平面四桿機(jī)構(gòu)Matlab仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)帶開題報(bào)告.zip
平面四桿機(jī)構(gòu)Matlab仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)帶開題報(bào)告.zip,平面,機(jī)構(gòu),Matlab,仿真,優(yōu)化,設(shè)計(jì),開題,報(bào)告
附錄 1：外文翻譯
2015年第三屆國際最新計(jì)算趨勢會(huì)議（ICRTC-2015）
動(dòng)平衡四桿機(jī)構(gòu)的形狀優(yōu)化
機(jī)械工程系 馬拉維亞國家技術(shù)研究所 齋浦爾 302017，印度
摘 要
本文提出了一種求解動(dòng)態(tài)平衡平面四桿機(jī)構(gòu)的連桿形狀的優(yōu)化方法。通過優(yōu)化各連桿的質(zhì)量分布, 最大限度地減少了在慣性作用下產(chǎn)生的振動(dòng)力和振動(dòng)力矩。然后用三次B 樣條曲線得出連桿形狀, 并提出優(yōu)化方案,將連桿中產(chǎn)生的慣性量百分比誤差降到最低, 將 B 樣條曲線的控制點(diǎn)作為設(shè)計(jì)變量。通過將該方法應(yīng)用到文獻(xiàn)中的一個(gè)數(shù)值問題中, 證明了該算法的有效性。
關(guān)鍵詞：動(dòng)平衡; 等效系統(tǒng); 四桿機(jī)構(gòu); 遺傳算法; 形狀優(yōu)化
1 介紹
四桿機(jī)構(gòu)是機(jī)器最常使用的機(jī)構(gòu)。當(dāng)機(jī)器高速運(yùn)行時(shí)，這些機(jī)構(gòu)將力和力矩傳遞到地面，這些所有機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)的慣性力及力矩的矢量和，被定義為振動(dòng)力和振動(dòng)力矩。由于這些力和力矩產(chǎn)生的振動(dòng)、磨損和噪聲, 使機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能受到不利影響, 文獻(xiàn)[1-3] 中提出了幾種減少它們的方法，通過質(zhì)量再分配[4]或增加配重[5]使移動(dòng)連桿的質(zhì)心保持不變，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的完全力平衡。
力的完全平衡增加了連桿各桿的振動(dòng)力矩，驅(qū)動(dòng)力矩和承受力[6]。使用慣性或磁盤配重[7]和復(fù)制結(jié)構(gòu)[8]的方式，振動(dòng)時(shí)刻會(huì)隨著力的完全平衡而減少。然而，這些方法并不是首選，因?yàn)樗鼈冊黾恿藱C(jī)構(gòu)的復(fù)雜性和質(zhì)量。通過優(yōu)化[9-11]，研究出了一些其他方法來最小化振動(dòng)力和振動(dòng)力矩。該方法根據(jù)連桿的質(zhì)量和相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，找到連桿質(zhì)量的最佳分配方案，以減少振動(dòng)力和振動(dòng)力矩。將機(jī)構(gòu)平衡問題表示為多目標(biāo)優(yōu)化問題，并考慮適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)約束[12-13]，采用粒子群優(yōu)化（PSO）和遺傳算法（GA）等技術(shù)來進(jìn)行優(yōu)化。
解決找到與平衡機(jī)構(gòu)相對應(yīng)的最佳連桿形狀的方案很少。采用小單元疊加法, 將連桿形狀考慮為幾個(gè)小矩形元素的集合[14]。連桿形狀的優(yōu)化問題是利用給定外力所產(chǎn)生 的外部變化來制定目標(biāo)函數(shù)的，并將所有連桿的最大容量和最大體積作為約束函數(shù)[15]。采用三次貝塞爾曲線[16]的拓?fù)鋬?yōu)化方法生成相應(yīng)機(jī)構(gòu)的形狀。但是, 在這些方法中不
考慮機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)平衡，此外,這些方法還需要初始形狀或設(shè)計(jì)域才能開始運(yùn)算。
本文提出的平面四桿機(jī)構(gòu)平衡的優(yōu)化問題公式，機(jī)構(gòu)的剛性連接被表示為動(dòng)態(tài)等價(jià)的點(diǎn)質(zhì)量系統(tǒng), 稱為等效系統(tǒng) [11、17]。該問題作為一種多目標(biāo)優(yōu)化問題,利用遺傳算法求解，目的就是將振動(dòng)力和振動(dòng)化力矩最小化。對于平衡機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的最小慣性慣量, 為了保持其與平衡機(jī)構(gòu)相同，連桿形狀的慣性特性被看作是約束,利用三次 B 樣條曲線描述出機(jī)構(gòu)連桿的形狀。將通過 B 樣條曲線的控制點(diǎn)作為設(shè)計(jì)變量, 把得到連桿慣性值的百分比誤差的最小化作為目標(biāo)函數(shù)。
本文的結(jié)構(gòu)如下。第2節(jié)給出了機(jī)構(gòu)的振動(dòng)力和振動(dòng)力矩的定義。連桿形狀的形成過程在第3節(jié)中給出。動(dòng)態(tài)平衡和形狀形成的優(yōu)化問題在第4節(jié)中闡述。在第5節(jié)中，使用所提出的方法來解決數(shù)值實(shí)例。最后，在第6節(jié)給出結(jié)論。
2 振動(dòng)力和振動(dòng)的時(shí)刻
1 0 03
圖1 表示了一個(gè)平面四桿機(jī)構(gòu)，其中固定連桿與運(yùn)動(dòng)連桿分離, 為了表明反作用力。振動(dòng)力被定義為所有慣性力矢量和的反作用力，而振動(dòng)力矩則是慣性力矩與作用在慣性力矩固定點(diǎn)的所有力矩的反作用力。一旦確定了所有的連接處的反作用力，就可以得到連接點(diǎn) 1 振動(dòng)力和連接點(diǎn) 1 處的振動(dòng)力矩[11]：
fsh
= -( f
01 + f03
) 和 nsh
= -(ne + a f )
（1）
在等式（1）中，f01和f03分別是作用在連桿上的反作用力#1和#3。在關(guān)節(jié)＃1施加的主動(dòng)轉(zhuǎn)矩由en1表示，而a0表示從O1到O4的矢量。
圖1 四桿機(jī)構(gòu)從框架分離
3 鏈接形狀的形成
使用參數(shù)閉合三次B樣條曲線來合成連桿形狀，在曲線內(nèi)插入或近似一組n + 1個(gè)控制點(diǎn)， P0，P1，...，Pn [18]，并在方程（2）中：
n
P(u) = ? Pi Ni,k (u), 0 ￡ u ￡ umax
i=0
（2）
在等式（2）中，參數(shù)k，Ni，k（u）和u分別定義為曲線的程度，B樣條混合函數(shù)和參數(shù)集。 曲線第i段任意一點(diǎn)的坐標(biāo)為：
x (u) = a1xi-1 + a2 xi + a3 xi+1 + a4 xi+2
（3）
i 6
y (u) = a1 yi-1 + a2 yi + a3 yi+1 + a4 yi+2
（4）
i 6
當(dāng)：
1
a = -u3 + 3u2i - 3ui2 + i3
2
a = 3u3 + u2 (3 - 9i) + u(-3 + 9i2 - 6i) - 3i3 + 3i2 + 3i +1
3
a = -3u3 + u2 (-6 + 9i) + u(-9i2 +12i) + 3i3 - 6i2 + 4
4
a = u3 + u2 (3 - 3i) + u(3 + 3i2 - 6i) - i3 + 3i2 - 3i + 4
（3）
（4）
（5）
（6）
在方程（3-4）中，（xi-1，yi-1），（xi，yi）等分別是點(diǎn)Pi-1，Pi等的坐標(biāo)。利用格林定理計(jì)算了用閉合的三次B樣條曲線合成的形狀的慣性特性[19]，由n個(gè)三次B 樣條曲線片段組成閉合曲線，關(guān)于質(zhì)心軸（Ixx，Iyy，Izz）的面積A，質(zhì)心（x，y）和區(qū)域轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，計(jì)算如下：
n ui
A = ?òu
xi (u) yi '(u)du
（7）
i=1
i-1
x = - 1 ?n
ui y 2 (u)x '(u)du; y = 1 n
ò
i i
?
u
i x 2 (u) y '(u)du
ò
i i
u
u
（10-11）
2Ai
i=1
i-1
2Ai
i=1
i-1
1 n ui 3 1 n ui 3
Ixx = -
?òu
yi (u)xi '(u)du; I yy =
?òu
xi (u) yi '(u)du; Izz = Ixx + I yy
（12-14）
3 i=1 i-1
3 i=1 i-1
xi '(u) 和 yi '(u) 是w、r、t的一階導(dǎo)數(shù)，分別在方程（9-13），由下式給出：
x '(u) = b1xi-1 + b2 xi + b3 xi+1 + b4 xi+2
（15）
i 6
y '(u) = b1 yi-1 + b2 yi + b3 yi+1 + b4 yi+2
（16）
i 6
當(dāng)：
1
b = -3u2 + 6ui - 3i2
（17）
2
b = 9u2 + 2u(3 - 9i) - 3 + 9i2 - 6i
3
b = -9u2 + 2u(-6 + 9i) - 9i2 +12i
4
b = 3u2 + 2u(3 - 3i) + 3 + 3i2 - 6i
（18）
（19）
（20）
對于等式（9-14）中所定義的幾何特性，閉合曲線形狀所表示的連桿質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算如下：
m = Atp
I = Izztp
其中t和ρ分別表示連桿的厚度和材料密度。
4 優(yōu)化問題的制定
4.1 動(dòng)態(tài)平衡
（21）
（22）
為了平面四桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)平衡，使用等質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量系統(tǒng)的概念，制定了優(yōu)化方案以最小化振動(dòng)力和振動(dòng)力矩。這些連桿被系統(tǒng)地轉(zhuǎn)換成三個(gè)等質(zhì)量的點(diǎn)質(zhì)量系統(tǒng)，并將點(diǎn)質(zhì)量參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量。點(diǎn)質(zhì)量由三個(gè)參數(shù)確定，因此每個(gè)連桿的設(shè)計(jì)變量的9矢量xi被定義為：
i i1
i1
i1
x = é?m l q
m l q
m l q
ù?T
i=1，2，3 （23）
i 2
i 2
i 2
i3
i3
i3
其中mij是第i個(gè)連桿的第j個(gè)點(diǎn)質(zhì)量，lij和θij是它在形狀范圍內(nèi)固定支架的極坐標(biāo)。因此，該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)矢量x由下式給出：
x = é?xT
xT xT ù?T
（24）
1 2 3
考慮到振動(dòng)力的大小，fsh，rms和振動(dòng)力矩的RMS值，nsh，rms，定義在方程（1）， 優(yōu)化方案規(guī)定為力和力矩的加權(quán)和：
最小化Z = w1 fsh,rms + w2nsh,rms
（25）
i,min
ij i,max
i,min
ij ij
滿足m ￡ ?m ￡ m ; I ￡ ?m l 2 i=1,2,3 j=1,2,3 （26）
j j
其中w1和w2分別是用于分配重力給振動(dòng)力和振動(dòng)力矩的加權(quán)因子。
4.2 機(jī)構(gòu)連桿的形狀優(yōu)化
在得到優(yōu)化機(jī)構(gòu)連桿的慣性參數(shù)之后，就會(huì)制定一個(gè)優(yōu)化方案來找到本節(jié)中所描述的連桿形狀。將三次B樣條曲線控制點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo)作為設(shè)計(jì)變量，如圖2所示。連接起點(diǎn)Oi至Oi + 1之間的連接長度被分成相等部分。為保持對稱形狀使得慣性積零，以y坐標(biāo)點(diǎn)為設(shè)計(jì)變量。連桿延伸以外的坐標(biāo)原點(diǎn)Oi和Oi + 1由右端的P0，P1，Pn-1和左端的Pn/2-1，Pn/2，Pn/2 + 1控制。在右端，P0的x坐標(biāo)，P1和Pn-1的y坐標(biāo)被選擇作為設(shè)計(jì)變量，并且在左端進(jìn)行相同的處理。最后，在本文中，設(shè)計(jì)向量被定義為：
yn/2-1 xn/2 yn/2+1 yn-1 ù?
T
x = é?x0 y1
目標(biāo)函數(shù)的制定是為了最小化連桿慣量值中的百分比誤差，如下所示：
(I * - I )
（27）
I
o
最小化 Z = i i *100
i
（28）
滿足m = m*; x = *
= y*
i=1,2,3 （29）
i i i
xi ; yi i
這里帶有上標(biāo)'*'的參數(shù)表示上一節(jié)（4.1）中獲得的最優(yōu)參數(shù)，下標(biāo)'i'用于機(jī)構(gòu)的第i個(gè)連接。
5.數(shù)值例子
圖1所示的平面四桿機(jī)構(gòu)[12]的數(shù)值問題是使用本節(jié)提出的方法解決的（表1）。 由于振動(dòng)力和振動(dòng)力矩具有不同的單位，因此這些量需要無量綱化以將它們添加到單個(gè)目標(biāo)函數(shù)中。為此, 對傳動(dòng)鏈的參數(shù)進(jìn)行了無量綱化, 即連桿 #1。為了減少問題的維度, 在九個(gè)變量中，mij，lij，θij，對于j=1，2，3，對于如圖3中定義的第i個(gè)連接點(diǎn)， 選擇五個(gè)參數(shù)為:
qi1 = 0;qi 2 = 2p / 3;qi3 = 4p / 3和li 2 = li3 = li1
其他四個(gè)點(diǎn)質(zhì)量參數(shù)，即mi1，mi2，mi3，li1被引入優(yōu)化方案?？紤]到
（30）
mi,min=0.25mi,mi,max=5mi,Ii,min=0.25Ii，對于第i個(gè)鏈路，使用MATLAB的遺傳算法和直接搜索工具箱中的“ga”函數(shù)求解方程（25）-（26）中解釋的優(yōu)化問題。上標(biāo)“o”代表原始機(jī)構(gòu)的參數(shù)。表2和圖4給出了原始值與振動(dòng)力和振動(dòng)力矩的最佳值的比較。遺傳算法的應(yīng)用讓振動(dòng)力的值和振動(dòng)力矩的值分別減少了約50％和68％，平衡機(jī)構(gòu)的相應(yīng)最佳參數(shù)如表1所示。
圖2 封閉的三次B樣條曲線代表連桿形狀及其控制點(diǎn)
表1 平面四桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)
圖3（a）剛性連接 圖3（b）點(diǎn)質(zhì)量
圖3 將剛性連接轉(zhuǎn)換為點(diǎn)質(zhì)量的等效系統(tǒng)表2 標(biāo)準(zhǔn)和優(yōu)化機(jī)制的動(dòng)態(tài)量的RMS值
圖4 完整周期的振動(dòng)力和振動(dòng)力矩的變化
接下來，形式優(yōu)化問題在公式（28）-（29）用遺傳算法和MATLAB的直接搜索工具箱中的“ga”函數(shù)求解。 三次B樣條曲線的最終連接形狀如圖5所示：
——————初始機(jī)構(gòu)
優(yōu)化的機(jī)構(gòu)
圖5 對應(yīng)于平衡機(jī)構(gòu)的初始和優(yōu)化鏈路形狀
文中所提出的方法不需要任何預(yù)定義的形狀或設(shè)計(jì)域作為初始條件。最終慣性值的百分比誤差在±5％之內(nèi)。平衡機(jī)構(gòu)的連桿所產(chǎn)生的應(yīng)力可以在外部載荷下最薄弱的部位進(jìn)行計(jì)算。
6 結(jié)論
本文提出了一種平面四桿機(jī)構(gòu)動(dòng)平衡和形狀形成的優(yōu)化方法。對于動(dòng)態(tài)平衡，機(jī)構(gòu)的剛性環(huán)節(jié)可由點(diǎn)質(zhì)量等效系統(tǒng)的表示。以點(diǎn)質(zhì)量參數(shù)為設(shè)計(jì)變量, 優(yōu)化了連桿質(zhì)量分布, 最大限度地減少了振動(dòng)力和震動(dòng)力矩。利用遺傳算法作為求解器, 實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)力和震動(dòng)力矩分別減少了50%和68%。然后將平衡機(jī)構(gòu)的連桿形狀建模為立方B樣條曲線。對B 樣條曲線的邊界進(jìn)行優(yōu)化, 使連桿質(zhì)量和慣性達(dá)到優(yōu)化值。為此，控制點(diǎn)充當(dāng)設(shè)計(jì)變量， 約束條件被定義為保持生成的連桿參數(shù)與平衡機(jī)構(gòu)參數(shù)相同。本文提出的方法很簡單， 也可以應(yīng)用于多環(huán)平面和空間機(jī)構(gòu)。
附錄 2：外文原文
任務(wù)書
論文(設(shè)計(jì))題目：平面四桿機(jī)構(gòu)Matlab仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)
工作日期：2017年12月15日 ~ 2018年05月25日
1.選題依據(jù):
平面四桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用非常廣泛， 而且是組成多桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)。ＭＡＴＬＡＢ具有系統(tǒng)建模方便直觀、仿真功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，能為機(jī)械系統(tǒng)的建模仿真提供一個(gè)強(qiáng)大而方便的工具。
2.論文要求(設(shè)計(jì)參數(shù)):
Matlab 軟件的Simulink 仿真工具用于機(jī)械工程中機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，簡單，直觀。只需通過M 文件編寫運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，設(shè)定特殊時(shí)刻為初始值就可以得到任意時(shí)刻的位置、速度、加速度的值，并可以觀察它們在運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的變化。通過基于Matlab 的強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力，還可以方便得到三者之間的關(guān)系，這是一般解析方法所不及的。
3.個(gè)人工作重點(diǎn):
以Matlab 軟件的Simulink 軟件包為研究平臺(tái)，以平面四桿機(jī)構(gòu)為研究對象，通過建立閉環(huán)矢量方程，以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)列出動(dòng)力學(xué)方程，通過已知的幾何特性，利用Matlab 軟件數(shù)值計(jì)算能力和Simulink 仿真模塊來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的建模仿真。通過對機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件進(jìn)行受力分析，得到動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型，再加上機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，建立動(dòng)力學(xué)仿真模型
，得到機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的反力和力矩。通過已知的幾何特性，利用Matlab 軟件數(shù)值計(jì)算能力和Simulink 仿真模塊來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的建模仿真。
4.時(shí)間安排及應(yīng)完成的工作:
第1周：收集研究方向相關(guān)資料、研究資料。第2周：閱讀參考文獻(xiàn)，確定研究內(nèi)容。
第3周：撰寫開題報(bào)告，擬訂總體設(shè)計(jì)方案。 第4周：完善、修改開題報(bào)告，完成外文翻譯。
第5周：進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)總體規(guī)劃，設(shè)計(jì)總體實(shí)施方案。 第6周：根據(jù)機(jī)構(gòu)分類，建立閉環(huán)矢量方程。
第7周：對閉環(huán)矢量方程進(jìn)行求導(dǎo)和求解。第8周：連桿軌跡、速度、加速度求解。第9周：連桿軌跡、速度、加速度分析。
第10周：對機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)變曲點(diǎn)、曲率極大極小點(diǎn)進(jìn)行分析。 第11周：建立機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，編寫M文件。
第12周：對程序進(jìn)行調(diào)試，撰寫設(shè)計(jì)說明書。
第13周：完善設(shè)計(jì)內(nèi)容及設(shè)計(jì)說明書，準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。
第14周：按指導(dǎo)教師及評(píng)閱教師的意見修改設(shè)計(jì)說明書，進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。
5.應(yīng)閱讀的基本文獻(xiàn):
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[2] 王琦,何仁. 采用改進(jìn)差分進(jìn)化算法的四桿機(jī)構(gòu)軌跡優(yōu)化[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造. 2017(09) [3] 徐春濤,廉哲滿. 基于矯正解的經(jīng)過預(yù)定三位置的四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 延邊大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2012(01)
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[7] 張建,谷裕. 談四桿機(jī)構(gòu)教學(xué)中學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J]. 職業(yè)教育研究. 2010(11)
[8] 陳曉軍,朱云開. 基于遺傳模擬退火算法的四桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化. 2009(03)
[9] 張威,王輝. 微分進(jìn)化應(yīng)用于四桿機(jī)構(gòu)綜合時(shí)的人工干預(yù)[J]. 機(jī)床與液壓. 2009(07) [10] 趙云龍,劉俊標(biāo),韓立. 雙復(fù)合平行四桿機(jī)構(gòu)的研究[J]. 航空精密制造技術(shù). 2007(04)
指導(dǎo)教師簽字：
XX
教研室主任意見：
同意
簽字：XX 2017年12月14日
教學(xué)指導(dǎo)分委會(huì)意見：
同意
簽字：XX 2017年12月15日 學(xué)院公章
進(jìn)度檢查表
第
-1
周
工作進(jìn)展情況
收集并閱讀和研究方向有關(guān)的資料文獻(xiàn)，分析研究題目、確定研究內(nèi)容和思路，完成開題報(bào)告的填寫，并且完成外文翻譯。
2018年01月11日
指導(dǎo)教師意見
閱讀了大量國內(nèi)外參考文獻(xiàn)，完成了文獻(xiàn)綜述，掌握了相關(guān)的基本知識(shí)
。
完成了開題報(bào)告的撰寫，開題答辯過程中講述條理清晰，順利通過開題答辯！
指導(dǎo)教師(簽字)：XX 2018年01月11日
第 4
周
工作進(jìn)展情況
完成畢業(yè)設(shè)計(jì)總體規(guī)劃，根據(jù)機(jī)構(gòu)建立閉環(huán)矢量方程，對閉環(huán)矢量方程進(jìn)行求導(dǎo)和求解，對連桿的軌跡、速度、加速度進(jìn)行分析求解。
2018年05月09日
指導(dǎo)教師意見
順利通過中期檢查，對研究內(nèi)容明確，進(jìn)度符合預(yù)期要求，完成較好！
指導(dǎo)教師(簽字)：XX 2018年05月20日
第 10
周
工作進(jìn)展情況
根據(jù)前期分析結(jié)果編寫M文件，建立GUI界面，調(diào)試程序，完成仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)完善設(shè)計(jì)說明書。
2018年05月20日
指導(dǎo)教師意見
完成論文撰寫，GUI界面完成，仿真結(jié)果與理論驗(yàn)算結(jié)果符合，完成優(yōu)化計(jì)算，完成任務(wù)書全部內(nèi)容！
指導(dǎo)教師(簽字)：XX 2018年05月20日
第 11
周
工作進(jìn)展情況
進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)說明書各項(xiàng)細(xì)節(jié)，準(zhǔn)備好相關(guān)材料，參加答辯。
2018年05月23日
指導(dǎo)教師意見
根據(jù)意見，完善及修改畢設(shè)說明書內(nèi)容，制作PPT，申請答辯。
指導(dǎo)教師(簽字)：XX 2018年05月23日
過程管理評(píng)價(jià)表
評(píng)價(jià)內(nèi)容
具體要求
總分
評(píng)分
工作態(tài)度
態(tài)度認(rèn)真，刻苦努力，作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)
3
3
遵守紀(jì)律
自覺遵守學(xué)校有關(guān)規(guī)定，主動(dòng)聯(lián)系指導(dǎo)教師,接受指導(dǎo)
3
3
開題報(bào)告
內(nèi)容詳實(shí)，符合規(guī)范要求
5
4
任務(wù)完成
按時(shí)、圓滿完成各項(xiàng)工作任務(wù)
4
4
過程管理評(píng)分合計(jì)
14
過程管 理評(píng)語
該生畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中態(tài)度認(rèn)真，刻苦努力，作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中自覺遵守學(xué)校有關(guān)規(guī)定，能夠主動(dòng)聯(lián)系指導(dǎo)教師，接受指導(dǎo)，對于不懂的內(nèi)容，積極與指導(dǎo)教師溝通，特別是在遇到困難的時(shí)候，能夠主動(dòng)與指導(dǎo)教師溝通，及時(shí)對研究內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)高效利用圖書館館藏資料，在遇到問題時(shí)沒有氣餒，而是堅(jiān)持到底，最終完成了任務(wù)。開題報(bào)告內(nèi)容詳實(shí)，基本符合規(guī)范要求，查閱了大量的參考文獻(xiàn)，按時(shí)、圓滿完成了任務(wù)書布置的各項(xiàng)工作任務(wù)。
指導(dǎo)教師簽字:XX 日期:2018-05-21
指導(dǎo)教師評(píng)價(jià)表
評(píng)價(jià)內(nèi)容
具體要求
總分
評(píng)分
選題質(zhì)量
符合培養(yǎng)目標(biāo)要求,有一定的研究價(jià)值和實(shí)踐意義,有一定的開拓性、創(chuàng)新性,深度、難度適宜,工作量飽滿
5
4
能力水平
有較強(qiáng)的綜合運(yùn)用知識(shí)能力、科研方法運(yùn)用能力、中文表達(dá)與外語能力、文獻(xiàn)資料檢索能力、計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力
5
5
完成質(zhì)量
文題相符,概念準(zhǔn)確,分析、論證、計(jì)算、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)等正確合理,結(jié)論明確；論文結(jié)構(gòu)、撰寫格式、圖表等符合基本規(guī)
10
9
指導(dǎo)教師評(píng)分合計(jì)
18
指導(dǎo)教 師評(píng)語
論文平面四桿機(jī)構(gòu)Matlab仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)為自擬題目，選題符 合培養(yǎng)目標(biāo)要求，有一定的研究價(jià)值和實(shí)踐意義，深度、難度適宜
，工作量適中，需要較強(qiáng)的綜合能力。該生在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中體現(xiàn)了較強(qiáng)的綜合運(yùn)用知識(shí)和科研方法運(yùn)用能力，完成了GUI界面的設(shè)計(jì)，該生中文表達(dá)能力與外語能力較好，有較強(qiáng)的文獻(xiàn)資料檢索能力和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，論文撰寫文題相符，概念準(zhǔn)確，分析、論證
、計(jì)算、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)等正確合理；論文結(jié)構(gòu)、撰寫格式、圖表等基本符合規(guī)范要求。
指導(dǎo)教師簽字:XX 日期:2018-05-21
評(píng)閱人評(píng)價(jià)表
評(píng)價(jià)內(nèi)容
具體要求
總分
評(píng)分
選題質(zhì)量
符合培養(yǎng)目標(biāo)要求,有一定的研究價(jià)值和實(shí)踐意義,有一定的
開拓性、創(chuàng)新性,深度、難度適宜,工作量飽滿
5
4
能力水平
有較強(qiáng)的綜合運(yùn)用知識(shí)能力、科研方法運(yùn)用能力、中文表
達(dá)與外語能力、文獻(xiàn)資料檢索能力、計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力
5
4
完成質(zhì)量
文題相符,概念準(zhǔn)確,分析、論證、計(jì)算、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)等正確
合理,結(jié)論明確；論文結(jié)構(gòu)、撰寫格式、圖表等符合基本規(guī)
10
8
評(píng)閱人評(píng)分合計(jì)
16
評(píng)閱人 評(píng)語
畢業(yè)設(shè)計(jì)題目為軟件開發(fā)類題目，工作量適中，難度適宜，可鞏固專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和培養(yǎng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行二次開發(fā)能力，有一定的實(shí)踐意義。該同學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)理論比較扎實(shí)，能夠較清楚地論述平面連桿機(jī)構(gòu)的基本理論和計(jì)算公式，有一定自學(xué)能力，使用Matlab進(jìn)行 開發(fā)仿真，中文表達(dá)能力較好，計(jì)算機(jī)文檔處理和數(shù)值計(jì)算專業(yè)軟件進(jìn)行開發(fā)能力較強(qiáng)，外文翻譯與原文內(nèi)容相符。整套設(shè)計(jì)，較充分地論述完成內(nèi)容，格式較規(guī)范；建議調(diào)整優(yōu)化設(shè)計(jì)論述條理性。結(jié)論表達(dá)不夠具體、充分；參考文獻(xiàn)格式規(guī)范方面需要修改。同意答辯。
評(píng)閱人簽字：XX 評(píng)閱人工作單位：機(jī)械工程學(xué)院日期：2018-05-21
答辯紀(jì)錄
學(xué)生姓名：XX 專業(yè)班級(jí)：XX 畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目： 平面四桿機(jī)構(gòu)Matlab仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)
答辯時(shí)間：2018年05月24日 時(shí) 分 ~ 時(shí) 分
答辯委員會(huì)(答
主任委員(組長)： XX
辯小組)成員
委 員(組 員)： XX XX XX
答辯委員會(huì)(答辯小組)提出的問題和答辯情況
問題1：仿真設(shè)計(jì)界面是怎么設(shè)計(jì)的？
回 答： 有輸入框圖，文本，功能自己賦予問題2：角速度的圖像如何得到的？
回 答： 通過語句返回?cái)?shù)值。問題3：框圖中的1/s表示什么？ 回 答： 表示積分器。
問題4：曲線高低變化表示什么？
回 答： 表示在時(shí)間周期內(nèi)，位移，角速度，角加速度的變化過程。問題5：模擬結(jié)果有什么意義？
回 答： 可得到位移，角速度和角加速度隨時(shí)間的變化關(guān)系，對機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)給予了一定幫助。
記錄人： 2018年05月24日
答辯委員會(huì)評(píng)價(jià)表
評(píng)價(jià)內(nèi)容
具體要求
總分
評(píng)分
自述總結(jié)
思路清晰,語言表達(dá)準(zhǔn)確,概念清楚,論點(diǎn)正確,分析歸納合理
10
8
答辯過程
能夠正確回答所提出的問題,基本概念清楚,有理論根據(jù)
10
8
選題質(zhì)量
符合培養(yǎng)目標(biāo)要求,有一定的研究價(jià)值和實(shí)踐意義,有一定的
開拓性、創(chuàng)新性,深度、難度適宜,工作量飽滿
5
4
完成質(zhì)量
文題相符,概念準(zhǔn)確,分析、論證、計(jì)算、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)等正確
合理,結(jié)論明確；論文結(jié)構(gòu)、撰寫格式、圖表等符合基本規(guī)
10
8
能力水平
有較強(qiáng)的綜合運(yùn)用知識(shí)能力、科研方法運(yùn)用能力、中文表
達(dá)與外語應(yīng)用能力、文獻(xiàn)資料檢索能力、計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力
10
9
答辯委員會(huì)評(píng)分合計(jì)
37
答辯委員會(huì)評(píng)語
XX同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計(jì)工作期間，工作努力，態(tài)度認(rèn)真，能遵守各項(xiàng)紀(jì)律
，表現(xiàn)良好。
能按時(shí)、全面、獨(dú)立地完成與畢業(yè)設(shè)計(jì)有關(guān)的各環(huán)節(jié)工作，具有一定的綜合分析問題和解決問題的能力。
論文立論正確，理論分析得當(dāng)，解決問題方案實(shí)用，結(jié)論正確。
論文使用的概念正確，語言表達(dá)準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，條理清楚。
論文中使用的圖表，設(shè)計(jì)中的圖紙?jiān)跁鴮懞椭谱鲿r(shí)，能夠執(zhí)行國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范化較好。
具有一定的獨(dú)立查閱文獻(xiàn)資料及外語應(yīng)用能力，原始數(shù)據(jù)搜集得當(dāng)，實(shí)驗(yàn)或計(jì)算結(jié)論準(zhǔn)確。
答辯過程中，能夠簡明和正確地闡述論文的主要內(nèi)容，思路清晰，論點(diǎn)基本正確；回答問題準(zhǔn)確，有應(yīng)變力；有較好的語言表達(dá)能力。
答辯成績： 37 答辯委員會(huì)主任： XX 2018年05月29日
成績評(píng)定
項(xiàng)目分類
成績評(píng)定
過程管理評(píng)分
14
指導(dǎo)教師評(píng)分
18
評(píng)閱人評(píng)分
16
答辯委員會(huì)評(píng)分
37
總分
85
成績等級(jí)
B
成績等級(jí)按“A、B、C、D、F”記載
成績審核人簽章： XX
學(xué)院審核人簽章： XX
一、選題依據(jù)
1．論文（設(shè)計(jì)）題目
平面四桿機(jī)構(gòu) Matlab 仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)
2．研究領(lǐng)域
Matlab 仿真
3．論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值
計(jì)算機(jī)仿真是在研究系統(tǒng)過程中根據(jù)相似原理，利用計(jì)算機(jī)來逼真模擬研究對象。運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真是指利用計(jì)算機(jī)仿真軟件包求解機(jī)構(gòu)在所記時(shí)間域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程， 以此確定機(jī)構(gòu)在連續(xù)運(yùn)動(dòng)過程中各個(gè)構(gòu)件的速度和加速度。而 Matlab 軟件具有系統(tǒng)建模方便直觀、仿真功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，能為機(jī)械系統(tǒng)的建模仿真提供一個(gè)強(qiáng)大而方便的工具。使用 Matlab 軟件的 Simulink 仿真工具用于機(jī)械工程中機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真， 簡單，直觀，只需通過 M 文件編寫運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，設(shè)定特殊時(shí)刻為初始值就可以得到任意時(shí)刻的位置、速度、加速度的值，并可以觀察它們在運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的變化。通過基于 Matlab 的強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力，還可以方便得到三者之間的關(guān)系，這是一般解析方法所不及的。
本設(shè)計(jì)以 Matlab 軟件的 Simulink 軟件包為研究平臺(tái)，以連桿機(jī)構(gòu)為研究對象， 通過建立閉環(huán)矢量方程，以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)列出動(dòng)力學(xué)方程，通過已知的幾何特性， 利用 Matlab 軟件數(shù)值計(jì)算能力和 Simulink 仿真模塊來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的建模仿真。通過對機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件進(jìn)行受力分析，得到動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型，再加上機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)， 建立動(dòng)力學(xué)仿真模型，得到機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的反力和力矩，避免了復(fù)雜的數(shù)學(xué)解析運(yùn)算，并保證了計(jì)算精度。通過已知的幾何特性，利用 Matlab 軟件數(shù)值計(jì)算能力和 Simulink 仿真模塊來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的建模仿真。
4．目前研究的概況和發(fā)展趨勢
連桿機(jī)構(gòu)是一種常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，是機(jī)械傳動(dòng)中必不可少的部件，廣泛應(yīng)用于懸掛系統(tǒng)、工程機(jī)械工作裝置等各種機(jī)械裝置中。但是，在連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中需要大量的數(shù)據(jù)計(jì)算，僅靠人工計(jì)算非常繁瑣而且容易出錯(cuò)，并且難以達(dá)到所要求的設(shè)計(jì)精度，同時(shí)在設(shè)計(jì)過程中無法完成讀設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的性能分析和動(dòng)態(tài)模擬仿真。就目前情況而言，Matlab 已經(jīng)不再是“矩陣實(shí)驗(yàn)室”，而成為國際上最流行的科學(xué)與工程計(jì)算的軟件工具，以及一種具有廣泛應(yīng)用前景的全新的計(jì)算機(jī)高級(jí)編程語言，它在國內(nèi)外高校和科研部門正扮演著越來越重要的角色，功能也越來越強(qiáng)大，不斷適應(yīng)新的要求提出新的解決辦法?？梢灶A(yù)見，在科學(xué)運(yùn)算和科學(xué)繪圖領(lǐng)域，Matlab 語言將長期保持其獨(dú)一無二的地位，使用 Matlab 可以很好地對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行分析，為連桿機(jī)構(gòu)的建模仿真提供一個(gè)強(qiáng)大而方便的工具。
二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容
1.重點(diǎn)解決的問題
以 Matlab 軟件的 Simulink 軟件包為研究平臺(tái)，以連桿機(jī)構(gòu)為研究對象，通過建立閉環(huán)矢量方程，以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)列出動(dòng)力學(xué)方程，通過已知的幾何特性，利用
Matlab 軟件數(shù)值計(jì)算能力和 Simulink 仿真模塊來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的建模仿真。通過對機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件進(jìn)行受力分析，得到動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型，再加上機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，建立動(dòng)力學(xué)仿真模型，得到機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的反力和力矩。通過已知的幾何特性，利用 Matlab 軟件數(shù)值計(jì)算能力和 Simulink 仿真模塊來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的建模仿真。
2.擬開展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路）
（1）連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析：建立機(jī)構(gòu)的閉環(huán)矢量方程；
（2）改寫為矩陣形式：通過推導(dǎo)，將各矢量方程聯(lián)立，在坐標(biāo)系中建立相應(yīng)的矩陣數(shù)學(xué)模型；
（3）編寫M函數(shù)文件求解方程：將編寫的M函數(shù)文件嵌入到Simulink模型中，得到仿真模型；
（4）連桿機(jī)構(gòu)的Matlab仿真運(yùn)算：將參數(shù)代入程序后，計(jì)算得到機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)， 得出仿真結(jié)果。
3.本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果
課題基于 Matlab 為研究平臺(tái)，以連桿機(jī)構(gòu)為研究對象，進(jìn)行機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能分析，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型，選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算方法，編制相應(yīng)的程序，求解運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，以圖形的形式顯示出該機(jī)構(gòu)在真實(shí)系統(tǒng)條件下的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，具體體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：
（1）連桿機(jī)構(gòu)的閉環(huán)矢量方程；
（2）M 文件；
（3）Simulink 仿真模型；
（4）連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué) Matlab 仿真曲線圖；
（5）設(shè)計(jì)說明書。
三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排
1.擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)）；
以四桿機(jī)構(gòu)綜合分析理論為核心，利用 MATLAB 軟件開發(fā)了平面四桿機(jī)構(gòu)綜合與分析系統(tǒng)。充分利用 MATLAB 強(qiáng)大的計(jì)算功能和出色的數(shù)據(jù)可視化功能，完成了四桿剛體導(dǎo)引、軌跡發(fā)生及函數(shù)發(fā)生機(jī)構(gòu)綜合與分析軟件的設(shè)計(jì)。
2.論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃
第 1 周：收集研究方向相關(guān)資料、研究資料；
第 2 周：閱讀參考文獻(xiàn)，確定研究內(nèi)容；
第 3 周：撰寫開題報(bào)告，擬訂總體設(shè)計(jì)方案；
第 4 周：完善、修改開題報(bào)告，完成外文翻譯；
第 5 周：進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)總體規(guī)劃，設(shè)計(jì)總體實(shí)施方案；
第 6 周：根據(jù)機(jī)構(gòu)分類，建立閉環(huán)矢量方程；
第 7 周：對閉環(huán)矢量方程進(jìn)行求導(dǎo)和求解；
第 8 周：連桿軌跡、速度、加速度求解；
第 9 周：連桿軌跡、速度、加速度分析；
第 10 周：對機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)變曲點(diǎn)、曲率極大極小點(diǎn)進(jìn)行分析； 第 11 周：建立機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，編寫 M 文件；
第 12 周：對程序進(jìn)行調(diào)試，撰寫設(shè)計(jì)說明書；
第 13 周：完善設(shè)計(jì)內(nèi)容及設(shè)計(jì)說明書，準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯；
第 14 周：按指導(dǎo)教師及評(píng)閱教師的意見修改設(shè)計(jì)說明書，進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。
四、需要閱讀的參考文獻(xiàn)
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附：文獻(xiàn)綜述或報(bào)告
文獻(xiàn)綜述
一、連桿機(jī)構(gòu)的發(fā)展概述
在過去的幾十年里，國內(nèi)外的一些學(xué)者對連桿機(jī)構(gòu)分析和綜合的研究已取得了令人矚目的成就。
對于連桿機(jī)構(gòu)分析，提出了以單開鏈為單元的理論與方法，以拓?fù)涮卣鳛榛A(chǔ)的新機(jī)構(gòu)組成原理，揭示了機(jī)構(gòu)特征與動(dòng)力學(xué)方程、運(yùn)動(dòng)學(xué)方程之間的聯(lián)系，創(chuàng)立了一套數(shù)學(xué)模型。連桿機(jī)構(gòu)綜合取得成就有：
（1）提出了綜合桿組的概念，創(chuàng)立了連桿機(jī)構(gòu)按速度、位置、加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)綜合進(jìn)行分析的理論和方法。（2）將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到連桿機(jī)構(gòu)綜合，建立了傳動(dòng)特征和導(dǎo)引特性的數(shù)據(jù)庫，有利于提高求解精度和設(shè)計(jì)速度。（3）提出了基于局部的軌跡的特征，實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)構(gòu)的軌跡，提高軌跡機(jī)構(gòu)求解的精度和設(shè)計(jì)速度。（4）提出了機(jī)架桿方向結(jié)構(gòu)誤差與從動(dòng)桿桿長機(jī)構(gòu)誤差的概念，并通過改進(jìn)遺傳算法，完成軌跡機(jī)構(gòu)和函數(shù)生成機(jī)構(gòu)的優(yōu)化。20 世紀(jì)中期，開始將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到連桿機(jī)構(gòu)綜合。對于鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)綜合的幾何方法，一些學(xué)者將其公式化，超越方程組和求解代數(shù)方程組可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，從而獲得綜合機(jī)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)，首次實(shí)現(xiàn)將計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用到四桿機(jī)構(gòu)再現(xiàn)函數(shù)的最優(yōu)綜合中。60 年代后，位移矩陣法也被應(yīng)用到機(jī)構(gòu)綜合中， 通過解超越方程組和非線性方程組，求綜合機(jī)構(gòu)的有關(guān)參數(shù)。
在過去的幾百年中，連桿機(jī)構(gòu)的理論研究取得了巨大的成績。18 世紀(jì)后期，機(jī)械工程學(xué)科在第一次工業(yè)革命后迅速的發(fā)展起來了，機(jī)構(gòu)學(xué)也成了一門獨(dú)立的新學(xué)科。連桿機(jī)構(gòu)早在 13 世紀(jì)前期就已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，四桿機(jī)構(gòu)是最簡單也是最早出現(xiàn)的一種機(jī)構(gòu)。早在 18 世紀(jì)，著名發(fā)明家瓦特就對連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究。1784 年，瓦特將四桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用到他發(fā)明的蒸汽機(jī)里，為活塞提供近似直線運(yùn)動(dòng)。瓦特將連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用到蒸汽機(jī)多年之后，連桿機(jī)構(gòu)并沒有得到快速的發(fā)展，一方面是由于缺乏其運(yùn)動(dòng)特性方面的理論基礎(chǔ)。與連桿機(jī)構(gòu)相關(guān)的一些文獻(xiàn)在 19 世紀(jì) 80 年代后才相繼出現(xiàn)。
19 世紀(jì)之后，對連桿機(jī)構(gòu)研究貢獻(xiàn)最大的是德國機(jī)構(gòu)學(xué)學(xué)派，其研究成果處于世界遙遙領(lǐng)先地位。第二次世界大戰(zhàn)之后，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使連桿機(jī)構(gòu)在生產(chǎn)中的應(yīng)用有了新突破，開辟了許多新分支。四桿機(jī)構(gòu)是連桿機(jī)構(gòu)最基本的形式，雖然目前對四桿機(jī)構(gòu)已進(jìn)行了很多的研究，但是在運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面，四桿機(jī)構(gòu)仍待進(jìn)一步發(fā)展。對于五桿機(jī)構(gòu)，尤其是五桿以上的多桿多自由度機(jī)構(gòu)，仍待進(jìn)一步研究。四桿機(jī)構(gòu)雖應(yīng)用廣泛，形式簡單，但僅僅能實(shí)現(xiàn)簡單的功能。隨著機(jī)械手、機(jī)械自動(dòng)化機(jī)器人的發(fā)展，在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性方面，人們有了更高的要求，國際上也十分注重這方面的研究。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，也促進(jìn)了機(jī)械工程學(xué)的快速發(fā)展。連桿機(jī)構(gòu)將朝著多桿機(jī)構(gòu)方向和多學(xué)科之間的相會(huì)融合和滲透方向發(fā)展。未來連桿機(jī)構(gòu)研究的對象將會(huì)是由機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)和原動(dòng)機(jī)結(jié)合成的整個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，通過對整個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的研究，揭示其運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特征以及其對動(dòng)力分配的影響，從而改進(jìn)機(jī)構(gòu)的性能和創(chuàng)造出具有新用途的機(jī)構(gòu)，這將是未來連桿機(jī)構(gòu)發(fā)展的趨勢。
二、Matlab 的發(fā)展及優(yōu)點(diǎn)概述
在 70 年代中期，Cleve Moler 博士和其同事在美國國家科學(xué)基金的資助下開發(fā)了調(diào)用 EISPACK 和 LINPACK 的 FORTRAN 子程序庫。EISPACK 是特征值求解的 FOETRAN 程序庫，LINPACK 是解線性方程的程序庫。在當(dāng)時(shí)，這兩個(gè)程序庫代表矩陣運(yùn)算的最高水平。到 70 年代后期，身為美國 New Mexico 大學(xué)計(jì)算機(jī)系系主任的 Cleve Moler， 在給學(xué)生講授線性代數(shù)課程時(shí)，想教學(xué)生使用 EISPACK 和 LINPACK 程序庫，但他發(fā)現(xiàn)
學(xué)生用 FORTRAN 編寫接口程序很費(fèi)時(shí)間，為了讓學(xué)生方便的調(diào)用 EISPACK 和 LINPACK， 利用業(yè)余時(shí)間為學(xué)生編寫 EISPACK 和 LINPACK 的接口程序。Cleve Moler 給這個(gè)接口程序取名為 Matlab，取名 Matlab(MATrix LABoratory)，即 Matrix 和 Laboratory 的組合。在以后的數(shù)年里，Matlab 在多所大學(xué)里作為教學(xué)輔助軟件使用，并作為面向大眾的免費(fèi)軟件廣為流傳。1983 年春天，Cleve Moler 到 Standford 大學(xué)講學(xué)，Matlab 深深地吸引了工程師 John Little。John Little 敏銳地覺察到 Matlab 在工程領(lǐng)域的廣闊前景。于是，他和 Cleve Moler、Steve Bangert 一起，由 Steve Bangert 主持開發(fā)編譯解釋程序，Steve Kleiman 完成圖形功能的設(shè)計(jì)，John Little 和 Cleve Moler 主持開發(fā)了各類數(shù)學(xué)分分析的子模塊，撰寫用戶指南和大部分的 M 文件。這樣用 C 語言開發(fā)了第二代 Matlab 專業(yè)版，也是 Matlab 第一個(gè)商用版，同時(shí)賦予了它數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)圖示化的功能。自從第一版發(fā)行以來，已有眾多的科技工作者加入到 Matlab 的開發(fā)隊(duì)伍中，并為形成今天約 Matlab 系統(tǒng)做出了巨大的貢獻(xiàn)。1984 年，Cleve Moler和 John Little 成立了 Math Works 公司，發(fā)行了 Matlab 第 1 版(DoS 版本 1.0)。正式把 Matlab 推向市場。Matlab 的第一個(gè)商業(yè)化的版本是同年推出的是 3.0 的 DOS 版本。并繼續(xù)進(jìn)行 Matlab 的研究和開發(fā)，逐步將其發(fā)展成為一個(gè)集數(shù)值處理、圖形處理、圖像處理、符號(hào)計(jì)算、文字處理、數(shù)學(xué)建模、實(shí)時(shí)控制、動(dòng)態(tài)仿真、信號(hào)處理為一體的數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件。Matlab 以商品形式出現(xiàn)后，僅短短幾年，就以其良好的開放性和運(yùn)行的可靠性，使原先控制領(lǐng)域里的封閉式軟件包（如英國的 UMIST，瑞典的 LUND 和 SIMNON，德國的 KEDDC）紛紛淘汰，而改以 Matlab 為平臺(tái)加以重建。九十年代初期，在國際上 30 幾個(gè)數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中，Matlab 在數(shù)值計(jì)算方面獨(dú)占鰲頭，而
Mathematica 和 Maple 則分居符號(hào)計(jì)算軟件的前兩名。
MathCAD 因其提供計(jì)算、圖形、文字處理的統(tǒng)一環(huán)境而深受中學(xué)生歡迎。Matlab 已經(jīng)成為國際控制界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算軟件。1992 年，MathWorks 公司于推出了 4.0 版本。1993 年，MathWorks 公司推出了 Matlab 4.1 版。也是在這年（1993 年）MathWorks 公司從加拿大滑鐵盧大學(xué)購得 Maple 的使用權(quán)，以 Maple 為“引擎”開發(fā)了 Symbolic Math Toolbox 1.0。MathWorks 公司此舉加快結(jié)束了國際上數(shù)值計(jì)算、符號(hào)計(jì)算孰優(yōu)孰劣的長期爭論，促成了兩種計(jì)算的互補(bǔ)發(fā)展新時(shí)代。
Matlab 的主要特點(diǎn)有：(1)高效的數(shù)值計(jì)算及符號(hào)計(jì)算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析中解脫出來；(2)具有完備的圖形處理功能，實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和編程的可視化；(3)友好的用戶界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語言，使學(xué)者易于學(xué)習(xí)和掌握；
(4)功能豐富的應(yīng)用工具箱(如信號(hào)處理工具箱、通信工具箱等)，為用戶提供了大量方便實(shí)用的處理工具。Matlab 語言是一種非常強(qiáng)大的工程計(jì)算語言，提供了非常豐富的 Matlab 優(yōu)化工具箱。其優(yōu)化工具箱有許多常用的優(yōu)化算法，廣泛應(yīng)用于線性規(guī)劃、二次規(guī)劃、非線性優(yōu)化、最小二乘法問題、非線性方程求解、多目標(biāo)決策等問題，其函數(shù)表達(dá)簡潔，優(yōu)化算法選擇靈活，參數(shù)設(shè)置自由，相比于其它很多成熟的優(yōu)化程序具有明顯的優(yōu)越性。
三、連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的 Matlab 分析概述
連桿機(jī)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)簡單，可承受載荷大，連桿曲線具有多樣性等特性，它在眾多領(lǐng)域都有著廣泛的運(yùn)用。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真就是根據(jù)給定的原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律，求出機(jī)構(gòu)中其它構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的方法分為圖解法、解析法和實(shí)驗(yàn)法三種, 解析法將機(jī)構(gòu)問題抽象為數(shù)學(xué)問題,將機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系用數(shù)學(xué)解析式來描述,便于推理和對機(jī)構(gòu)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中任意位置的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行深入分析, 分析精度也較高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值方法的發(fā)展。解析法運(yùn)算冗繁的問題得以解決,并體現(xiàn)出運(yùn)算速度快、計(jì)算精度高的顯著優(yōu)勢,因此解析法得到越來越廣泛的應(yīng)用。無論是分析現(xiàn)有機(jī)構(gòu)工作性能,還是優(yōu)化新機(jī)械,仿真都是十分重要的。通過仿真可以確定某些構(gòu)件運(yùn)動(dòng)所需的空間,校驗(yàn)它們運(yùn)動(dòng)是否干涉,而且運(yùn)動(dòng)軌跡仿真動(dòng)畫
則更為形象直觀，速度分析可以確定機(jī)構(gòu)從動(dòng)件的速度是否合乎要求，加速度分析可以為慣性力計(jì)算提供數(shù)據(jù)。因此,運(yùn)動(dòng)學(xué)分析既是機(jī)構(gòu)綜合的基礎(chǔ),又是力分析的基礎(chǔ)。
同時(shí)，Matlab 具有強(qiáng)大的運(yùn)算分析功能，具有集科學(xué)計(jì)算、程序設(shè)計(jì)和可視化于一體的高度集成化軟件環(huán)境，是目前國際上公認(rèn)的最優(yōu)秀的計(jì)算分析軟件之一，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、信號(hào)處理、機(jī)械設(shè)計(jì)、流體力學(xué)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等工程領(lǐng)域。通過運(yùn)算分析，Matlab 可以從眾多的設(shè)計(jì)方案中尋找最佳途徑，獲取最優(yōu)結(jié)果，大大提高了設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量。四連桿機(jī)構(gòu)的解析法同樣可以用 Matlab 的計(jì)算工具來求值，并結(jié)合 Matlab 的可視化手段，把各點(diǎn)的計(jì)算值擬合成曲線，得到連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真軌跡。Matlab 軟件中的 Simulink 仿真工具用于機(jī)械工程中機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，簡單， 直觀。只需通過 M 文件編寫運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，設(shè)定特殊時(shí)刻為初始值就可以得到任意時(shí)刻的位置、速度、加速度的值，并可以觀察它們在運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的變化。通過基于 Matlab 的強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力，還可以方便得到三者之間的關(guān)系，這是一般解析方法所不及的。以 Matlab 軟件的 Simulink 軟件包為研究平臺(tái)，以平面四桿機(jī)構(gòu)為研究對象，通過建立閉環(huán)矢量方程，以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)列出動(dòng)力學(xué)方程，通過已知的幾何特性，利用 Matlab 軟件數(shù)值計(jì)算能力和 Simulink 仿真模塊來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的建模仿真。通過對機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件進(jìn)行受力分析，得到動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型，再加上機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，建立動(dòng)力學(xué)仿真模型，得到機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的反力和力矩，避免了復(fù)雜的數(shù)學(xué)解析運(yùn)算，并保證了計(jì)算精度。通過已知的幾何特性，利用 Matlab 軟件數(shù)值計(jì)算能力和 Simulink 仿真模塊來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的建模仿真。
我們以連桿機(jī)構(gòu)為研究對象，應(yīng)用了基于 Matlab 的 Simulink 對平面連桿機(jī)構(gòu)以及空間連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真方法。仿真模擬使計(jì)算更為簡單，并以曲線圖的形式顯示出在曲柄勻速運(yùn)動(dòng)條件下，各參數(shù)的隨時(shí)間變化的特性。這不僅可以保證系統(tǒng)方案的可行性，還可以提高機(jī)械設(shè)計(jì)的效率，為機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新的方法，具有很強(qiáng)的實(shí)際工程應(yīng)用意義。
總之,機(jī)構(gòu)仿真是實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要方法,特別是對于復(fù)雜機(jī)構(gòu)系統(tǒng),這一方法更加顯示出其優(yōu)越性,而 Matlab 可很好地對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行分析,為機(jī)械系統(tǒng)的建模仿真提供一個(gè)強(qiáng)大而方便的工具。
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