【正文】 牛頭刨床六桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析程序設(shè)計畢業(yè)論文1 緒論 機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析是不考慮引起機(jī)構(gòu)運(yùn)動的外力的影響，而僅從幾何角度出發(fā)，根據(jù)已知的原動件的運(yùn)動規(guī)律（通常假設(shè)為勻速運(yùn)動），確定機(jī)構(gòu)其它構(gòu)件上各點(diǎn)的位移、速度、加速度，或構(gòu)件的角位移、角速度、角加速度等運(yùn)動參數(shù)。無論是分析研究現(xiàn)有機(jī)械的工作性能，還是優(yōu)化綜合新機(jī)械，機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析都是十分重要的。 通過對機(jī)構(gòu)的位移和軌跡分析，可以考察某構(gòu)件能否實(shí)現(xiàn)預(yù)定的位置、構(gòu)件上某點(diǎn)能否實(shí)現(xiàn)預(yù)定的軌跡要求，可以確定從動件的行程或所需的運(yùn)動空間，據(jù)此判斷運(yùn)動中是否發(fā)生碰撞干涉或確定機(jī)構(gòu)的外形輪廓尺寸。 通過速度和加速度分析可以了解機(jī)構(gòu)從動件的速度、加速度的變化規(guī)律能否達(dá)到工作要求。 而在本設(shè)計課題中通過對機(jī)構(gòu)的加速度和速度分析，就可以在設(shè)計牛頭刨床的導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)時保證刨刀在切削過程中接近于等速運(yùn)動，從而保證加工質(zhì)量和延長刀具壽命；此外還保證了刀具的急回性能，從而提高了生產(chǎn)率。 六桿機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀： 以機(jī)電一體化為核心的現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)不斷創(chuàng)新，推動著現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)不斷發(fā)展。平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動綜合在工程應(yīng)用中有重要的意義，一直為機(jī)構(gòu)學(xué)領(lǐng)域的經(jīng)典課題之一。較早時人們主要用幾何圖解法，但是其求解精度和適用范圍都受到了極大的限制。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在軌跡綜合中引入了計算機(jī)，并開始出現(xiàn)代數(shù)法和優(yōu)化法，把機(jī)構(gòu)學(xué)問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題。 本課題的目的是通過編制MATLAB程序，從而設(shè)計出一個用戶界面，用戶可以通過對界面上面參數(shù)的操作而實(shí)現(xiàn)對牛頭刨床運(yùn)動分析和運(yùn)動仿真，以此觀察牛頭刨床的運(yùn)動特性是否合乎要求。2 MATLAB軟件介紹 MATLAB軟件介紹 如今，計算機(jī)技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于各行各業(yè)，科研和工程計算領(lǐng)域也不例外。對于經(jīng)常需要大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理或者對復(fù)雜問題進(jìn)行計算求解的科研工作者來說，計算機(jī)技術(shù)的引入大大的降低了工作強(qiáng)度，是原本復(fù)雜的工作變得簡單，從而極大的提高了工作效率。 隨著科學(xué)研究的不斷深入，以及工程應(yīng)用不斷朝著專業(yè)化、精確化方向發(fā)展，科研工作者以及工程技術(shù)人員對計算機(jī)技術(shù)的要求也越來越高。面對越來越繁重的科學(xué)以及工程計算任務(wù)，雖然用傳統(tǒng)的c或Fortran語言也能完成任務(wù)，但是程序設(shè)計者所承擔(dān)的編程工作是極為繁重的，而且要求程序設(shè)計者對算法有比較深入的理解，這就使工作人員不得不將大量的時間和精力放在與研究課題關(guān)系不大的計算編程上來。為了減輕科技工作者的壓力，使工作人員將時間和精力更多的放在建立模型等關(guān)鍵性的工作中，許多公司相繼開發(fā)了一系列的數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件，如MATHEMATICA、Maple、MATHCAD以及MATLAB等，其中MATLAB以其強(qiáng)大的功能和極高的編程效率吸引了眾多的用戶。MATLAB 是MATRIX LABORATORY（“矩陣實(shí)驗(yàn)室”）的縮寫，是由美國MATHWORKS 公司開發(fā)的集數(shù)值計算、符號計算和圖形可視化三大基本功能于一體的，功能強(qiáng)大、操作簡單的語言。是國際公認(rèn)的優(yōu)秀數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件之一。20世紀(jì)80年代初期，Cleve Moler與John Little等利用C語言開發(fā)了新一代的MATLAB語言，此時的MATLAB語言已同時具備了數(shù)值計算功能和簡單的圖形處理功能。1984年，Cleve Moler與John Little等正式成立了MATHWORKS公司，把MATLAB語言推向市場，并開始了對MATLAB工具箱等的開發(fā)設(shè)計。1993年，MATHWORKS公司推出了基于個人計算機(jī)的MATLAB ，到了1997年又推出了MATLAB （Release 11），并在2000年又推出了最新的MATLAB 6版本（Release 12）,如今?，F(xiàn)在，MATLAB已經(jīng)發(fā)展成為適合多學(xué)科的大型軟件，在世界各高校，MATLAB已經(jīng)成為線性代數(shù)、數(shù)值分析、數(shù)理統(tǒng)計、優(yōu)化方法、自動控制、數(shù)字信號處理、動態(tài)系統(tǒng)仿真等高級課程的基本教學(xué)工具。特別是最近幾年，MATLAB在我國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽中的應(yīng)用，為參賽者在有限的時間內(nèi)準(zhǔn)確、有效的解決問題提供了有力的保證。 MATLAB軟件的特點(diǎn) MATLAB是一種高度集成化的科學(xué)計算環(huán)境，是集數(shù)值計算和圖形處理等功能于一體的工程計算應(yīng)用軟件。MATLAB不僅可以處理代數(shù)問題和數(shù)值分析問題，而且還具有強(qiáng)大的圖形處理和仿真模擬等功能。MATLAB能夠很好的幫助工程師及科學(xué)家解決實(shí)際問題，它經(jīng)過20多年來的不斷完善和改進(jìn)，已經(jīng)成為公認(rèn)的優(yōu)秀的數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件之一。概括地講，整個MATLAB系統(tǒng)由兩部分組成，即MATLAB內(nèi)核及輔助工具箱，兩者的調(diào)用構(gòu)成了MATLAB的強(qiáng)大功能。MATLAB語言以數(shù)組為基本數(shù)據(jù)單位，包括控制流語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出及面向?qū)ο蟮忍攸c(diǎn)的高級語言，它具有以下主要特點(diǎn)：1）MATLAB的程序設(shè)計語言編程效率較高，運(yùn)算符和庫函數(shù)極其豐富，語言簡潔，編程效率高，MATLAB除了提供和C語言一樣的運(yùn)算符號外，還提供廣泛的矩陣和向量運(yùn)算符。利用其運(yùn)算符號和庫函數(shù)可使其程序相當(dāng)簡短，兩三行語句就可實(shí)現(xiàn)幾十行甚至幾百行C或FORTRAN的程序功能，從而極大的簡化了線性運(yùn)算，而線性運(yùn)算是整個數(shù)值計算的基礎(chǔ)，所以以矩陣作為基本語言要素可以提高數(shù)值計算的編程效率。MATLAB本身擁有豐富的庫函數(shù)，并具有結(jié)構(gòu)化的流程控制語句和運(yùn)算符，用戶可以在使用的過程中方便自如的使用。2）既具有結(jié)構(gòu)化的控制語句（如for循環(huán)、while循環(huán)、break語句、if語句和switch語句），又有面向?qū)ο蟮木幊烫匦浴?）圖形功能強(qiáng)大。它既包括對二維和三維數(shù)據(jù)可視化、圖像處理、動畫制作等高層次的繪圖命令，也包括可以修改圖形及編制完整圖形界面的、低層次的繪圖命令。4）功能強(qiáng)大的工具箱。工具箱可分為兩類：功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。功能性工具箱主要用來擴(kuò)充其符號計算功能、圖示建模仿真功能、文字處理功能以及與硬件實(shí)時交互的功能。而學(xué)科性工具箱是專業(yè)性比較強(qiáng)的，如優(yōu)化工具箱、統(tǒng)計工具箱、控制工具箱、小波工具箱、圖象處理工具箱、通信工具箱等。5）易于擴(kuò)充。除內(nèi)部函數(shù)外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件，用戶可修改源文件和加入自己的文件，它們可以與庫函數(shù)一樣被調(diào)用。當(dāng)然，任何事物都不是十全十美的。與C、Fortran等傳統(tǒng)的程序設(shè)計語言相比，MATLAB的程序設(shè)計語言的一個顯著缺點(diǎn)即使循環(huán)代碼執(zhí)行效率較低，這是與其執(zhí)行方式直接相關(guān)的。MATLAB編寫的程序在應(yīng)用的過程中為解釋執(zhí)行，既不需要編譯生成也不生成可執(zhí)行文件，而是解釋一句，執(zhí)行一句，其速度是可想而知的了。當(dāng)然這個問題也不是不可以解決的，由于MATLAB以矩陣作為基本的程序設(shè)計語言要素，對于在c、Fortran的那個編程語言中需要使用循環(huán)來解決的問題，MATLAB程序設(shè)計語言中巧妙的利用矩陣的特點(diǎn)，就可以避免使用循環(huán)代碼。所以，通過對MATLAB的深入學(xué)習(xí)，提高編程技巧，完全可以做到揚(yáng)長避短，并充分發(fā)揮MATLAB語言的強(qiáng)大功能。 目前，MATLAB已經(jīng)成為國際上公認(rèn)的優(yōu)秀數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件之一。 用MATLAB處理工程問題優(yōu)缺點(diǎn)MATLAB是MATHWOTKS公司于1982年推出的一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟件。它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個方便、界面友好的用戶環(huán)境。它還包括了TOOLBOX(工具箱)的各類問題的求解工具，可用來求解特定學(xué)科的問題。其特點(diǎn)是： (1)可擴(kuò)展性：MATLAB最重要的特點(diǎn)是易于擴(kuò)展，它允許用戶自行建立指定功能的M文件。對于一個從事特定領(lǐng)域的工程師來說，不僅可利用MATLAB所提供的函數(shù)及基本工具箱函數(shù)，還可方便地構(gòu)造出專用的函數(shù)，從而大大擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍。當(dāng)前支持MATLAB的商用Toolbox(工具箱)有數(shù)百種之多。而由個人開發(fā)的Toolbox則不可計數(shù)。 (2)易學(xué)易用性：MATLAB不需要用戶有高深的數(shù)學(xué)知識和程序設(shè)計能力，不需要用戶深刻了解算法及編程技巧。 (3)高效性：MATLAB語句功能十分強(qiáng)大，一條語句可完成十分復(fù)雜的任務(wù)。如FFT語句可完成對指定數(shù)據(jù)的快速傅立葉變換，這相當(dāng)于上百條C語言語句的功能。它大大加快了工程技術(shù)人員從事軟件開發(fā)的效率。據(jù)MATHWOKS公司聲稱，MATLAB軟件中所包含的MATLAB源代碼相當(dāng)于70萬行C代碼。 由于MATLAB具有如此之多的特點(diǎn)，在歐美高等院校，MATLAB已成為應(yīng)用于線性代數(shù)、自動控制理論、數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)字信號處理、時間序列分析、動態(tài)系統(tǒng)仿真等高級課程的基本教學(xué)工具；在研究單位、工業(yè)部門，MATLAB也被廣泛用于研究和解決各種工程問題。當(dāng)前在全世界有超過40萬工程師和科學(xué)家使用它來分析和解決問題。然而MATLAB自身所存在的某些缺點(diǎn)限制了它的應(yīng)用范圍。　　(1) MATLAB是一種解釋性語言，因此它的實(shí)時效率是相當(dāng)差的。(2) MATLAB程序不能脫離其環(huán)境運(yùn)行，因?yàn)镸ATLAB不是計算機(jī)語言，雖然如今它已經(jīng)可以進(jìn)行編譯，但是還不太方便。3 牛頭刨床運(yùn)動分析的模型 基本概念與原理 機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析的任務(wù)是在已知機(jī)構(gòu)尺寸及原動件運(yùn)動規(guī)律的情況下，確定機(jī)構(gòu)中其他構(gòu)件上某些點(diǎn)的軌跡、位移、速度、加速度和構(gòu)件的角位移、角速度及角加速度。上述這些內(nèi)容，不論是設(shè)計新的機(jī)器，還是為了了解現(xiàn)有機(jī)械的運(yùn)動性能，都是十分必要的，而且它還是研究機(jī)械動力性能的必要基礎(chǔ)和前提。 對于牛頭刨床來說，其刨刀在工作行程中應(yīng)該接近等速，而回程速度卻應(yīng)高于前者速度，從而提高效率。為了確定牛頭刨床的設(shè)計是否滿足要求，就必須對其進(jìn)行運(yùn)動分析。機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析的方法很多，主要有圖解法和解析法。當(dāng)需要簡捷直觀地了解機(jī)構(gòu)的某個或某幾個位置的運(yùn)動特性時，采用圖解法比較方便，而且精度也能滿足實(shí)際問題的要求。而當(dāng)需要精確地知道或要了解機(jī)構(gòu)在整個運(yùn)動循環(huán)過程中的運(yùn)動特性時，采用解析法并借助于計算機(jī)，不僅可以獲得很高的計算精度及一系列位置的分析結(jié)果，并能繪出機(jī)構(gòu)相應(yīng)的運(yùn)動線圖，同時還可以把機(jī)構(gòu)分析和機(jī)構(gòu)綜合問題聯(lián)系起來，以便于機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。本設(shè)計正是基于這些用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)牛頭刨床的運(yùn)動分析以及圖解法無法實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動仿真。 牛頭刨床的數(shù)學(xué)模型如下圖所示為牛頭刨床的機(jī)構(gòu)簡圖。設(shè)已知結(jié)構(gòu)參數(shù)為：L1,L3,L5,G,H,原動件的轉(zhuǎn)角φ1和轉(zhuǎn)速n1。解：如圖，先建立一個直角坐標(biāo)系，并標(biāo)出各桿矢及其方位角。其中有四個未知變量φ3，φ5，P及S。為求解需建立兩個封閉矢量方程，為此需利用兩個封閉圖形ABDA及DEFD。1）求φω3及α3由封閉形ABDA可得 ………………………………………(1) 分別用i和j點(diǎn)積上式兩端，有 聯(lián)解上面兩個式子可得： 圖 3—1 牛頭刨床結(jié)構(gòu)模型式（1）對時間t求導(dǎo)數(shù)，注意P為變量，有 …………………………(2)可用點(diǎn)積上式兩端以消去，并利用矢量方程解析法，有 用點(diǎn)積（2）兩端可消去，并注意到，則 再將式（2）對時間t求導(dǎo)，則有 可分別用和點(diǎn)積上式兩端，以消去和，注意，則 得 = 2） 求s、 由封閉圖形DEFAD可得 ………………………………(3)分別用i和j點(diǎn)積上面的式子兩端，有 有上面第二個式子可得由上面第一個式子可得對上面的（3）式對時間t取導(dǎo)可得 …………………………..(4)分別用j、點(diǎn)積上式，可得 (4)式對時間t求導(dǎo)可得 分別用就j和點(diǎn)積上面的式子可得 4 圖形用戶界面GUI 用戶界面或接口是指：人與機(jī)器之間或程序之間交互作用的工具和方法。如、鍵盤、鼠標(biāo)、跟蹤球、話筒都可以成為與計算機(jī)交換信息的接口。 圖形用戶界面（GUI：Graphic User Interface）則是指有窗口、光標(biāo)、按鍵、菜單、文字說明等對象構(gòu)成的一個用戶界面。用戶通過一定的方法（如鼠標(biāo)或鍵盤）選擇、激活這些圖形對象，使計算機(jī)產(chǎn)生某種動作或變化，比如實(shí)現(xiàn)計算、繪圖等。 GUI的設(shè)計包括編寫源代碼之前的所有工作。設(shè)計者必須重視設(shè)計工作，不能急于編寫源代碼。否則，編程員思路不清晰，開發(fā)過程中回走很多彎路，因而開發(fā)的效率低下，并且設(shè)計出的GUI也不一定讓人滿意。那么如何進(jìn)行成功的設(shè)計，就應(yīng)該從以下兩個方面予以考慮：（1） GUI 設(shè)計的指導(dǎo)原則（2） GUI 設(shè)計應(yīng)遵循的步驟。指導(dǎo)原則： 可以用就個字來概括優(yōu)秀的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：簡潔性、一致性、熟悉性。 簡潔性意味著界面簡單明了，直接清晰。擁護(hù)可以很快的提取出對自己有用的信息。 熟悉性意味著系統(tǒng)設(shè)計時盡量保持與該類流行界面的相似，比如VC的對話框風(fēng)格、視圖的風(fēng)格、MATLAB的Figure風(fēng)格。這樣用戶操作起來就容易上手，誤操作率比較低。以上三點(diǎn)也許過于抽象，具體過程中不宜操作。其實(shí)，只要在設(shè)計整個過程中貫穿以人為本的設(shè)計理念，設(shè)計出的界面自然會達(dá)到以上要求。設(shè)計者應(yīng)該經(jīng)?？紤]以下兩個問題：（1）用戶在沒有熟悉界面之前，完成一個操作需要多長時間？（2）用戶在熟悉界面后，完成一個普通操作需要多長時間？ 簡潔性、一致性、熟悉性圍繞著上述兩個問題展開。它們有時也存在著矛盾的地方，比如會為了一致性而犧牲簡潔性。這種取舍的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)著眼于用戶，要看是否便于用戶操作。用戶應(yīng)該是設(shè)計者心中的上帝。1）簡潔性： 簡潔是一種直觀的美，它是設(shè)計者所要達(dá)到的主要目標(biāo)，通過GUIDE，我們很容易向界面添加許多功能。但是功能強(qiáng)大并不一定代表成功，有時增加一些功能反而顯得畫蛇添足。GUI本來是從圖像的角度幫助用戶理解客觀世界的，但是繽紛蕪雜的表面想象卻很容易掩蓋事物的真相，影響擁護(hù)做出正確的判斷，這當(dāng)然是不可取的。設(shè)計者一定要警惕這種盲目追求強(qiáng)大的心理。a注重形式圖像往往給人一種直觀的感受，告訴人們事物發(fā)展的趨勢，數(shù)字有助于將這種趨勢量化，增強(qiáng)人們對發(fā)展趨勢的認(rèn)識。但是并不意味著圖像必須借助于數(shù)字。b縮小交互區(qū)域如果能在一個界面中完成的事情堅決