基于matlab的平面四杆机构运动分析-毕业论文.docx

毕业论文基于MATLAB的平面四杆机构运动分析装院部机械与电子工程学院订摘要IAbstractII1绪论12平面四杆机构运动分析22.1 平面四杆机构简介22.2 平面四杆机构类型分析32.3 建立平面四杆机构的数学模型42.3.1 建立平面四杆机构的封闭矢量位置方程式42.3.2 运用矢量法和矩阵法求解封闭矢量方程式52.3.3 求解过程涉及的数学、物理计算方法63基于MATLAB的运动分析程序设计71.1 1MATLAB简介71.2 程序设计流程81.3 编写程序的M文件101.3.1 编写fun函数101.3.2 编写主程序101.4 程序运行输出结果124基于MATLAB的GUI分析系统设计154.1 GUl简介154.2 GUI界面设计154.3 GUI代码编写164.3.1 EditTeXt代码编写164.3.2 Pop-upMenu代码编写164.4 GUI分析系统运行效果175结论18参考文献20致谢20附录20附录一主函数程序代码20附录二popupmenu4_Callback函数下程序代码23ContentsAbstractII1 Introduction12 Theanalysisofmotionforplanarfbur-barmechanism22.1 Intoductiontotheplanarfour-barmechanism22.2 Analysisforthetypesofplanarfour-barmechanism32.3 Buildthemathematicalmodelofplanarfbur-barmechanism42.3.1 Buildtheclosedpositionvectorequationforplanarfbur-barmechanism42.3.2 Applythevector&matrixmethodtosolvetheclosedvectorequation42.3.3 Mathematical&physicalcalculationmethodinvolvedinthesolvingprocess53 TheprogramdesignforthemotionanalysisbasedonMATLAB73.1 IntroductiontoMATLAB73.2 Theprogramdesignprocess73.3 WritetheM-fileforprogram93.3.1 Writethefunfunction93.3.2 Writethemainfunction93.4 Theoutputofrunningtheprogram114 ThedesignofGUIanalysissystembasedonMATLAB144.1 IntroductontoGUI144.2 TheinterfacedesignofGUI144.3 WritetheGUIcode154.3.1 WritetheEditTextcode154.3.2 WritethePop-upMenucode154.4 TherunningeffectoftheGUIanalysissystem165 Conclusion19References20Acknowledgement21Appendix22Appendix I Themainfunctioncode22Appendix II Thepopupmenu4_Callbackfunctioncode25基于MATLAB的平面四杆机构运动分析摘要：建立以平面四杆机构为研究对象的数学模型，以MATLAB软件为载体，利用UATLAB矩阵数据分析处理功能，设计了平面四杆机构运动分析程序。利用MATLAB的GUI设计功能，设计了平面四杆机构运动分析交互式界面软件。机构设计者只需输入相关参数就可得到对应的分析结果，再将模拟分析结果与设计要求比较，得出更好的决策，为四杆机构设计提供了一种实用的软件与方法。关键词：平面四杆机构MATLAB角位移角速度角加速度THEANALYSISOFMOTIONFORPLANARFOUR-BARMECHANISMBASEDONMATLABSOFTWAREAbstract：Amathematicalmodelofmotionanalysiswasestablishedinplanarfour-barmechanism,andanalyticalsoftwarewasdeveloped.ThesoftwareadoptedMatlabasadesignlanguage.Itcombinedparametricdesignwithinteractivedesignandhadgoodinterfaceforusers.Theanalyticalresultwasobtainedassoonasinputparameterswasimportedandthedeviserscanmakedecision-makingofmodificationbythecomparinganalyticalresultwithdesigndemand.Itprovidesanappliedsoftwareandmethodforthedesignofplanarfour-barmechanism.Keywords:PlanarFour-barMechanism;MATLAB;AngularDisplacement;AngularVelocity;AngularAcceleration1绪论连杆机构在现实生活中，广泛应用于众多工农业机械和工程机械。平面四杆机构是连杆机构的最简单形式，而平面四杆机构的最基本类型是较链四杆机构，它是由转动副将各构件的头尾联接起的封闭四杆系统，并使其中一个构件固定而组成。被固定件称为机架，与机架直接较接的两个构件称为连架杆，不直接与机架较接的构件称为连杆。连架杆如果能作整圈运动就称为曲柄，否则就称为摇杆,连杆机构的最基本形式是平面四杆机构，它是其它所以连杆机构的基础。所以，对平面四杆机构进行研究基本可以概括连杆机构内在的基本原理，从而用以指导连杆机构的设计。机构运动学综合是按照给定的运动特性对机构进行系统的设计的过程，包括型综合和尺度综合两大主要内容，主要综合方法有解析法、作图法和实验法。作图法和实验法工作量大，设计精度低，仅适用于对机构精度要求不高的场合。近几十年来，随着工业技术的高速发展，人们对机构的复杂程度和精度要求越来越高，作图法和实验法已不能满足要求，而基于计算机辅助设计（例如MATLAB软件）的解析法则得到了广泛的应用。此课题的主要内容是系统地对平面四杆机构连杆曲线进行研究，从而来获得连杆机构基本的原理和综合方法，以便在实际中得到应用；主要特色是在各个设计进度中将会大量应用计算机高级语言MATLAB编程来辅助设计和仿真平面四杆机构。钱链四杆机构的运动学分析是机构学中典型的机构运动分析之一，如果设计校链四杆机构时能及时图示其运动轨迹和速度、加速度分析，从而将图示结果与设计要求相比较，即可以及时修改设计中的偏差。目前，MALTAB已经不再仅仅是“矩阵实验室”，而已经成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具，以及一种具有广泛应用前景的全新的计算机高级编程语言，它在国内外高校和科研部门正扮演着越来越重要的角色，功能也越来越大，并不断适应新的要求提出新的解决办法。可以预见，在科学运算与科学绘图领域，MATLAB语言将长期保持其独一无二的地位。MATLAB是Mathworks公司于1982年推出的一套功能大的工程计算软件,广泛应用于自动控制、机械设计、流体力学和数理统计等工程领域，被誉为巨人肩上的工具。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。工程人员通过使用MATLAB提供的工具箱，可以高效求解复杂的工程问题,并可以对系统进行动态仿真，用强大的图形功能对数值计算结果进行显示。本次在MATLAB环境下开发了一个平面四杆机构运动分析系统，只要在系统图形界面的文本编辑框中交互地输入平面四杆机构四杆的长度和主动曲柄的角速度，就能迅速地输出当主动曲柄转动1周时连杆、从动杆的角位移、角速度、角加速度的变化规律曲线，具有融计算与绘图为一体，操作简便、界面友好，计算速度快,准确性高的特点。本文以曲柄摇杆机构为分析对象，借助MATLAB软件进行运动分析。曲柄摇杆机构是平面四杆机构中最基本的结构之一，它可以用来实现转动和摆动之间运动形式的转换或传递动力。对曲柄摇杆机构进行运动分析的主要内容是：在机构尺寸参数已知的情况下，假定主动曲柄做匀速转动，从运动几何关系上分析连杆和摇杆的角位移、角速度、角加速度等运动参数的变化情况。本论文的主要内容是平面四杆机构连杆、从动杆运动分析系统的开发，其意义在于：(1)深入研究计算机辅助功能在设计平面四杆机构曲线方面的应用，从而指导实践；(2)总结出平面四杆机构轨迹综合的理论基础，从而指导多杆或复杂的低副平面机构的综合；(3)运用MATLAB软件强大的矩阵分析计算功能与图形交互式界面开发系统，设计出可以方便、快捷地实现平面四杆机构运动分析的应用系统。(4)应用于机构设计过程中，利用本系统对连杆、从动杆的角位移、角速度、角加速度分析结果，进一步指导、修正、改进机构设计，以便更好地实现预定功能和效果。2平面四杆机构运动分析2.1 平面四杆机构简介平面四杆机构是由四个刚性构件用低副链接组成的，各个运动构件均在同一平面内运动的机构。平面四杆机构最基本的形式是钱链四杆机构。校链四杆机构是所有运动副均为转动副的四杆机构，它是平面四杆机构的基本形式，其他四杆机构都可以看成是在它的基础上演化而来的。选定其中一个构件作为机架之后，直接与机架链接的构件称为连架杆，不直接与机架连接的构件称为连杆，能够做整周回转的构件被称作曲柄，只能在某一角度范围内往复摆动的构件称为摇杆。如果以转动副连接的两个构件可以做整周相对转动，则称之为整转副，反之称之为摆转副。较链四杆机构中，按照连架杆是否可以做整周转动,可以将其分为三种基本形式，即曲柄摇杆机构，双曲柄机构和双摇杆机构。曲柄摇杆机构，两连架杆中一个为曲柄一个为摇杆的轨链四杆机构。双曲柄机构，具有两个曲柄的钱链四杆机构称为双曲柄机构。其特点是当主动曲柄连续等速转动时，从动曲柄一般做不等速转动。在双曲柄机构中，如果两对边构件长度相等且平行，则成为平行四边形机构。这种机构的传动特点是主动曲柄和从动曲柄均以相同的角速度转动，而连杆做平动。双摇杆机构，双摇杆机构是两连架杆均为摇杆的钱链四杆机构。由于钱链四杆机构是平面四杆机构的基本类型，其他四杆机构可看做由它演化而来，所以在这里以钱链四杆机构为研究对象。2.2 平面四杆机构类型分析平面四杆机构中，根据是否存在整转副以及整转副的位置，平面四杆机构可分为曲柄摇杆机构，双曲柄机构，双摇杆机构三种。平面四杆机构有曲柄的前提条件是运动副中必存在整转副，而整转副存在的条件为：符合杆长条件，即：最短杆长度+最长杆长度W其余两杆长度的和组成该整转副的两杆中一定有一杆为最短杆上述条件表明，当四杆机构各杆长度满足杆长条件时，有最短杆参与构成的转动副都是周转副，而其它的转动副是摆动副。故四杆机构有曲柄的条件是：(1)各杆长度应符合杆长条件。(2)其最短杆为连架杆或机架。由此分析，可得出三种类型的平面连