基于MATLAB平面四连杆机构运动学分析

一、课程设计内容及要求：

1．对连杆机构运动工作原理及运动参数有一定理解 2．掌握MATLAB基本命令

3．了解MATLAB编程的基本知识，并能编写简单M文件 4．了解MATLAB图形界面设计的基本知识

5．课程设计说明书：应阐述整个课程设计内容，要突出重点和特色，图文并茂，文字通畅。应有目录、摘要及关键词、正文、参考文献等内容，字数一般不少于6000字。

二、主要参考资料

有关复杂刀具参数计算及结构设计、机械制造工艺与设备的手册与图册。

三、课程设计进度安排

阶段 1 2 3 4 5 6 7 阶 段 内 容 布置任务，准备资料 方案设计 设计计算 程序流程图设计 M文件编写 编写设计说明书 准备答辩和正式答辩 起止时间 1天(12月12日) 1天(12月13日) 4天(12月14～17日) 8天(12月18～25日) 2天(12月26～27日) 3天(12月28～30日) 1天(12月31日) 指导教师（签名）： 时间： 教研室主任(签名)： 时间： 院 长（签名）： 时间：

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目 录

1 平面连杆机构的运动分析…………….……………….………..…...………1 1.1 机构运动分析的任务、目的和方法……………………….……….……………1 1.2 机构的工作原理………..………………………………...…….…………..……1 1.3 机构的数学模型的建立…………...…………...……………………...……...…1 1.3.1建立机构的闭环矢量位置方程….....................................................................1 1.3.2求解方法….........................................................................................................2 2 基于MATLAB程序设计……………….……………………………………4 2.1 程序流程图………………………………..…..…...……….……………………4 2.2 M文件编写………………………………………..……………………………6 2.3 程序运行结果输出…………………….…………...……………………………7 3 基于MATLAB图形界面设计…………...………..……………………….11 3.1界面设计…………………………………………..…………..……………...…11 3.2代码设计……………………………………….………………………..………12 4

小

结………………………………………..….…………………………………17 参考文献 ………………………………………………………….………………18

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1 平面连杆机构的运动分析

1.1 机构运动分析的任务、目的和方法

曲柄摇杆机构是平面连杆机构中最基本的由转动副组成的四杆机构，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。

对四杆机构进行运动分析的意义是：在机构尺寸参数已知的情况下，假定主动件（曲柄）做匀速转动，撇开力的作用，仅从运动几何关系上分析从动件（连杆、摇杆）的角位移、角速度、角加速度等运动参数的变化情况。还可以根据机构闭环矢量方程计算从动件的位移偏差。上述这些内容，无论是设计新的机械，还是为了了解现有机械的运动性能，都是十分必要的，而且它还是研究机械运动性能和动力性能提供必要的依据。

机构运动分析的方法很多，主要有图解法和解析法。当需要简捷直观地了解机构的某个或某几个位置的运动特性时，采用图解法比较方便，而且精度也能满足实际问题的要求。而当需要精确地知道或要了解机构在整个运动循环过程中的运动特性时，采用解析法并借助计算机，不仅可获得很高的计算精度及一系列位置的分析结果，并能绘制机构相应的运动线图，同时还可以把机构分析和机构综合问题联系起来，以便于机构的优化设计。

1.2 机构的工作原理

在平面四杆机构中，其具有曲柄的条件为：

a.各杆的长度应满足杆长条件，即：

最短杆长度+最长杆长度≤其余两杆长度之和。

b.组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆，且其最短杆为连架杆或机架（当最短杆

为连架杆时，四杆机构为曲柄摇杆机构；当最短杆为机架时，则为双曲柄机构）。 在如下图1所示的曲柄摇杆机构中，构件AB为曲柄，则B点应能通过曲柄与连杆两次共线的位置。

1.3 机构的数学模型的建立 1.3.1建立机构的闭环矢量位置

方程

在用矢量法建立机构的位置方程时，需将构件用矢量来表示，并作出机构的封闭矢量多边形。如图1所示，先建立一直角坐标系。设各构件的长度分别为L1、L2、其方位角为?1、L3、L4，?2、?3、

?4。以各杆矢量组成一个封闭矢

量多边形，即ABCDA。其个矢量 图1 四杆机构简图

之和必等于零。即：

L2?L3?L1?L4 式1

式1 为图1所示四杆机构的封闭矢量位置方程式。对于一个特定的四杆机构，其各构

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件的长度和原动件2的运动规律，即?2为已知，而?1=0，故由此矢量方程可求得未知方位角?3、?4。

角位移方程的分量形式为：

?L2cos?2?L3cos?3?L1cos?1?L4cos?4??? 式2 Lsin??Lsin??Lsin??Lsin?2331144??2闭环矢量方程分量形式对时间求一阶导数（角速度方程）为：

??L3?3sin?3?L4?4sin?4?L2?2sin?2??? 式3 L?cos??L?cos???L?cos?3444222??33其矩阵形式为：

?2??3L4s?in4??L3sin???3???2L2sin ?? 式4 ?????Lco?s?Ls?in??Lco?s?34?3?4?4??422?联立式3两公式可求得：

?3???2L2sin(?2??4)/[L3sin(?3??4)] 式5 ?4??2L2sin(?2??3)/[L4sin(?4??3)] 式6

闭环矢量方程分量形式对时间求二阶导数（角加速度方程）矩阵形式为：

??L3sin?3??L3cos?3L4sin?4???3?????L4sin?4???4?2223324??2L2sin?2??L2cos?2??Lcos?3??L4cos?4??????Lsin???2Lsin???2Lsin???2Lsin???2233333444??22 式7

由式7可求得加速度：

222??2L2cos(?2??4)??3L3cos(?3??4)??4L4 式8 ?3?L4sin(?3??4)222?2L2cos(?2??3)??4L4cos(?4??3)??3L3 式9 ?4?L4sin(?4??3)注：式1~式9中，L（分别表示机架1、曲柄2、连杆3、摇杆4的长度；?i（i=1,2,3,4）ii=1,2,3,4）是各杆与x轴的正向夹角，逆时针为正，顺时针为负，单位为rad;

?i是各杆的角速度，

d?id?id2?i2?i??，单位为rad/s; ?i为各杆的角加速度，?i?，单位为rad/s。

dtdtdt1.3.2求解方法

（1）求导中应用了下列公式：

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