张帆

【摘 要】本文针对铰链四杆机构的教学现状，应用数值仿真技术，开发了铰链四杆机构运动仿真实验平台，该平台实现了机构运动的动态仿真，可绘制机构的位移、速度和加速度线图，查看连杆曲线。通过软件界面，可以方便地更改机构参数，获得不同运动形式的机构。对调动学生积极性、提高教学效率具有良好的效果，适用于机械原理的仿真实验和教学演示。

【关键词】四杆机构；仿真；GUI；MATLAB

中图分类号： TH111 文献标识码： A 文章编号： 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

铰链四杆机构是机械原理课程的重要组成部分，不仅理论性强，而且分析、计算复杂，历来是教学的重点和难点[1]。传统教学主要有图解法和解析法[2，3]，前者概念清晰，求解直观，但准确性较差。铰链四杆机构存在解析解，但求解公式较复杂，参数较多。教学实践中多以图解法为重点，解析法为了解的内容。在这种条件下，学生对解析法往往心存畏惧，编制程序的难度较大，需要耗费大量的时间和精力。为此，本文针对铰链四杆机构的教学现状，应用数值仿真技术，开发了铰链四杆机构运动仿真实验平台。实践表明，该平台对调动学生积极性、提高教学效率具有良好的效果。

1 GUI界面设计

本文所开发的铰链四杆机构运动仿真实验平台，应用MATLAB的GUIDE开发环境完成界面设计[4]。在该环境下，用户可以通过鼠标将相应UI组件拖放至图形窗口，并设置其外观属性[5]，实现GUI界面设计，如图1所示。图中主要有输入文本框、单选按钮、命令按钮、坐标系组件等。文本框主要用于设置机构参数，单选按钮用于选择是否绘制M点轨迹，命令按钮用于实现各种仿真功能，坐标系组件axes1用于显示机构仿真的动画。

2 程序代码设计

完成GUI界面设计之后，需要为界面中的组件编写事件处理代码。在GUIDE环境下，事件处理以回调函数的形式实现。程序需要响应的事件主要有输入文本框的信息变化、单选按钮的状态变化、命令按钮的单击事件和图形窗口打开事件等。

图形窗口打开事件仅在程序运行时发生一次，该处理函数主要是为铰链四杆机构提供一组初始参数，为GUI界面中的文本框和单选按钮赋初值。例如：杆长AD输入框初始值为100，则相应代码为：lad=100；set（handles.edit_AD，'String'，num2str（lad））；单选按钮初始值为选中状态，则相应代码为set（handles.radiobutton1，'Value'，1）。

其它三类事件的处理具有统一的函数原型。以“运动仿真”按钮为例，其函数原型为function pushbutton_sim_Callback（hObject，eventdata，handles），相应代码为：handles.simdata=computesimdata（handles）；guidata（hObject，handles）；handles=guidata（hObject）；simmotion（handles，0），这里computesimdata函数用于铰链四杆机构运动仿真数据的计算，simmotion则应用仿真数据，绘制铰链四杆机构仿真动画。变量handles将两个函数联系起来，完成数据交换。

3 数值计算

4 程序运行

铰链四杆机构运动仿真实验平台运行界面如图2所示。点击运动仿真按钮，可在“仿真动画”窗口实现机构运动的动态仿真，并绘出连杆上任意一点M的轨迹曲线（连杆曲线）；改变机构参数和M点位置，可得到不同的运动规律和不同的连杆曲线。

通过点击运行界面的相应按钮可获得BC、CD杆的转角，角速度和角加速度，如图3，4，5所示。

5 结论

本文基于MATLAB的GUI开发环境，应用数值仿真技术，开发了铰链四杆机构运动仿真实验平台，实现了机构运动的动态仿真，可绘制机构的位移、速度和加速度线图，可方便的查看连杆上任意点的轨迹曲线。通过软件界面，可以方便地試验机构参数，获得不同运动形式的机构。对调动学生积极性、提高教学效率具有良好的效果，适用于机械原理的仿真实验和教学演示。

【参考文献】

[1]熊艳红，朱志强.一种动感的铰链四杆机构综合实验平台的研究综述[J].科技视界，2017，8：65.

[2]周启兴，李兵.LabVIEW在铰链四杆机构运动分析中的应用[J].现代制造工程，2015，12：74-77.

[3]赵世田，付莹莹，曾勇，郑雷.基于Simulink的四杆机构及连杆点的运动学仿真研究[J].煤矿机械，2017，5：183-186

[4]宫薇薇，冯姗姗，韩煦.基于Matlab GUI的实验平台快速搭建技术[J].大学物理实验，2017，4：105-108

[5]闫红梅，张鸣，李远征.基于Matlab的系统稳定性分析实验设计[J].实验技术与管理，2018，4：144-146.