張帆

【摘 要】本文針對(duì)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的教學(xué)現(xiàn)狀，應(yīng)用數(shù)值仿真技術(shù)，開發(fā)了鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)仿真，可繪制機(jī)構(gòu)的位移、速度和加速度線圖，查看連桿曲線。通過(guò)軟件界面，可以方便地更改機(jī)構(gòu)參數(shù)，獲得不同運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)構(gòu)。對(duì)調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性、提高教學(xué)效率具有良好的效果，適用于機(jī)械原理的仿真實(shí)驗(yàn)和教學(xué)演示。

【關(guān)鍵詞】四桿機(jī)構(gòu)；仿真；GUI；MATLAB

中圖分類號(hào)： TH111 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(jī)構(gòu)是機(jī)械原理課程的重要組成部分，不僅理論性強(qiáng)，而且分析、計(jì)算復(fù)雜，歷來(lái)是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)教學(xué)主要有圖解法和解析法[2，3]，前者概念清晰，求解直觀，但準(zhǔn)確性較差。鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)存在解析解，但求解公式較復(fù)雜，參數(shù)較多。教學(xué)實(shí)踐中多以圖解法為重點(diǎn)，解析法為了解的內(nèi)容。在這種條件下，學(xué)生對(duì)解析法往往心存畏懼，編制程序的難度較大，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力。為此，本文針對(duì)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的教學(xué)現(xiàn)狀，應(yīng)用數(shù)值仿真技術(shù)，開發(fā)了鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)踐表明，該平臺(tái)對(duì)調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性、提高教學(xué)效率具有良好的效果。

1 GUI界面設(shè)計(jì)

本文所開發(fā)的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，應(yīng)用MATLAB的GUIDE開發(fā)環(huán)境完成界面設(shè)計(jì)[4]。在該環(huán)境下，用戶可以通過(guò)鼠標(biāo)將相應(yīng)UI組件拖放至圖形窗口，并設(shè)置其外觀屬性[5]，實(shí)現(xiàn)GUI界面設(shè)計(jì)，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(biāo)系組件等。文本框主要用于設(shè)置機(jī)構(gòu)參數(shù)，單選按鈕用于選擇是否繪制M點(diǎn)軌跡，命令按鈕用于實(shí)現(xiàn)各種仿真功能，坐標(biāo)系組件axes1用于顯示機(jī)構(gòu)仿真的動(dòng)畫。

2 程序代碼設(shè)計(jì)

完成GUI界面設(shè)計(jì)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(diào)函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn)。程序需要響應(yīng)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(yùn)行時(shí)發(fā)生一次，該處理函數(shù)主要是為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)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(zhǎng)AD輸入框初始值為100，則相應(yīng)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(yīng)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(yùn)動(dòng)仿真”按鈕為例，其函數(shù)原型為function pushbutton_sim_Callback（hObject，eventdata，handles），相應(yīng)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(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真數(shù)據(jù)的計(jì)算，simmotion則應(yīng)用仿真數(shù)據(jù)，繪制鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)仿真動(dòng)畫。變量handles將兩個(gè)函數(shù)聯(lián)系起來(lái)，完成數(shù)據(jù)交換。

3 數(shù)值計(jì)算

4 程序運(yùn)行

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行界面如圖2所示。點(diǎn)擊運(yùn)動(dòng)仿真按鈕，可在“仿真動(dòng)畫”窗口實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)仿真，并繪出連桿上任意一點(diǎn)M的軌跡曲線（連桿曲線）；改變機(jī)構(gòu)參數(shù)和M點(diǎn)位置，可得到不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和不同的連桿曲線。

通過(guò)點(diǎn)擊運(yùn)行界面的相應(yīng)按鈕可獲得BC、CD桿的轉(zhuǎn)角，角速度和角加速度，如圖3，4，5所示。

5 結(jié)論

本文基于MATLAB的GUI開發(fā)環(huán)境，應(yīng)用數(shù)值仿真技術(shù)，開發(fā)了鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)仿真，可繪制機(jī)構(gòu)的位移、速度和加速度線圖，可方便的查看連桿上任意點(diǎn)的軌跡曲線。通過(guò)軟件界面，可以方便地試驗(yàn)機(jī)構(gòu)參數(shù)，獲得不同運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)構(gòu)。對(duì)調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性、提高教學(xué)效率具有良好的效果，適用于機(jī)械原理的仿真實(shí)驗(yàn)和教學(xué)演示。

【參考文獻(xiàn)】

[1]熊艷紅，朱志強(qiáng).一種動(dòng)感的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究綜述[J].科技視界，2017，8：65.

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