全文总字数：4241字

关键词：平面四杆机构；MATLAB软件；交互式；摘要:建立以平面四杆机构为研究对象的数学模型,以 MATLAB软件为载体,利用MATLAB矩阵数据分析处理功能,设计了平面四杆机构运动分析程序。利用 MATLAB的GU设计功能,设计了平面四杆机构运动分析交互式界面软件。机构设计者只需输入相关参数就可得到对应的分析结果,再将模拟分析结果与设计要求比较,得出更好的决策,为四杆机构设计提供了一种实用的软件与方法。

引言

平面连杆机构在工程实际中的应用非常广泛，不仅 因其结构简单、制造容易、工作可靠，还因为平面连杆机 构能承受很大的载荷、能实现多种运动规律和运动轨迹。机构的运动分析是在机构几何参数为已知的情况 下，根据主动件的运动规律和构件之间的运动学约束关系，分析确定其他构件的运动规 律，如从动件的角位移、角速度、角加速度，从动件上某 些点的轨迹、位移、速度、加速度等运动参数。机构的运 动分析通常可使用图解法和解析法来进行，但图解法需要作图、计算工作量大、精度较差，因此在实际工程设计 应用中有很大的局限性；解析法计算工作量虽然很大， 但随着计算机科学的发展，其在工程设计中应用越来越广泛，很多软件为解决复杂的工程计算提供了强有力的武器。本文运用 MATLAB/GUI 工具箱，开发出一套平面四 杆机构运动分析系统。通过本系统，只需在系统图形界面 的文本编辑框中交互地输入四杆机构各构件的参数和原 动件的角速度，就能迅速地输出当原动件转动 1 周时从 动件的位移、速度、加速度的变化规律曲线，具有融计算 与绘图为一体，操作简便、界面友好，计算速度快，准确性高。

研究现状

在现代生活中,随着计算机的不断发展,人们对图像信息的需求越来越大,这已涉及到空间科学,工程科学,医学以及日常生活的方方面面。国内外一些比较有实力的大学和公司,如:清华大学,华盛顿大学和sony公司等都开发了相当成熟的图像处理系统。MATLAB软件越来越被广泛的应用到图像处理中,它具有强大的图像处理工具箱和相当丰富的源代码,语法比较简单,是一种基于矩阵为基本变量的可视化语国内研究具有代表性的是清华大学研制的数字图像处理实验开发系统TDB_ID和南京东大互联技术有限公司研制的数字图像采集传输与处理实验软件。TDB—IDK系列产品是一款基于TMS320C6000DSP数字信号处理器的高级视频和图像系统。该软件能够完成图像采集输入程序、图像输出程序、图像基本算法程序。

平面连杆机构

平面四杆机构是由四个刚性构件用低副链接组成的，各个运动构件均在同-平面内运动的机构。平面四杆机构最基本的形式是铰链四杆机构。铰链四杆机构是所有运动副均为转动副的四杆机构，它是平面四杆机构的基本形式,其他四杆机构都可以看成是在它的基础上演化而来的。选定其中-一个构件作为机架之后, 直接与机架链接的构件称为连架杆,不直接与机架连接的构件称为连杆,能够做整周回转的构件被称作曲柄，只能在某一角度范围内往复摆动的构件称为摇杆。如果以转动副连接的两个构件可以做整周相对转动,则称之为整转副，反之称之为摆转副。铰链四杆机构中,按照连架杆是否可以做整周转动，可以将其分为三种基本形式，即曲柄摇杆机构，双曲柄机构和双摇杆机构。1.曲柄摇杆机构：两连架杆中--个为曲柄--个为摇杆的铰链四杆机构。2.双曲柄机构：具有两个曲柄的铰链四杆机构称为双曲柄机构。其特点是当主动曲柄连续等速转动时，从动曲柄一.般做不等速转动。在双曲柄机构中,如果两对边构件长度相等且平行，则成为平行四边形机构。这种机构的传动特点是主动曲柄和从动曲柄均以相同的角速度转动，而连杆做平动。3.双摇杆机构：双摇杆机构是两连架杆均为摇杆的铰链四杆机构。由于铰链四杆机构是平面四杆机构的基本类型，其他四杆机构可看做由它演化而来，所以在这里以铰链四杆机构为研究对象。

MATLAB

MATLAB 是美国math works公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。

MATLAB是matrixamp;laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C ，JAVA的支持。

GUI简介

用户界面是人与机器(或程序)之间进行交互的一种工具和方法。图形用户界面GUI,是英文Graphic User Interface的缩写。GUI是由窗口、光标、菜单、文字、按钮等对象构成的用户界面。用户通过一定的方法选择、激活这些对象，就可以实现某种功能或动作，如计算、绘图等。特别是提供应用程序以展示某种功能、实现某种技术，或根据输入参数长期使用时，图形界面也许是最好的选择之一。 MATLAB提供的基本图形用户界面对象分三类:用户界面控制对象( uicontrol)、下拉式菜单对象( uimenu)和内容式菜单对象( uicontextmenu)。其中，uicontrol 对象能建立按钮、列表框、编辑框等图形用户界面对象;uimenu对象能建立下拉式菜单和子菜单等图形用户界面对象;uicontextmenu对象则能建立内容式用户界面对象。灵活的运用上述对象，进行合理的组织和设计，就能设计出界面良好、操作简便、功能强大的图形用户界面。

• 1. 在MATLAB上进行连杆机构的运动仿真

通过使用MATLAB提供的工具箱，可以高效求解复杂的工程问题，并可以对系统进行动态仿真，用强大的图形功能对数值计算结果进行显示。本次在MATLAB环境下开发了一一个平面四杆机构运动分析系统，只要在系统图形界面的文本编辑框中交互地输入平面四杆机构四杆的长度和主动曲柄的角速度，就能迅速地输出当主动曲柄转动1周时连杆、从动杆的角位移、角速度、角加速度的变化规律曲线具有融计算与绘图为一-体，操作简便、界面友好，计算速度快，准确性高的特点

以曲柄摇杆机构为分析对象，借助MATLAB软件进行运动分析。按照现代程序设计的观点，算法(Algorithm)是一系 列解决问题的清晰指令。算法是一个程序的灵魂，- -个准确无误的算法是程序设计成功的关键。任何算法功能都能够通过三种基本结构:顺序结构，选择结构，循环结构的组合来实现。为了更加方便清楚准确的编写程序，首先把算法以流程图的形式表达出来。程序流程图是人们对解决问题的方法、思路或算法的一种描述。 采用简单规范的符号，画法简单，结构清晰，逻辑性强，便于描述，容易理解综合运用三种逻辑结构，并且仔细推算，以保证算法精确，节省空间和时间，以及达到高效率。

3 结论

在建立四杆机构数学模型后,运用 Matlab的编程知识实现了对四杆机构的参数化绘图、运动分析和动画模拟。并且运用其Guide模块实现了四杄机构的运动分析和动画模拟系统的主界面的设计。利用 MATLAB强大的科学计算和绘图功能,开发各类机构的运动分析和动画模拟系统，不仅十分方便,而且可以实现各种所需功能。即:(1)自动演示不同的四杆机构的运动,模拟仿真运动轨迹与从动件的速度分析,有助于分析机构的速度、加速程度和机构的工作性能;(2)采用MATLAB语言开发机构仿真运动分析软件,开发界面容易,运行程序时无需编辑、连接,给使用者以极大的方便.只要输入数据,即可得到结果.将运行结果与设计要求相比较,从而引导设计者修改设计。

参考文献

[1] 哈尔滨工业大学编,王知行,邓宗全主编.机械原理[M]. 高等教育出版社, 2006