鉸鏈四桿機構運動仿真實驗平臺開發(fā)

張帆

【摘 要】本文針對鉸鏈四桿機構的教學現(xiàn)狀，應用數(shù)值仿真技術，開發(fā)了鉸鏈四桿機構運動仿真實驗平臺，該平臺實現(xiàn)了機構運動的動態(tài)仿真，可繪制機構的位移、速度和加速度線圖，查看連桿曲線。通過軟件界面，可以方便地更改機構參數(shù)，獲得不同運動形式的機構。對調動學生積極性、提高教學效率具有良好的效果，適用于機械原理的仿真實驗和教學演示。

【關鍵詞】四桿機構；仿真；GUI；MATLAB

中圖分類號： TH111 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）32-0162-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.32.074

【Abstract】By considering the teaching status of four-bar linkage mechanism，applying numerical simulation technique，a motion simulation experiment platform for four-bar linkage mechanism was developed，which realized the dynamic simulation of the mechanism motion，with the display of displacement，velocity and acceleration charts and the observation of the linkage curve.The parameters of the mechanism can be easily altered via the software interface to obtain mechanism of various forms.It greatly activates the students and effectively improves the efficiency in teaching and learning.Therefore it is suitable for simulation experiment and teaching demonstration for the course of principle of machinery.

【Key words】Four-bar linkage；Simulation；GUI；MATLAB

0 引言

鉸鏈四桿機構是機械原理課程的重要組成部分，不僅理論性強，而且分析、計算復雜，歷來是教學的重點和難點[1]。傳統(tǒng)教學主要有圖解法和解析法[2，3]，前者概念清晰，求解直觀，但準確性較差。鉸鏈四桿機構存在解析解，但求解公式較復雜，參數(shù)較多。教學實踐中多以圖解法為重點，解析法為了解的內容。在這種條件下，學生對解析法往往心存畏懼，編制程序的難度較大，需要耗費大量的時間和精力。為此，本文針對鉸鏈四桿機構的教學現(xiàn)狀，應用數(shù)值仿真技術，開發(fā)了鉸鏈四桿機構運動仿真實驗平臺。實踐表明，該平臺對調動學生積極性、提高教學效率具有良好的效果。

1 GUI界面設計

本文所開發(fā)的鉸鏈四桿機構運動仿真實驗平臺，應用MATLAB的GUIDE開發(fā)環(huán)境完成界面設計[4]。在該環(huán)境下，用戶可以通過鼠標將相應UI組件拖放至圖形窗口，并設置其外觀屬性[5]，實現(xiàn)GUI界面設計，如圖1所示。圖中主要有輸入文本框、單選按鈕、命令按鈕、坐標系組件等。文本框主要用于設置機構參數(shù)，單選按鈕用于選擇是否繪制M點軌跡，命令按鈕用于實現(xiàn)各種仿真功能，坐標系組件axes1用于顯示機構仿真的動畫。

2 程序代碼設計

完成GUI界面設計之后，需要為界面中的組件編寫事件處理代碼。在GUIDE環(huán)境下，事件處理以回調函數(shù)的形式實現(xiàn)。程序需要響應的事件主要有輸入文本框的信息變化、單選按鈕的狀態(tài)變化、命令按鈕的單擊事件和圖形窗口打開事件等。

圖形窗口打開事件僅在程序運行時發(fā)生一次，該處理函數(shù)主要是為鉸鏈四桿機構提供一組初始參數(shù)，為GUI界面中的文本框和單選按鈕賦初值。例如：桿長AD輸入框初始值為100，則相應代碼為：lad=100；set（handles.edit_AD，'String'，num2str（lad））；單選按鈕初始值為選中狀態(tài)，則相應代碼為set（handles.radiobutton1，'Value'，1）。

其它三類事件的處理具有統(tǒng)一的函數(shù)原型。以“運動仿真”按鈕為例，其函數(shù)原型為function pushbutton_sim_Callback（hObject，eventdata，handles），相應代碼為：handles.simdata=computesimdata（handles）；guidata（hObject，handles）；handles=guidata（hObject）；simmotion（handles，0），這里computesimdata函數(shù)用于鉸鏈四桿機構運動仿真數(shù)據的計算，simmotion則應用仿真數(shù)據，繪制鉸鏈四桿機構仿真動畫。變量handles將兩個函數(shù)聯(lián)系起來，完成數(shù)據交換。

3 數(shù)值計算

4 程序運行

鉸鏈四桿機構運動仿真實驗平臺運行界面如圖2所示。點擊運動仿真按鈕，可在“仿真動畫”窗口實現(xiàn)機構運動的動態(tài)仿真，并繪出連桿上任意一點M的軌跡曲線（連桿曲線）；改變機構參數(shù)和M點位置，可得到不同的運動規(guī)律和不同的連桿曲線。

通過點擊運行界面的相應按鈕可獲得BC、CD桿的轉角，角速度和角加速度，如圖3，4，5所示。

5 結論

本文基于MATLAB的GUI開發(fā)環(huán)境，應用數(shù)值仿真技術，開發(fā)了鉸鏈四桿機構運動仿真實驗平臺，實現(xiàn)了機構運動的動態(tài)仿真，可繪制機構的位移、速度和加速度線圖，可方便的查看連桿上任意點的軌跡曲線。通過軟件界面，可以方便地試驗機構參數(shù)，獲得不同運動形式的機構。對調動學生積極性、提高教學效率具有良好的效果，適用于機械原理的仿真實驗和教學演示。

【參考文獻】

[1]熊艷紅，朱志強.一種動感的鉸鏈四桿機構綜合實驗平臺的研究綜述[J].科技視界，2017，8：65.

[2]周啟興，李兵.LabVIEW在鉸鏈四桿機構運動分析中的應用[J].現(xiàn)代制造工程，2015，12：74-77.

[3]趙世田，付瑩瑩，曾勇，鄭雷.基于Simulink的四桿機構及連桿點的運動學仿真研究[J].煤礦機械，2017，5：183-186

[4]宮薇薇，馮姍姍，韓煦.基于Matlab GUI的實驗平臺快速搭建技術[J].大學物理實驗，2017，4：105-108

[5]閆紅梅，張鳴，李遠征.基于Matlab的系統(tǒng)穩(wěn)定性分析實驗設計[J].實驗技術與管理，2018，4：144-146.