基于MATLAB的曲柄滑块机构模拟与仿真

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本科生毕业设计

基于MATLAB的曲柄滑块机构模拟与仿真

Based on the MATLAB slider-crank mechanism modeling and simulation

基于MATLAB的曲柄滑块机构模拟与仿真

摘要

用曲柄和滑块来实现转动和移动相互转换的平面连杆机构，也称曲柄连杆机构。曲柄滑块机构中与机架构成移动副的构件为滑块，通过转动副联接曲柄和滑块的构件为连杆。曲柄滑块机构广泛应用于往复活塞式发动机、压缩机、冲床等的主机构中。是机械传动中必不可少的组成部分。MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB 函数集）扩展了MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。可以方便地实现对机构的运动分析及模拟。

本设计应用MATLAB GUI设计工具和M程序结合，进行平面四杆机构的运动分析，通过GUI实现界面的设计，通过M程序完成程序的编制和调试，并通过接口实现了滑块机构的运动分析及模拟，界面运行时判断出机构类型并显示从动杆、滑块的瞬时角速度、瞬时角加速度、极位夹角、最小传动角及反正行程速比系数。

关键词：滑块机构、MATLAB、GUI

Based On the MATLAB Slider-crank Mechanism

Modeling And Simulation

Wang yun

Faculty of Engineering and Technology Yunan Agricultural University，Heilongtan Kunming 650201

ABSTRACT

And with the crank slider to realize the rotation and mobile transformation planar linkage mechanism, also say to crank rod system. Slider-crank mechanism with a frame in the movement, component for the slider, through the rotation crank slider and vice connection of components for connecting rod. Slider-crank mechanism is widely used in reciprocating compressor, piston engines, the institutions of the punches, etc. Is the mechanical transmission in the indispensable part.MATLAB application range is very wide, including signal and image processing, communication, control system design, test and measurement, financial modeling and analysis and computational biology for many applications. Additional toolbox (provide individual special MATLAB function set) expanded the MATLAB environment, in order to solve these applications in the particular type of problem. It can realize the movement of the mechanism analysis and simulation.

This design MATLAB GUI design tools and M program combination, the movement of planar four-bar linkage analysis, through the GUI realize interface design, through the M program complete programming and commissioning, and through the interface implementation the slider mechanism analysis and simulation of movement, interface operation mechanism type and judge the pole, the slider shows the driven the instantaneous angular velocity, instantaneous Angle acceleration, extreme position Angle, minimum transmission Angle and anyway, the stroke ratio coefficient.

Keywords: slider mechanism, MATLAB, GUI

目录

摘要 (Ⅰ)

ABSTRACT (Ⅱ)

目录 (Ⅳ)

图目录 (Ⅴ)

前言 (1)

第一章、概述 (2)

1.1 滑块机构的相关知识……………………………………………………….

1.1.1 四连杆机构的基本特点 (4)

1.1.2 平面四杆机构的运动特性 (5)

1.1.3 四连杆机构的现状 (6)

1.1.4 四连杆机构的基本形式 (6)

1.2 曲柄滑块机构的相关知识 (7)

1.2.1 曲柄滑块机构的特性及运用 (7)

1.2.2 曲柄滑块机构的分类 (8)

1.3 用软件进行机构运动学分析的现状和趋势 (9)

1.4 使用MATLAB/SIMLINK的优势 (9)

1.5 MATLAB/SIMULINK 的特点 (10)

第二章、设计任务分析 (11)

2.1 课题的背景和意义 (11)

2.2 设计内容和任务 (12)

2.3 实现技术路线 (12)

2.4 关键问题和难点分析 (12)

2.5 设计结果和应用 (13)

第三章、程序设计与实现 (14)

3.1 系统组成 (14)

3.1.1 Simulink系统 (14)

3.1.2 SimMechanics (14)

3.2 程序设计与实现 (15)

3.3 基于运动学的模拟模型建立 (15)

3.4 参数设计 (19)

3.5 仿真结果及图像显示 (23)

第四章、设计结果分析 (27)

4.1 软件的使用方法 (27)

4.2 存在的缺点和今后改进的方向 (27)

第五章设计心得 (28)

参考文献 (29)

致谢 (30)

图目录

图1常见四杆机构 (2)

图2铰链四杆机构演化为曲柄滑块机构示意图 (3)

图3曲柄滑块机构 (9)

图4对心曲柄滑块机构 (10)

图5偏置曲柄滑块机构 (11)

图6偏心轮机构 (13)

图7曲柄滑块机构运动简图 (14)

图8 Simulink界面展示图 (14)

图9曲柄滑块机构运动简图 (15)

图10 new mode (15)

图11 SimMechanics (15)

图12 bodies (16)

图13 Joints (16)

图14Sensors Actuators (17)

图15曲柄滑块机构仿真框图 (17)

图16 Ground模块模块 (18)

图17Revolute模块 (19)

图18 Body模块 (19)

图19 Prismatic模块 (20)

图20 传感器模块 (20)

图21 Joint Initial Condition模块 (21)

图22 Scope模块设置 (21)

图23 机械环境模块 (22)

图24 仿真结果的动画显示 (22)

图25滑块机构的位移图 (23)

图26滑块速度图 (23)

图27滑块加速度图 (24)

图28中心点轨迹 (24)

第一章概述

1.1 四连杆机构的相关知识

平面四杆机构是由四个刚性构件用低副链接组成的，各个运动构件均在同一平面内运动的机构。连杆机构的应用十分广泛，它不仅在工程机械中而且在农业和现实生活中也有广泛的应用。诸如牛头刨床、脚踏式脱粒机、机车车轮联动机构、鹤式起重机、颚式破碎机、人造卫星太阳能板的展开机构、机械手的传动机构，折叠伞的收放机构及人体假肢等也都拥有连杆机构，连杆机构的共同特点是原动件的运动都要经过一个不与机架直接相连的中间构件（称为连杆）才能传动到从动件故称为连杆机构。连杆机构根据杆长的不同可分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构以及演变后的曲柄滑块机构，分析这些机构特征的参数主要有动态参数（角速度、角加速度）和静态参数（正反行程速比系数、最小传动角、极位夹角）等。

1.1.1 四连杆机构的基本特点:

1）连杆机构中的运动副一般均为低副（故又称其为低副机构lower pair mechanism）。其运动副元素为面接触，压力较小，承载能力较大，润滑好，磨损小，加工制造容易，且连杆机构中的低副一般是几何封闭，对保证工作的可靠性有利。

2）在连杆机构中，原动件的运动规律不变，可用改变各构件的相对长度来使从动件得到不同的运动规律。

3）在连杆机构中，连杆上各点的轨迹是各种不同形状的曲线（称为连杆曲线coupler-point carve），其形状还随着各构件相对长度的改变而改变，故连杆曲线的形式众多，可用来满足一些特定工作的需要.

1.1.2平面四杆机构的运动特性

格拉霍夫定理

1) 杆长之和条件：平面四杆机构的最短杆和最长杆的长度之和小于或者等于其余两杆长度之和。

2)在铰链四杆机构中，如果某个转动副能够成为周转副，则它所连接的两个构件中，必有一个为最短杆，并且四个构件的长度关系满足杆长之和条件。

3)在有整装副存在的铰链四杆机构中，最短杆两端的转动副均为周转副。此时，如果取最短杆为机架，则得到双曲柄机构；若取最短杆的任何一个相连杆为机架，则得到曲柄摇杆机构；如果取最短杆对面构件为机架，则得到双摇杆机构。

4) 如果四杆机构不满足杆长条件，则不论选取哪个构件为机架，所得到机构均为双摇杆机构。

上述系列结论称为格拉霍夫定理。

急回运动特性

在曲柄摇杆机构中，当摇杆位于两个极限位置时，曲柄两个对应位置夹的锐角被称为极位夹角。用表示通常用行程速度变化系数K来衡量急回运动的相对程度。偏置曲柄滑块机构和摆动导杆机构同样具有急回特性。对心曲柄滑块机构无急回特性。

1.1.3 四连杆机构的现状:

利用连杆机构还可很方便地用来改变运动的传递方向、扩大行程、实现增力和远距离传动等目的。虽然可以利用连杆机构来满足一些运动规律和运动轨迹的设计要求，但其设计十分繁难，且一般只能近似地得以满足。正因如此，所以如何根据最优化方法来设计连杆机构，使其能最佳的满足设计要求，一直是连杆机构研究的一个重要课题。近年来对平面连杆机构的研究，不论从研究范围上还是方法上都有很大进展。注意到对多杆多自由度平面连杆机构的研究，并提出了一些有关这类机构的分析及综合的方法。在设计要求上已不再局限于运动学要求，而是同时兼顾机构的动力学特性，特别是对于高速机械，考虑构件弹性变形的运动弹性动力学（KED）已得到很快的发展。在研究方法上，优化方法和计算机辅助设计的应用已成为研究连杆机构的重要方法，并已相应地编制出大量的，适用范围广、计算机时少、使用方便的通用软件。随着计算机的发展和现代数学工具的日益完善，以前不易解决的复杂平面连杆机构的设计问题，正在逐步获得解决。

1.1.4四连杆机构的基本形式:

图1常见四杆机构

1）曲柄摇杆机构

铰链四杆机构的两个连架杆中，若其一为曲柄，另一为摇杆（图 1 a），则称其为曲柄摇杆机构（crank-rocker mechanism）。在曲柄摇杆机构中，若以曲柄为原动件时，可将曲柄的连续运动转变为摇杆的往复摆动；若以摇杆为原动件时，可将摇杆的摆动转变为曲柄的整周转动。

2）双曲柄机构

若铰链四杆机构中的两个连架杆均为曲柄（图 1 b），则称其为双曲柄机构（double-crank mechanism）。在此机构中，当主动曲柄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（double-rocker 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

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（slider-crank mechanism）（图3）。其中图(a)为具有偏距e的偏置曲柄滑块机构(offset slider-crank mechanism)；图(b)为无偏距的对心曲柄滑块机构(centric slider-crank 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

1.2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。

1.2.1 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。

1.2.2 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

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

1.3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。

1.4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！

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。

1.5 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

2.1 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的工作，使机构学研究人员可以方便的进行运动仿真，仿真

结果的实时动画显示，更有利于对机构运动的理解，并能和虚拟现实工具箱结合，得到更具有真实感的虚拟现实场景。运用软件进行机械机构的模拟仿真已成未来机械发展的方向。本次课题研究的就是运用软件模拟仿真平面连杆机构，这对机械的优化设计具有重要的意义.在计算机技术飞速发展的今天，许多科学研究、工程设计由于其复杂性越来越高，因此与计算机的接合日趋紧密。也正是计算机技术的介入，改变了许多学科的结构、研究内容和研究方向，以前人们主要利用几何图解法，但其求解精度和使用范围都受到很大的限制，图解法形象直观,但精度不高,难以求解复杂机构.

2.2设计任务和内容

运用SimMechanics 动态仿真工具，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。

以MATLAB的simulink\simMechanics动态模拟仿真工具为平台，建立了平面四连杆机构动力学分析与动态模拟软件，运用分析与动态模拟软件，对曲柄滑块机构进行运动分析.

2.3实现的技术路线

1)MATLAB软件的安装;

2)机构的系统仿真

根据曲柄滑块机构的示例,作出机构的运动简图.

3)模块的选择

从Simlink工具以及SimMechanics中选择需要的模块，然后拖至建立好的new model窗口中.

4)仿真框图绘制

把各模块按照一定的次序连接起来，连接的过程中要参照机构的模型连接.

5)模块参数设置

设置各模块参数，根据机构的各杆长度，计算出连接点的坐标以及杆件的质心坐标，并对应填写，其中杆件默认有三个坐标系，刚体重心坐标系（CG）和两个附加坐标系CS1和CS2.

6)运行仿真

点击运行按钮，进行仿真.

7)查看仿真结果

通过查看动画演示图以及Scope中的运动副的位移图，速度，加速度图对机构进行分析.

2.4关键问题和难点分析

曲柄滑块机构的数学建模

曲柄滑块机构设计如图，整个连杆机构的几何尺寸在图中给出，曲柄A B 的长度为L1，与水平方向的初始夹角为i，角速度为W ，端点B 处的线速度为vb; 连杆BC 的长度为L2，与水平方向的初始夹角为θc ，速度为vc;

图7 曲柄滑块机构运动简图

以A点为原点可以得到如下结论:

B点的坐标B(0，L1)

AC= L3

C点的坐标为C（L3,0）

角c的角度由正弦定理得

C点的速度V C为

V C = V B×W×la/ cosθ

C点的加速度a C

即对V C求导可得

2.5设计的结果和运用

使用同样的方法，可以对四杆机构、齿轮机构等其他类似机构进行运动分析。与其他通过编程实现的运动分析仿真方法相比，采用SimMechanics 使原来看起来很复杂的机构系统仿真问题可以很容易地解决，并可以得出漂亮的虚拟现实动画演示。应用MATLAB编写的机构运动分析软件对机构动分析和参数计算具有简便易行的特点，既能提高设计质量和设计精度，又能有效的控制好各个参数，达到期望的设计目的；根据仿真出来的速度，加速度，起到很好的反馈作用，仿真出来的轨迹点可以帮助设计者有效的控制连杆运行的角度范围，取得有利的传动角，获得较大的机械利益；若设计的四连杆机构不能较好的满足机械工程的要

求，可以考虑在四连杆机构的基础上衍生出六连杆机构，更好的满足设计要求；该设计模式可以应用在各种四连杆机构，也可以对连杆机构的研究作为参考，具有一定的实用性，通用性。它具有系统建模方便直观、仿真功能强大、自动模型分析等优势、不需要编程，可很好地对机械系统的各种运动进行分析，从而为机械系统的建模仿真提供一个强大而方便的工具。

第三章程序的设计与实现

3.1系统的组成

1）Simulink系统

Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink

Simulink工具的界面展示如下图：

图8 Simulink界面展示图

2）SimMechanics

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。

3.2 程序的设计实现

1）机构的运动分析

曲柄滑块机构是机械设计中常用的一种机构，机构运动分析就是根据给定的原动件运动规律，求出机构中其他构件的运动。如果铰链四杆机构的各杆长度满

足杆长条件，则有。通过分析可以确定某些构件运动所需的空间，校验它们运动是否干涉，运动轨迹仿真动画则更为形象直观;速度分析可以确定机构从动件的速度是否合乎要求;加速度分析为惯性力计算提供加速度数据。

2）机构系统仿真框图绘制

曲柄滑块机构的运动简图，假设曲柄AB 绕A 点以ω的角速度旋转，分析滑块的运动情况。用SimMechanics 中提供的模块，先绘制出固定机架，用刚体模块组中的Ground 模块来表示，然后从Joints 模块组中复制Revolute 模块，构造出第1 个转动副，依此类推，就可以将所需的模块都复制到此模型窗口中。复制完模块后，用类似于普通Simulink 模块连接的方法，就可以将这些模块连接起来。

图9 曲柄滑块机构运动简图

3.3 基于运动学的模拟模型建立

打开Simulink，点击new model出现如下图所示窗口：

图10 new model

打开SimMechanics窗口（或输入mechlib 命令）可得到下图：

图11 SimMechanics

双击bodies，可以打开下图：

图12 bodies

选择Machine Environment，Ground，Body三个模块，拖至newmodel中双击Joints如下图：

图13 Joints

选择Revolute，prismatic 模块，拖至new model中

双击Sensors Actuators如下图：

图14 Sensors Actuators

选择Joint Sensor 模块和Joint Initial Condition模块拖至new model中

然后再Simulink中找到scope 模块 XY Graph模块和step 模块拖至new model中；

然后依次连接各模块，可以得到下图：

图15 曲柄滑块机构仿真框图

3.4 模块参数的设置

1）Ground模块：

双击Ground模块：如下图输入参数，Ground A并复选Show Machine Environment选项。

图16 Ground模块

2）Revolute模块：

在Number of Sensor/actuatorPorts对话框中为需要添加一个传感器或激励器接口的，对话框中选择1。在Parameters-Axes对话框中输入[0 0 1]设置转动轴矢量为[0 0 1]，即Body与Ground模块间绕连接点坐标系的Z轴相对转动。

图17 Revolute模块

3）Body模块：

1）质量属性——质量和惯性张量：Mass（质量）设置参数如图。

2）刚体坐标系统——定义坐标的位置和方向。

随动坐标固定在刚体上并随着刚体一起运动，刚体最少有一个坐标，并且坐标的原点在重心。默认有三个坐标系，刚体重心坐标系（CG）和两个附加坐标系CS1和CS2，分别固定在重心和刚体的两端。并可通过操作增加和删除坐标系。

图18 Body模块

4）Prismatic模块设置如下：

在Parameters-Axes对话框中输入[1 0 0设置转动轴矢量为[1 0 0]，即Body与Ground模块间沿着X轴方向平行移动。在Prismatic模块设置中需接入传感器把number of sensor/actuator ports 中改为1.

图19 Prismatic模块

5）传感器模块：

模块设置如图，在原始输出值选项区内选中角位移（Angle）、角速度（Angle velocity）和角加速度(Acceleration)，单位分别为deg、deg/s，deg/s^2，并取消下端Output selected parameters as one signal选项，这样输出两个值就会有对应的两条信号线。

在需要输出相应的图像时，可以在前面的框中选中，可以同时选择几个来显

示相关图像。

图20传感器模块

6）Joint Initial Condition模块：

模块设置如图

图21 Joint Initial Condition模块

7）Scope模块

双击打开模块，单击按钮，弹出设置框，在General区内Numbleof axes 设置框内输入1，单击OK后示波器模块将变成如下图的双波形图。

图22 Scope模块设置

8）机械环境模块：

打开机械环境模块参数对话框，保持默认值如图示：

图23 机械环境模块

3.5 仿真结果及图像显示

1、滑块的图像显示

1）曲柄滑块机构仿真结果

参数设置之后运行得到仿真结果，曲柄滑块机构运行之后得到如下图所示界面：

图24 仿真结果的动画显示

2）在Scope中可以查看出运动副的位移图，速度图以及加速度图，因为参数设计时为了更清楚的看到运动副的位移图，速度图，加速度图，只选了其中一种显示，要查看其他的图像，只要在换其他选项即可。

滑块机构的位移图显示为：

图25 滑块机构的位移图

3）滑块速度图

图26 滑块速度图

5）滑块加速度图

图27 滑块加速度图

2、从动(AB)杆图像的显示

1）中心点轨迹

图28 中心点轨迹

2）也可以用来比较同一杆两个点的运动状态，如：

图29 同一杆两个点的运动状态

第四章设计结果分析

1、软件使用方法

MATLAB的simulink\simMechanics动态模拟仿真工具为平台，建立了平面四连杆机构动力学分析与动态模拟软件，运用分析与动态模拟软件，对双摇杆机构和曲柄滑块机构进行运动分析，即可得到结果，将运行结果与设计要求相比较，从而引导设计者修改设计，其中simulink和SimMechanics工具的运用较多，具体方法如下：

（1）掌握MATLAB的基本使用方法

（2）掌握simulink的基本操作

（3）熟练查找SimMechanics中的各模块

（4）掌握SimMechanics中各模块的运用

（5）熟悉模块参数设置

2、存在的缺点和今后改进的方向

此次用到的程序达到了基本的运算分析仿真功能，但是在人机更高水平的互动上尚有待提高和完善。另外MATLAB和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。由于MATLAB的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行，所以速度较慢。

在现实生活和实际应用中平面四杆机构和曲柄滑块机构虽然简单，制造比较方便但其性能有很多的局限性，有时四按机构远远不能满足应用需求，为了需要有时必须采用六杆机构、八杆机构和多杆机构，由于时间和能力关系这次软件设计没有考虑多杆机构的相关设计。由于MATLAB软件容量较大，对硬件的要求程度也相对较高，它和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。由于MATLAB 软件得组件繁多，由于安装等其他因素会造成插件丢失等问题，可能导致软件运行失败，该软件也必须依附于MATLAB才能运行和完成计算任务。由于能力关系该软件没有经过加密和封装，使用人员由于操作失误会更改软件内部的参数和