基于MATLAB的四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與動(dòng)畫模擬系統(tǒng)

1、基于MATLAB的四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與動(dòng)畫模擬系統(tǒng)2004年3門第25卷第2期寢一小JournalofXiangfanUni,crsit31ar.20()4)j25NO2基于MATLAB的四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與動(dòng)畫模擬系統(tǒng)王華杰(襄樊學(xué)院機(jī)械工程系,湖北襄樊44153)摘要:介紹利用MATLAB開發(fā)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)畫模擬系統(tǒng)的方法,并給出了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)畫模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例.關(guān)鍵詞:機(jī)構(gòu);運(yùn)動(dòng)分析;動(dòng)畫模擬:MATLAB中圖分類號(hào):TP391.9文獻(xiàn)識(shí)志碼:A文章編號(hào):10092854(2004)02007505MATLAB是一套功能十分強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算軟件,被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制,機(jī)械設(shè)計(jì),流

2、體力學(xué)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等工程領(lǐng)域.利用MATLAB強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算和繪圖功能,_T程技術(shù)人員可以高效求解復(fù)雜的工程問題,并可輕松地進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真及實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的可視化.此外,MATLAB提供的圖形用戶界面設(shè)計(jì)工具,還可以幫助工程技術(shù)人員十分便利地設(shè)計(jì)出適用于某一具體工程問題的應(yīng)用系統(tǒng).作者在MATAB環(huán)境下,開發(fā)了一系列的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)畫模擬系統(tǒng),這些系統(tǒng)集機(jī)構(gòu)簡圖的參數(shù)化繪圖,計(jì)算機(jī)輔助運(yùn)動(dòng)分析和計(jì)算結(jié)果可視化,以及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫模擬等功能為一體,可xlJ工程技術(shù)人員在機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)過程中提高工作效率,降低產(chǎn)品開發(fā)本錢.1MATLAB參數(shù)化繪圖方法與動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)1,1機(jī)構(gòu)簡圖的參數(shù)化繪制方法利用MATL

3、AB提供的線型繪圖命令,圖形填充命令和函數(shù)文件編程,用戶可以創(chuàng)立自己的參數(shù)化圖形繪制函數(shù),從而實(shí)現(xiàn)特殊圖形的參數(shù)化繪圖.以曲柄搖桿機(jī)構(gòu)為例,沒曲柄長度為Ll,初始位置角為tI1eta2l=/3,連桿長度為L2,搖桿長度為L3,機(jī)架長度為L4,連桿平面上一指定點(diǎn)的位置由L和theta確定.編寫文件名為fourbar(L1,L2,L3,L4,L,theta)的函數(shù)文件,將其存入MATLAB工作路徑,然后在MATLAB命令窗口輸入以下命令:>>fourbar(8,13,18,20,7,pi/3)即可得到圖(1)所示的機(jī)構(gòu)簡圖.圖1四桿機(jī)構(gòu)簡圖繪制圖收稿Et期:2003.I2-08作者簡介

4、:杰(1964一j,男,湖北褻樊人,樊學(xué)院機(jī)做T系圳教授_,卜耍究方向:件J學(xué),l做功學(xué)王華杰:基于MATLAB的四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與動(dòng)畫模擬系統(tǒng)1.2平面圖形運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫模擬方法在MATLAB中,可以根據(jù)用戶的需要選擇兩種不同的方法來制作動(dòng)畫:一種是將不同的圖形存儲(chǔ)起來,然后按照播放電影的方式將它們按順序播放出來,稱為電影動(dòng)畫;另一種是連續(xù)不斷地擦除并且重畫圖形中的更新對象,使得每次重畫過程都是連續(xù)的,稱為實(shí)時(shí)動(dòng)畫.制作實(shí)時(shí)動(dòng)畫的一個(gè)典型的方案是首先繪制一個(gè)圖形,然后利用循環(huán)結(jié)構(gòu)將它的位置屬性進(jìn)行微小的改變,最后按照改變后的屬性重新繪圖.對曲柄搖桿機(jī)構(gòu),設(shè)曲柄勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為omiga,轉(zhuǎn)動(dòng)周

5、數(shù)為time,可采用實(shí)時(shí)動(dòng)畫的方法編寫文件名為fourbarmove(Ll,L2,L3,L4,L,theta,omiga,time).m的函數(shù)文件,并將其存入MATLAB工作路徑,然后在MATLAB命令窗口輸入以下命令:>>fourbarmove(8,13,18,20,7,pi/3,2pi,100)即可在MATLAB圖形窗口得到曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫,并可得到連桿平面上一指定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線,見圖2.2機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型圖2曲柄搖桿機(jī)構(gòu)動(dòng)畫圖對圖3所示曲柄搖桿機(jī)構(gòu),設(shè)各鉸點(diǎn)坐標(biāo)為A(x.,Y.),B(x:,Y),C(x3,Y),D(x,Y);曲柄方位角為02.,角速度為,加速度為口

6、;連桿方位角為03:,角速度為CO:,加速度為口,;一BD一=L:,AADB:0:;搖桿方位角為03,角速度為.可以建立以下機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型.2.1幾何位置分析其中:76圖3曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析X2=l+LlCOS02l,Y2=Yl+Llsin02lX3=2+L2cosO32,Y3=Y2+L2sino32z+arccos,(1)(2)第25卷第2期褒樊學(xué)院2.2速度分析2.3加速度分析廠42=(x4一x2)+()4一Y2).0:=arc5in()L42lLlsin(02l一034)09=一一L3sin(032034)一09lLlsin(l一032)09一=-=L3sin(034032)一cos(0

7、2l一034)一;2cos(032L2sin(032034)032)+;2一3cos(034032)2sin(032034)3機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與動(dòng)畫模擬系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)和運(yùn)行(3)(4)(5)(6)3.1用戶界面設(shè)計(jì)MATLAB從5.0版本就提供了一個(gè)實(shí)用的用戶圖形界面開發(fā)程序Guide.MATLAB6.0以上版本進(jìn)一步增強(qiáng)了Guide程序的功能,它完全支持可視化編程,其方便程度類似于Visualbasic.利用Guide提供的方法,用戶可以十分方便地設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的應(yīng)用軟件用戶界面.將曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與動(dòng)畫模擬系統(tǒng)程序文件取名為foubargui.fig,利用Guide設(shè)計(jì)其主界面,如圖4所示,

8、它具有以下子對象:(1)一個(gè)坐標(biāo)軸對象,其Visible屬性設(shè)置為off,用以繪制機(jī)構(gòu)簡圖和動(dòng)畫;(2)一個(gè)文本框?qū)ο?其字符串設(shè)置為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與動(dòng)畫模擬;(3)六個(gè)按鈕對象,其標(biāo)簽分別為:“動(dòng)畫其回調(diào)函數(shù)為機(jī)構(gòu)動(dòng)畫模擬程序fourbarmove.m;“暫停其回調(diào)函數(shù)為pause;“參數(shù)調(diào)整其回調(diào)函數(shù)為parameter.m,命令執(zhí)行時(shí)彈出參數(shù)調(diào)整界面,如圖5所示,其上有8個(gè)可編輯文本框,可對機(jī)構(gòu)的幾何與運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整;“速度分析其回調(diào)函數(shù)為speed.m,命令執(zhí)行時(shí)彈出如圖7所示速度分析界面;“加速度分析其回調(diào)函數(shù)為acclerate-m,命令執(zhí)行時(shí)彈出如圖8所示加速度分析界面;

9、“關(guān)閉其回調(diào)函數(shù)為closeal1.3.2程序運(yùn)行(1)啟動(dòng)MATLAB后,運(yùn)行fourbargui,fig文件,彈出圖4所示主界面,首先顯示按預(yù)置參數(shù)繪制的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)簡圖:(2)點(diǎn)擊參數(shù)調(diào)整按鈕,彈出圖5所示參數(shù)調(diào)整界面,調(diào)整機(jī)構(gòu)幾何與運(yùn)動(dòng)參數(shù),再點(diǎn)擊完成按鈕,關(guān)閉參數(shù)調(diào)整界面,在主界面上顯示按調(diào)整參數(shù)繪制的機(jī)構(gòu)簡圖:77工華杰:基-MTLAB的四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分與動(dòng)畫模擬系統(tǒng)圖4系統(tǒng)主冰西圖5參敬調(diào)整界面圖7速度分析圖6機(jī)構(gòu)動(dòng)畫圖圖8加速度分析界面(3)點(diǎn)擊動(dòng)畫按鈕,顯示圖6所示機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫,同時(shí)可以觀察到連桿平面上指定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線;(4)點(diǎn)擊暫停按鈕,可在任意位置暫停機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫顯示;

10、(5)點(diǎn)擊速度分析,加速度分析按鈕,將彈出速度分析,加速度分析,界面,分別顯示搖桿的角速度,角加速度曲線,點(diǎn)擊各子界面上的關(guān)閉按鈕,即刻關(guān)閉相應(yīng)的界面;(6)點(diǎn)擊主界面關(guān)閉按鈕,即可退出系統(tǒng).78第25卷第2期襄樊學(xué)院2004年第2蔓月4結(jié)束語利用MATLAB強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算和繪圖功能,開發(fā)各類機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)畫模擬系統(tǒng),不僅十分方便,而且可以實(shí)現(xiàn)各種所需功能.這些系統(tǒng)既可為工程設(shè)計(jì)人員提供幫助,也可用作教學(xué)參考.參考文獻(xiàn):【1】中水勝.機(jī)械原理教程【M】.北京:清華人學(xué)版樸.1999.【2】樓鴻棣.高等機(jī)械原理【M】.北京:高等教育版.1990.【3】鄒惠君,機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)于JtJJM一海:llI海交通人學(xué)版禮1994【4】HANSELMAND,L1TTLEF1ELDB.精通MATLAB6M.北京:清人學(xué)版社.2002【5】EdwardB.Magrab.MATLAB原理T程戍用【M】.北京:lU了T.,Jkll版.2002.TheKinematicalAnalysisandAnimationofaFour-BarMechanismUsingMATLABWANGHuaie(DepartmentofMechanicalEngineering,XiangfanUniversity,Xiangfan441053,China)Abstract:Thekinematicalana