牛頭刨床運(yùn)動(dòng)特性數(shù)值仿真(MATLAB仿真)論文正文

1、 機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)論文題 目：牛頭刨床運(yùn)動(dòng)特性的數(shù)值仿真 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 11級(jí)5班 姓 名： 李 寧 學(xué) 號(hào)： 1666110513 指導(dǎo)教師： 李同杰副教授 日 期： 2015年 6 月4日 目錄引言2第一章 緒論21.1 研究課題的意義21.2 六桿機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀21.3本課題的目的3第二章 牛頭刨床概論32.1牛頭刨床概述32.1.2牛頭刨床特點(diǎn)：52.2 牛頭刨床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介5第三章 計(jì)算機(jī)仿真的概述及MATLAB簡(jiǎn)介53.1計(jì)算機(jī)仿真的介紹53.2計(jì)算機(jī)仿真的國內(nèi)現(xiàn)狀63.3計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展73.4 MATLAB簡(jiǎn)介73.4.2主要功能：83.4.

2、3MATLAB優(yōu)缺點(diǎn)8第四章 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真94.1 數(shù)學(xué)模型的建立94.1.1位置分析94.1.2速度分析104.1.3加速度分析104.2 計(jì)算實(shí)例11第五章 MATLAB模型的構(gòu)建115.1 程序框圖115.2 子程序部分的解析125.3 主要程序的執(zhí)行界面145.3.1計(jì)算牛頭刨床機(jī)構(gòu)位移，角速度，角加速度155.4牛頭刨床機(jī)構(gòu)位移，角速度，角加速度圖形輸出165.4.1角位移及位移線圖165.4.2角速度及加速度線圖175.4.3角速度及速度線圖205.5牛頭刨床機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真225.5.1程序輸入225.6 輸出結(jié)果分析27第六章 總結(jié)27致 謝28參考文獻(xiàn)29附錄30 牛頭刨床運(yùn)動(dòng)特性

3、的數(shù)值仿真摘要：本文以牛頭刨床作為研究對(duì)象，以其六桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖為基礎(chǔ)建立數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)其運(yùn)動(dòng)過程，并對(duì)其進(jìn)行求解；再運(yùn)用MATLAB軟件編制程序，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的參數(shù)化仿真，形象直觀地反應(yīng)出牛頭刨床的運(yùn)功軌跡，速度和加速度變化的規(guī)律及在不同輸入?yún)?shù)時(shí)，牛頭刨床運(yùn)動(dòng)特性的比較顯示，最后還仿真出牛頭刨床的運(yùn)動(dòng)過程，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)形象而精確的運(yùn)動(dòng)分析。使其運(yùn)動(dòng)特性和輸入?yún)?shù)結(jié)合在一起，通過改變六桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)就可以顯示在不同參數(shù)下的運(yùn)動(dòng)特性。關(guān)鍵詞：牛頭刨床； 仿真方法； MATLAB； 數(shù)學(xué)模型；引言伴隨著科技發(fā)展和計(jì)算機(jī)的高度應(yīng)用，關(guān)于桿件機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真的開發(fā)與研究具有越來越重要的意義。眾所周知，牛頭刨

4、床是一種常見的金屬切削機(jī)床，其導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)作為主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)的重要功能，本文將著重于研究牛頭刨床桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，將在其運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上，應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)算和仿真研究，從而開發(fā)出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真程序和仿真設(shè)計(jì)效果圖，將靜態(tài)機(jī)構(gòu)變?yōu)閯?dòng)態(tài)機(jī)構(gòu)，旨在能更加準(zhǔn)確地描繪出連桿平面上的連桿曲線，為其他的研究，應(yīng)用提供了更可靠的依據(jù)。為了提高工作效率與滿足工況要求，應(yīng)使牛頭刨床機(jī)構(gòu)系統(tǒng)滿足: 工作行程時(shí)，近似勻速運(yùn)動(dòng); 空回行程時(shí)，有急回作用。因此本文將介紹平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析的發(fā)展情況。從牛頭刨床的連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)三個(gè)方面進(jìn)行具體分析:即運(yùn)用數(shù)學(xué)建模對(duì)位置、速度和加速

5、度分析。平面六桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是理論力學(xué)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)，在較早的時(shí)候，就有學(xué)者對(duì)其進(jìn)行分析，經(jīng)過了幾代學(xué)者們的努力，現(xiàn)已形成了較為成熟的機(jī)構(gòu)分析的方法和理論。隨著MATLAB的發(fā)展，運(yùn)用MATLAB仿真更加成為了主流方式。第一章 緒論1.1 研究課題的意義平面連桿機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析是不考慮外力對(duì)機(jī)構(gòu)所造成的影響，而僅從幾何角度出發(fā)，根據(jù)已知的原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律（通常假設(shè)為勻速運(yùn)動(dòng)），確定機(jī)構(gòu)其它構(gòu)件上各點(diǎn)的位移、速度、加速度，或構(gòu)件的角位移、角速度、角加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)。無論是分析研究現(xiàn)有機(jī)械的工作性能，還是優(yōu)化綜合新機(jī)械，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析都是十分重要的。 通過MATLAB對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的軌跡和位移分析

6、，可以直觀的觀察到機(jī)構(gòu)上的某構(gòu)件與預(yù)定的位置是否相符、構(gòu)件上某點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡與預(yù)定的軌跡要求是一致，從而可以確定從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)行程，并且可以判斷從動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)過程中是否會(huì)發(fā)生碰撞或者用來確定機(jī)構(gòu)的外形尺寸。通過加速度和速度分析可以了解機(jī)構(gòu)從動(dòng)件的加速度、速度的變化規(guī)律能否達(dá)到工作要求。 在本設(shè)計(jì)課題中通過對(duì)機(jī)構(gòu)的加速度和速度分析，就可以在設(shè)計(jì)牛頭刨床時(shí)延長(zhǎng)刀具壽命；此外還保證了刀具的急回性能，從而提高了生產(chǎn)率。1.2 六桿機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分支的一種，甚至包括了運(yùn)動(dòng)誤差計(jì)算等一系列問題，知曉機(jī)構(gòu)的主動(dòng)輸入和構(gòu)件的尺寸，從中選出最優(yōu)的裝配構(gòu)型，進(jìn)而得到從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)

7、分析，也就是對(duì)機(jī)構(gòu)的位移，加速度，速度等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，這些運(yùn)動(dòng)參數(shù)將能客觀準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)六桿機(jī)構(gòu)的工作性能，運(yùn)動(dòng)效率等參數(shù)。通過對(duì)位移的分析，可以確定一些構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)中所需的運(yùn)行空間和是否在運(yùn)動(dòng)過程中與其他構(gòu)件發(fā)生干涉。通過對(duì)速度的分析，可以確定機(jī)構(gòu)中的從動(dòng)件速度是否滿足工作要求。與此之外，速度分析也是加速度分析和受力分析所必要的一環(huán)。通過對(duì)加速度的分析，可以得知機(jī)構(gòu)的慣性力，在高速行進(jìn)的機(jī)械中，一般要求對(duì)動(dòng)強(qiáng)度，震動(dòng)等力學(xué)性能計(jì)算，這些變量可以說都與動(dòng)載荷有著直接的關(guān)系，所以對(duì)于加速度的分析，也是本文對(duì)于運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算不可缺少的一部分。平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)綜合在工程應(yīng)用中有重要的意義，一直為機(jī)構(gòu)學(xué)領(lǐng)域

8、的經(jīng)典課題之一。較早時(shí)人們主要用幾何圖解法，但是其求解精度和適用范圍都受到了極大的限制。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在軌跡綜合中引入了計(jì)算機(jī)，并開始出現(xiàn)代數(shù)法和優(yōu)化法，把機(jī)構(gòu)學(xué)問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題。1.3本課題的目的本課題的目的是通過編制MATLAB程序，對(duì)牛頭刨床運(yùn)動(dòng)分析和運(yùn)動(dòng)仿真，以此觀察牛頭刨床的運(yùn)動(dòng)特性是否合乎要求。從而全面考察在本科學(xué)習(xí)階段所學(xué)的力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、以及機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的基本知識(shí)和技能，在鞏固所學(xué)專業(yè)課知識(shí)的同時(shí)為以后走上工作崗位提供一次歷練的機(jī)會(huì)，通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠全面考察本科階段的學(xué)習(xí)成果。第二章 牛頭刨床概論2.1牛頭刨床概述2.1.1牛頭刨床簡(jiǎn)介： 牛頭刨床是一

9、種平式小刨床的通俗稱呼, 滑枕帶著刨刀，作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的刨床，因滑枕前端的刀架形似牛頭而得名，主要由床身、滑枕、刀架、橫梁和工作臺(tái)組成。機(jī)床的主參數(shù)是最大刨削長(zhǎng)度。牛頭刨床主要有普通牛頭刨床、仿形牛頭刨床和移動(dòng)式牛頭刨床等。牛頭刨床,依其傳動(dòng)方式可以分為流體式和曲拐式兩種。曲拐式的發(fā)展歷史較早,因其構(gòu)造簡(jiǎn)單,制作容易,目前比較流體式的用得普遍,本文擬談的也偏重這一式。近年來因?yàn)殂姶?磨床的發(fā)展,在生產(chǎn)量較大的工場(chǎng)里,牛頭刨床的作用已經(jīng)不是太明顯。但是在工具工場(chǎng)或雜件廠中,它還是不可或缺的。牛頭刨床主要是用于單件小批生產(chǎn)中刨削中小型工件上的平面、成形面和溝槽?；淼姆祷匦谐趟俣却笥诠ぷ餍谐趟俣扔?/p>

10、于采用單刃刨刀加工，且在滑枕回程時(shí)不切削，因此牛頭刨床的生產(chǎn)率較低。普通牛頭刨床由滑枕帶著刨刀作水平直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，刀架可在垂直面內(nèi)回轉(zhuǎn)一個(gè)角度，并可手動(dòng)進(jìn)給，工作臺(tái)帶著工件作間歇的橫向或垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，常用于加工平面、溝槽和燕尾面等。仿形牛頭刨床是在普通牛頭刨床上增加一仿形機(jī)構(gòu)，用于加工成形表面，如透平葉片。移動(dòng)式牛頭刨床的滑枕與滑座還能在床身（臥式）或立柱（立式）上移動(dòng)，適用于刨削特大型工件的局部平面。牛頭刨床在金屬切削加工中應(yīng)用較廣，適合刨削長(zhǎng)度不超過1000mm的中小型工件。 圖2-1 牛頭刨床2.1.2牛頭刨床特點(diǎn)：牛頭刨床主要用于單件小批量生產(chǎn)中的刨削中小型工件上的平面、成型面和溝槽。

11、他的主要特點(diǎn)有：（1） 牛頭刨床的工作臺(tái)能左右回轉(zhuǎn)角度，工作臺(tái)具有橫向和升降的快速移動(dòng)機(jī)構(gòu)用于刨削傾斜的平面，從而擴(kuò)大了使用范圍。（2） 刨床的進(jìn)給系統(tǒng)采用凸輪機(jī)構(gòu)，有10級(jí)進(jìn)給量。改變走刀量，也非常方便。（3） 牛頭刨床在走刀系統(tǒng)內(nèi)裝有過載安全機(jī)構(gòu)，當(dāng)由于操作不慎或者受到外力影響與切削超載時(shí)，走刀自行打滑，無損機(jī)件保證機(jī)床的正常運(yùn)行。（4） 滑枕和床身導(dǎo)軌間以及其具有速度的齒輪副和主要的滑動(dòng)導(dǎo)軌面，均有油泵打出的潤(rùn)滑油進(jìn)行循環(huán)潤(rùn)滑。（5） 牛頭刨床裝有離合器及控制停車機(jī)構(gòu)，所以在變換速度，啟動(dòng)機(jī)床或停車時(shí)，可不必切斷電源，制動(dòng)停車機(jī)構(gòu)能使滑枕當(dāng)離合器脫開時(shí)其慣性沖量不大于10毫米。 2.2

12、牛頭刨床的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介牛頭刨床的主運(yùn)動(dòng)為滑枕帶動(dòng)刨刀做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其傳動(dòng)路線為：電動(dòng)機(jī)-皮帶輪-齒輪變速機(jī)構(gòu)-曲柄擺桿機(jī)構(gòu)。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)為工作臺(tái)做水平或垂直運(yùn)動(dòng)，其傳動(dòng)路線為：電動(dòng)機(jī)-皮帶輪-齒輪變速機(jī)構(gòu)-棘輪機(jī)構(gòu)-進(jìn)給絲桿-工作臺(tái)。牛頭刨床的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由以下幾種機(jī)構(gòu)組成：(1)齒輪變速機(jī)構(gòu)齒輪變速機(jī)構(gòu)由幾組滑動(dòng)齒輪組成，通過調(diào)整齒輪的不同組合來改變齒輪變速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比，使刨床可以獲得不同的切削速度。(2)曲柄擺桿機(jī)構(gòu)曲柄擺桿機(jī)構(gòu)由擺桿齒輪、擺桿、偏心滑塊組成，其作用是將擺桿齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榛淼闹本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)擺桿齒輪旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，偏心滑塊帶動(dòng)擺桿來回?cái)[動(dòng)一次，與擺桿連接的滑枕就往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次

13、。第三章 計(jì)算機(jī)仿真的概述及MATLAB簡(jiǎn)介3.1計(jì)算機(jī)仿真的介紹 仿真是對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的某一層次抽象屬性的模仿。人們利用這樣的模型進(jìn)行試驗(yàn)，從中得到所需的信息，然后幫助人們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的某一層次的問題做出決策。仿真是一個(gè)相對(duì)概念，任何逼真的仿真都只能是對(duì)真實(shí)系統(tǒng)某些屬性的逼近。仿真是有層次的，既要針對(duì)所欲處理的客觀系統(tǒng)的問題，又要針對(duì)提出處理者的需求層次，否則很難評(píng)價(jià)一個(gè)仿真系統(tǒng)的優(yōu)劣。 4仿真技術(shù)是以相似原理、系統(tǒng)技術(shù)、信息技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ),以計(jì)算機(jī)和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具,利用系統(tǒng)模型對(duì)真實(shí)的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究的一門多學(xué)科的綜合性技術(shù)。就是在模擬環(huán)境下對(duì)真實(shí)環(huán)境下

14、的產(chǎn)品的性能和特征進(jìn)行預(yù)測(cè)。仿真包括建模、施加負(fù)載和約束到預(yù)測(cè)在真實(shí)狀況下的響應(yīng)。 仿真技術(shù)綜合集成了計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、多媒體技術(shù)、圖形圖象技術(shù)、信息處理等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的知識(shí),已經(jīng)發(fā)展成為一門熱門的技術(shù)。 根據(jù)仿真模型類型及實(shí)現(xiàn)方式的不同,仿真技術(shù)經(jīng)歷了以下5個(gè)階段：(1)40年代之前：物理仿真(2)50到60年代：模擬仿真(3)60到70年代：混合仿真(4)70到80年代：數(shù)字仿真(5)80年代之后：基于圖形工作站的三維可是交互仿真1隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析越來越普遍，通過對(duì)牛頓經(jīng)典力學(xué)建立起完整的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)仿真數(shù)學(xué)模型，使用已擁有的計(jì)算機(jī)

15、軟件包，建立機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型，對(duì)機(jī)構(gòu)在實(shí)際使用中的工況進(jìn)行仿真，預(yù)測(cè)其整體性能，進(jìn)而改進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高性能。仿真模擬具有縮短設(shè)計(jì)周期降低設(shè)計(jì)成本，在機(jī)構(gòu)運(yùn)行前預(yù)先評(píng)估設(shè)計(jì)的作用和功效。2借助高速、大存儲(chǔ)量數(shù)字計(jì)算機(jī)及相關(guān)技術(shù)，對(duì)復(fù)雜真實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行過程或狀態(tài)進(jìn)行數(shù)字化模擬的技術(shù)叫做計(jì)算機(jī)仿真，是應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和行為以及參與系統(tǒng)控 制的人的思維過程和行為進(jìn)行動(dòng)態(tài)性比較逼真的模仿。它具有高效、安全、受環(huán)境條件的約束較少、可改變時(shí)間比例尺等優(yōu)點(diǎn)，已成為分析、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、評(píng)價(jià)、培訓(xùn)系統(tǒng)（尤其是復(fù)雜系統(tǒng)）的重要工具。6跟據(jù)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)所能達(dá)到的效果，可以將其分為：虛擬現(xiàn)實(shí)仿真、可視化仿

16、真、數(shù)值仿真。6計(jì)算機(jī)仿真通過建立某一過程和某一系統(tǒng)的模式，來描述該過程或該系統(tǒng)，然后用一系列有目的、有條件的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)來刻畫系統(tǒng)的特征，從而得出數(shù)量指標(biāo)，為決策者提供有關(guān)這一過程或系統(tǒng)得定量分析結(jié)果，作為決策的理論依據(jù)。3 3.2計(jì)算機(jī)仿真的國內(nèi)現(xiàn)狀計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)作為一門新興的高科技技術(shù),在制造業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造,及其他大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的研制開發(fā)過程中,一直是不可缺少的工具,它在縮短開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少損失、節(jié)約經(jīng)費(fèi)等方面發(fā)揮了巨大的作用。在從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造至測(cè)試維護(hù)的整個(gè)生命周期中,計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)貫穿始終。 在我國計(jì)算機(jī)仿真軟件的開發(fā)仍是一個(gè)比較薄弱的環(huán)節(jié)，制約了計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的

17、發(fā)展。在計(jì)算機(jī)輔助分析軟件開發(fā)方面，我國目前至少落后于美國等發(fā)達(dá)國家十年。計(jì)算機(jī)軟件是高技術(shù)和高附加值的商品，目前的國際市場(chǎng)為美國等發(fā)達(dá)國家所壟斷。僅以有限元計(jì)算分析軟件為例，目前的世界年市場(chǎng)份額達(dá)5億美元，并且以每年 15%的速度遞增。相比之下，我國自己民族的軟件工業(yè)還非常弱小，僅占有很少量的市場(chǎng)份額。作為一個(gè)國家，一個(gè)民族不能長(zhǎng)期依賴于引進(jìn)外國的技術(shù)和產(chǎn)品，因此我們必須加大力度開發(fā)自己的計(jì)算機(jī)分析軟件，只有這樣才能改變?cè)诩夹g(shù)上和經(jīng)濟(jì)上受制于人的局面。73.3計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)給我們社會(huì)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的提高帶來了重大的效益，因此計(jì)算機(jī)仿真得到了迅速的發(fā)展?，F(xiàn)在,計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)正

18、從人和計(jì)算機(jī)共同同研究數(shù)學(xué)映射模型為主的方式逐漸向人、信息、計(jì)算機(jī)相融合的智能化、集成化、協(xié)調(diào)化高度一體的仿真發(fā)展。3.4 MATLAB簡(jiǎn)介3.4.1MATLAB概述MATLAB軟件是由美國Math Work公司于1982年推出，它提供了強(qiáng)大的矩陣處理和繪圖功能，主要包括：核心函數(shù)和工具箱。MATLAB是工程中常用的數(shù)學(xué)分析軟件，它的面向?qū)ο蟮钠脚_(tái)能非常容易的實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蠛涂梢暬浖O(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能仿真，依據(jù)實(shí)時(shí)求解位置約束方程組解定出連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)的軌跡，再運(yùn)用差分法和插值法獲得云頂曲線，以面向?qū)ο蟮男问酱罱C(jī)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)常見的連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性分析和仿真。這種方法編

19、程容易實(shí)現(xiàn)，操作簡(jiǎn)單易行，運(yùn)算精度高，并能輸出AVI格式動(dòng)畫，對(duì)于設(shè)計(jì)者簡(jiǎn)化優(yōu)化模型，提高設(shè)計(jì)效率具有很大幫助。12MATLAB被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等工程領(lǐng)域，利用該軟件的仿真工具箱，我們可以再完成設(shè)計(jì)之后，方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)連桿的動(dòng)態(tài)仿真分析，完成對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的設(shè)計(jì)方案以及對(duì)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)性能檢驗(yàn)，可以從眾多的設(shè)計(jì)方案中尋找出最好佳設(shè)計(jì)方案，大大提高設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量。8圖3-4 MATLAB 工作界面MATLAB和Mathematica、Maple、MathCAD并稱為四大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(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

20、界面、連接其他編程語言的程序等，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來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語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,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就

21、可以用。93.4.2主要功能： （1）數(shù)值分析（2）工程與科學(xué)繪圖（3）符號(hào)和數(shù)值計(jì)算（4）控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真（5）數(shù)字圖像和信號(hào)處理（6）通訊系統(tǒng)的仿真與設(shè)計(jì)（7）金融與財(cái)務(wù)工程3.4.3MATLAB優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：(1)易學(xué)易用性：MATLAB不需要用戶有高深的數(shù)學(xué)知識(shí)和程序設(shè)計(jì)能力，不需要用戶深刻了解算法及編程技巧。(2)可擴(kuò)展性：MATLAB最重要的特點(diǎn)是易于擴(kuò)展，它允許用戶自行建立指定功能的M文件。對(duì)于一個(gè)從事特定領(lǐng)域的工程師來說，不僅可利用MATLAB所提供的函數(shù)及基本工具箱函數(shù)，還可方便地構(gòu)造出專用的函數(shù)，從而大大擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍。當(dāng)前支持MATLAB的商用Toolbox(工具箱)

22、有數(shù)百種之多。而由個(gè)人開發(fā)的Toolbox則不可計(jì)數(shù)。 (3)高效性：MATLAB語句功能十分強(qiáng)大，一條語句可完成十分復(fù)雜的任務(wù)。如FFT語句可完成對(duì)指定數(shù)據(jù)的快速傅立葉變換，這相當(dāng)于上百條C語言語句的功能。它大大加快了工程技術(shù)人員從事軟件開發(fā)的效率。據(jù)MATHWOKS公司聲稱，MATLAB軟件中所包含的MATLAB源代碼相當(dāng)于70萬行C代碼。 由于MATLAB具有如此之多的特點(diǎn)，在歐美高等院校，MATLAB已成為應(yīng)用于線性代數(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等高級(jí)課程的基本教學(xué)工具；在研究單位、工業(yè)部門，MATLAB也被廣泛用于研究和解決各種工程問題。當(dāng)前在

23、全世界有超過40萬工程師和科學(xué)家使用它來分析和解決問題。 缺點(diǎn)：(1) MATLAB是一種解釋性語言，因此它的實(shí)時(shí)效率是相當(dāng)差的。(2) MATLAB程序不能脫離其環(huán)境運(yùn)行，因?yàn)镸ATLAB不是計(jì)算機(jī)語言，雖然如今它已經(jīng)可以進(jìn)行編譯，但是還不太方便。第四章 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真4.1 數(shù)學(xué)模型的建立為了對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)分析，根據(jù)牛頭刨床的工作原理，對(duì)其機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，其簡(jiǎn)機(jī)構(gòu)如下圖所示，將各構(gòu)件視為桿矢。并將各桿矢用指數(shù)形式的復(fù)數(shù)表示。圖4-14.1.1位置分析機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4-1所示，由于這里有四個(gè)未知量，為了求解需要建立兩個(gè)封閉矢量方程。由封閉圖形可ABCA可寫出機(jī)構(gòu)一個(gè)封閉矢量方程l6+l1=s3 (4-

24、1) 其復(fù)數(shù)形式表示為 l6ei2+l1ei1=s3ei3 (4-2)將上式實(shí)部和虛部分離，得: l1cos1=s3cos3l6+l1sin=s3sin3 (4-3) 由式4-3得 s3=l1cos12+l6+l1sin123=arcosl1cos1s3 (4-4) 由封閉圖形CDEGC可以寫出機(jī)構(gòu)另一個(gè)封閉矢量方程 l3+l4=l6+sE (4-5)其復(fù)數(shù)表達(dá)式為 l3ei3+l4ei4=l6'ei2+sE (4-6)將上式的實(shí)部和虛部分離，得 l3cos3+l4cos4-sE=0l3sin3+l4sin4=l6' (4-7) 由式（4-7）得 4=arcsinl6'

25、-l3sin3l4sE=l3cos3+l4cos4 (4-8)4.1.2速度分析將式(4-2)和式(4-6)對(duì)時(shí)間t求一次導(dǎo)數(shù)，得速度關(guān)系 il1w1ei1=v23sin3+is3w3ei3il3w3ei3+il4w4ei4=vE (4-9)將上式的實(shí)部和虛部分離，得 l1w1cos1=v23sin3+is3w3ei3-l1w1sin1=v23cos3-s3w3sin3l3cos3+l4w4cos4=0-l3w3sin3-l4sin4=vE (4-10)若用矩陣形式來表示，則上式可寫為cos3-s3sin300sin3s3cos3000-l3sin3-l4sin4-10l3cos3l4cos4

26、0 v23w3w1vE=w1-l1sin1l1cos100 (4-11)4.1.3 加速度分析將式（4-2）和（4-6）對(duì)時(shí)間t求二次導(dǎo)數(shù)，可得加速度關(guān)系表達(dá)式 cos3-s3sin300sin3s3cos3000-l3sin3-l4sin4-10l3cos3l4cos40a23a3a4aE= -w3sin3-v23sin3-s3w3cos300w3cos3v23cos3-s3w3sin3000-l3cos3-l4w4cos400-l3w3sin3-l4w3sin40v23w3w4vE+w1-l1w1cos1-l1w1sin1004.2 計(jì)算實(shí)例如圖 4-1 所示，牛頭刨床主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)個(gè)構(gòu)件的尺

27、寸為：l1=125mm,l3=600mm,l4=150mml6=275mm,l6'=575mm,原動(dòng)件1以勻角速度w1=1rad/s逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)算該機(jī)構(gòu)中各從動(dòng)件的角位移、角速度、和角加速度以及刨頭5上E點(diǎn)的位置、速度和加速度，并繪制出運(yùn)功線圖。第五章 MATLAB模型的構(gòu)建 5.1 程序框圖牛頭刨床主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)MATLAB程序由主程序six_bar_main 和子函數(shù)six_bar兩部分組成。其程序設(shè)計(jì)流程如下圖所示： 開始開始輸入已知參數(shù)，如各構(gòu)件尺寸等輸入已知參數(shù)，如各構(gòu)件尺寸等求解位移表達(dá)式 調(diào)用子函數(shù)求機(jī)構(gòu)的位置、速度和加速度求解速度表達(dá)式用圖形輸出計(jì)算結(jié)果求解加速度表達(dá)式機(jī)

28、構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)束 結(jié)束 子程序框圖 主程序框圖 5.2 子程序部分的解析functiontheta,omega,alpha=six_bar(theta1,omega1,alpha1,l1)l1=l1(1);l3=l1(2);l4=l1(3);l6=l1(4);l61=l1(5);%1計(jì)算角位移和線位移s3=sqrt(l1*cos(theta1)*(l1*cos(theta1)*(l6*l1*sin(theta1)*(l6*l1*sin(thetal)）；%s3表示滑塊2相對(duì)于CD桿的位移theta3=acos(l1*cos(theta1)/s3);%theta3表示桿3轉(zhuǎn)過角度theta4=pi

29、-asin(l61-l3*sin(theta3)/l4);%theta4表示桿4轉(zhuǎn)過角度sE=l3*cos(theta3)+l4cos(theta4);%sE表示桿5的位移theta(1)=s3;theta(2)theta3;theta(3)=theta4;theta(4)=sE;%2計(jì)算角速度和線速度A=sin(theta3),s3*cos(theta3),0,0; %從動(dòng)件位置參數(shù)矩陣-cos(theta3),s3,sin(theta3),0,0;0, l3*sin(theta3),l4*(theta4),1;0,l3*cos(theta3),l4cos(theta4),0;B=l1*co

30、s(theta1);l1*sin(theta);0;0 %原動(dòng)件位置參數(shù)矩陣omega=A(omega1*B);v2=omega(1); %滑塊2的速度omega3=omega(2); %構(gòu)件3的角速度omega4=omega(3); %構(gòu)件4的角速度vE=omega(4) % 構(gòu)件5的速度%3計(jì)算角加速度和加速度A= sin(theta3),s3*cos(theta3),0,0; %從動(dòng)件位置參數(shù)矩陣- cos(theta3),s3,sin(theta3),0,0;0, l3*sin(theta3),l4*(theta4),1;0,l3*cos(theta3),l4cos(theta4),0

31、;At=omega3*cos(theta3),(v2*cos(theta)-s3*omega3*sin(theta3),0,0;-omega3*sin(theta3),(-v2*sin(theta3)-s3*omega3*cos(theta3),0,0;0,l3*omega3*cos(theta3),l4*omega4*cos(theta4),0;0,-l3*omega3*sin(theta3),-l4*omega4*sin(theta4),0; Bt=-l1*omega1*sin(theta1);-l1*omega1*cos(theta1);0;0;Alpha=A(-At*omega*ome

32、ga1*Bt); %機(jī)構(gòu)從動(dòng)件的加速度矩陣a2=alpha(1); %a2表示滑塊2的加速度alpha3=alpha(2); %alpha3表示桿件3的角加速度alpha4=alpha(3); %alpha4表示桿件4的角加速度aE=alpha(4); %構(gòu)件5的加速度5.3 主要程序的執(zhí)行界面圖5-3 MATLAB 程序執(zhí)行主界面通過上圖，可以看出MATLAB的基本操作界面以及運(yùn)行窗口，通過命令的編寫與執(zhí)行，可以得到下圖的結(jié)論，在牛頭刨床機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真中，憑借著MATLAB強(qiáng)大的圖形可視化能力，可以得到實(shí)時(shí)的速度，加速度，位移曲線。不僅如此，在MATLAB的程序編寫同時(shí)，可以實(shí)時(shí)觀察到程序的

33、錯(cuò)誤所在，通過添加不同的標(biāo)注，可以給用戶一個(gè)直觀，準(zhǔn)確的概念，了解到程序的功能，每一步在做什么。在此基礎(chǔ)上，采用子函數(shù)與主函數(shù)的調(diào)用，使程序分工更加明確，語句更加流暢。通過修改子函數(shù)的變量，可以對(duì)多個(gè)機(jī)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行模擬，進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的比較，相比于手工計(jì)算，大大縮短了工程量，減輕了人們計(jì)算的負(fù)擔(dān)。這種可視化的界面，面對(duì)群體廣泛，易上手。也因此成為機(jī)構(gòu)仿真的一大利器。5.3.1 計(jì)算牛頭刨床機(jī)構(gòu)位移，角速度，角加速度在MATLAB中新建M文件 圖5-3-1-1其計(jì)算程序?yàn)椋?1.輸入已知數(shù)據(jù)clear;l1=0.125;l3=0.600;l4=0.150;l6=0.275;l61=0.575;omeg

34、a1=1;alpha1=0;hd=pi/180;du=180/pi;%2.調(diào)用子函數(shù)six_bar計(jì)算牛頭刨床機(jī)構(gòu)位移，角速度，角加速度for n1=1:459; theta1(n1)=-2*pi+5.8199+(n1-1)*hd; ll=l1,l3,l4,l6,l61; theta,omega,alpha=six_bar(theta1(n1),omega1,alpha1,ll); s3(n1)=theta(1); %s3表示滑塊2相對(duì)CD桿的位移 theta3(n1)=theta(2); %theta3表示桿3轉(zhuǎn)過角度 theta4(n1)=theta(3); %theta4表示桿4轉(zhuǎn)過角度

35、 sE(n1)=theta(4); %sE表示桿5的位移 v2(n1)=omega(1); %滑塊2的速度 omega3(n1)=omega(2); %構(gòu)件3的角速度 omega4(n1)=omega(3); %構(gòu)件4的角速度 vE(n1)=omega(4); %構(gòu)件5的速度 a2(n1)=alpha(1); %a2表示滑塊2的加速度 alpha3(n1)=alpha(2); %alpha3表示桿3的角加速度 alpha4(n1)=alpha(3); %alpha4表示桿4的角加速度 aE(n1)=alpha(4); %構(gòu)件5的角加速度end保存后另外重新建立M文件輸入5.2中的子程序，然后回

36、到主程序部分點(diǎn)擊運(yùn)行鍵。主函數(shù)和子函數(shù)的程序需要保存在同一文件夾中，以便運(yùn)行時(shí)調(diào)用子函數(shù)。圖5-3-1-2其在MATLAB中的調(diào)試狀態(tài)如下圖圖5-3-1-35.4牛頭刨床機(jī)構(gòu)位移，角速度，角加速度圖形輸出 5.4.1角位移及位移線圖 角位移及位移圖線程序?yàn)椋?3.位移、角速度、角加速度、和牛頭刨床圖形輸出figure(3);n1=1:459;t=(n1-1)*2*pi/360;subplot; %繪角位移及位移線圖plot(t,theta3*du,'r-.');grid on;hold on;axis auto;haxes,hline1,hline2=plotyy(t,thet

37、a4*du,t,sE);grid on;hold on;xlabel('時(shí)間/s')axes(haxes(1);ylabel('角位移/circ')axes(haxes(2);ylabel('位移/m')hold on;grid on;text(1.15,-0.15,'theta_3')text(3.40,0.27,'theta_4')text(2.25,-0.15,'s_E')其前部程序?yàn)?.3.1所輸入的程序。運(yùn)行結(jié)果如下圖：圖5-4-15.4.2角速度及加速度線圖角速度及速度線圖程序?yàn)椋?1.

38、輸入已知數(shù)據(jù)clear;l1=0.125;l3=0.600;l4=0.150;l6=0.275;l61=0.575;omega1=1;alpha1=0;hd=pi/180;du=180/pi;%2.調(diào)用子函數(shù)six_bar計(jì)算牛頭刨床機(jī)構(gòu)位移，角速度，角加速度for n1=1:459; theta1(n1)=-2*pi+5.8199+(n1-1)*hd; ll=l1,l3,l4,l6,l61; theta,omega,alpha=six_bar(theta1(n1),omega1,alpha1,ll); s3(n1)=theta(1); theta3(n1)=theta(2); theta4(

39、n1)=theta(3); sE(n1)=theta(4); v2(n1)=omega(1); omega3(n1)=omega(2); omega4(n1)=omega(3); vE(n1)=omega(4); a2(n1)=alpha(1); alpha3(n1)=alpha(2); alpha4(n1)=alpha(3); aE(n1)=alpha(4);endsubplot; %繪角加速度及加速度線圖figure(3);n1=1:459;t=(n1-1)*2*pi/360;subplot; plot(t,alpha3,'r-.');grid on;hold on;axi

40、s auto;haxes,hline1,hline2=plotyy(t,alpha4,t,aE);grid on;hold on;xlabel('時(shí)間/s')axes(haxes(1);ylabel('角加速度/radcdots-2')axes(haxes(2);ylabel('加速度/mcdots-2')hold on;grid on;text(1.5,0.3,'alpha_3')text(3.5,0.51,'alpha_4')text(1.5,-0.11,'a_E')其運(yùn)行結(jié)果如下圖所示： 圖5

41、-4-25.4.3角速度及速度線圖角速度及速度線圖程序?yàn)?%1.輸入已知數(shù)據(jù)clear;l1=0.125;l3=0.600;l4=0.150;l6=0.275;l61=0.575;omega1=1;alpha1=0;hd=pi/180;du=180/pi;%2.調(diào)用子函數(shù)six_bar計(jì)算牛頭刨床機(jī)構(gòu)位移，角速度，角加速度for n1=1:459;theta1(n1)=-2*pi+5.8199+(n1-1)*hd;ll=l1,l3,l4,l6,l61; theta,omega,alpha=six_bar(theta1(n1),omega1,alpha1,ll); s3(n1)=theta(1)

42、;theta3(n1)=theta(2);theta4(n1)=theta(3);sE(n1)=theta(4);v2(n1)=omega(1);omega3(n1)=omega(2);omega4(n1)=omega(3);vE(n1)=omega(4);a2(n1)=alpha(1);alpha3(n1)=alpha(2);alpha4(n1)=alpha(3);aE(n1)=alpha(4);endsubplot; %繪角速度及速度線圖figure(3);n1=1:459;t=(n1-1)*2*pi/360;subplot; plot(t,omega3,r-.);grid on;hold

43、 on;axis auto;haxes,hline1,hline2=plotyy(t,omega4,t,vE);grid on;hold on;xlabel(時(shí)間/s)axes(haxes(1);ylabel(角速度/radcdots-1)axes(haxes(2);ylabel(速度/mcdots-1)hold on;grid on;text(3.1,0.35,omega_3)text(2.1,0.1,omega_4)text(5.5,0.45,v_E)其運(yùn)行結(jié)果為：圖5-4-35.5牛頭刨床機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真 5.5.1程序輸入在5.3.1所創(chuàng)立的M文件中繼續(xù)輸如運(yùn)動(dòng)仿真的程序，其程序?yàn)椋簊ub

44、plot(2,2,4); %牛頭刨床機(jī)構(gòu)n1=20;x(1)=0;y(1)=0;x(2)=(s3(n1)*1000-50)*cos(theta3(n1);y(2)=(s3(n1)*1000-50)*sin(theta3(n1);x(3)=0;y(3)=16*1000;x(4)=l1*1000*cos(theta1(n1);y(4)=s3(n1)*1000*sin(theta3(n1);x(5)=(s3(n1)*1000+50)*cos(theta3(n1);y(5)=(s3(n1)*1000+50)*sin(theta3(n1);x(6)=13*1000*cos(theta3(n1);y(6)

45、=13*1000*sin(theta3(n1);x(7)=13*1000*cos(theta3(n1)+14*1000*cos(theta4(n1);y(7)=13*1000*sin(theta3(n1)+14*1000*sin(theta4(n1);x(8)=13*1000*cos(theta3(n1)+14*1000*cos(theta4(n1)-900;y(8)=161*1000;x(9)=13*1000*cos(theta3(n1)+14*1000*cos(theta4(n1)+600;y(9)=161*1000;x(10)=(s3(n1)*1000-50)*cos(theta3(n1

46、);y(10)=(s3(n1)*1000-50)*sin(theta3(n1);x(11)=x(10)+25*cos(pi/2-theta3(n1);y(11)=y(10)-25*sin(pi/2-theta3(n1);x(12)=x(11)+100*cos(theta3(n1);y(12)=y(11)+100*sin(theta3(n1);x(13)=x(12)-50*cos(pi/2-theta3(n1);y(13)=y(12)+50*sin(pi/2-theta3(n1);x(14)=x(10)-25*cos(pi/2-theta3(n1);y(14)=y(10)+25*sin(pi/2

47、-theta3(n1);x(15)=x(10);y(15)=y(10);x(16)=0;y(16)=0;x(17)=0;y(17)=16*1000;k=1:2;plot(x(k),y(k);hold on;k=3:4;plot(x(k),y(k);hold on;k=5:9;plot(x(k),y(k);hold on;k=10:15;plot(x(k),y(k);hold on;k=16:17;plot(x(k),y(k);hold on;grid on;axis(-500 600 0 650);title('牛頭刨床運(yùn)動(dòng)仿真');grid on;xlabel('mm

48、')ylabel('mm')plot(x(1),y(1),'o');plot(x(3),y(3),'o');plot(x(4),y(4),'o');plot(x(6),y(6),'o');plot(x(7),y(7),'o');hold on;grid on;xlabel('mm')ylabel('mm')axis(-400 600 0 650);%4牛頭刨床機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真figure(2)m=moviein(20);j=0; for n1=1:5:360j=j

49、+1;clf;x(1)=0;y(1)=0;x(2)=(s3(n1)*1000-50)*cos(theta3(n1); y(2)=(s3(n1)*1000-50)*sin(theta3(n1);x(3)=0;y(3)=l6*1000 x(4)=l1*1000*cos(theta1(n1);y(4)=s3(n1)*1000*sin(theta3(n1);x(5)=(s3(n1)*1000+50)*cos(theta3(n1);y(5)=(s3(n1)*1000+50)*sin(theta3(n1);x(6)=l3*1000*cos(theta3(n1);y(6)=l3*1000*sin(theta

50、3(n1);x(7)=l3*1000*cos(theta3(n1)+l4*1000*cos(theta4(n1);x(7)=l3*1000*cos(theta3(n1)+l4*1000*cos(theta4(n1);y(7)=l3*1000*sin(theta3(n1)+l4*1000*sin(theta4(n1);x(8)=l3*1000*cos(theta3(n1)+l4*1000*cos(theta4(n1)-900;y(8)=l61*1000;x(9)=l3*1000*cos(theta3(n1)+l4*1000*cos(theta4(n1)+600;y(9)=l61*1000;x(10)=(s3(n1)*1000-50)*cos(theta3(n1);y(10)=(s3(n1)*1000-50)*sin(theta3(n1);x(11)=x(10)+25*cos(pi/2-theta3(n1);y(11)=y(10)-25*sin(pi/2-theta3(n1);x(12)=x(11)+100*cos(theta3(n1);y(12)=y(11)+100*sin(theta3(n1);x(13)=x(12)-50*cos(pi/2-theta3(n1);y(13)=y(12)