比例变化时，不会改变其运动规律，因此在计算时常l 1=1 ，

而其他杆长按比例取为l 1 的倍数。

()()22212430124arccos 2l l l l l l l ϕ⎡⎤++-=⎢⎥+⎢⎥⎣⎦

()221243034arccos 2l l l l l l ψ⎡⎤+--=⎢⎥⎢⎥⎣⎦

经分析后，只有三个变量为独立的：

[][]

123234T T x x x x l l l ==

2.目标函数的建立 目标函数可根据已知的运动规律与机构实际运动规律之间的偏差最小为指标来建立，即

()()21min

m Ei i i f x ψψ==-→∑

3.约束条件的确定

1）曲柄摇杆机构满足曲柄存在的条件

()()()()()()1122133144143251234613240

g x l l g x l l g x l l g x l l l l g x l l l l g x l l l l =-≤=-≤=-≤=+--≤=+--≤=+--≤

六、课堂小结

（板书）通过曲柄摇杆机构的优化设计，更深层的体会了优化设计数学模型的步骤：1.设计变量的确定。2.目标函数的建立。3. 约束条件的确定 七、布置作业

空间连杆机构的优化设计如何建立数学模型？

实例1：美国BIGDOG 大狗机器人（由波士顿动力学工程公司专门为美国军队研究设计的一种形似机械狗的四足机器人。）

实例2：日本的阿西莫机器人（日本本田技研工业株式会社研制的仿人机器人）

【教学反思】

通过本节的教学暴露出了许多学生的问题，比如对于问题的分析能力，以及优化设计数学模型的理解还不深入，许多学生一知半解。希望在下一次课，通过另一个实例的讲解之后，能够帮助在数学模型和实际工程问题间建立桥梁。