【正文】 TLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計、測試和測量、財務(wù)建模和分析以及計算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。 科類 工科 本科生畢業(yè)設(shè)計 基于 MATLAB 的曲柄滑塊機構(gòu)模擬與仿真 Based on the MATLAB slidercrank mechanism modeling and simulation I 基于 MATLAB 的曲柄滑塊機構(gòu)模擬與仿真 摘要 用曲柄和滑塊來實現(xiàn)轉(zhuǎn)動和移動相互轉(zhuǎn)換的平面連桿機構(gòu)，也稱曲柄連桿機構(gòu)。 是機械傳動中必不可少的組成部分。 本設(shè)計應(yīng)用 MATLAB GUI 設(shè)計工具和 M 程序結(jié)合，進行平面四桿機構(gòu)的運動分 析，通過 GUI 實現(xiàn)界面的設(shè)計，通過 M 程序完成程序的編制和調(diào)試，并通過接口實現(xiàn)了滑塊機構(gòu)的運動分析及模擬，界面運行時判斷出機構(gòu)類型并顯示從動桿、滑塊的瞬時角速度、瞬時角加速度、極位夾角、最小傳動角及反正行程速比系數(shù)。連桿機構(gòu)根據(jù)桿長的不同可分為曲柄搖桿機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)、雙搖桿機構(gòu)以及演變后的曲柄滑塊機構(gòu)，分析這些機構(gòu)特征的參數(shù)主要有動態(tài)參數(shù)（角速度、角加速度）和靜態(tài)參數(shù)（正反行程速比系數(shù)、最小傳動角、極位夾角）等。 3）在連桿機構(gòu)中，連桿上各點的軌跡是各種不同形狀的曲線（稱為連桿曲線 couplerpoint carve），其形狀還隨著各構(gòu)件相對長度的改變而改變，故連桿曲線的形式眾多，可用來滿足 一些特定工作的需要 . 平面四桿機構(gòu)的運動特性 格拉霍夫定理 1) 桿長之和條件：平面四桿 機構(gòu)的最短桿和最長桿的長度之和小于或者等于其余兩桿長度之和。 4) 如果四桿機構(gòu)不滿足桿長條件，則不論選取哪個構(gòu)件為機架，所得到機構(gòu)均為雙搖桿機構(gòu) 。偏置曲柄滑塊機構(gòu)和擺動導(dǎo)桿機構(gòu)同樣具有急回特性。正因如此， 所以如何根據(jù)最優(yōu)化方法來設(shè)計連桿機構(gòu)，使其能最佳的滿足設(shè)計要求，一直是連桿機構(gòu)研究的一個重要課題。在研究方法上，優(yōu)化方法和計算機輔助設(shè)計的應(yīng)用已成為研究連桿機構(gòu)的重要方法，并已相應(yīng)地編制出大量的，適用范圍廣、計算 機時少、使用方便的通用軟件。 2） 雙曲柄機構(gòu) 若鉸鏈四桿機構(gòu)中的兩個連架桿均為曲柄（圖 1 b），則稱其為雙曲柄機構(gòu)（ doublecrank mechanism）。 圖 2 鉸鏈四桿機構(gòu)演化為曲柄滑塊機構(gòu)示意圖 4 又若將圖 (a)中搖桿 3的長度增至無窮大，則圖 (b)中的曲線導(dǎo)軌將變成直線導(dǎo)軌，于是機構(gòu)就演化成為曲柄滑塊機構(gòu)（ slidercrank mechanism）（圖 3）。是由曲柄（或曲軸、偏心輪）、連桿、滑塊通過移動副和轉(zhuǎn)動副組成的機構(gòu)。曲柄滑塊機構(gòu)具有運動副為低副 ,各元件間為面接觸 ,構(gòu)成低副兩元件的幾何形狀比較簡單 ,加工方便 ,易于得到較高的制造精度等優(yōu)點 ,因而在包括煤礦機械在內(nèi)的各類機械中得到了廣泛的應(yīng)用，如自動送料機構(gòu)、沖床、內(nèi)燃機空氣壓縮機等 。 SimMechanics 立足于 Simulink 之上，是進行控制器和對象系統(tǒng)跨領(lǐng)域 /學(xué)科的研究分析環(huán)境。 使用 MATLAB/SIMLINK 的優(yōu)勢 在分析了連桿機構(gòu)設(shè)計的基本問題基礎(chǔ)上，利用編程方法和 SimMechanics工具箱分別對某工程實例進行了運動學(xué)分析和仿真，在對四連桿機構(gòu)設(shè)計進行分析比較的基礎(chǔ)上，取得了良好的應(yīng)用設(shè)計效果。要知道 Matlab 的由來就是 Matrix + Laboratory = Matlab，所以這個軟件在國內(nèi)也被稱作《矩陣實驗室》。所以 Matlab 是工程師，科研工作者手上最好的語言 ，最好的工具和環(huán)境。由于 MATLAB 是用 C 語言編寫的， MATLAB 提供了和 C 語言幾乎一樣多的運算符，靈活使用 MATLAB 的運算符將使程序變得極為簡短。 6). MATLAB 的圖形功能強大。 MATLAB 包含兩個部分：核心部分和各種可選的工具箱。 Simulink 具有以下特點： 1） 豐富的可擴充的預(yù)定義模塊庫 2）交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖。 6) 使用 Embedded MATLAB? 模塊在 Simlink 和嵌入式系統(tǒng)執(zhí) 行中調(diào)用MATLAB 算法。 10) 模型分析和診斷工具來保證模型的一致性，確定模型中的錯誤。運用軟件進行機械機構(gòu)的模擬仿真已成未來機械發(fā)展的方向。 以 MATLAB 的 simulink\simMechanics 動態(tài) 模擬 仿真工具為平臺，建立了平面四連桿機構(gòu)動力學(xué)分析與動態(tài)模擬軟件，運用分析與動態(tài)模 擬軟件，對曲柄滑塊機構(gòu)進行運動分析 . 實現(xiàn)的技術(shù)路線 1) MATLAB 軟件的安裝 。與其他通過編程實現(xiàn)的運動分析仿真方法相比，采用 SimMechanics 使原來看起來很復(fù)雜的機構(gòu)系統(tǒng)仿真問題可以很容易地解決，并可以得出漂亮的虛擬現(xiàn)實動畫演示。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。它提供了大量對應(yīng)實際系統(tǒng)的元件，如：剛體、鉸鏈、約束、坐標(biāo)系統(tǒng)、作 12 動器和傳感器等。通過分析可以確定某些構(gòu)件運動所需的空間，校驗它們運動是否干涉，運動軌跡仿真動畫則更為形象直觀 。用 SimMechanics 中提供的模塊，先繪制出固定機架，用剛體模塊組中的 Ground 模塊來表示，然后從 Joints 模塊組中復(fù)制 Revolute 模塊，構(gòu)造出第 1 個轉(zhuǎn)動副，依此類推，就可以將所需的模塊都復(fù)制到此模型窗口中。在 ParametersAxes 對話框中輸入 [0 0 1]設(shè)置轉(zhuǎn)動軸矢量為 [0 0 1]，即 Body 與 Ground 模塊間繞連接點坐標(biāo)系的 Z 軸相對轉(zhuǎn)動。默認有三個坐標(biāo)系，剛體重心坐標(biāo)系（ CG）和兩個附加坐標(biāo)系 CS1 和 CS2，分別固定在重心和剛體的兩端。 在需要輸出相應(yīng)的圖像時，可以在前面的框中選中 ，可以同時選擇幾個來顯示相關(guān)圖像。另外 MATLAB 和其他高級程序相比，程序的執(zhí)行速度較慢。由于 MATLAB軟件得組件繁多，由于安裝等其他因素會造成插件丟失等問題，可能導(dǎo)致軟件運行失敗，該軟件也必須依附于 MATLAB 才能運行和完成計算任務(wù)。更重要的是，它提高了我查閱資料，分析解決實際問題的能力，同時也培養(yǎng)了我不驕不躁、嚴謹求實的工作作風(fēng)， 培養(yǎng)了我正確的設(shè)計思想和思維方法，并使我查閱文獻資料、閱讀外文資料的能力、計算機設(shè)計和文字表達能力也得到了進一步提高。 26 參考文獻 [1 ] .孫桓， 陳作模 機械原理［ M］北京 高等教育出版社， 2020 [2 ] .楊正宇，周美立 基于 Simulink 的機械系統(tǒng)運動學(xué)數(shù)字仿真 [J ] 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2020 ， 25 [3 ] .薛定宇，陳陽泉 基于 MATLAB/ Simulink 的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用 [M] 北京 清華大學(xué)出版社， 2020. [4] .周進雄，張陵 機構(gòu)動態(tài)仿真 ——— 使用 MATLAB 和 SIMULINK[M] . 西安 西安交通大學(xué)出版社， 2020. [5 ] .李秀紅，吳風(fēng)林，任家駿 . 曲柄滑塊機構(gòu)的運動仿真系統(tǒng) [J ] . 太 原 理工大學(xué)學(xué)報， 2020 ， 33 [6] .王芳，張海燕 基于 Simulink 的連桿機構(gòu)運動學(xué)仿真［ J］機械設(shè)計與研究， 2020， 20 [7] .原思聰 MATLAB 語言及機械工程應(yīng)用 機械工業(yè)出版社 [8].丁亦農(nóng) simulink 與信號處理 北京航空航天大學(xué)出版社 2020 [9] .胡高舉，鄭才剛，王勤 一種鉸鏈四桿機構(gòu)運動分析仿真算法 現(xiàn)代 制造工程 2020 [10] .李燕 在 MATLAB 環(huán)境下開發(fā)四桿機構(gòu)的運動分析系統(tǒng) 機械研究 與應(yīng)用， 2020 27