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1、2004年3月襄樊学院学报Mar.,2004第25卷第2期JournalofXiangfanUniversityVol.25No.2基于MATLAB的四杆机构运动分析与动画模拟系统王华杰(襄樊学院机械工程系，湖北襄樊441053)摘要:介绍利用MATLAB开发机构运动分析和动画模拟系统的方法，并给出了曲柄摇杆机构运动分析和动画模拟系统设计实例.关键词：机构；运动分析；动画模拟；MATLAB中图分类号：TP391.9文献识志码：A文章编号：1009-2854（2004）02-0075-05MATLAB是一套功能十分强大的科学计算软件，
2、被广泛应用于自动控制、机械设计、流体力学和数理统计等工程领域.利用MATLAB强大的科学计算和绘图功能，工程技术人员可以高效求解复杂的工程问题，并可轻松地进行动态仿真及实现计算结果的可视化.此外，MATLAB提供的图形用户界面设计工具，还可以帮助工程技术人员十分便利地设计出适用于某一具体工程问题的应用系统.作者在MATLAB环境下，开发了一系列的机构运动分析和动画模拟系统，这些系统集机构简图的参数化绘图、计算机辅助运动分析和计算结果可视化，以及机构运动动画模拟等功能为一体，可以帮助工程技术人员在机构分析与设计过程中提高工作效率，降低
3、产品开发成本.1MATLAB参数化绘图方法与动画的实现1.1机构简图的参数化绘制方法利用MATLAB提供的线型绘图命令、图形填充命令和函数文件编程，用户可以创建自己的参数化图形绘制函数，从而实现特殊图形的参数化绘图.以曲柄摇杆机构为例，设曲柄长度为L1，初始位置角为theta21=π/3，连杆长度为L2，摇杆长度为L3，机架长度为L4，连杆平面上一指定点的位置由L和theta确定.编写文件名为fourbar(L1,L2,L3,L4,L,theta).m的函数文件，将其存入MATLAB工作路径，然后在MATLAB命令窗口输入以下命令：
4、>>fourbar(8,13,18,20,7,pi/3)即可得到图（1）所示的机构简图.图1四杆机构简图绘制图收稿日期：2003-12-08作者简介：王华杰（1964-），男，湖北襄樊人，襄樊学院机械工程系副教授.主要研究方向：固体力学、机械动力学.王华杰：基于MATLAB的四杆机构运动分析与动画模拟系统1.2平面图形运动的动画模拟方法在MATLAB中，可以根据用户的需要选择两种不同的方法来制作动画：一种是将不同的图形存储起来，然后按照播放电影的方式将它们按顺序播放出来，称为电影动画；另一种是连续不断地擦除并且重画图形中的更新对象，
5、使得每次重画过程都是连续的，称为实时动画.制作实时动画的一个典型的方案是首先绘制一个图形，然后利用循环结构将它的位置属性进行微小的改变，最后按照改变后的属性重新绘图.对曲柄摇杆机构，设曲柄匀速转动的角速度为omiga，转动周数为time，可采用实时动画的方法编写文件名为fourbarmove(L1,L2,L3,L4,L,theta,omiga,time).m的函数文件，并将其存入MATLAB工作路径，然后在MATLAB命令窗口输入以下命令：>>fourbarmove(8,13,18,20,7,pi/3,2*pi,100)即可在MAT
6、LAB图形窗口得到曲柄摇杆机构运动的动画，并可得到连杆平面上一指定点的运动轨迹曲线，见图2.图2曲柄摇杆机构动画图2机构运动的数学模型对图3所示曲柄摇杆机构，设各铰点坐标为A(x,y)、B(x,y)、C(x,y)、D(x,y)；曲柄方位角为11223344q，角速度为w，加速度为a；连杆方位角为q，角速度为w，加速度为a；BD=L，ÐADB=q；211232234242摇杆方位角为q，角速度为w.可以建立以下机构运动模型.343图3曲柄摇杆机构运动分析图2.1几何位置分析x=x+Lcosq,y=y+Lsinq（1）211212112
7、1x=x+Lcosq,y=y+Lsinq（2）3223232232其中：222L+L-L324234q32=q42+arccos()2L32L4276第25卷第2期襄樊学院学报2004年第2期22L=(x-x)+(y-y)424242x4-x2q=arcsin()42L422.2速度分析w1L1sin(q21-q34)w2=-（3）Lsin(q-q)33234wLsin(q-q)112132w3=（4）Lsin(q-q)334322.3加速度分析222-wLcos(q-q)-wLcos(q-q)+wL11213422323433a2
8、=（5）Lsin(q-q)23234222wLcos(q-q)+wL-wLcos(q-q)11213222333432a3=（6）Lsin(q-q)232343机构运动分析与动画模拟系统的界面设计和运行3.1用户界面设计MATLAB从
