基于matlab的曲柄滑块机构模拟与仿真

基于matlab的曲柄滑块机构模拟与仿真内容摘要：

AB 作匀速转动时，从动曲柄 CD 则作变速运动。 3）双摇杆机构 若铰链四杆机构的两个连架杆都是摇杆（图 1 c），则称其为双摇杆机构（ doublerocker mechanism） 4）曲柄滑块机构 在图 2(a)所示的曲柄摇杆机构运动时，铰链 C将沿圆弧 β β 做 往复运动。 现如图 (b)所示，设将摇杆 3做成滑块形式，使其沿圆弧导轨 β β 往复滑动，显然其运动性质不发 生改变，但此时铰链四杆机构已演化为具有曲线导轨的曲柄滑块机构。 图 2 铰链四杆机构演化为曲柄滑块机构示意图 4 又若将图 (a)中摇杆 3的长度增至无穷大，则图 (b)中的曲线导轨将变成直线导轨，于是机构就演化成为曲柄滑块机构（ slidercrank mechanism）（图 3）。 其中图 (a)为具有偏距 e的偏置曲柄滑块机构 (offset slidercrank mechanism)；图 (b)为无偏距的对心曲柄滑块机构 (centric slidercrank mechanism)。 曲柄滑块机构在冲床、内燃机、空压机等中得到广泛的应用。 图 3 曲柄滑块机构 曲柄滑块机构的相关知识 曲柄滑块机构是铰链四杆机构的演化形式 ,由若干刚性构件用低副 (回转副、移动副 )联接而成的一种机构。 是由曲柄（或曲轴、偏心轮）、连杆、滑块通过移动副和转动副组成的机构。 曲柄滑块机构的特性及运用 常用于将曲柄的回转运动变换为滑块的往复直线运动。 或者将滑块的往复直线运动转换为曲柄的回转运动。 对曲柄滑块机构进行运动特性分析是当已知各构件尺寸参数、位置参数和原动件运动规律时 ,研究机构其余 构件上各点的轨迹、位移、速度、加速度等 ,从而评价机构是否满足工作性能要求 ,机构是否发生运动干涉等。 曲柄滑块机构具有运动副为低副 ,各元件间为面接触 ,构成低副两元件的几何形状比较简单 ,加工方便 ,易于得到较高的制造精度等优点 ,因而在包括煤矿机械在内的各类机械中得到了广泛的应用，如自动送料机构、冲床、内燃机空气压缩机等。 曲柄滑块机构的分类 根据结构特点，将其分成三大类：对心曲柄滑块、偏置曲柄滑块、偏心轮机构 5 图 4 对心曲柄滑块机构 图 5 偏置曲柄滑块机构 图 6 偏心轮机构 用软件进行机 构运动学分析的现状和趋势 MATLAB 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 6 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。 Simulink 就是一个用以对动态系统进行建模、仿真和分析 的软件包，其主要功能是预先对动态系统进行仿真和分析，从而在形成实际系统之前，能进行适时的修正，以减少系统反复修改的时间，实现高效开发的目的。 SimMechanics 立足于 Simulink 之上，是进行控制器和对象系统跨领域 /学科的研究分析环境。 SimMechanics 为多体动力机械系统及其控制系统提供了直观有效的建模分析手段，一切工作均在 Simulink 环境中完成。 它提供了大量对应实际系统的元件，如：刚体、铰链、约束、坐标系统、作动器和传感器等。 使用这些模块可以方便的建立复杂机械系统的图示化模型， 进行机械系统的单独分析或与任何 Simulink 设计的控制器及其它动态系统相连进行综合仿真。 使用 MATLAB/SIMLINK 的优势 在分析了连杆机构设计的基本问题基础上，利用编程方法和 SimMechanics工具箱分别对某工程实例进行了运动学分析和仿真，在对四连杆机构设计进行分析比较的基础上，取得了良好的应用设计效果。 仿真研究结果表明 :SimMechanics动态仿真工具具有系统建模方便直观，仿真功能强大，自动模型分析等强大优势，可很好地对机械系统的各种运动进行分析。 MATLAB 作为和 Mathematica、 Maple 并列的三大数学软件。 其强项就是其强大的矩阵计算以及仿真能力。 要知道 Matlab 的由来就是 Matrix + Laboratory = Matlab，所以这个软件在国内也被称作《矩阵实验室》。 每次 MathWorks 发布Matlab 的同时也会发布仿真工具 Simlink。 在欧美很多大公司在将产品投入实际使用之前都会进行仿真试验，他们所主要使用的仿真软件就是 Simulink。 Matlab提供了自己的编译器：全面兼容 C++以及 Fortran 两大语言。 所以 Matlab 是工程师，科研工作者手上最好的语言 ，最好的工具和环境。 Matlab 已经成为广大科研人员的最值得信赖的助手和朋友。 7 Simulink 是基于 MATLAB 的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以针对任何能够用数学来描述的系统进行建模，例如航空航天动力学系统、卫星控制制导系统、通讯系统、船舶及汽车等等，其中了包括连续、离散，条件执行，事件驱动，单速率、多速率和混杂系统等等。 Simulink 提供了利用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形界面，而且 Simulink 还提供了丰富的功能块以及不同的专 业模块集合，利用 Simulink 几乎可以做到不书写一行代码完成整个动态系统的建模工作。 MATLAB/SIMULINK 的特点 MATLAB 具有以下特点： 1). Matlab 有强大的自带的帮助手册，基于 HTML 的完整的帮助功能； 2). 运算符丰富。 由于 MATLAB 是用 C 语言编写的， MATLAB 提供了和 C 语言几乎一样多的运算符，灵活使用 MATLAB 的运算符将使程序变得极为简短。 3). 高级但简单的程序环境，与其它语言编写的程序结合和输入输出格式化数据的能力； MATLAB 既具有结构化的控制语句， 又有面向对象编程的特性。 4). 程序限制不严格，程序设计自由度大。 5). 程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。 6). MATLAB 的图形功能强大。 在 MATLAB 里，数据的可视化非常简单。 7). 语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。 8). 功能强大的工具箱是 MATLAB 的另一特色。 MATLAB 包含两个部分：核心部分和各种可选的工具箱。 9). 源程序的开放性。 开放性也许是 MATLAB 最受人们欢迎的特点。 除内部函数以外，所有 MATLAB 的核心文件和工具箱 文件都是可读可改的源文件，用户可通过对源文件的修改以及加入自己的文件构成新的工具箱。 Simulink 具有以下特点： 1） 丰富的可扩充的预定义模块库 2）交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图。 3）以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理。 4）通过 Model Explorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属 8 性，生成模型代码。 5) 提供 API 用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成。 6) 使用 Embedded MATLAB™ 模块在 Simlink 和嵌入式系统执 行中调用MATLAB 算法。 7) 使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式来决定以解释性的方式运行或以编译 C 代码的形式来运行模型。 8) 图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为。 9) 可访问 MATLAB 从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据。 10) 模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。 第二章 设计任务分析 课题的背景和意义 析法是通过已知参数建立数学模型，求解未知参数。 以往大多程序都采用结构化编程，不同的机构需要编制不同的 程序，应用非常有限。 运用软件仿真机构大大减轻了设计人员。