基于MATLAB的双摇杆机构运动分析与仿真

本科生毕业设计基于MATLAB的双摇杆机构运动分析与仿真BasedontheMATLABdoublerockerorganizationmovementanalysisandsimulationI基于MATLAB/SIMULINK的双摇杆机构运动学分析与仿真邹凯旋云南农业大学工程技术学院，昆明黑龙潭650201摘要平面连杆机构的应用十分广泛，它的分析及设计一直是机构学研究的一个重要课题。MATLAB的Simulink是一个对动态系统建模和仿真分析的软件包，为信号与系统仿真实验提供了很好的平台。借助其强大的模拟仿真分析功能可以方便的实现机构性能分析和动态仿真，降低分析的难度，有效提高设计工作效率、产品开发质量、降低开发成本。本设计课题以MATLAB的simulink\simMechanics动态模拟仿真工具为平台，对双摇杆机构进行运动分析。结果表明该仿真方法能方便、准确的得到机构的运动、动力数据，能为机构的选择、优化设计提供参考依据。应用此工具可很好地对机械系统的各种运动进行分析，构造出平面连杆机构的数学模型。通过对此数学模型分析，分离出可独立求解的机构模型，并用相应的机构分析方法对它进行求解，建立了平面连杆机构运动学分析专家系统。系统可完成部分平面连杆机构的运动学分析及动画仿真，从而为机械系统的建模仿真提供一个强大而方便的工具。关键词：连杆机构；动态仿真；SimMechanics；数学模型IIBasedontheMATLABdoublerockerorganizationmovementanalysisandsimulationZoukaixuanFacultyofEngineeringandTechnologyYunanAgriculturalUniversity，HeilongtanKunming650201ABSTRACTPlanarlinkagemechanismusedwidely,itsanalysisanddesignofthestudyofinstitutionshasbeenanimportantsubject.MATLABSimulinkisadynamicsystemmodelingandsimulationsoftwarepackage,forsignalandsystemsimulationresultsprovideagoodplatform.Withitspowerfulsimulationanalysisfunctionisrealizedtheperformanceanalysisandthedynamicsimulationinstitutions,reducethedifficultiesofanalysis,effectivelyimprovethedesignworkefficiencyandproductdevelopmentquality,reducedevelopmentcosts.ThisdesigntasktoMATLABsimulink\simMechanicsdynamicsimulationtoolsastheplatform,onthedoublerockerorganizationmotionanalysis.Theresultsshowthatthesimulationmethodcanconveniently,accuratelytogetthekinematicanddynamicdataorganization,forthechoiceofinstitutions,optimumdesigntoprovidethereference.Thistoolcanapplicationismechanicalsystemanalysisofallkindsofsports,constructedthemathematicalmodeloftheplanarlinkagemechanism.Throughmathematicalmodeltoanalysis,separatingoutcanbeindependentofsolvingmechanismmodel,andthecorrespondinginstitutionsanalysismethodtosolveit,aplanarlinkagemechanismkinematicanalysisoftheexpertsystem.Systemcanfinishpartofplanarlinkagemechanismkinematicanalysisandanimatedsimulation,thusformechanicalsystemmodelingsimulationprovideastrongandconvenienttool.Keywords:linkage；DynamicSimulation；SimMechanics；mathematicalmodelIII目录摘要…………………………………………………………………………………ⅠABSTRACT………………………………………………………………………Ⅱ目录…………………………………………………………………………………Ⅳ图目录………………………………………………………………………………Ⅴ公式目录……………………………………………………………………………Ⅴ前言…………………………………………………………………………………1一、概述……………………………………………………………………………11.双摇杆机构的相关知识……………………………………………………….12.双摇杆机构的运动学分析传统方法………………………………………….13.用软件进行机构运动学分析的现状和趋势………………………………….24.使用MATLAB/SIMULINK的优势…………………………………………..25.MATLAB/SIMLINK的特点…………………………………………………3二、设计任务分析………………………………………………………………....31.设计内容和任务…………………………………………………………...…..32.实现技术路线……………………………………………………………….....43.关键问题和难点分析……………………………………………………...…..5三、程序设计与实现………………………………………………………...….…51.系统组成…………………………………………………………………....….62.程序设计与实现……………………………………………………………….63.基于运动学的模型建立……………………………………………………….74.参数化设计…………………………………………………………………….95.仿真结果……………………………………………………………………….14四、设计结果分析…………………………………………………………………15IV1.软件的使用方法……………………………………………………………….152.存在的缺点和今后改进的方向……………………………………………….16五、设计心得………………………………………………………………………16参考文献………………………………………………………………………18致谢…………………………………………………………………………………19V图目录图1-1双摇杆机构…………………………………………………………………1图1-2鹤式起重机…………………………………………………………………1图2-1实现的流程图…………………………………………………………………5图2-2双摇杆机构运动简图……………………………………………………5图3-1Simulink界面…………………………………………………………6图3-2newmodel……………………………………………………………………7图3-3SimMechanics………………………………………………………………7图3-4bodies………………………………………………………………………7图3-5Joints………………………………………………………………………8图3-6SensorsActuators…………………………………………………………8图3-7双摇杆机构仿真模型图……………………………………………………9图3-8Ground模块………………………………………………………………9图3-9evolute模块………………………………………………………………10图3-10bodyAB模块…………………………………………………………………10图3-11bodyBC模块…………………………………………………………………11图3-12bodyCD模块…………………………………………………………………11图3-13JointSeneor模块………………………………………………………12图3-14JointInitialCondition模块……………………………………………12图3-15Scope模块…………………………………………………………………12图3-16机械环境模块………………………………………………………………13图3-17命令窗口参数输入………………………………………………………14图3-18仿真结果的动画显示………………………………………………………14图3-19位置图、速度图、加速度图…………………………………………………151一、概述1.双摇杆机构的相关知识在双摇杆机构中，两摇杆均可作主动件。当主动摇杆往复摆动时，通过连杆带动从动摇杆往复摆动。双摇杆机构广泛运用于各种机构中，如飞机起落架，风扇摇摆机构，起重架机构，车辆前轮转向机构等。图1-1即为一种双摇杆机构；图1-2为双摇杆机构在鹤式起重机当中的应用。图1-1双摇杆机构图1-2鹤式起重机2.双摇杆机构运动学分析传统方法双摇杆机构的运动分析是研究机构性能的重要手段，无论是设计新机器还是合理地使用现有的机器，正确而快捷的分析都是十分必要的。机构运动分析的任务是在已知机构尺寸及原动件运动规律的情况下，确定机构中其他构件上某些点的轨迹、位移、速度及加速度和构件的角位移、角速度及角加速度。这些内容，无论是对设计新机构，还是解决现有机械的运动性能，都是十分必要的，是研究机械运动性能的必要前提。传统的机构分析方法有图解法和解析法，图解法包括瞬心法和运动分析法，图解法形象直观，但精度不高，难以求解复杂机构。解析法是通过已知参数求解未知参数，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。2瞬心法优点:速度分析比较简单。瞬心法缺点：不适用多杆机构；如瞬心点落在纸外，求解不便；速度瞬心法只限于对速度进行分析，不能分析机构的加速度；精度不高。图解法因其作图、计算工作量大、精度差的缺点，在实际工程设计应用中有很大的局限性。解析法一般是先建立机构的位置方程，然后将位置方程对时间求导数得速度和加速度方程。解析法的计算工作量很大，传统方法对于常见的连杆机构的运动学、动力学分析仍然是非常繁琐，以至于很难对它进行深入的研究。3.用软件进行机构动力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