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首页Matlab助力平面机构分析:通用矩阵解析法与应用
本文档深入探讨了"基于Matlab的平面机构分析解析法"这一主题,针对机构学研究中面临的挑战,如数据处理量大、推导过程复杂且易出错的问题。传统的机构分析往往涉及复杂的矩阵运算,这使得研究人员寻求一种通用且高效的解决方案。作者选择Matlab作为工具,因为其强大的矩阵运算功能和优化工具箱,能极大地简化计算过程。 首先,论文以平面连杆机构为例,涵盖了其运动分析,包括但不限于位置、速度和加速度的计算。通过矩阵解析方法,作者避免了繁琐的手动展开操作,实现了对连杆机构运动规律的精确计算。这种方法不仅提高了计算效率,还降低了出错的可能性。 其次,文章扩展到平面连杆机构的类型判断与设计,利用Matlab的优化工具进行结构优化,旨在提高机构的性能和效率。同时,对于动态静力分析,文中讨论了如何运用数值解法处理多体系统中的力和运动关系,确保了结果的准确性。 此外,论文还探讨了单自由度机械系统的运动控制和速度波动调节,以及凸轮机构的设计,这些都充分利用了Matlab的矩阵运算和自动化特性。通过实例,展示了如何将Matlab技术应用于实际机械工程问题中,从而实现参数化设计和问题的快速解决。 总结来说,这份硕士论文提供了一种基于Matlab的平面机构分析新方法,它简化了机构学研究中的复杂计算,提高了分析的准确性和效率。这对于机构设计人员、科研工作者以及工程教育者来说,是一份极具价值的参考资料,因为它不仅提升了分析效率,还在一定程度上推动了机械工程领域的创新。通过这种通用且强大的工具,可以有效地应对现代机构学领域日益增长的数据处理需求。
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西华大学硕士学位论文
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4 平面连杆机构的类型判断、设计及优化
4.1 连杆机构概述
随着机械工业的发展,连杆机构在我们的日常生活、科研中随处可见,它不仅在工
农业机械、军事机械等如:工业机器人的手臂、飞机起落架等领域得到了广泛的应用。
所有的连杆机构不约而同都有一个特点,所有设计正确的原动件的运动都要经过不直接
与机架相连接的一个中间构件,我们称之为连杆(coupler),这种正确的结构才能够
传动从动件,我们称之为连杆机构(linkage mechanism)。本章以平面四杆机构为例,
对不同情况的四杆机构用 Matlab 进行尝试性编程的类型判断、分析和求解及优化,提
出一个系统的解决方法。
4.1.1 平面连杆机构的传动特点
连杆机构一般被称为低副机构(lower pair mechanism),是由于构成机构的运动
副多为低副。它的传动特点有以下几点:
⑴运动副接触为面接触,承载能力大,所受压力小,容易加工制造,具有良好的润
滑性,且低副构成了封闭几何区间保证了工作的可靠性。
⑵能够在原动件运动规律不变的情况下改变从动件的相对长度,以改变其运动规
律。这些构件的曲线(coupler-point curve)运动形式多样,可以满足特殊工作需求。
4.1.2 平面四杆机构的分类
根据单一构件的运动规律,我们一般将能够做整周回转运动的杆为曲柄(crank),
只能在一定范围内做来回摆动的杆我们称为摇杆(rocker),与机架相连的杆我们称之
为连架杆(side link)。
因此,我们可以根据上述对杆的定义,来命名平面四杆机构。根据整个构件的运动
规律,我们可以将其分为以下三类:
⑴曲柄摇杆机构
如下图所示,平面四杆机构分别由一个曲柄、摇杆所组成,这种机构我们称之为曲
柄摇杆机构。其运动特点是:如果主动件为曲柄,主动件的连续圆周运动将带动从动件
做往复摆动(如图 a 所示);反之,若主动件为摇杆时,主动件的摆动运动将转变为从
动件的整周回转运动。
a
⑵双曲柄机构
基于 Matlab 的平面机构分析解析法
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在铰链四杆机构中,两个连架杆均为做整周运动的曲柄时,则称该机构为双曲柄机
构(double-crank mechanism)。该机构的运动特性为主动件匀速转动时,从动件做变
速运动(如图 b 所示)。
b
⑶双摇杆机构
如果该铰链四杆机构的主动件和从动件都为摇杆,运动方式都是在一定范围内做摆
动运动(如鹤式起重机主体机构),我们将之称为双摇杆机构(double-rocker
mechanism)。
c
4.2 判断铰链四杆机构方法
根据平面四杆机构的三种基本类型,我们可以通过几何关系,并且由各杆的长度来
判断四杆机构的运动类型。
如上图所示:若昀短
1
l
和昀长杆
3
l 的代数和小于或等于剩余两杆之和,且昀短杆为
机架或连架杆时,根据以下数学推导公式,即:
图 4.1 铰链四杆机构
Fig. 4.1 The revolute 4-bar mechanism
西华大学硕士学位论文
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;
;
;
;
;
;
41
31
21
3241
4231
4321
ll
ll
ll
llll
llll
llll
我们可以得到下述结论:
⑴如果四个转动副都是摆动副,且平面铰链四杆机构没有达到杆长之和条件时,不
论机架为哪个构件,该机构为双摇杆机构;⑵如果昀短杆为连架杆,且该铰链四杆机构
满足杆长之和条件,则整转副均为连架杆上的两个转动副,且剩下的转动副都是摆动副,
该机构为曲柄摇杆机构;⑶如果与昀短杆位置相对的杆为机架,且其他条件均与⑵中相
同,即昀短杆上的两个转动副都是整转副,其余转动副均为摆动副,该机构为双摇杆机
构;⑷如果昀短杆为机架,其余条件均与⑵中一样,摆动副为昀短杆上的两个转动副,
其余转动副均为转动副,该机构为双曲柄机构。
其逻辑推断具体如下:
第①步,根据输入各个杆长的数据,判断该铰链四杆机构的两组活动构件其对边长
度是否相等,如果相等,我们则确定该机构为平行四边形平面铰链四杆机构,得到结论,
停止继续的判别工作;若不相等,进入第二个步骤;第②步,根据我们前面所得到的公
式,判断昀短和昀长杆的代数和是否小于或等于剩余两杆长度之和,如果不满足这个条
件,该机构则被断定为双摇杆机构,得到结论,停止继续的判别工作;如果满足,进入
下一步;第③步,判别作为机架的是否为昀短杆,若是,则该机构为双曲柄机构,得到
结论,停止继续的判别工作;若不满足,进入昀后一步;第④步,判断做为机架的杆件
是否为昀短杆的对边杆件,如果满足,断定为双摇杆机构,得到结论,停止继续的判别
工作;若为否,则把该机构判断为曲柄摇杆机构。
因此,我们能够以上面四个判断杆机构类型步骤为依据,得到一个清晰简明的程序
设计流程图:
基于 Matlab 的平面机构分析解析法
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通过上图的逻辑推理,进行相应的 Matlab 编程,在 command window 界面分别输入
各个杆件即
1
l 、
2
l 、
3
l 、
4
l 的长度,通过一系列的逻辑判断,若输入值满足相应的杆长
条件,则进入下一个判断环节,并得到昀终结果;若不满足杆长条件,则跳回上一级,
重新输入各杆长度的数据,再次进行重新判断。由计算机判断出该平面铰链四杆机构的
类型,其界面如下图:
图 4.3 判断铰链四杆机构类型界面
Fig. 4.3 The judgment interface of the revolute 4-bar mechanism
图 4.2 程序设计流程图
Fig. 4.2 The 3 points diagram of acceleration
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