平面四杆机构的运动仿真模型分析
平面四杆机构的运动分析
优秀设计平面四杆机构的运动性能研究摘要：平面四杆机构是主要的常用基本机构之一,应用十分广泛,也是其他多杆机构的基础。
由于连杆机构的性能受机构上繁多的几何参数的影响,呈复杂的非线性关系,无论从性能分析上还是性能综合上都是一个比较困难的工作,尚需作进一步深入研究。
本文基于平面四杆机构的空间模型,将机构实际尺寸转化为相对尺寸,在有限的空间内表示出无限多的机构尺寸类型,从而建立起全部机构尺寸类型和空间点位的一一对应关系,为深入研究平面四杆机构的运动性能与构件尺寸之间的关系提供了基础。
根据曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构、单滑块四杆机构的不同特点,详细分析各类机构的运动性能参数与构件尺寸之间的关系,指出构件尺寸的变化对机构运动性能的影响,并绘制相关的运动性能图谱。
针对具有急回特性的Ⅰ、Ⅱ型曲柄摇杆机构,通过深入分析极位夹角与构件尺寸之间的内在关系,获得了Ⅰ型曲柄摇杆机构极位夹角分别小于、等于或大于90°的几何条件以及Ⅱ型曲柄摇杆机构极位夹角一定小于90°的结论,揭示了曲柄摇杆机构设计时作为已知条件的极位夹角和摇杆摆角之间应满足的要求。
本文得出的图谱和相关结论,为工程应用中机构性能分析和机构综合提供了理论依据。
关键词：平面四杆机构空间模型运动性能Plane four clubs institutions of Sports performance research Abstract:The planar four-bar linkages are one type of basic mechanisms, and they are applied very extensively. The performances of the linkages depend on their geometrical parameters and present the complicated non-linear relations. It is necessary to make the further research on them for analysis, synthesis and application of linkages.By using of the three-dimensional models of the planar four-bar mechanisms, the actual sizes of mechanisms are transformed relative ones, and all size types of mechanisms can be figured by spatial coordinates. It is the foundation for research on the relations between the link dimensions and kinematic capability parameters.Aimed at the different characteristics of crank-rocker mechanism, double-crank mechanism, double-rocker mechanism and single-slider mechanism, some inherent relations between the link dimensions and the kinematic capability parameters are deeply analyzed, then the relative kinematic capability diagrams are obtained.Based on deeply analysis of inherent relations between the extreme position angle and the link dimensions of typeⅠand typeⅡcrank-rocker mechanisms with quick return characteristics, the geometrical conditions are put forward in this paper, by which we can judge whether the extreme position angle of typeⅠcrank-rocker mechanisms is less than, equal to or lager than 90°. It is proved that the extreme position angle of typeⅡcrank-rocker mechanism is certainly less than 90°. The relations between the extreme position angle and the angular stroke of the rocker are brought to light, which should be satisfied during the kinematic design of crank-rocker mechanisms.The diagrams and conclusions obtained in this paper provide theoretic foundation for the capability analysis and synthesis of mechanisms.Keyword:Planar four-bar linkage Space model Sports Performance如需源程序联系扣扣 194535455目录1 序言1.1 连杆机构 (1)1.2 平面连杆机构运动学分析 (2)1.3 本论文所作的主要工作 (3)2 平面四连杆机构的类型2.1 分类概念 (3)2.2 分类 (4)3 平面四杆机构运动分析3.1.1 连杆上任意点的轨迹分析 (6)3.1.2 Non-grashof机构的运动分析 (8)3.2 速度分析 (9)3.3 加速度分析 (10)4 平面连杆机构曲线分类基准及分类4.1 曲率 (11)4.2 弧长 (12)4.3 回转数 (12)4.4 结点 (13)4.5 变曲点、曲率极大点与极小点 (19)4.6 机构数据库的建立 (20)4.7 连杆曲线的分类结果 (20)5 平面连杆机构的仿真设计5.1 初始运行界面及程序 (23)5.2 部分仿真结果 (42)结论 (49)参考文献 (51)致谢 (52)1 序言连杆机构，是由许多刚性构件通过低副联结而成，也称低副机构。
基于MATLAB的四杆机构运动分析
基于MATLAB的四杆机构运动分析石河子大学毕业设计(论文)题目：基于MATLAB的四杆机构运动分析与动画模拟系统院（系）：机械电气工程学院专业：机械设计制造及其自动化学号： 2002071189姓名：娄元建指导教师：葛建兵完成日期：二零零六年五月基于MATLAB的四杆机构运动分析与动画模拟系统[摘要] 本文介绍MATLAB开发机构运动分析和动画模拟系统的方法，并且利用MATLAB软件实现平面四杆机构的运动仿真。
以MATLAB程序设计语言为平台，将参数化设计与交互式相结合，设计出四杆机构仿真系统，能够实现四杆机构的参数化设计，并且能够进行机构的速度和加速度分析。
系统具有方便用户的良好界面，并给出界面设计程序，从而使机构分析更加方便、快捷、直观和形象，设计者只需输几参数就可得到仿真结果，为平面四杆机构的设计与分析提供一条便捷的途径。
[关键词] 机构；运动分析；动画模拟；仿真；参数化；MATLABAbstract: The kinematical analysis and animation method of the mechanism using MATLAB was discussed in the paper , and the kinematic simulation of planar four—bar mechanism with software MATLAB . And emulational system was developed , the system adopted Matlab as a design , It combined parametic design with interactive design and had good interface for user , that can realize parametic design of four-bar mechanism , also to make real speed and acceleration of mechanism . The emulational resut was obtained as soon as input parameters was imported and the devisers can make decision –making of modification by the comparing emulational result with design demand , which give another efficacious way for the design and analysis of planar four—bar mechanism.Key words：Mechanism；Kenimatical analysis；Animation；Emulation ；parametic ；MATLAB目录第一章绪论 (1)1.1 本论文的研究意义 (1)1.2 本文的研究任务 (2)第二章四杆机构运动学 (3)2.1 四杆机构简介 (3)2.2 四杆机构的综合概述 (4)第三章软件介绍 (6)3.1 MATLAB的简介 (6)3.2 Matlab/Simulink (6)3.3 SimMechanics机构系统应用 (7)第四章机构运动分析的实现过程 (9)4.1 机构简图的参数化绘制方法 (9)4.2 平面图形运动的动画模拟方法 (9)4.3 机构运动的数学模型 (10)4.4 用户界面设计 (11)4.5 程序运行 (12)第五章连杆机构的运动仿真 (16)5.1 平面连杆机构的运动分析 (16)5.2 几种仿真软件的探索 (17)的图象处理功能 (17)基于PRO／M的四杆机构的仿真 (19)5.3 用SimMechanics来实现的仿真 (19)第六章运算程序 (22)6.1四杆机构位置问题的Matlab求解 (22)6.2四杆机构的位移、速度、加速度的求解程序 (23)6.3定义求解方程的程序 (25)6.4四杆机构的绘制及其动画程序 (25)6.5绘制三条曲线的命令 (27)6.6参数调整的程序 (27)第七章结论 (28)参考文献： (29)第一章绪论1.1 本论文的研究意义随着计算机、智能材料等科学技术的飞速发展，人类正在经理一场新的产业革命。
基于VB和ADAMS的平面四杆机构连杆曲线的仿真与分析
口 段守 勇 口 孙 涛 口
上海
丁
泽
上海大学 机 电工程与 自动化学 院
摘
２０ ７ ００２
要 ：通 过 对 平 面 四 杆机 构 进 行 运 动 分 析 ， 到 连 杆 上 任 意 一 点 的 坐 标 ， 得 然后 基 于 Ｖｓａ Ｂ ｓ ． 开 发 出平 面 四 ｉ ｌ ａｉ６ ０ ｕ ｃ
机 辅 助 设 计 （ Ａｏ） 解 析 法 虽 计 算 复 杂 ， 随 着 计 算 ｃ 的 但
即 有 ： ０ 口 ｃ ８ １ ０Ｃ Ｓ ２ 口 ｃ ８ ３ 口 ＋ ｌｏ ０ ＝ ２Ｏ ０ ＋ ３ｏ ０
。 ｓｎ０ ＝ ａ ｓｎ ２ 口 ｓｎ０ ｌｉ １ ２ｉ ０ ＋ ３ｉ ３
（） １
（） ２
可 由下列公 式 得到 ：
０． ＋ Ａ Ｂ ＝ ０ Ｃ ＋ ＣＢ ４
连杆 曲线 的主 要绘 制 方法 有 解 析法 、 图法 和实 作 验 法 。 图 法 和实 验 法 因工 作 量 大 、 计 精 度低 等 缺 作 设 点 ， 适 用于对 机构 精度 要求 不高 的场 合 ； 基 于计算 仅 而
机 技术 的 快速 发展 ， 析法 在 机构 设 计 中得 到 广泛 应 解
用 一１本 文 主 要 利 用 Ｖｉ ａ Ｂ ｓｃ６ ０ 平 面 四 杆 机 。， 到 连 杆 上 某 点 的 轨 迹 （ 杆 曲 得 连 线 ） 曲线 弧 长 、 点 数 、 转 数 、 率 。 意 义 在 于 ： ） 和 结 回 曲 其 １ 深 入 研 究 计 算 机 在 设 计 和 仿 真 平 面 四杆 机 构 连 杆 曲 线 方 面 的 应 用 ， 而 指 导 实 践 ； ） 过 计 算 机 分 析 得 到 某 从 ２通
(完整)基于matlab的四杆机构运动分析
1平面连杆机构的运动分析1。
1 机构运动分析的任务、目的和方法曲柄摇杆机构是平面连杆机构中最基本的由转动副组成的四杆机构，它可以用来实现转动和摆动之间运动形式的转换或传递动力。
对四杆机构进行运动分析的意义是:在机构尺寸参数已知的情况下，假定主动件（曲柄)做匀速转动，撇开力的作用,仅从运动几何关系上分析从动件(连杆、摇杆）的角位移、角速度、角加速度等运动参数的变化情况。
还可以根据机构闭环矢量方程计算从动件的位移偏差。
上述这些内容，无论是设计新的机械，还是为了了解现有机械的运动性能，都是十分必要的，而且它还是研究机械运动性能和动力性能提供必要的依据.机构运动分析的方法很多，主要有图解法和解析法。
当需要简捷直观地了解机构的某个或某几个位置的运动特性时,采用图解法比较方便，而且精度也能满足实际问题的要求。
而当需要精确地知道或要了解机构在整个运动循环过程中的运动特性时,采用解析法并借助计算机，不仅可获得很高的计算精度及一系列位置的分析结果，并能绘制机构相应的运动线图，同时还可以把机构分析和机构综合问题联系起来，以便于机构的优化设计.1。
2 机构的工作原理在平面四杆机构中，其具有曲柄的条件为:a.各杆的长度应满足杆长条件，即：最短杆长度+最长杆长度≤其余两杆长度之和。
b。
组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆,且其最短杆为连架杆或机架（当最短杆为连架杆时,四杆机构为曲柄摇杆机构;当最短杆为机架时，则为双曲柄机构）。
在如下图1所示的曲柄摇杆机构中，构件AB为曲柄,则B点应能通过曲柄与连杆两次共线的位置。
1.3 机构的数学模型的建立1。
3。
1建立机构的闭环矢量位置方程在用矢量法建立机构的位置方程时,需将构件用矢量来表示，并作出机构的封闭矢量多边形。
如图1所示,先建立一直角坐标系.设各构件的长度分别为L1 、L2 、L3 、L4 ，其方位角为、、、.以各杆矢量组成一个封闭矢量多边形，即ABCDA。
其个矢量之和必等于零。
基于MATLAB的平面四连杆机构运动仿真
１２端 点 Ｂ运 动分析 ．
在 复 数 坐标 系 中 ，端 点 Ｂ的位 置 可 表 示 为 Ｂ ｒｉ，则 ＝２￣ ｅ２
６
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速度分别为 ：
（ ５ ） 一
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４
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分 别 对 上 式 求 一 次 、二 次 导 数 ，得 到 Ｂ点 的 速 度 、加
［ ］ 孙 桓 ， 陈作 模 ． 械 原 理 ［ ］ ． 京 ： 高 等 教 育 出版 社 １ 机 Ｍ 北
２ ０ ． ０ ６
（ 转第 ８ 下 ４页 ）
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图 ４ 交 替 反相 层 叠 下 相 电 压 波形 及 对 应 频谱
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［ ］ 刘风 君 ，多 电平 逆 变技 术及 其 应 用 ［ ］ ， 京 ：机 械 工 业 出 ４ Ｍ 北
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平面四杆机构参数化设计及运动仿真研究与实现
・
现代设计与先进制造技术・
陈 剑
葛文杰
王军强 等 平面四杆机构参数化设计及…… ２ ３
平 面 四杆 机 构 参 数 化 设 计 及 运 动 仿 真 研 究 与实 现
陈 剑 一葛文 杰 一王 军 强 一张松 飞 ．， ，， ，， ，
（． １西北工业大学 系统集成与工程管理研究所 ， 陕西 西安 ７０ ７ ） １０ ２ （． ２ 西北 工业 大 学 现代设 计 与集 成制造 技 术教育 部 重点 实验 室 ， 陕西 西安 ７ ０７ ） １０ ２
值积 分方 法 ， 连 杆 机 构 的 运 动 规 律 进 行 隐 式 求 对 解， 绘制 了连 杆 运 动 线 图 ， 是 基 于 ＭＡ Ａ 但 ＴＬ Ｂ平
台进 行 开发 ， 植性 、 成性 、 移 集 交互 性 、 可扩 展性 差 ；
按给定的急 回运动要求设计 、 按预定的两连架杆对 应位 置设 计 、 期 望 函数 设 计 等 【 考 虑 到 曲柄 滑 按 ６， ６ Ｊ 块机 构设 计 可 以采 用 四杆 机构 设 计 方 法 进 行 变通 设计 ， 因此本 文共 考 虑 ４ 连 杆机 构设计 ：１按 急 种 （） 回运动要求设计 四杆机构 （ 类 、 Ｉ Ⅱ类 ） （ ） ；２ 按预 定 的两 连架杆 对 应位 置 设 计 四杆 机 构 ；３ 按期 望 （） 函数 设 计 四杆 机 构 ；４ 按 急 回运 动 要 求设 计 曲柄 （）
平面四杆机构动力学分析
04 平面四杆机构动力学建模
模型假设与简化
刚体假设
假设四杆机构中各杆件均 为刚体，忽略其弹 即无摩擦、无间隙。
平面运动
假设四杆机构在平面内运 动，忽略其空间运动效应。
运动学方程建立
位置分析
加速度分析
通过各杆件的长度和夹角，确定各点 的位置坐标。
对速度表达式再次求导，得到各点的 加速度表达式。
成功构建了适用于平面四杆机构的动力学模型，为相关研究提供了有效的分析工具。
机构运动学和动力学特性的研究
通过对模型进行仿真分析，揭示了平面四杆机构在运动过程中的速度、加速度、力等动力 学特性的变化规律。
机构优化设计的探讨
基于动力学分析结果，提出了针对平面四杆机构的优化设计方法，为工程实践提供了理论 指导。
平面四杆机构动力学分析
目 录
• 引言 • 平面四杆机构概述 • 动力学分析基础 • 平面四杆机构动力学建模 • 平面四杆机构动力学仿真分析 • 平面四杆机构动力学优化设计 • 结论与展望
01 引言
目的和背景
探究平面四杆机构的动力学特性
通过对平面四杆机构进行动力学分析，了解其运动过程中的力、速度和加速度 等特性，为机构设计和优化提供理论依据。
详细介绍平面四杆机构的 动力学建模方法，包括牛 顿-欧拉法、拉格朗日法等 ，并分析各种方法的优缺 点和适用范围。
通过仿真和实验手段对平 面四杆机构的动力学模型 进行验证，确保模型的准 确性和可靠性。同时，展 示仿真和实验结果在机构 设计和优化中的应用。
提出针对平面四杆机构的 动力学性能评价指标，如 运动范围、速度波动、加 速度峰值等，为机构性能 评价提供量化依据。
仿真软件介绍
ADAMS
一款广泛应用的机械系统动力学 仿真软件，可用于建立和分析复 杂机械系统的虚拟样机。
四杆机构运动分析
四杆机构运动分析四杆机构是一种常见的机械结构，由四根杆件组成，通过铰链连接。
四杆机构的运动分析是机械工程中重要的一环，可以帮助我们理解机构的运动特性和用途。
四杆机构有多种形式，如平行四连杆机构、交叉四连杆机构等。
在运动分析过程中，我们通常关注机构的连杆长度、铰链位置和运动轨迹等方面。
首先，我们可以通过连杆长度关系来确定机构的运动特性。
根据连杆长度的不同，四杆机构可以实现直线运动、旋转运动、摇杆运动等。
连杆长度决定了机构的运动范围和速度，可以通过运动学分析方法进行计算和模拟。
其次，铰链位置对机构运动有很大的影响。
铰链的位置决定了杆件之间的相对运动方式，如平行四连杆机构中的对外运动、交叉四连杆机构中的对内运动。
通过确定铰链位置，我们可以进一步分析机构的运动规律和应用。
另外，机构的运动轨迹也是运动分析的重点之一、运动轨迹描述了机构任意一点在运动过程中的位置变化。
通过分析运动轨迹，我们可以得出机构的最大行程、最大速度、加速度等参数，并且可以根据运动轨迹来优化机构的设计，满足特定的工程要求。
在进行四杆机构运动分析时，我们可以利用运动学分析方法，如广义坐标法、矢量法、逆运动学法等。
通过建立运动方程和约束方程，可以得出机构的运动规律和参数。
此外，计算机辅助设计软件和仿真系统也可以帮助我们进行四杆机构的运动分析。
通过输入机构的参数和初始条件，可以模拟机构的运动过程，观察各个杆件的位置、速度和加速度等变化情况。
四杆机构的运动分析对于机械设计和工程实践都具有重要的意义。
它可以帮助我们了解机构的运动特性，优化机构的设计，提高机械系统的性能和效率。
同时，运动分析也是机械工程师在机构设计和动力传动中常用的工具，通过运动分析可以得到有效的设计参数和工作条件。
四杆机构的运动分析是机械工程师必备的技术之一，也是机械工程教育中的重要内容。
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3平面四杆机构运动模型的建立及其分析ﻫ3.１运动模型的建立ﻫ 在UＧ NX5的Motion环境里,分别建立3个Link（连杆）即AB、BＣＥ和CD以及4个Reｖｏlutｅ Ｊoiｎt(旋转运动副),其中Ｊ00１(即A点）和J０0４(即D点）为AB杆和CＤ杆的旋转运动副，而且J００１还有一个常数驱动，其初始速度为30°／Ｓeｃ,如图4所示。需要指出的是,为了使四杆机构中的E点在后处理中能够生成运动轨迹，需要在E点添加一个关联点（Ａｓｓｏｃｉate Poｉnt)，在建立连杆ＢCE时将该点添加到连杆中，然后选择该点作为运动轨迹(Tｒaｃe）点,在后处理中将其生成轨迹；同时为了使四杆机构中的E点在后处理中能够生成运动规律曲线，需要在Ｅ点添加一个记号点（Ｍaｒｋer)，然后在后处理时选择该记号点作为运动对象(Motion Ｏbjeｃt)以生成相关的变化规律曲线。
２.２平面四杆机构的建模ﻫ 由于物料传送机构为曲柄摇杆机构，所以它符合曲柄存在条件。根据机械原理课程中的应用实例[1］,选取AＢ=100,BC＝CD=CＥ=250，AD=200,单位均为毫米。
在UG ＮＸ５的Ｓketch环境里,创建如图2所示的草图,并作相应的尺寸约束和几何约束，其中EE'为通过Ｅ点的水平轨迹参考线,用以检验E点的工作行程运动轨迹。现通过草图里的尺寸动画功能,令AB与AD的夹角从0°到360°变化，可看到E点的变化轨迹为直线和圆弧,如图3所示为尺寸动画的四个截图，其中图3(ａ）中的E点为水平轨迹的起点，图3(b）中的E点为水平轨迹的中点，图3(ｃ)中的E点为水平轨迹的终点,而图3(d)中的Ｅ点为圆弧轨迹（图中未画出)即回程的中点。
平面四杆机构的运动仿真模型分析
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平面四杆机构的运动仿真模型分析
1前言
平面四杆机构是是平轨迹曲线和运动规律,因而在工程实践中得到广泛应用。
5结论ﻫ 通过UG NX5，对平面四杆机构模型进行草图建模，并建立其运动仿真模型,在运动分析后可生成机构上指定点的轨迹曲线，也可输出机构上指定点的位移、速度、加速度等变化规律曲线。通过机构的简要分析，证明以上方法完全可应用于工程实例中的各种平面四杆机构。
3.2运动分析及后处理
经过解算，即可对平面四杆机构进行运动仿真显示及其相关的后处理。首先通过动画(Ａnimation）可以观察机构的运动过程,并可随时暂停、回退等，如图5(a)所示为机构运动过程中某一位置。选择动画中的轨迹（Trace)选项，继续观察机构的运动过程，即可看到E点所形成的运动轨迹，如图５（ｂ）所示。
平面四杆机构的运动分析, 就是对机构上某点的位移、轨迹、速度、加速度进行分析, 根据原动件的运动规律, 求解出从动件的运动规律。平面四杆机构的运动设计方法有很多,传统的有图解法、解析法和实验法。随着计算机技术的飞速发展,机构设计及运动分析已逐渐脱离传统方法,取而代之的是计算机仿真技术。本文在UG NX5环境下对平面四杆机构进行草图建模，通过草图中的尺寸约束、几何约束及动画尺寸等功能确定各连杆的尺寸,之后建立相应的连杆、运动副及运动驱动,对建立的运动模型进行运动学分析,给出构件上某点的运动轨迹及其速度和加速度变化规律曲线,文章最后简要分析几个应用于工程的平面四杆机构实例。ﻫ２平面四杆机构的建模ﻫ ２.1问题的提出ﻫ 平面四杆机构因其承载能力大,可以满足或近似满足很多的运动规律，所以其应用非常广泛,本文以基于曲柄摇杆机构的物料传送机构为例,讨论其建模及运动分析。ﻫ 如图1所示，AＢCD为曲柄摇杆机构，曲柄AＢ为主动件，机构在运动中要求连杆ＢＣ的延伸线上E点保持近似直线运动，其中直线轨迹为工作行程，圆弧轨迹为回程或空程,从而实现物料传送的功能。
平面四杆机构的运动仿真显示后，还可生成指定记号点的位移、速度、加速度等规律曲线,如图6、图7和图８所示为指定记号点E点的相关曲线(包括Ｘ轴和Y轴的分量)。
4工程实例中的平面四杆机构运动模型
以上所述的平面四杆机构的建模及其运动模型的建立以及运动分析和后处理方法，完全可应用于工程中的平面四杆机构[2］,以下仅简要分析其中3例,因篇幅所限不讨论有关规律曲线。ﻫ 如图9所示为卡车自动卸料机构,该机构为曲柄摇块机构,其中2为车架(机架），摆动油缸3是绕固定铰链C摆动的摇块，导杆4的一端与活塞固连,A、B、C处为转动副，3与４之间为滑动副(Ｓlider)。油从油缸下部流入时，推动活塞,使与车斗固连的曲柄1绕固定铰链B转动，从而达到卸料的目的，双点划线位置为卸料的初始位置。注意这里的两个极限位置是通过UＧ NX５/Moｔion后处理中的整体机构轨迹(Tｒace Entｉre Mecｈanism)功能得到的，并非由几何作图获得（下同）。
在运动模型建立后,即可对其进行解算。解算参数设置如下：
解算类型：选择常态运行（Ｎｏrmal Ｒｕn）；
分析类型：选择运动学;
时长(Timｅ）：由于AＢ杆的初始速度为30(度/秒），为了使其能够旋转一周，选择时长为１2（秒）,即１2秒×30度/秒 ＝３60度；
步数（Sｔeｐ)：在速度和时长确定后,步数决定该时段内运动的快慢，这里选择步数为２00。
如图10所示为汽车车门开关机构，该机构为偏置摇杆滑块机构,当摇杆１由动力驱动后绕固定铰链Ａ转动时,带动连杆2（与车门固连)使滑块3沿固定导路4作往复移动,从而实现汽车车门开关的目的,图中双点划线位置为汽车车门开启状态。这里对滑块3定义了两个运动副，即3与２之间的转动副以及3与4之间的滑动副。
如图11所示为飞机起落架机构，该机构为双摇杆机构,A、Ｄ为固定铰链，摇杆1由动力驱动，摇杆3与飞机着陆轮相连，当摇杆1转动时通过连杆2使摇杆3放下或收起,从而实现飞机起落架收放的目的,图中双点划线位置为飞机起落架收起状态。