第一篇：基于matlab的連桿機構設計

目 錄

1平面連桿機構的運動分析…………………………………………………………………………1

1.2 機構的工作原理……………………………………………………………………………………1 1.3 機構的數學模型的建立……………………………………………………………………………1 1.3.1建立機構的閉環矢量位置方程...................................................1 1.3.2求解方法.....................................................................2 2 基于MATLAB程序設計………………………………………………………………………………4 2.1 程序流程圖…………………………………………………………………………………………4

2.2 M文件編寫…………………………………………………………………………………………6

2.3 程序運行結果輸出…………………………………………………………………………………7 3 基于MATLAB圖形界面設計…………………………………………………………………………11 3.1界面設計……………………………………………………………………………………………11

3.2代碼設計……………………………………………………………………………………………12 4 小結…………………………………………………………………………………………………17

參考文獻 ………………………………………………………………………………………………18

平面連桿機構的運動分析

1.1 機構運動分析的任務、目的和方法

曲柄搖桿機構是平面連桿機構中最基本的由轉動副組成的四桿機構，它可以用來實現轉動和擺動之間運動形式的轉換或傳遞動力。

對四桿機構進行運動分析的意義是：在機構尺寸參數已知的情況下，假定主動件（曲柄）做勻速轉動，撇開力的作用，僅從運動幾何關系上分析從動件（連桿、搖桿）的角位移、角速度、角加速度等運動參數的變化情況。還可以根據機構閉環矢量方程計算從動件的位移偏差。上述這些內容，無論是設計新的機械，還是為了了解現有機械的運動性能，都是十分必要的，而且它還是研究機械運動性能和動力性能提供必要的依據。

機構運動分析的方法很多，主要有圖解法和解析法。當需要簡捷直觀地了解機構的某個或某幾個位置的運動特性時，采用圖解法比較方便，而且精度也能滿足實際問題的要求。而當需要精確地知道或要了解機構在整個運動循環過程中的運動特性時，采用解析法并借助計算機，不僅可獲得很高的計算精度及一系列位置的分析結果，并能繪制機構相應的運動線圖，同時還可以把機構分析和機構綜合問題聯系起來，以便于機構的優化設計。1.2 機構的工作原理

在平面四桿機構中，其具有曲柄的條件為： a.各桿的長度應滿足桿長條件，即：

最短桿長度+最長桿長度≤其余兩桿長度之和。

b.組成該周轉副的兩桿中必有一桿為最短桿，且其最短桿為連架桿或機架（當最短桿為連架桿時，四桿機構為曲柄搖桿機構；當最短桿為機架時，則為雙曲柄機構）。

在如下圖1所示的曲柄搖桿機構中，構件AB為曲柄，則B點應能通過曲柄與連桿兩次共線的位置。

1.3 機構的數學模型的建立 1.3.1建立機構的閉環矢量位置方程

在用矢量法建立機構的位置方程時，需將構件用矢量來表示，并作出機構的封閉矢量多邊形。如圖1所示，先建立一直角坐標系。設各構件的長度分別為L1、L2、L3、L4，其方位角為、、、。以各桿矢量組成一個封閉矢量多邊形，即ABCDA。其個矢量之和必等于零。即：

式1

式1為圖1所示四桿機構的封閉矢量位置方程式。對于一個特定的四桿機構，其各構件的長度和原動件2的運動規律，即程可求得未知方位角、。

為已知，而

=0，故由此矢量方角位移方程的分量形式為：

式2

閉環矢量方程分量形式對時間求一階導數（角速度方程）為：

式3 其矩陣形式為：

式4 聯立式3兩公式可求得：

式5

式6

閉環矢量方程分量形式對時間求二階導數（角加速度方程）矩陣形式為：

式7 由式7可求得加速度：

式8

式9

注：式1~式9中，Li(i=1,2,3,4）分別表示機架

1、曲柄

2、連桿

3、搖桿4的長度；（i=1,2,3,4）是各桿與x軸的正向夾角，逆時針為正，順時針為負，單位為 rad;是各桿的角速度。

，單位為 rad/s;為各桿的角加速度，單位為 1.3.2求解方法

（1）求導中應用了下列公式：

式10

（2）在角位移方程分量形式（式2）中，由于假定機架為參考系，矢量1與x軸重合，=0，則有非線性超越方程組：

式11

可以借助牛頓-辛普森數值解法或Matlab自帶的fsolve函數求出連桿3的角位移和搖桿4的角位移。

（3）求解具有n個未知量（i=1,2,…,n）的線性方程組：

式12 式中，系列矩陣 是一個 階方陣：

式13 的逆矩陣為;常數項b是一個n維矢量：

式14 因此，線性方程組解的矢量為：

式15

式11是求解連桿3和搖桿4角速度和角加速度的依據。

基于MATLAB程序設計

MATLAB 是Mathworks 公司推出的交互式計算分析軟件，具有強大的運算分析功能，具有集科學計算、程序設計和可視化于一體的高度集成化軟件環境，是目前國際上公認的最優秀的計算分析軟件之一，被廣泛應用于自動控制、信號處理、機械設計、流體力學和數理統計等工程領域。通過運算分析，MATLAB 可以從眾多的設計方案中尋找最佳途徑，獲取最優結果，大大提高了設計水平和質量。四連桿機構的解析法同樣可以用MATLAB 的計算工具來求值，并結合MATLAB 的可視化手段，把各點的計算值擬合成曲線，得到四連桿機構的運動仿真軌跡。

2.1 程序流程圖

2.2 M文件編寫

首先創建函數FoutBarPosition，函數fsolve通過他確定。function t=fourbarposition(th,th2,L2,L3,L4,L1)t=[L2*cos(th2)+L3*cos(th(1))-L4*cos(th(2))-L1;… L2*sin(th2)+L3*sin(th(1))-L4*sin(th(2))];主程序如下：

disp ' * * * * * *平面四桿機構的運動分析 * * * * * *' L1=304.8;L2=101.6;L3=254.0;L4=177.8;%給定已知量，各桿長L1,L2,L3,L4 th2=[0:1/6:2]*pi;%曲柄輸入角度從0至360度，步長為pi/6 th34=zeros(length(th2),2);%建立一個N行2列的零矩陣，第一列存放options=optimset('display','off');%θ_3,第二列存放θ_3

for m=1:length(th2)%建立for循環，求解θ_3，θ_4

th34(m,:)=fsolve('fourbarposition',[1 1],…

%調用fsove函數求解關于θ_3，θ_4 options,th2(m),L2,L3,L4,L1);%的非線性超越方程，結果保存在th34中 end y=L2*sin(th2)+L3*sin(th34(:,1)');%連桿3的D端點Y坐標值 x=L2*cos(th2)+L3*cos(th34(:,1)');%連桿3的D端點X坐標值 xx=[L2*cos(th2)];%連桿3的C端點X坐標值 yy=[L2*sin(th2)];%連桿3的C端點Y坐標值 figure(1)plot([x;xx],[y;yy],'k',[0 L1],[0 0],… %繪制連桿3的幾個位置點 'k--^',x,y,'ko',xx,yy,'ks')title('連桿3的幾個位置點')xlabel('水平方向')ylabel('垂直方向')axis equal %XY坐標均衡

th2=[0:2/72:2]*pi;%重新細分曲柄輸入角度θ_2，步長為5度 th34=zeros(length(th2),2);options=optimset('display','off');for m=1:length(th2)th34(m,:)=fsolve('fourbarposition',[1 1],… options,th2(m),L2,L3,L4,L1);end figure(2)plot(th2*180/pi,th34(:,1),th2*180/pi,th34(:,2))%繪制連桿3的角位移關于曲柄2的角位移圖

plot(th2*180/pi,th34(:,1)*180/pi,…

th2*180/pi,th34(:,2)*180/pi)%繪制搖桿4的角位移關于曲柄2的角位移圖 axis([0 360 0 170])%確定XY邊界值 grid %圖形加網格 xlabel('主動件轉角theta_2(度)')ylabel('從動件角位移(度)')title('角位移線圖')text(120,120,'搖桿4角位移')text(150,40,'連桿3角位移')w2=250;%設定曲柄角速度 for i=1:length(th2)A=[-L3*sin(th34(i,1))L4*sin(th34(i,2));… L3*cos(th34(i,1))-L4*cos(th34(i,2))];B=[w2*L2*sin(th2(i));-w2*L2*cos(th2(i))];w=inv(A)*B;w3(i)=w(1);w4(i)=w(2);end figure(3)plot(th2*180/pi,w3,th2*180/pi,w4);%繪制角速度線圖 axis([0 360-175 200])text(50,160,'搖桿4角速度(omega_4)')text(220,130,'連桿3角速度(omega_3)')grid xlabel('主動件轉角theta_2(度)')ylabel('從動件角速度(radcdot s^{-1})')title('角速度線圖')for i=1:length(th2)C=[-L3*sin(th34(i,1))L4*sin(th34(i,2));… L3*cos(th34(i,1))-L4*cos(th34(i,2))];D=[w2^2*L2*cos(th2(i))+w3(i)^2*L3*cos(th34(i,1))-w4(i)^2*L4*cos(th34(i,2));...w2^2*L2*sin(th2(i))+w3(i)^2*L3*sin(th34(i,1))-w4(i)^2*L4*sin(th34(i,2))];a=inv(C)*D;a3(i)=a(1);a4(i)=a(2);end figure(4)plot(th2*180/pi,a3,th2*180/pi,a4);%繪制角加速度線圖 axis([0 360-70000 65000])text(50,50000,'搖桿4角加速度(alpha_4)')text(220,12000,'連桿3角加速度(alpha_3)')grid xlabel('從動件角加速度')ylabel('從動件角加速度(radcdot s^{-2})')title('角加速度線圖')disp '曲柄轉角連桿轉角-搖桿轉角-連桿角速度-搖桿角速度-連桿加速度-搖桿加速度' ydcs=[th2'*180/pi,th34(:,1)*180/pi,th34(:,2)*180/pi,w3',w4',a3',a4'];disp(ydcs)

2.3 程序運行結果輸出

>> * * * * * *平面四桿機構的運動分析 * * * * * * 曲柄轉角 連桿轉角-搖桿轉角-連桿角速度-搖桿角速度-連桿加速度-搖桿加速度

1.0e+004 *

0 0.0044 0.0097-0.0125-0.0125-0.5478 4.8458 0.0005 0.0042 0.0094-0.0126-0.0107 0.2300 5.5630 0.0010 0.0039 0.0092-0.0124-0.0086 0.8946 6.0520 0.0015 0.0037 0.0091-0.0119-0.0065 1.4143 6.2982 0.0020 0.0034 0.0090-0.0114-0.0043 1.7801 6.3174 0.0025 0.0032 0.0089-0.0107-0.0021 2.0027 6.1467 0.0030 0.0030 0.0089-0.0100 0.0000 2.1046 5.8339 0.0035 0.0028 0.0089-0.0093 0.0020 2.1134 5.4272 0.0040 0.0026 0.0090-0.0085 0.0038 2.0566 4.9687 0.0045 0.0025 0.0091-0.0078 0.0054 1.9578 4.4918 0.0050 0.0023 0.0092-0.0072 0.0069 1.8356 4.0198 0.0055 0.0022 0.0093-0.0065 0.0082 1.7040 3.5680 0.0060 0.0021 0.0095-0.0060 0.0094 1.5725 3.1450 0.0065 0.0019 0.0097-0.0055 0.0104 1.4474 2.7545 0.0070 0.0018 0.0099-0.0050 0.0113 1.3328 2.3968 0.0075 0.0017 0.0102-0.0045 0.0121 1.2307 2.0702 0.0080 0.0017 0.0104-0.0041 0.0128 1.1425 1.7716 0.0085 0.0016 0.0107-0.0037 0.0134 1.0687 1.4971 0.0090 0.0015 0.0110-0.0034 0.0138 1.0095 1.2426 0.0095 0.0014 0.0112-0.0030 0.0142 0.9653 1.0035 0.0100 0.0014 0.0115-0.0027 0.0145 0.9364 0.7752 0.0105 0.0013 0.0118-0.0024 0.0148 0.9232 0.5530 0.0110 0.0013 0.0121-0.0020 0.0149 0.9269 0.3319 0.0115 0.0013 0.0120 0.0012 0.0125 0.0012 0.0130 0.0012 0.0135 0.0012 0.0140 0.0012 0.0145 0.0012 0.0150 0.0012 0.0155 0.0012 0.0160 0.0013 0.0165 0.0013 0.0170 0.0014 0.0175 0.0015 0.0180 0.0016 0.0185 0.0018 0.0190 0.0019 0.0195 0.0021 0.0200 0.0023 0.0205 0.0025 0.0210 0.0027 0.0215 0.0029 0.0220 0.0031 0.0225 0.0033 0.0230 0.0036 0.0235 0.0038 0.0240 0.0040 0.0245 0.0042 0.0250 0.0044 0.0255 0.0046 0.0260 0.0048 0.0265 0.0050 0.0270 0.0052 0.0275 0.0054 0.0280 0.0055 0.0285 0.0056 0.0124-0.0017 0.0150 0.9485 0.1069 0.0127-0.0014 0.0150 0.9899-0.1276 0.0130-0.0010 0.0149 1.0530-0.3773 0.0133-0.0006 0.0147 1.1404-0.6481-0.0002 0.0145 1.2544-0.9455 0.0139 0.0002 0.0141 1.3967-1.2743 0.0142 0.0008 0.0136 1.5677-1.6368 0.0144 0.0013 0.0129 1.7648-2.0314 0.0147 0.0020 0.0121 1.9807-2.4495 0.0149 0.0027 0.0112 2.2018-2.8735 0.0151 0.0035 0.0101 2.4071-3.2754 0.0153 0.0044 0.0089 2.5697-3.6186 0.0155 0.0053 0.0076 2.6616-3.8650 0.0156 0.0063 0.0063 2.6609-3.9849 0.0157 0.0072 0.0049 2.5591-3.9674 0.0158 0.0080 0.0035 2.3638-3.8244 0.0159 0.0088 0.0022 2.0959-3.5866 0.0159 0.0095 0.0010 1.7823-3.2931 0.0159 0.0100-0.0001 1.4487-2.9815 0.0159 0.0105-0.0011 1.1152-2.6809 0.0159 0.0108-0.0020 0.7942-2.4103 0.0158 0.0111-0.0028 0.4916-2.1794 0.0158 0.0112-0.0035 0.2086-1.9913 0.0157 0.0112-0.0042-0.0565-1.8450 0.0156 0.0111-0.0048-0.3071-1.7375 0.0155 0.0110-0.0054-0.5475-1.6650 0.0154 0.0108-0.0060-0.7817-1.6233 0.0153 0.0104-0.0065-1.0139-1.6089 0.0151 0.0100-0.0071-1.2479-1.6181 0.0150 0.0096-0.0077-1.4868-1.6480 0.0148 0.0090-0.0082-1.7336-1.6955 0.0146 0.0084-0.0088-1.9905-1.7574 0.0145 0.0076-0.0095-2.2588-1.8304 0.0143 0.0068-0.0101-2.5391-1.9100 0.0141 0.0058-0.0108-2.8305-1.9910 0.0136 0.0290 0.0057 0.0138 0.0048-0.0115-3.1300-2.0660 0.0295 0.0058 0.0136 0.0037-0.0122-3.4326-2.1255 0.0300 0.0059 0.0133 0.0024-0.0130-3.7297-2.1572 0.0305 0.0059 0.0131 0.0011-0.0137-4.0091-2.1451 0.0310 0.0059 0.0128-0.0004-0.0145-4.2538-2.0696 0.0315 0.0059 0.0125-0.0019-0.0152-4.4419-1.9079 0.0320 0.0058 0.0122-0.0035-0.0158-4.5473-1.6352 0.0325 0.0058 0.0119-0.0051-0.0163-4.5411-1.2273 0.0330 0.0056 0.0115-0.0066-0.0166-4.3954-0.6661 0.0335 0.0055 0.0112-0.0081-0.0167-4.0889 0.0551 0.0340 0.0053 0.0109-0.0095-0.0166-3.6129 0.9243 0.0345 0.0051 0.0105-0.0106-0.0161-2.9781 1.9058 0.0350 0.0049 0.0102-0.0115-0.0152-2.2178 2.9395 0.0355 0.0047 0.0099-0.0122-0.0140-1.3857 3.9473 0.0360 0.0044 0.0097-0.0125-0.0125-0.5478 4.8458

圖形輸出：

圖2 連桿3的幾個位置點

圖3 角位移線圖

圖4 角加速度線圖

圖5 角加速度線圖 基于MATLAB圖形界面設計

所謂圖形用戶界面, 簡稱為GU I(Graphic User Interface), 是指包含了各種圖形控制對象, 如圖形窗口、菜單、對話框以及文本等內容的用戶界面。利用這些用戶界面, 用戶可以和計算機之間進行信息交流。用戶可以通過某種方式來選擇或者激活這些圖形對象, 來運行一些特性的M 文件。最常見的激活方式是利用鼠標或者其它設備來點擊這些對象。對于一個用戶來說, 圖形用戶界面就是他所面對的應用程序, 對圖形界面的操作直接影響應用程序的應用前途。對于以往專門用于科學計算的語言, 如FORTRAN 語言等, 編寫圖形界面的功能較弱, 因而用其開發的程序, 其界面往往不夠友好, 用戶使用起來很不方便。而目前流行的可視化語言, 對科學計算的功能又相對弱一些。MATLAB提供了非常強大的編寫圖形用戶界面的功能。用戶只和前臺界面下的控件發生交互，而所有運算、繪圖等內部操作都封裝在內部，終端用戶不需要區追究這些復雜過程的代碼。圖形用戶界面大大提高用戶使用MATLAB程序的易用性。因此，學習MATLAB圖形用戶界面編程，即GUI程序的創建，是MATLAB編程用戶應該掌握的重要一環。對于一個MATLAB 中的圖形用戶界面, 它的設計過程一般可以分為兩個部分: ①用戶界面的外觀設計。在這里, 主要是通過不同的對話框、按鈕、文本框等許多工具的使用, 設計出一個圖形用戶界面。同時也應搞清楚這個圖形界面的功能是什么, 也即在圖形界面上的操作會引發什么樣的結果。②圖形界面的完成。在這里, 用戶將根據在外觀設計階段所確定的圖形界面的功能, 針對各個不同的圖形對象來編寫出能夠實現該功能的函數代碼, 確保這個圖形界面能夠完成所預定的功能。3.1 界面設計

首先我們新建一個GUI文件，如下圖所示：

圖6 新建GUI文件 選擇Blank GUI(Default)。

進入GUI開發環境以后添加5個編輯文本框，8個靜態文本框，和1個下拉菜單。利用菜單編輯器，創建Open、Print、Close三個菜單。創建好GUI界面需要的各交互控件并調整好大概的位置后，設置這些控件的屬性。最后的界面效果如下圖示：

圖7 界面效果 3.2 代碼設計

(1)打開M文件編輯器(M-file Edit),點擊

向下的三角圖標，可以看到各個對象的回調函數（Callback）,某些對象的創建函數或打開函數等。通過選中相應項就可以跳動對應函數位置進行程序編輯。

選中’edit_callback’選項，光標跳到’ function edit1_Callback(hObject, eventdata, handles)’下面空白處，添加以下代碼： user_entry=str2double(get(hObject,'String'));if isnan(user_entry)errordlg('請輸入數值！','Bad Input')end 該語句嚴格限制編輯框內必須輸入數值，否則出現錯誤對話框（如下圖所示）。同理在其他四個編輯框的回調函數下輸入相同的代碼。

圖8 錯誤對話框(2)打開M文件編輯器(M-file Edit),點擊

向下的三角圖標，設置下拉菜單返回函數，光標跳到’ function popupmenu1_Callback(hObject, eventdata, handles)’下面空白處。由于下拉菜單是本界面設計關鍵控件，與本設計相關的程序都放在這個返回函數下。添加代碼如下：L1=str2double(get(handles.edit1,'String'));L2=str2double(get(handles.edit2,'String'));L3=str2double(get(handles.edit3,'String'));L4=str2double(get(handles.edit4,'String'));w2=str2double(get(handles.edit5,'String'));th2=[0:2/72:2]*pi;th34=zeros(length(th2),2);options=optimset('display','off');for m=1:length(th2)th34(m,:)=fsolve('fourbarposition',[1 1],options,th2(m),L2,L3,L4,L1);end w2=250;for i=1:length(th2)A=[-L3*sin(th34(i,1))L4*sin(th34(i,2));L3*cos(th34(i,1))-L4*cos(th34(i,2))];B=[w2*L2*sin(th2(i));-w2*L2*cos(th2(i))];w=inv(A)*B;w3(i)=w(1);w4(i)=w(2);end for i=1:length(th2)C=[-L3*sin(th34(i,1))L4*sin(th34(i,2));L3*cos(th34(i,1))-L4*cos(th34(i,2))];D=[w2^2*L2*cos(th2(i))+w3(i)^2*L3*cos(th34(i,1))-w4(i)^2*L4*cos(th34(i,2));...w2^2*L2*sin(th2(i))+w3(i)^2*L3*sin(th34(i,1))-w4(i)^2*L4*sin(th34(i,2))];a=inv(C)*D;a3(i)=a(1);a4(i)=a(2);end val=get(hObject,'Value');str=get(hObject,'String');switch str{val} case '連桿3的幾個位置點' th2=[0:1/6:2]*pi;th34=zeros(length(th2),2);options=optimset('display','off');for m=1:length(th2)th34(m,:)=fsolve('fourbarposition',[1 1],options,th2(m),L2,L3,L4,L1);end y=L2*sin(th2)+L3*sin(th34(:,1)');x=L2*cos(th2)+L3*cos(th34(:,1)');xx=[L2*cos(th2)];yy=[L2*sin(th2)];plot([x;xx],[y;yy],'k',[0 L1],[0 0],'k--^',x,y,'ko',xx,yy,'ks')title('連桿3的幾個位置點')xlabel('水平方向')ylabel('垂直方向')axis equal grid on case '角位移線圖' plot(th2*180/pi,th34(:,1)*180/pi,th2*180/pi,th34(:,2)*180/pi)axis([0 360 0 170])grid on xlabel('主動件轉角theta_2(度)')ylabel('從動件角位移(度)')title('角位移線圖')text(120,120,'搖桿4角位移')text(150,40,'連桿3角位移')case '角速度線圖' plot(th2*180/pi,w3,th2*180/pi,w4);axis([0 360-175 200])text(50,160,'搖桿4角速度(omega_4)')text(220,130,'連桿3角速度(omega_3)')grid on xlabel('主動件轉角theta_2(度)')ylabel('從動件角速度(radcdot s^{-1})')title('角速度線圖')case '角加速度線圖' plot(th2*180/pi,a3,th2*180/pi,a4);axis([0 360-50000 65000])text(50,50000,'搖桿4角加速度(alpha_4)')text(220,12000,'連桿3角加速度(alpha_3)')grid on xlabel('主動件轉角theta_2(度)')ylabel('從動件角加速度(radcdot s^{-2})')title('角加速度線圖')end guidata(hObject,handles)%

其中，guidata(hObject,handles)命令用于更新句柄，當輸入不同參數是，程序能夠做出相應的相應。

(3)打開M文件編輯器(M-file Edit),點擊 回調函數下添加以下代碼： file = uigetfile('*.fig');if ~isequal(file, 0)open(file);end 此菜單用以打開fig文件。其相應界面如圖9所示：

向下的三角圖標，在Open菜單

圖9(4)打開M文件編輯器(M-file Edit),點擊 回調函數下添加以下代碼：

向下的三角圖標，在Print菜單printdlg(handles.figure1)%用于圖形輸出。(5)打開M文件編輯器(M-file Edit),點擊 回調函數下添加以下代碼：

向下的三角圖標，在Close菜單selection = questdlg(['Close ' get(handles.figure1,'Name')'?'],...['Close ' get(handles.figure1,'Name')'...'],'Yes','No','Yes');if strcmp(selection,'No')return;end delete(handles.figure1)此菜單用于關閉界面，其響應界面如圖10所示：

圖10

(6)完成M文件編寫后，運行程序進行檢驗，單擊 圖標或M文件工具欄的

圖標，在編輯欄輸入個構件參數，運行結果如圖11：

圖11 界面運行效果圖

分別點擊下拉菜單

小結

在本次基于MATLAB平面四桿機構機構的運動分析課程設計中，不僅用到了MATLAB的m語言編程，還有GUI圖形用戶界面設計。對于課程的設計來說，m語言本身來說，功能相當強大，但是由于其復雜的編程方法，讓大多數初學者望而卻步；而GUI圖形界面則正好彌補了它的不足，它采用的是所見即所得的編程方式，用它來做軟件的界面就如圖制作網頁一樣簡單明了，用它制作出來的軟件不需要太多的編程知識都可以輕松搞定；在此次課程設計中，本人盡量揚長避短，把這些工具的優點結合到一起，發揮其最大的作用。通過此次課程設計，不僅使我們對使我們對四桿機構有了進一步認識，并且使我們認識到計算機技術對工程應用的重要性。本此設計凝結了團隊合作的結晶，是我們利用三周的時間努力學

下各選項，則在繪圖區域分別顯示圖2~圖5。習、設計的成果，同時，在設計過成中得到了鄭XX老師的悉心指導，在此表示衷心的感謝！

參考文獻

[1] 孫桓,陳作模.機械原理[M].7版.北京:高等教育出版社,2006.[2] 符煒.機構設計學.[M].1版.長沙:中南工業大學出版社,1995.[3] MATLAB原理與工程應用[M].1版.北京:電子工業出版社,2002.[4] http:///pro-t2-p137-dzd.html?dk=80288644

第二篇：基于matlab的連桿機構設計

基于matlab的連桿機構設計

班級：熱動1001班 姓名：何志杰 學號：201004414 1.1 機構運動分析的任務、目的和方法

曲柄搖桿機構是平面連桿機構中最基本的由轉動副組成的四桿機構，它可以用來實現轉動和擺動之間運動形式的轉換或傳遞動力。

對四桿機構進行運動分析的意義是：在機構尺寸參數已知的情況下，假定主動件（曲柄）做勻速轉動，撇開力的作用，僅從運動幾何關系上分析從動件（連桿、搖桿）的角位移、角速度、角加速度等運動參數的變化情況。還可以根據機構閉環矢量方程計算從動件的位移偏差。上述這些內容，無論是設計新的機械，還是為了了解現有機械的運動性能，都是十分必要的，而且它還是研究機械運動性能和動力性能提供必要的依據。

機構運動分析的方法很多，主要有圖解法和解析法。當需要簡捷直觀地了解機構的某個或某幾個位置的運動特性時，采用圖解法比較方便，而且精度也能滿足實際問題的要求。而當需要精確地知道或要了解機構在整個運動循環過程中的運動特性時，采用解析法并借助計算機，不僅可獲得很高的計算精度及一系列位置的分析結果，并能繪制機構相應的運動線圖，同時還可以把機構分析和機構綜合問題聯系起來，以便于機構的優化設計。1.2 機構的工作原理

在平面四桿機構中，其具有曲柄的條件為： a.各桿的長度應滿足桿長條件，即：

最短桿長度+最長桿長度≤其余兩桿長度之和。

b.組成該周轉副的兩桿中必有一桿為最短桿，且其最短桿為連架桿或機架（當最短桿為連架桿時，四桿機構為曲柄搖桿機構；當最短桿為機架時，則為雙曲柄機構）。

因此，線性方程組解的矢量為：

式15 式11是求解連桿3和搖桿4角速度和角加速度的依據。

基于MATLAB程序設計

MATLAB 是Mathworks 公司推出的交互式計算分析軟件，具有強大的運算分析功能，具有集科學計算、程序設計和可視化于一體的高度集成化軟件環境，是目前國際上公認的最優秀的計算分析軟件之一，被廣泛應用于自動控制、信號處理、機械設計、流體力學和數理統計等工程領域。通過運算分析，MATLAB 可以從眾多的設計方案中尋找最佳途徑，獲取最優結果，大大提高了設計水平和質量。四連桿機構的解析法同樣可以用MATLAB 的計算工具來求值，并結合MATLAB 的可視化手段，把各點的計算值擬合成曲線，得到四連桿機構的運動仿真軌跡。

2.1 程序流程圖

圖3 角位移線圖

圖4 角加速度線圖

圖5 角加速度線圖

基于MATLAB圖形界面設計

所謂圖形用戶界面, 簡稱為GU I(Graphic User Interface), 是指包含了各種圖形控制對象, 如圖形窗口、菜單、對話框以及文本等內容的用戶界面。利用這些用戶界面, 用戶可以和計算機之間進行信息交流。用戶可以通過某種方式來選擇或者激活這些圖形對象, 來運行一些特性的M 文件。最常見的激活方式是利用鼠標或者其它設備來點擊這些對象。對于一個用戶來說, 圖形用戶界面就是他所面對的應用程序, 對圖形界面的操作直接影響應用程序的應用前途。對于以往專門用于科學計算的語言, 如FORTRAN 語言等, 編寫圖形界面的功能較弱, 因而用其開發的程序, 其界面往往不夠友好, 用戶使用起來很不方便。而目前流行的可視化語言, 對科學計算的功能又相對弱一些。MATLAB提供了非常強大的編寫圖形用戶界面的功能。用戶只和前臺界面下的控件發生交互，而所有運算、繪圖等內部操作都封裝在內部，終端用戶不需要區追究這些復雜過程的代碼。圖形用戶界面大大提高用戶使用MATLAB程序的易用性。因此，學習MATLAB圖形用戶界面編程，即GUI程序的創建，是MATLAB編程用戶應該掌握的重要一環。對于一個MATLAB 中的圖形用戶界面, 它的設計過程一般可以分為兩個部分: ①用戶界面的外觀設計。在這里, 主要是通過不同的對話框、按鈕、文本框等許多工具的使用, 設計出一個圖形用戶界面。同時也應搞清楚這個圖形界面的功能是什么, 也即在圖形界面上的操作會引發什么樣的結果。

②圖形界面的完成。在這里, 用戶將根據在外觀設計階段所確定的圖形界面的功能, 針對各個不同的圖形對象來編寫出能夠實現該功能的函數代碼, 確保這個圖形界面能夠完成所預定的功能。3.1 界面設計

首先我們新建一個GUI文件，如下圖所示：

圖6 新建GUI文件 選擇Blank GUI(Default)。

進入GUI開發環境以后添加5個編輯文本框，8個靜態文本框，和1個下拉菜單。利用菜單編輯器，創建Open、Print、Close三個菜單。創建好GUI界面需要的各交互控件并調整好大概的位置后，設置這些控件的屬性。最后的界面效果如下圖示

圖7 界面效果 3.2 代碼設計

(1)打開M文件編輯器(M-file Edit),點擊

向下的三角圖標，可以看到各個對象的回調函數（Callback）,某些對象的創建函數或打開函數等。通過選中相應項就可以跳動對應函數位置進行程序編輯。

選中’edit_callback’選項，光標跳到’ function edit1_Callback(hObject, eventdata, handles)’下面空白處，添加以下代碼： user_entry=str2double(get(hObject,'String'));if isnan(user_entry)errordlg('請輸入數值！','Bad Input')end

(2)打開M文件編輯器(M-file Edit),點擊

向下的三角圖標，設置下拉菜單返回函數，光標跳到’ function popupmenu1_Callback(hObject, eventdata, handles)’下面空白處。由于下拉菜單是本界面設計關鍵控件，與本設計相關的程序都放在這個返回函數下。添加代碼略。(3)打開M文件編輯器(M-file Edit),點擊 回調函數下添加以下代碼： file = uigetfile('*.fig');if ~isequal(file, 0)open(file);end 此菜單用以打開fig文件。其相應界面如圖9所示：

向下的三角圖標，在Open菜單

圖9(4)打開M文件編輯器(M-file Edit),點擊 回調函數下添加以下代碼：

向下的三角圖標，在Print菜單printdlg(handles.figure1)%用于圖形輸出。

(5)打開M文件編輯器(M-file Edit),點擊 回調函數下添加以下代碼：

selection = questdlg(['Close ' get(handles.figure1,'Name')'?'],...['Close ' get(handles.figure1,'Name')'...'],'Yes','No','Yes');if strcmp(selection,'No')return;end delete(handles.figure1)(6)完成M文件編寫后，運行程序進行檢驗，單擊

圖標或M文件工具欄的向下的三角圖標，在Close菜單圖標，在編輯欄輸入個構件參數，運行結果如圖11：

01112-

第三篇：基于matlab的4連桿機構設計

目 錄

1平面連桿機構的運動分析…………………………………………………………………………1

1.2 機構的工作原理……………………………………………………………………………………1 1.3 機構的數學模型的建立……………………………………………………………………………1 1.3.1建立機構的閉環矢量位置方程...................................................1 1.3.2求解方法.....................................................................2 2 基于MATLAB程序設計………………………………………………………………………………4 2.1 程序流程圖…………………………………………………………………………………………4

2.2 M文件編寫…………………………………………………………………………………………6

2.3 程序運行結果輸出…………………………………………………………………………………7 3 基于MATLAB圖形界面設計…………………………………………………………………………11 3.1界面設計……………………………………………………………………………………………11

3.2代碼設計……………………………………………………………………………………………12 4 小結…………………………………………………………………………………………………17

參考文獻 ………………………………………………………………………………………………18

平面連桿機構的運動分析

1.1 機構運動分析的任務、目的和方法

曲柄搖桿機構是平面連桿機構中最基本的由轉動副組成的四桿機構，它可以用來實現轉動和擺動之間運動形式的轉換或傳遞動力。

對四桿機構進行運動分析的意義是：在機構尺寸參數已知的情況下，假定主動件（曲柄）做勻速轉動，撇開力的作用，僅從運動幾何關系上分析從動件（連桿、搖桿）的角位移、角速度、角加速度等運動參數的變化情況。還可以根據機構閉環矢量方程計算從動件的位移偏差。上述這些內容，無論是設計新的機械，還是為了了解現有機械的運動性能，都是十分必要的，而且它還是研究機械運動性能和動力性能提供必要的依據。

機構運動分析的方法很多，主要有圖解法和解析法。當需要簡捷直觀地了解機構的某個或某幾個位置的運動特性時，采用圖解法比較方便，而且精度也能滿足實際問題的要求。而當需要精確地知道或要了解機構在整個運動循環過程中的運動特性時，采用解析法并借助計算機，不僅可獲得很高的計算精度及一系列位置的分析結果，并能繪制機構相應的運動線圖，同時還可以把機構分析和機構綜合問題聯系起來，以便于機構的優化設計。1.2 機構的工作原理

在平面四桿機構中，其具有曲柄的條件為： a.各桿的長度應滿足桿長條件，即：

最短桿長度+最長桿長度≤其余兩桿長度之和。

b.組成該周轉副的兩桿中必有一桿為最短桿，且其最短桿為連架桿或機架（當最短桿為連架桿時，四桿機構為曲柄搖桿機構；當最短桿為機架時，則為雙曲柄機構）。

在如下圖1所示的曲柄搖桿機構中，構件AB為曲柄，則B點應能通過曲柄與連桿兩次共線的位置。

1.3 機構的數學模型的建立 1.3.1建立機構的閉環矢量位置方程

在用矢量法建立機構的位置方程時，需將構件用矢量來表示，并作出機構的封閉矢量多邊形。如圖1所示，先建立一直角坐標系。設各構件的長度分別為L1、L2、L3、L4，其方位角為、、、。以各桿矢量組成一個封閉矢量多邊形，即ABCDA。其個矢量之和必等于零。即：

式1

式1為圖1所示四桿機構的封閉矢量位置方程式。對于一個特定的四桿機構，其各構件的長度和原動件2的運動規律，即程可求得未知方位角、。

為已知，而

=0，故由此矢量方角位移方程的分量形式為：

式2

閉環矢量方程分量形式對時間求一階導數（角速度方程）為：

式3 其矩陣形式為：

式4 聯立式3兩公式可求得：

式5

式6

閉環矢量方程分量形式對時間求二階導數（角加速度方程）矩陣形式為：

式7 由式7可求得加速度：

式8

式9

注：式1~式9中，Li(i=1,2,3,4）分別表示機架

1、曲柄

2、連桿

3、搖桿4的長度；（i=1,2,3,4）是各桿與x軸的正向夾角，逆時針為正，順時針為負，單位為 rad;是各桿的角速度。

，單位為 rad/s;為各桿的角加速度，單位為 1.3.2求解方法

（1）求導中應用了下列公式：

式10

（2）在角位移方程分量形式（式2）中，由于假定機架為參考系，矢量1與x軸重合，=0，則有非線性超越方程組：

式11

可以借助牛頓-辛普森數值解法或Matlab自帶的fsolve函數求出連桿3的角位移和搖桿4的角位移。

（3）求解具有n個未知量（i=1,2,…,n）的線性方程組：

式12 式中，系列矩陣 是一個 階方陣：

式13 的逆矩陣為;常數項b是一個n維矢量：

式14 因此，線性方程組解的矢量為：

式15

式11是求解連桿3和搖桿4角速度和角加速度的依據。

基于MATLAB程序設計

MATLAB 是Mathworks 公司推出的交互式計算分析軟件，具有強大的運算分析功能，具有集科學計算、程序設計和可視化于一體的高度集成化軟件環境，是目前國際上公認的最優秀的計算分析軟件之一，被廣泛應用于自動控制、信號處理、機械設計、流體力學和數理統計等工程領域。通過運算分析，MATLAB 可以從眾多的設計方案中尋找最佳途徑，獲取最優結果，大大提高了設計水平和質量。四連桿機構的解析法同樣可以用MATLAB 的計算工具來求值，并結合MATLAB 的可視化手段，把各點的計算值擬合成曲線，得到四連桿機構的運動仿真軌跡。

2.1 程序流程圖

2.2 M文件編寫

首先創建函數FoutBarPosition，函數fsolve通過他確定。function t=fourbarposition(th,th2,L2,L3,L4,L1)t=[L2*cos(th2)+L3*cos(th(1))-L4*cos(th(2))-L1;L2*sin(th2)+L3*sin(th(1))-L4*sin(th(2))];主程序如下：

disp ' * * * * * *平面四桿機構的運動分析 * * * * * *' L1=304.8;L2=101.6;L3=254.0;L4=177.8;%給定已知量，各桿長L1,L2,L3,L4 th2=[0:1/6:2]*pi;%曲柄輸入角度從0至360度，步長為pi/6 th34=zeros(length(th2),2);%建立一個N行2列的零矩陣，第一列存放options=optimset('display','off');%θ_3,第二列存放θ_3

for m=1:length(th2)%建立for循環，求解θ_3，θ_4

th34(m,:)=fsolve('fourbarposition',[1 1], options,th2(m),L2,L3,L4,L1);%的非線性超越方程，結果保存在th34中 end y=L2*sin(th2)+L3*sin(th34(:,1)');%連桿3的D端點Y坐標值 x=L2*cos(th2)+L3*cos(th34(:,1)');%連桿3的D端點X坐標值 xx=[L2*cos(th2)];%連桿3的C端點X坐標值 yy=[L2*sin(th2)];%連桿3的C端點Y坐標值 figure(1)plot([x;xx],[y;yy],'k',[0 L1],[0 0], %繪制連桿3的幾個位置點 'k--^',x,y,'ko',xx,yy,'ks')title('連桿3的幾個位置點')xlabel('水平方向')ylabel('垂直方向')axis equal %XY坐標均衡

th2=[0:2/72:2]*pi;%重新細分曲柄輸入角度θ_2，步長為5度 th34=zeros(length(th2),2);options=optimset('display','off');for m=1:length(th2)th34(m,:)=fsolve('fourbarposition',[1 1], options,th2(m),L2,L3,L4,L1);end figure(2)plot(th2*180/pi,th34(:,1),th2*180/pi,th34(:,2))%繪制連桿3的角位移關于曲柄2的角位移圖 plot(th2*180/pi,th34(:,1)*180/pi, th2*180/pi,th34(:,2)*180/pi)%繪制搖桿4的角位移關于曲柄2的角位移圖

axis([0 360 0 170])%確定XY邊界值 grid %圖形加網格 xlabel('主動件轉角theta_2(度)')ylabel('從動件角位移(度)')title('角位移線圖')text(120,120,'搖桿4角位移')text(150,40,'連桿3角位移')w2=250;%設定曲柄角速度 for i=1:length(th2)A=[-L3*sin(th34(i,1))L4*sin(th34(i,2));L3*cos(th34(i,1))-L4*cos(th34(i,2))];B=[w2*L2*sin(th2(i));-w2*L2*cos(th2(i))];w=inv(A)*B;w3(i)=w(1);w4(i)=w(2);end figure(3)plot(th2*180/pi,w3,th2*180/pi,w4);%繪制角速度線圖 axis([0 360-175 200])text(50,160,'搖桿4角速度(omega_4)')text(220,130,'連桿3角速度(omega_3)')grid xlabel('主動件轉角theta_2(度)')ylabel('從動件角速度(radcdot s^{-1})')title('角速度線圖')for i=1:length(th2)C=[-L3*sin(th34(i,1))L4*sin(th34(i,2));L3*cos(th34(i,1))-L4*cos(th34(i,2))];D=[w2^2*L2*cos(th2(i))+w3(i)^2*L3*cos(th34(i,1))-w4(i)^2*L4*cos(th34(i,2));w2^2*L2*sin(th2(i))+w3(i)^2*L3*sin(th34(i,1))-w4(i)^2*L4*sin(th34(i,2))];a=inv(C)*D;a3(i)=a(1);a4(i)=a(2);end figure(4)plot(th2*180/pi,a3,th2*180/pi,a4);%繪制角加速度線圖 axis([0 360-70000 65000])text(50,50000,'搖桿4角加速度(alpha_4)')text(220,12000,'連桿3角加速度(alpha_3)')grid xlabel('從動件角加速度')ylabel('從動件角加速度(radcdot s^{-2})')title('角加速度線圖')disp '曲柄轉角連桿轉角-搖桿轉角-連桿角速度-搖桿角速度-連桿加速度-搖桿加速度' ydcs=[th2'*180/pi,th34(:,1)*180/pi,th34(:,2)*180/pi,w3',w4',a3',a4'];disp(ydcs)

2.3 程序運行結果輸出

>> * * * * * *平面四桿機構的運動分析 * * * * * * 曲柄轉角 連桿轉角-搖桿轉角-連桿角速度-搖桿角速度-連桿加速度-搖桿加速度

1.0e+004 *

0 0.0044 0.0097-0.0125-0.0125-0.5478 4.8458 0.0005 0.0042 0.0094-0.0126-0.0107 0.2300 5.5630 0.0010 0.0039 0.0092-0.0124-0.0086 0.8946 6.0520 0.0015 0.0037 0.0091-0.0119-0.0065 1.4143 6.2982 0.0020 0.0034 0.0090-0.0114-0.0043 1.7801 6.3174 0.0025 0.0032 0.0089-0.0107-0.0021 2.0027 6.1467 0.0030 0.0030 0.0089-0.0100 0.0000 2.1046 5.8339 0.0035 0.0028 0.0089-0.0093 0.0020 2.1134 5.4272 0.0040 0.0026 0.0090-0.0085 0.0038 2.0566 4.9687 0.0045 0.0025 0.0091-0.0078 0.0054 1.9578 4.4918 0.0050 0.0023 0.0092-0.0072 0.0069 1.8356 4.0198 0.0055 0.0022 0.0093-0.0065 0.0082 1.7040 3.5680 0.0060 0.0021 0.0095-0.0060 0.0094 1.5725 3.1450 0.0065 0.0019 0.0097-0.0055 0.0104 1.4474 2.7545 0.0070 0.0018 0.0099-0.0050 0.0113 1.3328 2.3968 0.0075 0.0017 0.0102-0.0045 0.0121 1.2307 2.0702 0.0080 0.0017 0.0104-0.0041 0.0128 1.1425 1.7716 0.0085 0.0016 0.0107-0.0037 0.0134 1.0687 1.4971 0.0090 0.0015 0.0110-0.0034 0.0138 1.0095 1.2426 0.0095 0.0014 0.0112-0.0030 0.0142 0.9653 1.0035 0.0100 0.0014 0.0115-0.0027 0.0145 0.9364 0.7752 0.0105 0.0013 0.0118-0.0024 0.0148 0.9232 0.5530 0.0110 0.0013 0.0121-0.0020 0.0149 0.9269 0.3319 0.0115 0.0013 0.0124-0.0017 0.0150 0.9485 0.1069 0.0120 0.0012 0.0127-0.0014 0.0150 0.9899-0.1276 0.0125 0.0012 0.0130-0.0010 0.0149 1.0530-0.3773 0.0130 0.0012 0.0135 0.0012 0.0140 0.0012 0.0145 0.0012 0.0150 0.0012 0.0155 0.0012 0.0160 0.0013 0.0165 0.0013 0.0170 0.0014 0.0175 0.0015 0.0180 0.0016 0.0185 0.0018 0.0190 0.0019 0.0195 0.0021 0.0200 0.0023 0.0205 0.0025 0.0210 0.0027 0.0215 0.0029 0.0220 0.0031 0.0225 0.0033 0.0230 0.0036 0.0235 0.0038 0.0240 0.0040 0.0245 0.0042 0.0250 0.0044 0.0255 0.0046 0.0260 0.0048 0.0265 0.0050 0.0270 0.0052 0.0275 0.0054 0.0280 0.0055 0.0285 0.0056 0.0290 0.0057 0.0295 0.0058 0.0300 0.0059 0.0133-0.0006 0.0147 1.1404-0.6481-0.0002 0.0145 1.2544-0.9455 0.0139 0.0002 0.0141 1.3967-1.2743 0.0142 0.0008 0.0136 1.5677-1.6368 0.0144 0.0013 0.0129 1.7648-2.0314 0.0147 0.0020 0.0121 1.9807-2.4495 0.0149 0.0027 0.0112 2.2018-2.8735 0.0151 0.0035 0.0101 2.4071-3.2754 0.0153 0.0044 0.0089 2.5697-3.6186 0.0155 0.0053 0.0076 2.6616-3.8650 0.0156 0.0063 0.0063 2.6609-3.9849 0.0157 0.0072 0.0049 2.5591-3.9674 0.0158 0.0080 0.0035 2.3638-3.8244 0.0159 0.0088 0.0022 2.0959-3.5866 0.0159 0.0095 0.0010 1.7823-3.2931 0.0159 0.0100-0.0001 1.4487-2.9815 0.0159 0.0105-0.0011 1.1152-2.6809 0.0159 0.0108-0.0020 0.7942-2.4103 0.0158 0.0111-0.0028 0.4916-2.1794 0.0158 0.0112-0.0035 0.2086-1.9913 0.0157 0.0112-0.0042-0.0565-1.8450 0.0156 0.0111-0.0048-0.3071-1.7375 0.0155 0.0110-0.0054-0.5475-1.6650 0.0154 0.0108-0.0060-0.7817-1.6233 0.0153 0.0104-0.0065-1.0139-1.6089 0.0151 0.0100-0.0071-1.2479-1.6181 0.0150 0.0096-0.0077-1.4868-1.6480 0.0148 0.0090-0.0082-1.7336-1.6955 0.0146 0.0084-0.0088-1.9905-1.7574 0.0145 0.0076-0.0095-2.2588-1.8304 0.0143 0.0068-0.0101-2.5391-1.9100 0.0141 0.0058-0.0108-2.8305-1.9910 0.0138 0.0048-0.0115-3.1300-2.0660 0.0136 0.0037-0.0122-3.4326-2.1255 0.0133 0.0024-0.0130-3.7297-2.1572 0.0136 0.0305 0.0059 0.0131 0.0011-0.0137-4.0091-2.1451 0.0310 0.0059 0.0128-0.0004-0.0145-4.2538-2.0696 0.0315 0.0059 0.0125-0.0019-0.0152-4.4419-1.9079 0.0320 0.0058 0.0122-0.0035-0.0158-4.5473-1.6352 0.0325 0.0058 0.0119-0.0051-0.0163-4.5411-1.2273 0.0330 0.0056 0.0115-0.0066-0.0166-4.3954-0.6661 0.0335 0.0055 0.0112-0.0081-0.0167-4.0889 0.0551 0.0340 0.0053 0.0109-0.0095-0.0166-3.6129 0.9243 0.0345 0.0051 0.0105-0.0106-0.0161-2.9781 1.9058 0.0350 0.0049 0.0102-0.0115-0.0152-2.2178 2.9395 0.0355 0.0047 0.0099-0.0122-0.0140-1.3857 3.9473 0.0360 0.0044 0.0097-0.0125-0.0125-0.5478 4.8458

圖形輸出：

圖2 連桿3的幾個位置點

圖3 角位移線圖

圖4 角加速度線圖

圖5 角加速度線圖 基于MATLAB圖形界面設計

所謂圖形用戶界面, 簡稱為GU I(Graphic User Interface), 是指包含了各種圖形控制對象, 如圖形窗口、菜單、對話框以及文本等內容的用戶界面。利用這些用戶界面, 用戶可以和計算機之間進行信息交流。用戶可以通過某種方式來選擇或者激活這些圖形對象, 來運行一些特性的M 文件。最常見的激活方式是利用鼠標或者其它設備來點擊這些對象。對于一個用戶來說, 圖形用戶界面就是他所面對的應用程序, 對圖形界面的操作直接影響應用程序的應用前途。對于以往專門用于科學計算的語言, 如FORTRAN 語言等, 編寫圖形界面的功能較弱, 因而用其開發的程序, 其界面往往不夠友好, 用戶使用起來很不方便。而目前流行的可視化語言, 對科學計算的功能又相對弱一些。MATLAB提供了非常強大的編寫圖形用戶界面的功能。用戶只和前臺界面下的控件發生交互，而所有運算、繪圖等內部操作都封裝在內部，終端用戶不需要區追究這些復雜過程的代碼。圖形用戶界面大大提高用戶使用MATLAB程序的易用性。因此，學習MATLAB圖形用戶界面編程，即GUI程序的創建，是MATLAB編程用戶應該掌握的重要一環。對于一個MATLAB 中的圖形用戶界面, 它的設計過程一般可以分為兩個部分: ①用戶界面的外觀設計。在這里, 主要是通過不同的對話框、按鈕、文本框等許多工具的使用, 設計出一個圖形用戶界面。同時也應搞清楚這個圖形界面的功能是什么, 也即在圖形界面上的操作會引發什么樣的結果。②圖形界面的完成。在這里, 用戶將根據在外觀設計階段所確定的圖形界面的功能, 針對各個不同的圖形對象來編寫出能夠實現該功能的函數代碼, 確保這個圖形界面能夠完成所預定的功能。3.1 界面設計

首先我們新建一個GUI文件，如下圖所示：

圖6 新建GUI文件 選擇Blank GUI(Default)。

進入GUI開發環境以后添加5個編輯文本框，8個靜態文本框，和1個下拉菜單。利用菜單編輯器，創建Open、Print、Close三個菜單。創建好GUI界面需要的各交互控件并調整好大概的位置后，設置這些控件的屬性。最后的界面效果如下圖示：

圖7 界面效果 3.2 代碼設計

(1)打開M文件編輯器(M-file Edit),點擊

向下的三角圖標，可以看到各個對象的回調函數（Callback）,某些對象的創建函數或打開函數等。通過選中相應項就可以跳動對應函數位置進行程序編輯。

選中’edit_callback’選項，光標跳到’ function edit1_Callback(hObject, eventdata, handles)’下面空白處，添加以下代碼： user_entry=str2double(get(hObject,'String'));if isnan(user_entry)errordlg('請輸入數值！','Bad Input')end 該語句嚴格限制編輯框內必須輸入數值，否則出現錯誤對話框（如下圖所示）。同理在其他四個編輯框的回調函數下輸入相同的代碼。

圖8 錯誤對話框(2)打開M文件編輯器(M-file Edit),點擊

向下的三角圖標，設置下拉菜單返回函數，光標跳到’ function popupmenu1_Callback(hObject, eventdata, handles)’下面空白處。由于下拉菜單是本界面設計關鍵控件，與本設計相關的程序都放在這個返回函數下。添加代碼如下：L1=str2double(get(handles.edit1,'String'));L2=str2double(get(handles.edit2,'String'));L3=str2double(get(handles.edit3,'String'));L4=str2double(get(handles.edit4,'String'));w2=str2double(get(handles.edit5,'String'));th2=[0:2/72:2]*pi;th34=zeros(length(th2),2);options=optimset('display','off');for m=1:length(th2)th34(m,:)=fsolve('fourbarposition',[1 1],options,th2(m),L2,L3,L4,L1);end w2=250;for i=1:length(th2)A=[-L3*sin(th34(i,1))L4*sin(th34(i,2));L3*cos(th34(i,1))-L4*cos(th34(i,2))];B=[w2*L2*sin(th2(i));-w2*L2*cos(th2(i))];w=inv(A)*B;w3(i)=w(1);w4(i)=w(2);end for i=1:length(th2)C=[-L3*sin(th34(i,1))L4*sin(th34(i,2));L3*cos(th34(i,1))-L4*cos(th34(i,2))];D=[w2^2*L2*cos(th2(i))+w3(i)^2*L3*cos(th34(i,1))-w4(i)^2*L4*cos(th34(i,2));...w2^2*L2*sin(th2(i))+w3(i)^2*L3*sin(th34(i,1))-w4(i)^2*L4*sin(th34(i,2))];a=inv(C)*D;a3(i)=a(1);a4(i)=a(2);end val=get(hObject,'Value');str=get(hObject,'String');switch str{val} case '連桿3的幾個位置點' th2=[0:1/6:2]*pi;th34=zeros(length(th2),2);options=optimset('display','off');for m=1:length(th2)th34(m,:)=fsolve('fourbarposition',[1 1],options,th2(m),L2,L3,L4,L1);end y=L2*sin(th2)+L3*sin(th34(:,1)');x=L2*cos(th2)+L3*cos(th34(:,1)');xx=[L2*cos(th2)];yy=[L2*sin(th2)];plot([x;xx],[y;yy],'k',[0 L1],[0 0],'k--^',x,y,'ko',xx,yy,'ks')title('連桿3的幾個位置點')xlabel('水平方向')ylabel('垂直方向')axis equal grid on case '角位移線圖' plot(th2*180/pi,th34(:,1)*180/pi,th2*180/pi,th34(:,2)*180/pi)axis([0 360 0 170])grid on xlabel('主動件轉角theta_2(度)')ylabel('從動件角位移(度)')title('角位移線圖')text(120,120,'搖桿4角位移')text(150,40,'連桿3角位移')case '角速度線圖' plot(th2*180/pi,w3,th2*180/pi,w4);axis([0 360-175 200])text(50,160,'搖桿4角速度(omega_4)')text(220,130,'連桿3角速度(omega_3)')grid on xlabel('主動件轉角theta_2(度)')ylabel('從動件角速度(radcdot s^{-1})')title('角速度線圖')case '角加速度線圖' plot(th2*180/pi,a3,th2*180/pi,a4);axis([0 360-50000 65000])text(50,50000,'搖桿4角加速度(alpha_4)')text(220,12000,'連桿3角加速度(alpha_3)')grid on xlabel('主動件轉角theta_2(度)')ylabel('從動件角加速度(radcdot s^{-2})')title('角加速度線圖')end guidata(hObject,handles)%

其中，guidata(hObject,handles)命令用于更新句柄，當輸入不同參數是，程序能夠做出相應的相應。

(3)打開M文件編輯器(M-file Edit),點擊 回調函數下添加以下代碼： file = uigetfile('*.fig');if ~isequal(file, 0)open(file);end 此菜單用以打開fig文件。其相應界面如圖9所示：

向下的三角圖標，在Open菜單

圖9(4)打開M文件編輯器(M-file Edit),點擊 回調函數下添加以下代碼：

向下的三角圖標，在Print菜單printdlg(handles.figure1)%用于圖形輸出。(5)打開M文件編輯器(M-file Edit),點擊 回調函數下添加以下代碼：

向下的三角圖標，在Close菜單selection = questdlg(['Close ' get(handles.figure1,'Name')'?'],...['Close ' get(handles.figure1,'Name')'...'],'Yes','No','Yes');if strcmp(selection,'No')return;end delete(handles.figure1)此菜單用于關閉界面，其響應界面如圖10所示：

圖10

(6)完成M文件編寫后，運行程序進行檢驗，單擊 圖標或M文件工具欄的

圖標，在編輯欄輸入個構件參數，運行結果如圖11：

圖11 界面運行效果圖

分別點擊下拉菜單

小結

在本次基于MATLAB平面四桿機構機構的運動分析課程設計中，不僅用到了MATLAB的m語言編程，還有GUI圖形用戶界面設計。對于課程的設計來說，m語言本身來說，功能相當強大，但是由于其復雜的編程方法，讓大多數初學者望而卻步；而GUI圖形界面則正好彌補了它的不足，它采用的是所見即所得的編程方式，用它來做軟件的界面就如圖制作網頁一樣簡單明了，用它制作出來的軟件不需要太多的編程知識都可以輕松搞定；在此次課程設計中，本人盡量揚長避短，把這些工具的優點結合到一起，發揮其最大的作用。通過此次課程設計，不僅使我們對使我們對四桿機構有了進一步認識，并且使我們認識到計算機技術對工程應用的重要性。本此設計凝結了團隊合作的結晶，是我們利用三周的時間努力學

下各選項，則在繪圖區域分別顯示圖2~圖5。習、設計的成果，同時，在設計過成中得到了鄭XX老師的悉心指導，在此表示衷心的感謝！

參考文獻

[1] 孫桓,陳作模.機械原理[M].7版.北京:高等教育出版社,2006.[2] 符煒.機構設計學.[M].1版.長沙:中南工業大學出版社,1995.[3] MATLAB原理與工程應用[M].1版.北京:電子工業出版社,2002.[4] http:///pro-t2-p137-dzd.html?dk=80288644

首先創建函數FoutBarPosition，函數fsolve通過他確定。function t=fourbarposition(th,th2,L2,L3,L4,L1)t=[L2*cos(th2)+L3*cos(th(1))-L4*cos(th(2))-L1;L2*sin(th2)+L3*sin(th(1))-L4*sin(th(2))];

主程序如下：

disp ' * * * * * *平面四桿機構的運動分析 * * * * * *' L1=304.8;L2=101.6;L3=254.0;L4=177.8;th2=[0:1/6:2]*pi;

th34=zeros(length(th2),2);options=optimset('display','off');

for m=1:length(th2)

th34(m,:)=fsolve('fourbarposition',[1 1], options,th2(m),L2,L3,L4,L1);

end y=L2*sin(th2)+L3*sin(th34(:,1)');

x=L2*cos(th2)+L3*cos(th34(:,1)');

xx=[L2*cos(th2)];

yy=[L2*sin(th2)];

figure(1)plot([x;xx],[y;yy],'k',[0 L1],[0 0], 'k--^',x,y,'ko',xx,yy,'ks')title('連桿3的幾個位置點')xlabel('水平方向')ylabel('垂直方向')axis equal th2=[0:2/72:2]*pi;th34=zeros(length(th2),2);options=optimset('display','off');for m=1:length(th2)th34(m,:)=fsolve('fourbarposition',[1 1], options,th2(m),L2,L3,L4,L1);end figure(2)plot(th2*180/pi,th34(:,1),th2*180/pi,th34(:,2))

plot(th2*180/pi,th34(:,1)*180/pi, th2*180/pi,th34(:,2)*180/pi)axis([0 360 0 170])grid xlabel('主動件轉角theta_2(度)')ylabel('從動件角位移(度)')title('角位移線圖')text(120,120,'搖桿4角位移')text(150,40,'連桿3角位移')w2=250;

for i=1:length(th2)A=[-L3*sin(th34(i,1))L4*sin(th34(i,2));L3*cos(th34(i,1))-L4*cos(th34(i,2))];B=[w2*L2*sin(th2(i));-w2*L2*cos(th2(i))];w=inv(A)*B;w3(i)=w(1);w4(i)=w(2);end figure(3)plot(th2*180/pi,w3,th2*180/pi,w4);

axis([0 360-175 200])text(50,160,'搖桿4角速度(omega_4)')text(220,130,'連桿3角速度(omega_3)')grid xlabel('主動件轉角theta_2(度)')ylabel('從動件角速度(radcdot s^{-1})')title('角速度線圖')for i=1:length(th2)C=[-L3*sin(th34(i,1))L4*sin(th34(i,2));L3*cos(th34(i,1))-L4*cos(th34(i,2))];D=[w2^2*L2*cos(th2(i))+w3(i)^2*L3*cos(th34(i,1))-w4(i)^2*L4*cos(th34(i,2));w2^2*L2*sin(th2(i))+w3(i)^2*L3*sin(th34(i,1))-w4(i)^2*L4*sin(th34(i,2))];a=inv(C)*D;a3(i)=a(1);a4(i)=a(2);end figure(4)plot(th2*180/pi,a3,th2*180/pi,a4);axis([0 360-70000 65000])text(50,50000,'搖桿4角加速度(alpha_4)')text(220,12000,'連桿3角加速度(alpha_3)')grid xlabel('從動件角加速度')ylabel('從動件角加速度(radcdot s^{-2})')title('角加速度線圖')disp '曲柄轉角連桿轉角-搖桿轉角-連桿角速度-搖桿角速度-連桿加速度-搖桿加速度' ydcs=[th2'*180/pi,th34(:,1)*180/pi,th34(:,2)*180/pi,w3',w4',a3',a4'];disp(ydcs)

第四篇：2021基于MATLAB Simulink的平面四連桿機構仿真

基于MATLAB

Simulink的平面四連桿機構仿真

基于MATLAB/Simulink的平面四連桿機構仿真

一、題目及自由度分析

如圖1所示，該平面四桿機構中有三根運動的均質鋼桿，其中有兩根鋼桿的一端與接地點連接，第三根桿就與這兩根桿剩下的端點連接起來，兩個接地點就可認為是第四桿，機構中相關尺寸如圖2所示。

計算結構自由度，三個運動桿被限制到平面內運動，因此每個桿都有兩個移動和一個轉動，即在考慮約束之前，自由度為：

3×(2+1)=9

但是由于每個桿都受到約束，所以并不是每個自由度都是獨立的。在二維狀態下，剛體間的連接或者剛體與接地點的連接就會增加兩個約束。這樣就會使得剛體其中一端不能夠作為獨立的自由運動點，而是要受到鄰近剛體的約束。該題中有四個剛體--剛體或剛體—接地點的連接，這就隱含8個約束。

那么最后的自由度為9-8=1.雖然有四個轉動自由度，但是，其中三個都是非獨立的，只要確定其中一個，就可確定其余三個。

二、模型建立及參數設置

1應用MATLAB/Simulink建立初始模型

2在初始模型的基礎上添加Joint

Sensor模塊

3依題意設置相關參數

⑴配置Ground模塊

由圖2可得系統的基本尺寸為：

①固定構件長86.7厘米

②Ground_1表示接地點，在World

CS坐標軸原點右邊43.3cm處

③Ground_2表示接地點，在World

CS坐標軸原點左邊43.4cm處

④最下端的鉸處于X-Z平面內原點以上4cm

圖5Ground_1模塊參數設置圖6Ground_2模塊參數設置

4配置Joint模塊

三個沒有接地的聯桿都是在X-Y平面內的，所以Revolute軸必須是Z軸。

⑴依次打開Revolute參數對話框，保持默認值，即Axis

of

rotation[x

y

z]默認設置為[001]，Reference

csys都是WORLD。

圖7Revolute坐標設置

⑵根據連接情況依次設置Revolute參數對話框中的Connection

parameters參數

圖8Revolute模塊參數對話框Connection

parameters參數

圖9Revolute模塊參數對話框Connection

parameters參數

圖10Revolute模塊參數對話框Connection

parameters參數

圖11Revolute模塊參數對話框Connection

parameters參數5配置Body模塊

本題中Body模塊（即Bar）定位方式不是直接相對于WORLD坐標系統，而是采用相對坐標形式，Bar1的CS1相對于Ground_1，Bar2的CS1相對于Bar1，以此類推。

以下為每個Body模塊的詳細參數設置，其中包括質量（Mass）、慣性矩（Inertia）、重心坐標原點、CS1坐標原點、CS2坐標原點和重心的方向。

圖12Bar1的模塊參數設置

圖13Bar2的模塊參數設置

圖14Bar3的模塊參數設置三、檢測運動，運行模型

圖15仿真結果動畫顯示

圖16Revolute2和Revolute3的轉角時程曲線

三、小結

目前較為主流的動力學仿真軟件是Adams，但鑒于本人對該軟件接觸較少，且MATLAB也具有該功能，故本題采用Simulink中的SimMechanics工具箱對平面四桿機構進行建模仿真，并利用其可視化窗口進行系統運動可視化。

通過仿真結果可以看到，使用已有的計算機仿真軟件包Matlab／Simulink來建立機構的仿真模型，仿真求解機構力學和運動參數，可以把用戶從復雜煩瑣的數學計算中解放出來，提高了求解速度，保證了求解精度。

第五篇：平面連桿機構教學設計

平面連桿機構教學設計

趙縣職教中心

翟偉波

[教材分析]平面連桿機構能以簡單的結構實現復雜的運動規律，而且更以其獨特可靠的低副聯接形式，倍受廣大機械設計人員的矚目。其在工業、農業、冶金、化工、紡織、食品等機械中的應用實例不勝枚舉。如此重要的教學內容，只有探尋一種形式新穎、方法獨特的教學方法，才能收到良好的教學效果。

[教學對象分析]

機械制造專業的學生，普遍存在機械常識匱乏與對現實機械現象的有視無睹，該現象嚴重阻礙了專業課教學的進程和效果。教師在教學過程中，應充分考慮學生的現實情況，采取有效措施，讓學生建立機械意識，以思維理念的變化架起理論與實踐相結合的橋梁。

[對教師的要求]

教師在熟練掌握教材的基礎上，善于運用生活中饒有興趣的機械現象導入新課，巧妙地制造懸念，激發學生學習新知識的強烈愿望。教師要發揮主導作用，精心設計教學過程，為學生創造一個學習、發現、探索、創造的情境。教師要正確引導學生思維，讓學生積極主動地做到理論與實踐相結合。

一、教學目標：

知道：鉸鏈四桿機構的組成。掌握：鉸鏈四桿機構曲柄存在的條件。熟悉：鉸鏈四桿機構三種基本形式的形成條件。

二、教學重點、難點： 鉸鏈四桿機構曲柄存在的條件。鉸鏈四桿機構三種基本形式的形成條件。

三、教學方法： 誘趣探求，思維探索。

四、教具：

投影儀和屏幕、軟質細桿：6cm（1根）、10cm（1根）、15cm（1根）、18cm（1根）、50cm（８根）、大頭針（若干枚）、小刀（8把）

五、教學過程：

（一）提出問題、引發思維、誘趣探求 導入語：同學們都觀看過現場直播的電視節目，在這樣的節目當中，攝影師最不想讓觀眾看到的圖像是什么？（稍頓）

學生回答：

1、質量不好的畫面。

2、燈光不好、有陰影的畫面。

3、表演出現 錯誤的畫面。

（一一否定、加強懸念，誘發求知欲）是電視畫面中出現攝影架的鏡頭。攝影師要想把多角度、多層次的電視畫面呈現在觀眾面前，這要歸功于攝影機的驅動架。究竟驅動架采用了什么樣的結構設計，能夠讓攝影師隨心所欲，運動自如，訣竅就在四根小小的桿件上，下面我們來做一個模擬設計。

（二）示范操作，發展思維

[策略分析] 對于鉸鏈四桿機構曲柄存在條件這一重要知識點的學習，傳統的教學方法是根據三角形二邊之和大于第三邊的理論進行不等式的數學推導，其過程繁瑣而刻板，效果欠佳。如果利用教具演示與思維點撥相結合的教學方法，學生會在寬松的課堂氣氛中獲得非常直觀的感性知識，既突破難點，又發展了學生思維。

取出四根桿件（6cm，10cm，15cm，18cm），用大頭針組成平面連桿機構。分別以四根桿件為機架,演示并引導學生觀察兩個連架桿的運動情況.平面連桿機構定義,類型(板書)測量四根桿件的長度并讓學生做記錄,計算最短桿與最長桿長度之和與其余兩桿長度之和的關系.引導學生探求曲柄存在條件 曲柄存在條件(板書).出示投影:鉸鏈四桿機構三種基本形式:曲柄搖桿機構,雙曲柄機構,雙搖桿機構的形成條件.(三)動手設計

深化思維

[策略分析] 該程序是“思維探索型”教學方法的中心環節,學生感性認識形成以后,要分組進行設計。在設計過程中，充分發揮其主觀能動性，邊設計，邊思考，既鞏固了理論知識，又提高了動手能力，從而實現感性知識上升為理性知識，達到理論與實踐有效結合。分組：３２人，４人／組，共８組，由動手能力強的學生擔任組長，發揮骨干作用。組長領取設計材料：軟質細桿１根，大頭針若干，小刀一把。分配設計任務。

（１，２）組

曲柄搖桿機構（３，４）組

雙曲柄機構（５，６）組

雙搖桿機構 最長桿＋最短桿≤其余兩桿長度之和。以最短桿的相對桿為機架。

（７，８）組

雙搖桿機構：最長桿＋最短桿〉其余兩桿長度之和。巡回指導，及時解答學生疑問并糾正設計過程中的錯誤操作。每組選派一人，表述設計思路，展示設計成果。

（四）探索創新，升華思維

［策略分析］通過展示設計成果，學生心中普遍產生一種成就感，自然的心理傾向是學有所用，此時教師要善于捕捉學生心理，適時提問：究竟誰的設計成果能應用在攝影機的驅動機構上？課堂氣氛再度活躍，既升華學生思維，又能達到首尾呼應，探索創新的目的。提問：究竟誰的設計成果能應用在攝影機的驅動機構上？

引導學生進行小組討論?？偨Y發言：指出應為雙搖桿機構。課堂小結：網絡知識體系。

教學反饋：自由研讀教材當中列舉的應用實例。布置作業：P118：３、４、５、６、７、８

附：板書設計：平面連桿機構

一、平面連桿機構

３、基本類型 １、定義、特點

（１）曲柄搖桿機構 ２、類型

條件：

二、鉸鏈四桿機構：

（２）雙曲柄機構 １、組成 條件： ２、曲柄存在條件

（３）雙搖桿機構（１）

條件：（２）