曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真.doc

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學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 系 別： 機(jī)電工程系 學(xué)科專(zhuān)業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化 2011年 5 月 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真 系 別： 機(jī)電工程系 學(xué)科專(zhuān)業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化 姓 名： 指導(dǎo)教師： 2011年5月 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真 摘 要 本論文主要針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外采用圖解法對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究，普遍存在著機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)效率、設(shè)計(jì)精度以及設(shè)計(jì)質(zhì)量低的諸多不足，從而導(dǎo)致了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)潛能沒(méi)有得到充分的發(fā)揮，還會(huì)使得機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能不良、運(yùn)動(dòng)不順暢，不能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)要求。而運(yùn)用MATLAB對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真，可以達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。通過(guò)設(shè)計(jì)的要求，先建立起優(yōu)化目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，然后對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)確定約束條件，再運(yùn)用MATLAB中的優(yōu)化工具箱編程求解最優(yōu)方案。其次根據(jù)所求得的優(yōu)化尺寸，運(yùn)用仿真工具箱進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，最后再對(duì)仿真結(jié)果運(yùn)動(dòng)分析。為此，利用功能強(qiáng)大的MATLAB軟件設(shè)計(jì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，及其中的Simulink模塊，可以方便的實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真，提高了機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)效率、設(shè)計(jì)精度以及降低了開(kāi)發(fā)的成本。 關(guān)鍵詞：曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)仿真，MATLAB，運(yùn)動(dòng)規(guī)律 OPTIMAL DESIGN OF SLIDER-CRANK MECHANISM AND SIMULATION ABSTRACT In this paper, using graphic method for the current domestic and international organizations on the design of the slider crank, the prevalence of body design efficiency, design accuracy, and design the disadvantages of low quality, leading to the institutions athletic talent is not given full play, but also will make the poor kinematic performance, movement is not smooth, the movement can not achieve the desired requirements. Crank slider mechanism on the use of MATLAB to optimize the design and motion simulation to achieve the design objectives. Requirements through the design, first built a mathematical model of optimization objectives, and then determine the constraints on the design goals, and then use the optimization toolbox in MATLAB programming to solve the optimal solution. Second, the optimization according to the size obtained using the simulation toolbox for simulation, and finally motion analysis. To this end, the use of the powerful MATLAB software slider-crank mechanism, and the Simulink module, you can easily achieve organizational optimization and motion simulation, improved the design efficiency of institutions, design accuracy and reduce the development costs. Key　words: Slider-Crank mechanisms; Optimization; Motion Simulation; MATLAB; Law of motion 目 錄 目錄 1 摘要 第1章 緒論 1.1選題的目的及意義 1.2優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的概述 1.3 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容 第2章 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的受力分析 2.1曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的分類(lèi) 2.2曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性 2.3曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)學(xué)特性 第3章 偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 3.1 優(yōu)化軟件的介紹 3.1.1 MATLAB的發(fā)展歷程和影響 3.1.2 MATLAB在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 3.2 機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例分析 3.2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)的建立 3.2.2根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定約束條件 3.3 利用MATLAB進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 3.3.1編制優(yōu)化程序 3.3.2程序運(yùn)行結(jié)果及處理 3.3.3 對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和分析 第4章 偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與仿真 4.1偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性建模 4.1.1仿真環(huán)境簡(jiǎn)介 4.1.2機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模 4.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的實(shí)現(xiàn) 4.2.1函數(shù)的編制及初始參數(shù)的設(shè)定 4.2.2構(gòu)建Simulink仿真框圖 4.2.3 對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析 總結(jié) 參考文獻(xiàn) 致謝 第一章 緒　論 1.1選題的目的及意義 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)由于可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)之間的變換，并可以實(shí)現(xiàn)急回運(yùn)動(dòng)，所以在機(jī)械設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用，如沖壓機(jī)械、慣性篩、自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)、沖床、剪床和往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)等。隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的傳力性能提出了更高的要求。機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法有圖解法、實(shí)驗(yàn)法和解析法。雖然圖解法、實(shí)驗(yàn)法比較直觀(guān)，機(jī)構(gòu)各組成部分的位移、速度、加速度以及所受力的大小，改變趨勢(shì)都能通過(guò)反復(fù)作圖一目了然，但是過(guò)程相當(dāng)繁瑣，且誤差較大；而解析法是把機(jī)構(gòu)中已知的尺寸參數(shù)和運(yùn)動(dòng)變量與未知的運(yùn)動(dòng)變量之間的關(guān)系用數(shù)學(xué)式表達(dá)出來(lái)，然后求解。只要解析式一列出，則機(jī)構(gòu)在各位置時(shí)的運(yùn)動(dòng)變量的計(jì)算將變得簡(jiǎn)單便捷，而且精度很高。解析法的雖然有直觀(guān)性差的缺點(diǎn)，但是隨著計(jì)算機(jī)的普及和圖形軟件的發(fā)展將不復(fù)存在。計(jì)算結(jié)果可以很容易地通過(guò)曲線(xiàn)、圖表甚至動(dòng)畫(huà)展示出來(lái)，可視化問(wèn)題便得到很好的解決。 傳統(tǒng)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是應(yīng)用圖解法設(shè)計(jì)，是先給定滑塊的行程速比系數(shù)K和滑塊的行程H以及輔助條件（如偏距e或曲柄長(zhǎng)度或連桿長(zhǎng)度），來(lái)確定未知的長(zhǎng)度尺寸，然后再檢驗(yàn)傳動(dòng)角。其整個(gè)過(guò)程都是人的定性分析和試湊選擇的過(guò)程，受到計(jì)算方法與手段的限制，這樣設(shè)計(jì)出來(lái)精度不足，效率低，可能導(dǎo)致了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)潛能在一些領(lǐng)域沒(méi)有得到充分的發(fā)揮。因此，可以采用解析法對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的參數(shù)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，借助于計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理數(shù)據(jù)的能力使其結(jié)構(gòu)更加緊湊，傳力性能更優(yōu)。 1.2優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的概述 優(yōu)化設(shè)計(jì)是以數(shù)學(xué)中的最優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為手段，根據(jù)設(shè)計(jì)所追求的性能目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)，在滿(mǎn)足給定的各種約束條件尋求最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先需要將設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)模型，即用優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述工程設(shè)計(jì)問(wèn)題。然后，按照數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)選擇合適的優(yōu)化方法和計(jì)算程序，運(yùn)用計(jì)算機(jī)求解，獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法只是要求能夠解決問(wèn)題，而不在意最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，即使理論上有最優(yōu)的方案，一般的手段還不容易達(dá)到。 MATLAB是Mathworks公司推出的交互式計(jì)算分析軟件，最早開(kāi)發(fā)是為了解決矩陣運(yùn)算問(wèn)題的，具有強(qiáng)大的運(yùn)算分析功能。目前被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、信號(hào)處理、機(jī)械設(shè)計(jì)、流體力學(xué)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等工程領(lǐng)域，利用該軟件的仿真工具箱，我們可以在完成了設(shè)計(jì)之后，方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)仿真分析，完成對(duì)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)性能檢驗(yàn)?？梢詮谋姸嗟脑O(shè)計(jì)方案中尋找出最佳設(shè)計(jì)方案，大大提高設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量。由于該軟件的功能強(qiáng)大，具有集科學(xué)計(jì)算、程序設(shè)計(jì)和可視化于一體的高度集成軟件環(huán)境，使它已經(jīng)成為具有廣泛應(yīng)用前景的高級(jí)編程語(yǔ)言，是目前國(guó)際上公認(rèn)的最優(yōu)秀計(jì)算分析軟件[11]。 因此，將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)的數(shù)學(xué)函數(shù)，通過(guò)優(yōu)化處理軟件，得到比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法更合理的方案，使曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用潛能得到發(fā)揮，創(chuàng)造更多的工業(yè)價(jià)值。 1.3國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 隨著機(jī)械工業(yè)化的發(fā)展，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法越來(lái)越受到設(shè)計(jì)者的重視，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法能有效的提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)的精度要求。而曲柄滑塊又是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備常用的一種傳動(dòng)設(shè)備，因此，對(duì)它進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有相當(dāng)重要的意義。 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)規(guī)律明確，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)之間的變換，并且具有急回運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，使其在機(jī)械工程設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。但由于目前的設(shè)計(jì)方法存在著效率低，精度不足等諸多缺點(diǎn)，阻礙了其運(yùn)動(dòng)潛能的發(fā)揮。為了實(shí)現(xiàn)其功能作用的最優(yōu)化，在保證工作要求的前提下，對(duì)其進(jìn)行更加合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 而目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真研究有關(guān)課題的研究也不少。其中，婁建國(guó)的《按最佳傳動(dòng)角的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)》，采用幾何解析方法設(shè)計(jì)偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，在滿(mǎn)足給定的滑塊行程和行程速比系數(shù)的前提下，借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行尋優(yōu)設(shè)計(jì)，從而方便地求得具有最佳傳動(dòng)角的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。劉菊蓉、王旭飛《偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析》，運(yùn)用MATLAB及其中的SIMULINK模塊，對(duì)給出行程H，行程速比系數(shù)K和許用角[γ]進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。設(shè)計(jì)結(jié)果不但滿(mǎn)足現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的要求，設(shè)計(jì)過(guò)程編程簡(jiǎn)單，而且得到曲柄在任意位置對(duì)應(yīng)的其它參數(shù)。陳杰平、姚智華《基于MATLAB的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)仿真研究》，借助于功能強(qiáng)大的分析仿真軟件MATLAB，實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)性能分析和動(dòng)態(tài)仿真，降低分析的難度，有效提高設(shè)計(jì)工作效率、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)質(zhì)量，降低開(kāi)發(fā)成本。漆小敏、喻全余、闞宏林《基于Simulink的偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真》，建立了速度和加速度的閉環(huán)矢量方程，使用Simulink對(duì)偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，得到了連桿及滑塊的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)，使用該方法的優(yōu)勢(shì)在于可以方便的觀(guān)察第機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的變化。 因此，將計(jì)算機(jī)軟件用于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)。 1.4本文主要研究?jī)?nèi)容 對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)用仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真分析，其主要的研究?jī)?nèi)容有： （1）對(duì)偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行深入研究，確定系統(tǒng)主要參數(shù)和工作任務(wù)，以便明確設(shè)計(jì)要求； （2）對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，分析該機(jī)構(gòu)中各個(gè)桿件的受力情況，以及它們之間的相互作用關(guān)系，從而為偏置式曲柄滑塊的研究奠定基礎(chǔ)； （3）根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，建立偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，確定約束條件，運(yùn)用軟件MATLAB優(yōu)化工具箱進(jìn)行編程優(yōu)化求解，對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析，確定機(jī)構(gòu)中主要部件如曲柄、連桿等以及傳動(dòng)角的優(yōu)化尺寸，以便運(yùn)動(dòng)仿真的實(shí)現(xiàn)； （4）根據(jù)已求得的優(yōu)化設(shè)計(jì)尺寸，利用MATLAB中的Simulink 模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，從而可以得到各個(gè)桿件任意時(shí)刻的位置、速度以及加速度的值，并且可以觀(guān)察到各個(gè)構(gòu)件在整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的變化規(guī)律。為進(jìn)一步對(duì)機(jī)構(gòu)后續(xù)研究機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性及機(jī)構(gòu)動(dòng)力性能分析等方面提供了基礎(chǔ)。 第2章 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的受力分析 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是最早獲得廣泛應(yīng)用的連桿機(jī)構(gòu)之一,在運(yùn)作時(shí)各構(gòu)件產(chǎn)生的慣性力會(huì)引起機(jī)構(gòu)的強(qiáng)迫振動(dòng)，加劇及其構(gòu)件的磨損并產(chǎn)生噪聲污染，降低機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度和平穩(wěn)性。因此，對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力的分析，可以深入認(rèn)識(shí)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過(guò)程中的受力情況，對(duì)提高機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，延長(zhǎng)機(jī)構(gòu)的使用壽命具有重要的意義。 2.1曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的分類(lèi) 根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)可以分為三大類(lèi)： （一）對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)：機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)時(shí)滑塊C的運(yùn)動(dòng)軌跡通過(guò)曲柄的回轉(zhuǎn)中心A，則稱(chēng)為對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。如在內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用等。 圖（1）對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu) （二）偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)：機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)時(shí)﹐滑塊B的運(yùn)動(dòng)軌跡不通過(guò)曲柄的回轉(zhuǎn)中心A﹐則稱(chēng)為偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。例如在自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)中的使用等。 圖（2）偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu) （三）偏心輪機(jī)構(gòu)：在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（曲柄搖桿機(jī)構(gòu)）中，若曲柄很短，可將轉(zhuǎn)動(dòng)副B的尺寸擴(kuò)大到超過(guò)曲柄長(zhǎng)度，則曲柄AB就演化成幾何中心B不與轉(zhuǎn)動(dòng)中心A重合的圓盤(pán)，該圓盤(pán)稱(chēng)為偏心輪，含有偏心輪的機(jī)構(gòu)稱(chēng)為偏心輪機(jī)構(gòu)。 偏心輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，偏心輪軸頸的強(qiáng)度和剛度大，廣泛用于曲柄長(zhǎng)度要求較短、沖擊在和較大的機(jī)械中，例如在在工程機(jī)械中的顎式破碎機(jī)中的應(yīng)用等。 圖（3）偏心輪機(jī)構(gòu) 2.2曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性 圖2.2 曲柄滑塊的受力分析示意圖 從曲柄r傳到連桿上的力與作用到滑塊上的力之間存在以下關(guān)系： （2-1） 在曲柄端點(diǎn)處，沿半徑方向的力和的關(guān)系： （2-2） 將（1）、（2）兩式聯(lián)立，可得到： （2-3） 曲柄端點(diǎn)處沿半徑方向受到與力大小相等的壓力。曲柄A處沿圓周方向所受切向力與半徑的乘積，就是轉(zhuǎn)矩。 （2-4） 根據(jù)圖2.2可知， （2-5） 將式（1）、（4）代入式（5），可得 （2-6） 則可推導(dǎo)出作用在滑塊上的壓力，即 （2-7） 一般曲柄連桿機(jī)構(gòu)都有,因此可認(rèn)為遠(yuǎn)小于1，即，則角趨近于零。上式可以寫(xiě)成： （2-8） 按平面幾何圓部分的勾股定理可以導(dǎo)出： （2-9） 將式（8）代入式（9），則得： （2-10） 2.3曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)學(xué)特性 圖2.3曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 取A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸水平向右，在任意瞬時(shí)t，機(jī)構(gòu)的位置如上圖所示： 由圖可建立矢量方程， （2-11） C點(diǎn)的坐標(biāo)矢徑在X軸和Y軸上的投影為： （2-12） （2-13） 由圖可知，可以推導(dǎo)出： （2-14） 從而，通過(guò)轉(zhuǎn)換關(guān)系可得： （2-15） 式中，是曲柄長(zhǎng)與連桿長(zhǎng)之比。將上式代入的表達(dá)式中，并考慮到， 就得到了滑塊的位移運(yùn)動(dòng)方程： （2-16） 若將上式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，則其運(yùn)算量較繁瑣。在工程實(shí)際中，的值一般取，故可在上式中將根式展開(kāi)成的冪級(jí)數(shù)并且省略去起后的各項(xiàng)，做近似計(jì)算，可得方程： （2-17） 上式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，可得滑塊速度和加速度方程如下： （2-18） （2-19） 其中，， 都是的周期函數(shù)[15]。 第3章 偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 3.1 優(yōu)化軟件的介紹 3.1.1 MATLAB的發(fā)展歷程和影響 MATLAB名字由MATrix和LABoratory兩詞的前三個(gè)字母組合而成。20世紀(jì)70年代后期，時(shí)任美國(guó)新墨西哥大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任的Cleve Moler教授出于減輕學(xué)生編程負(fù)擔(dān)的動(dòng)機(jī)，為學(xué)生設(shè)計(jì)了一組調(diào)用PINPACK和EISPACK庫(kù)程序的“通俗易用”的接口，此即用FORTRAN編寫(xiě)的萌芽狀態(tài)的MATLAB。 經(jīng)幾年的校際流傳，在Little的推動(dòng)下，由Little、Meler、Steve Bangert合作，于1984年成立了MathWorks公司，并把MATLAB正式推向市場(chǎng)。從這時(shí)起，MATLAB的內(nèi)核采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，而且除原有的數(shù)值計(jì)算能力外，還新增了數(shù)據(jù)圖視功能。 MATLAB是由美國(guó)mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。它在數(shù)學(xué)類(lèi)科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶(hù)界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。 　MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來(lái)解算問(wèn)題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語(yǔ)言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn),使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C++ ，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶(hù)也可以將自己編寫(xiě)的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫(kù)中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛(ài)好者都編寫(xiě)了一些經(jīng)典的程序，用戶(hù)可以直接進(jìn)行下載就可以用[3]。 3.1.2 MATLAB在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 Matlab發(fā)展至今，它己不僅僅是單純矩陣運(yùn)算的數(shù)學(xué)處理軟件，其開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)吸引了許多優(yōu)秀人才編寫(xiě)M函數(shù)和工具箱，日前已擴(kuò)展成由工作環(huán)境，編程語(yǔ)言，圖形處理，數(shù)學(xué)函數(shù)，應(yīng)用程序接口這五大部分組成的集數(shù)值計(jì)算、可視化應(yīng)用、程序開(kāi)發(fā)、工程控制為一體的功能強(qiáng)大的軟件系統(tǒng)。它由“主包”和很多應(yīng)用學(xué)科性的工具箱〔Toolboxs〕組成 雖然該軟件的初衷并不是為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，但它提供了強(qiáng)大的矩陣處理和繪圖功能，可靠靈活且方便，非常適合現(xiàn)代控制理論的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)?？刂祁I(lǐng)域的研究人員正是注意到這些，在其基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了許多與控制理論相關(guān)的軟件工具包，這些軟件包在集成Matlab的工具箱里。由于擁有這些應(yīng)用于控制領(lǐng)域的工具包，Matlab己成為控制工程和科研必不可少的工具。其中與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真相關(guān)的功能包括: （1）數(shù)值計(jì)算及分析功能 該項(xiàng)主要包括各種向量、矩陣的分析運(yùn)算、微分方程的求解、特殊函數(shù)的計(jì)算機(jī)分析、快速傅氏變換及信號(hào)處理、數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)等。利用這些功能我們可以對(duì)要研究的被控對(duì)象建立微分方程后求解，可以對(duì)輸入輸出信號(hào)進(jìn)行分析處理，易于改進(jìn)控制效果。 （2）編程語(yǔ)言及算法實(shí)現(xiàn) 該項(xiàng)主要包括Matlab基本語(yǔ)句結(jié)構(gòu):文件管理、M文件與函數(shù)、S函數(shù)的開(kāi)發(fā)等。通過(guò)編寫(xiě)自己的M函數(shù)、S函數(shù)，我們可以滿(mǎn)足特殊的要求，達(dá)到特定的控制目的。 （3）圖形處理及可視化功能 該項(xiàng)主要包括二維、三維圖形繪制、特殊坐標(biāo)圖形繪制及修改、視覺(jué)動(dòng)畫(huà)等。有了這些功能，控制中的數(shù)學(xué)分析與系統(tǒng)仿真都會(huì)變得更直觀(guān)、更清晰、更快捷，控制性能指標(biāo)更易滿(mǎn)足。 （4）與其它高級(jí)語(yǔ)言的接口 它包括C語(yǔ)言、C++語(yǔ)言、Java語(yǔ)言等的接口，它方便了函數(shù)的相互調(diào)用，可移植性和通用性都大大增強(qiáng)，它的串口功能更便于對(duì)外設(shè)的訪(fǎng)問(wèn)。 （5）Simulink建模與仿真 它包括實(shí)時(shí)工作空間、Simulink加速器、集中測(cè)試工具、模型顯示工具、模型差異分析工具等。利用這些功能項(xiàng)我們可以很方便的完成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模與分析。 （6）各種相關(guān)的工具箱 它包括控制系統(tǒng)工具箱、魯棒控制工具箱、系統(tǒng)辨識(shí)工具箱、模型預(yù)測(cè)控制工具箱；反饋控制工具箱、模糊控制工具箱、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱、小波分析工具箱、信號(hào)處理工具箱、圖像處理工具箱等。以上這些功能構(gòu)成了Matlab在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真領(lǐng)域應(yīng)用的主線(xiàn)。 3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例分析 已知偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù)K=1.25，滑塊行程H=40mm。當(dāng)原動(dòng)件曲柄作整周勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，為了獲得良好的傳力性能，要求滑塊在整個(gè)行程中的最小傳動(dòng)角最大，因此以傳動(dòng)角作為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。 3.2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)的建立 圖3.2 偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 如圖3.2所示，偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)主要尺寸包括：曲柄l1，連桿l2，偏心距e，當(dāng)曲柄與滑塊導(dǎo)路垂直且曲柄上鉸鏈B離導(dǎo)路較遠(yuǎn)時(shí)，有最小的傳動(dòng)角，可表示為： （3-1） 在圖1的中，根據(jù)余弦定理和正弦定理分別有 （3-2） (3-3) 式中，H是滑塊的行程。當(dāng)滑塊行程H和極位夾角θ（行程速比系數(shù)K）已知時(shí)，連桿長(zhǎng)度l2和偏心距e與曲柄長(zhǎng)度l1相關(guān)，它們不是獨(dú)立的設(shè)計(jì)參數(shù)，因此以l1作為設(shè)計(jì)變量。 根據(jù)已知的行程速比系數(shù)K計(jì)算機(jī)構(gòu)極位夾角θ： 3.2.2根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定約束條件 以曲柄長(zhǎng)度作為設(shè)計(jì)變量，它的取值范圍可以按照下面的關(guān)系確定： 由于要求最小的傳動(dòng)角最大，因此該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)為： 即： (3-4) 3.3 利用MATLAB進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 3.3.1編制優(yōu)化程序 syms x l2=sqrt((1600-2*x^2*(1+cos(pi*20/180)))/(2*(1-cos(pi*20/180)))); e=(l2^2-x^2)*sin(pi*20/180)/40; f=(x+e)/l2; f=char(f); [x,fval,exitflag,output]= fminbnd(f,3.526,20) 3.3.2程序運(yùn)行結(jié)果及處理 x =18.6217 fval =0.7336 即，，將其分別代入（3-1）、（3-2）、（3-3）式，可得： γmin=42.8114 l2=45.9584mm e=15.0951mm 3.3.3 對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和分析 對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，優(yōu)化結(jié)果滿(mǎn)足曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的曲柄存在條件：，最小傳動(dòng)角 。滿(mǎn)足當(dāng)原動(dòng)件曲柄作整周勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，為了獲得良好的傳力性能，滑塊在整個(gè)行程中的最小傳動(dòng)角最大。 此結(jié)果與設(shè)計(jì)要求完全符合，可見(jiàn)用MATLAB對(duì)偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)效率高，設(shè)計(jì)也比較簡(jiǎn)單。 第四章 偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與仿真 4.1偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性建模 4.1.1仿真環(huán)境簡(jiǎn)介 Simulink是一個(gè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。它可以處理的系統(tǒng)包括:線(xiàn)形、非線(xiàn)形；離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)；單任務(wù)、多任務(wù)離散事件系統(tǒng)。 在Simulink提供的圖形用戶(hù)界面GUI上，只要進(jìn)行鼠標(biāo)的簡(jiǎn)單拖拉操作就可構(gòu)造出復(fù)雜的仿真模型。它外表以方塊圖形式呈現(xiàn)，且采用分層結(jié)構(gòu)。從建模角度講，這即適合于自上而下的設(shè)計(jì)流程，又適合于自下而上的逆程設(shè)計(jì)。從分析的角度講，這種Simulink模型不僅能讓用戶(hù)知道具體環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)細(xì)節(jié)，而且能讓用戶(hù)清晰地了解各器件、各子系統(tǒng)、各系統(tǒng)間的信息交換，掌握各部分之間的交互影響。 在Simulink環(huán)境中，用戶(hù)將擺脫理論演繹時(shí)必須做理想化假設(shè)的無(wú)奈，觀(guān)察到現(xiàn)實(shí)世界中的摩擦、風(fēng)阻、齒隙、飽和、死區(qū)等非線(xiàn)性因素對(duì)系統(tǒng)的影響。在Simulink環(huán)境中，用戶(hù)可以在仿真進(jìn)程中改變感興趣的參數(shù)，實(shí)時(shí)觀(guān)察系統(tǒng)行為的變化。由于Simulink環(huán)境使用戶(hù)擺脫了深?yuàn)W的數(shù)學(xué)推演的壓力和煩瑣編程的困擾，因此，用戶(hù)在此環(huán)境中會(huì)對(duì)自己研究的問(wèn)題更顯游刃有余。 4.1.2機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模 偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的向量模型如下圖1所示： 圖1 偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)向量模型 對(duì)于曲柄R2，向量R2的模為r2，轉(zhuǎn)角θ2，連桿R3，向量的模為r3，轉(zhuǎn)角θ3；R1為滑塊的位移，模為r1；R4為偏距，模為。建立偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的位置運(yùn)動(dòng)方程[4]： （1）偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的閉環(huán)位移矢量方程 （4-1） （2）閉環(huán)矢量方程在x軸與y軸上的分解，得到 （4-2） （4-3） （3）將上式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，可以得到偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的速度方程： （4-4） （4-5） 式中是矢量R1大小的變化率，是滑塊相對(duì)于地面的平移速度，為連桿的角速度。為了便于編程，將方程（4）、（5）用矩陣的形式表達(dá)： （4-6） 4.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的實(shí)現(xiàn) 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真主要是指反復(fù)求解機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)約束方程，通過(guò)積分獲得最終的速度(或加速度)，從而確定機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的位置(速度)[2]。 4.2.1函數(shù)的編制及初始參數(shù)的設(shè)定 (1)編寫(xiě)MATLAB函數(shù)compvel ( ) 根據(jù)建立起來(lái)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行功能運(yùn)算程序的編制。編制的運(yùn)算程序compvel.m如下： function[x] = compv(u) %x為函數(shù)的輸出；u為m函數(shù)的輸入 %u(1)= omega-2 %u(2)= theta-2 %u(3)= theta-3 r2=18.6217; r3=45.9584mm; %曲柄和連桿的長(zhǎng)度，以mm作為單位 ％根據(jù)數(shù)學(xué)模型可以寫(xiě)出以下計(jì)算公式 a=[r3*sin(u(3)) 1;-r3*cos(u(3)) 0]; b=[-(r2*u(1)*sin(u(2));r2*u(1)*cos(u(2))]; ％矩陣的計(jì)算 x=inv(a)*b; （2）在仿真運(yùn)行之前，必須為每個(gè)積分器設(shè)定適當(dāng)?shù)某跏贾?。初始條件可以通過(guò)簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系求解給出，為了仿真的方便，可以假設(shè)曲柄的初始位置為，將其代入公式（4-2）、（4-3）中，根據(jù)前面部分優(yōu)化所得到的曲柄和連桿的參數(shù)：，。即可求得初始參數(shù)如以下表1所示： 表1 仿真的初始條件 積分器 初始值 0 19.1778 62.03㎜ 4.2.2構(gòu)建Simulink仿真框圖 在Simulink中建立的偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的仿真模型如圖2所示。其中的 MATLAB Function模塊中添加入表達(dá)式（4-6）所編寫(xiě)的函數(shù)，該函數(shù)輸出兩個(gè)變量： 曲柄速度的大小和連桿的角速度。 圖2 偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的仿真模型 假設(shè)曲柄以140rad/s做勻速圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，仿真時(shí)間設(shè)為0.1s，在上圖積分器中輸入表1的初始參數(shù)，運(yùn)行在MATLAB環(huán)境下的仿真框圖，從三個(gè)示波器模塊Scope中可以得到滑塊的位移、平移速度以及加速度隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)圖。 圖3 滑塊的平移速度曲線(xiàn) 圖4 滑塊的位移曲線(xiàn) 圖5 滑塊的加速度曲線(xiàn) 4.2.3 對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析 從仿真結(jié)果可以看出，偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的曲柄從位置開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑塊相對(duì)地面的平移速度下降到0㎜時(shí)，滑塊的位移從62.03㎜上升到最大位置，而在此時(shí)滑塊的加速度從最大值向最小轉(zhuǎn)變；從圖3所示的滑塊平移速度曲線(xiàn)可以明顯的發(fā)現(xiàn)滑塊速度的上升曲線(xiàn)斜率比下降曲線(xiàn)斜率小，即滑塊的上升的速度比下降的速度緩和，這說(shuō)明在曲柄做勻速圓周轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，滑塊來(lái)回運(yùn)動(dòng)的速度不同，從而使偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)具有急回特性，從圖5的滑塊的加速度曲線(xiàn)可以看出加速度在極限位置點(diǎn)有一個(gè)突變的高峰，也說(shuō)明了其具有急回特性。 總結(jié) 本論文主要介紹了運(yùn)用MATLAB及其中的Simulink模塊，對(duì)給出行程H，行程速比系數(shù)K，要求滑塊在整個(gè)行程中最小的傳動(dòng)角最大的偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真的方法。 在優(yōu)化設(shè)計(jì)上，利用機(jī)構(gòu)已知的條件和建立好的數(shù)學(xué)模型，在MATLAB的指令窗口中輸入簡(jiǎn)單的優(yōu)化程序，計(jì)算機(jī)即可給出相應(yīng)桿件的數(shù)值，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證分析不難發(fā)現(xiàn)應(yīng)用此方法設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)與設(shè)計(jì)要求完全相同，是一種簡(jiǎn)單、高效的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，值得推廣。 而通過(guò)Simulink仿真工具箱對(duì)偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，可以避免大量的編程，并且可以避免直接求各個(gè)構(gòu)件的位置問(wèn)題，而是通過(guò)對(duì)速度和加速度的積分獲得各構(gòu)件的位置點(diǎn)。 在仿真平臺(tái)上，只需要修改參數(shù)和MATLAB Function函數(shù)模塊，就可以得到任意時(shí)刻的位置、速度以及加速度的值，并且可以觀(guān)察到各個(gè)構(gòu)件在整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的變化規(guī)律。將此方法運(yùn)用于現(xiàn)代機(jī)械的設(shè)計(jì)中，不但能滿(mǎn)足現(xiàn)代機(jī)械的設(shè)計(jì)要求，而且設(shè)計(jì)編程簡(jiǎn)單易懂，設(shè)計(jì)精度與設(shè)計(jì)效率高，從而提高了新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平，也降低了研發(fā)的成本。同時(shí)，這種運(yùn)動(dòng)分析方法基于MATLAB軟件中強(qiáng)大的矩陣計(jì)算功能，可以得到任意運(yùn)動(dòng)參數(shù)間的相互關(guān)系，這為后續(xù)研究機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性及機(jī)構(gòu)動(dòng)力性能分析等方面提供了基礎(chǔ)，為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析提供了一種新的方法。 通過(guò)這次畢業(yè)論文的設(shè)計(jì)，使我認(rèn)識(shí)到自己存在著諸多的不足，如自己的知識(shí)面比較窄，知識(shí)功底不扎實(shí)，主動(dòng)性和實(shí)踐能力差等。在設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題也不少，如曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性分析以及設(shè)計(jì)工具的學(xué)習(xí)，還需要在今后的學(xué)習(xí)中多完善知識(shí)結(jié)構(gòu)，提高自身的專(zhuān)業(yè)技能。 致謝 本文是在老師的悉心指導(dǎo)下完成的，忠心的感謝他在我寫(xiě)作論文期間給予我熱情的幫助和指導(dǎo)。張老師淵博的知識(shí)，認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作作風(fēng)，平易近人的態(tài)度讓我獲益匪淺。在此，我向張老師表示最衷心的感謝和最誠(chéng)摯的敬意。 感謝在論文運(yùn)動(dòng)仿真階段給予我?guī)椭睦蠋熀屠蠋?，同時(shí)感謝這大學(xué)四年來(lái)培養(yǎng)了我的全體老師們，是你們的辛勤教誨為我的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)功底，讓我順利通過(guò)大學(xué)的學(xué)習(xí)。 還要感謝我的同學(xué)，他們?cè)谖业恼撐膶?xiě)作過(guò)程中提出了很多寶貴的意見(jiàn)，并給了我很多的啟發(fā)。 最后，我要衷心的感謝我的父母，是你們一直默默地給予我理解與支持，給予我勇敢面對(duì)困難的勇氣和力量，讓我能夠順利地完成學(xué)業(yè)。 參考文獻(xiàn)： [ 1 ] 王知行, 劉廷榮. 機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社, 2000.2. 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