平面四桿機構Matlab仿真及優(yōu)化設計帶開題報告.zip,平面,機構,Matlab,仿真,優(yōu)化,設計,開題,報告 附錄 1：外文翻譯 2015年第三屆國際最新計算趨勢會議（ICRTC-2015） 動平衡四桿機構的形狀優(yōu)化 機械工程系 馬拉維亞國家技術研究所 齋浦爾 302017，印度 摘 要 本文提出了一種求解動態(tài)平衡平面四桿機構的連桿形狀的優(yōu)化方法。通過優(yōu)化各連桿的質量分布, 最大限度地減少了在慣性作用下產(chǎn)生的振動力和振動力矩。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 樣條曲線的控制點作為設計變量。通過將該方法應用到文獻中的一個數(shù)值問題中, 證明了該算法的有效性。 關鍵詞：動平衡; 等效系統(tǒng); 四桿機構; 遺傳算法; 形狀優(yōu)化 1 介紹 四桿機構是機器最常使用的機構。當機器高速運行時，這些機構將力和力矩傳遞到地面，這些所有機構運動環(huán)節(jié)的慣性力及力矩的矢量和，被定義為振動力和振動力矩。由于這些力和力矩產(chǎn)生的振動、磨損和噪聲, 使機構的動態(tài)性能受到不利影響, 文獻[1-3] 中提出了幾種減少它們的方法，通過質量再分配[4]或增加配重[5]使移動連桿的質心保持不變，從而實現(xiàn)機構的完全力平衡。 力的完全平衡增加了連桿各桿的振動力矩，驅動力矩和承受力[6]。使用慣性或磁盤配重[7]和復制結構[8]的方式，振動時刻會隨著力的完全平衡而減少。然而，這些方法并不是首選，因為它們增加了機構的復雜性和質量。通過優(yōu)化[9-11]，研究出了一些其他方法來最小化振動力和振動力矩。該方法根據(jù)連桿的質量和相應的轉動慣量，找到連桿質量的最佳分配方案，以減少振動力和振動力矩。將機構平衡問題表示為多目標優(yōu)化問題，并考慮適當?shù)脑O計約束[12-13]，采用粒子群優(yōu)化（PSO）和遺傳算法（GA）等技術來進行優(yōu)化。 解決找到與平衡機構相對應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]的拓撲優(yōu)化方法生成相應機構的形狀。但是, 在這些方法中不 考慮機構的動態(tài)平衡，此外,這些方法還需要初始形狀或設計域才能開始運算。 本文提出的平面四桿機構平衡的優(yōu)化問題公式，機構的剛性連接被表示為動態(tài)等價的點質量系統(tǒng), 稱為等效系統(tǒng) [11、17]。該問題作為一種多目標優(yōu)化問題,利用遺傳算法求解，目的就是將振動力和振動化力矩最小化。對于平衡機構所產(chǎn)生的最小慣性慣量, 為了保持其與平衡機構相同，連桿形狀的慣性特性被看作是約束,利用三次 B 樣條曲線描述出機構連桿的形狀。將通過 B 樣條曲線的控制點作為設計變量, 把得到連桿慣性值的百分比誤差的最小化作為目標函數(shù)。 本文的結構如下。第2節(jié)給出了機構的振動力和振動力矩的定義。連桿形狀的形成過程在第3節(jié)中給出。動態(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)值實例。最后，在第6節(jié)給出結論。 2 振動力和振動的時刻 1 0 03 圖1 表示了一個平面四桿機構，其中固定連桿與運動連桿分離, 為了表明反作用力。振動力被定義為所有慣性力矢量和的反作用力，而振動力矩則是慣性力矩與作用在慣性力矩固定點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 1 振動力和連接點 1 處的振動力矩[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。在關節(jié)＃1施加的主動轉矩由en1表示，而a0表示從O1到O4的矢量。 圖1 四桿機構從框架分離 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，在曲線內插入或近似一組n + 1個控制點， 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段任意一點的坐標為： 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： 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Pi-1，Pi等的坐標。利用格林定理計算了用閉合的三次B樣條曲線合成的形狀的慣性特性[19]，由n個三次B 樣條曲線片段組成閉合曲線，關于質心軸（Ixx，Iyy，Izz）的面積A，質心（x，y）和區(qū)域轉動慣量，計算如下： 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： 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量和轉動慣量計算如下： 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 動態(tài)平衡 （21） （22） 為了平面四桿機構的動態(tài)平衡，使用等質點質量系統(tǒng)的概念，制定了優(yōu)化方案以最小化振動力和振動力矩。這些連桿被系統(tǒng)地轉換成三個等質量的點質量系統(tǒng)，并將點質量參數(shù)作為設計變量。點質量由三個參數(shù)確定，因此每個連桿的設計變量的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個連桿的第j個點質量，lij和θij是它在形狀范圍內固定支架的極坐標。因此，該機構的設計矢量x由下式給出： x = é?xT xT xT ù?T （24） 1 2 3 考慮到振動力的大小，fsh，rms和振動力矩的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力和振動力矩的加權因子。 4.2 機構連桿的形狀優(yōu)化 在得到優(yōu)化機構連桿的慣性參數(shù)之后，就會制定一個優(yōu)化方案來找到本節(jié)中所描述的連桿形狀。將三次B樣條曲線控制點的笛卡爾坐標作為設計變量，如圖2所示。連接起點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坐標點為設計變量。連桿延伸以外的坐標原點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，P1和Pn-1的y坐標被選擇作為設計變量，并且在左端進行相同的處理。最后，在本文中，設計向量被定義為： yn/2-1 xn/2 yn/2+1 yn-1 ù? T x = é?x0 y1 目標函數(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'*'的參數(shù)表示上一節(jié)（4.1）中獲得的最優(yōu)參數(shù)，下標'i'用于機構的第i個連接。 5.數(shù)值例子 圖1所示的平面四桿機構[12]的數(shù)值問題是使用本節(jié)提出的方法解決的（表1）。 由于振動力和振動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目標函數(shù)中。為此, 對傳動鏈的參數(shù)進行了無量綱化, 即連桿 #1。為了減少問題的維度, 在九個變量中，mij，lij，θij，對于j=1，2，3，對于如圖3中定義的第i個連接點， 選擇五個參數(shù)為: qi1 = 0;qi 2 = 2p / 3;qi3 = 4p / 3和li 2 = li3 = li1 其他四個點質量參數(shù)，即mi1，mi2，mi3，li1被引入優(yōu)化方案。考慮到 （30） mi,min=0.25mi,mi,max=5mi,Ii,min=0.25Ii，對于第i個鏈路，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“o”代表原始機構的參數(shù)。表2和圖4給出了原始值與振動力和振動力矩的最佳值的比較。遺傳算法的應用讓振動力的值和振動力矩的值分別減少了約50％和68％，平衡機構的相應最佳參數(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 表1 平面四桿機構的參數(shù) 圖3（a）剛性連接 圖3（b）點質量 圖3 將剛性連接轉換為點質量的等效系統(tǒng)表2 標準和優(yōu)化機制的動態(tài)量的RMS值 圖4 完整周期的振動力和振動力矩的變化 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： ——————初始機構  優(yōu)化的機構 圖5 對應于平衡機構的初始和優(yōu)化鏈路形狀 文中所提出的方法不需要任何預定義的形狀或設計域作為初始條件。最終慣性值的百分比誤差在±5％之內。平衡機構的連桿所產(chǎn)生的應力可以在外部載荷下最薄弱的部位進行計算。 6 結論 本文提出了一種平面四桿機構動平衡和形狀形成的優(yōu)化方法。對于動態(tài)平衡，機構的剛性環(huán)節(jié)可由點質量等效系統(tǒng)的表示。以點質量參數(shù)為設計變量, 優(yōu)化了連桿質量分布, 最大限度地減少了振動力和震動力矩。利用遺傳算法作為求解器, 實現(xiàn)了振動力和震動力矩分別減少了50%和68%。然后將平衡機構的連桿形狀建模為立方B樣條曲線。對B 樣條曲線的邊界進行優(yōu)化, 使連桿質量和慣性達到優(yōu)化值。為此，控制點充當設計變量， 約束條件被定義為保持生成的連桿參數(shù)與平衡機構參數(shù)相同。本文提出的方法很簡單， 也可以應用于多環(huán)平面和空間機構。 附錄 2：外文原文 任務書 論文(設計)題目：平面四桿機構Matlab仿真及優(yōu)化設計 工作日期：2017年12月15日 ~ 2018年05月25日 1.選題依據(jù): 平面四桿機構的應用非常廣泛， 而且是組成多桿機構的基礎。ＭＡＴＬＡＢ具有系統(tǒng)建模方便直觀、仿真功能強大等特點，能為機械系統(tǒng)的建模仿真提供一個強大而方便的工具。 2.論文要求(設計參數(shù)): Matlab 軟件的Simulink 仿真工具用于機械工程中機構的運動學仿真，簡單，直觀。只需通過M 文件編寫運動學方程，設定特殊時刻為初始值就可以得到任意時刻的位置、速度、加速度的值，并可以觀察它們在運動周期內的變化。通過基于Matlab 的強大的矩陣運算能力，還可以方便得到三者之間的關系，這是一般解析方法所不及的。 3.個人工作重點: 以Matlab 軟件的Simulink 軟件包為研究平臺，以平面四桿機構為研究對象，通過建立閉環(huán)矢量方程，以牛頓力學為基礎列出動力學方程，通過已知的幾何特性，利用Matlab 軟件數(shù)值計算能力和Simulink 仿真模塊來實現(xiàn)系統(tǒng)的建模仿真。通過對機構中各構件進行受力分析，得到動力學的數(shù)學模型，再加上機構運動的運動參數(shù)，建立動力學仿真模型 ，得到機構運動的反力和力矩。通過已知的幾何特性，利用Matlab 軟件數(shù)值計算能力和Simulink 仿真模塊來實現(xiàn)系統(tǒng)的建模仿真。 4.時間安排及應完成的工作: 第1周：收集研究方向相關資料、研究資料。第2周：閱讀參考文獻，確定研究內容。 第3周：撰寫開題報告，擬訂總體設計方案。 第4周：完善、修改開題報告，完成外文翻譯。 第5周：進行畢業(yè)設計總體規(guī)劃，設計總體實施方案。 第6周：根據(jù)機構分類，建立閉環(huán)矢量方程。 第7周：對閉環(huán)矢量方程進行求導和求解。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：對機構數(shù)據(jù)變曲點、曲率極大極小點進行分析。 第11周：建立機構數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，編寫M文件。 第12周：對程序進行調試，撰寫設計說明書。 第13周：完善設計內容及設計說明書，準備畢業(yè)設計答辯。 第14周：按指導教師及評閱教師的意見修改設計說明書，進行畢業(yè)設計答辯。 5.應閱讀的基本文獻: [1] 范恒彥,陳長秀. 一種支撐用鉸鏈四桿機構的設計[J]. 陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院學報. 2015(04) [2] 王琦,何仁. 采用改進差分進化算法的四桿機構軌跡優(yōu)化[J]. 機械設計與制造. 2017(09) [3] 徐春濤,廉哲滿. 基于矯正解的經(jīng)過預定三位置的四桿機構設計[J]. 延邊大學學報(自然科學版). 2012(01) [4] 桑中和. 四桿機構設計的一種解析法(二)[J]. 阜新礦業(yè)學院學報. 1986(02) [5] L.O.巴克頓,羅良玲. 四桿機構的簡易分析法[J]. 南昌大學學報(工科版). 1980(03) [6] 覃金昌,林遠艷,張寶磊. 工程四桿機構焊接桿上F點的Simulink/SimMechanics軌跡仿真分析[J]. 科技信息. 2013(15) [7] 張建,谷裕. 談四桿機構教學中學生創(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構優(yōu)化設計[J]. 機械工程與自動化. 2009(03) [9] 張威,王輝. 微分進化應用于四桿機構綜合時的人工干預[J]. 機床與液壓. 2009(07) [10] 趙云龍,劉俊標,韓立. 雙復合平行四桿機構的研究[J]. 航空精密制造技術. 2007(04) 指導教師簽字： XX 教研室主任意見： 同意 簽字：XX 2017年12月14日 教學指導分委會意見： 同意 簽字：XX 2017年12月15日 學院公章 進度檢查表 第 -1 周 工作進展情況 收集并閱讀和研究方向有關的資料文獻，分析研究題目、確定研究內容和思路，完成開題報告的填寫，并且完成外文翻譯。 2018年01月11日 指導教師意見 閱讀了大量國內外參考文獻，完成了文獻綜述，掌握了相關的基本知識 。 完成了開題報告的撰寫，開題答辯過程中講述條理清晰，順利通過開題答辯！ 指導教師(簽字)：XX 2018年01月11日 第 4 周 工作進展情況 完成畢業(yè)設計總體規(guī)劃，根據(jù)機構建立閉環(huán)矢量方程，對閉環(huán)矢量方程進行求導和求解，對連桿的軌跡、速度、加速度進行分析求解。 2018年05月09日 指導教師意見 順利通過中期檢查，對研究內容明確，進度符合預期要求，完成較好！ 指導教師(簽字)：XX 2018年05月20日 第 10 周 工作進展情況 根據(jù)前期分析結果編寫M文件，建立GUI界面，調試程序，完成仿真分析及優(yōu)化設計，同時完善設計說明書。 2018年05月20日 指導教師意見 完成論文撰寫，GUI界面完成，仿真結果與理論驗算結果符合，完成優(yōu)化計算，完成任務書全部內容！ 指導教師(簽字)：XX 2018年05月20日 第 11 周 工作進展情況 進一步完善設計說明書各項細節(jié)，準備好相關材料，參加答辯。 2018年05月23日 指導教師意見 根據(jù)意見，完善及修改畢設說明書內容，制作PPT，申請答辯。 指導教師(簽字)：XX 2018年05月23日 過程管理評價表 評價內容 具體要求 總分 評分 工作態(tài)度 態(tài)度認真，刻苦努力，作風嚴謹 3 3 遵守紀律 自覺遵守學校有關規(guī)定，主動聯(lián)系指導教師,接受指導 3 3 開題報告 內容詳實，符合規(guī)范要求 5 4 任務完成 按時、圓滿完成各項工作任務 4 4 過程管理評分合計 14 過程管 理評語 該生畢業(yè)設計過程中態(tài)度認真，刻苦努力，作風嚴謹，在畢業(yè)設計過程中自覺遵守學校有關規(guī)定，能夠主動聯(lián)系指導教師，接受指導，對于不懂的內容，積極與指導教師溝通，特別是在遇到困難的時候，能夠主動與指導教師溝通，及時對研究內容進行調整，同時高效利用圖書館館藏資料，在遇到問題時沒有氣餒，而是堅持到底，最終完成了任務。開題報告內容詳實，基本符合規(guī)范要求，查閱了大量的參考文獻，按時、圓滿完成了任務書布置的各項工作任務。 指導教師簽字:XX 日期:2018-05-21 指導教師評價表 評價內容 具體要求 總分 評分 選題質量 符合培養(yǎng)目標要求,有一定的研究價值和實踐意義,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 有較強的綜合運用知識能力、科研方法運用能力、中文表達與外語能力、文獻資料檢索能力、計算機應用能力 5 5 完成質量 文題相符,概念準確,分析、論證、計算、設計、實驗等正確合理,結論明確；論文結構、撰寫格式、圖表等符合基本規(guī) 10 9 指導教師評分合計 18 指導教 師評語 論文平面四桿機構Matlab仿真及優(yōu)化設計為自擬題目，選題符 合培養(yǎng)目標要求，有一定的研究價值和實踐意義，深度、難度適宜 ，工作量適中，需要較強的綜合能力。該生在畢業(yè)設計過程中體現(xiàn)了較強的綜合運用知識和科研方法運用能力，完成了GUI界面的設計，該生中文表達能力與外語能力較好，有較強的文獻資料檢索能力和計算機應用能力，論文撰寫文題相符，概念準確，分析、論證 、計算、設計、實驗等正確合理；論文結構、撰寫格式、圖表等基本符合規(guī)范要求。 指導教師簽字:XX 日期:2018-05-21 評閱人評價表 評價內容 具體要求 總分 評分 選題質量 符合培養(yǎng)目標要求,有一定的研究價值和實踐意義,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 有較強的綜合運用知識能力、科研方法運用能力、中文表 達與外語能力、文獻資料檢索能力、計算機應用能力 5 4 完成質量 文題相符,概念準確,分析、論證、計算、設計、實驗等正確 合理,結論明確；論文結構、撰寫格式、圖表等符合基本規(guī) 10 8 評閱人評分合計 16 評閱人 評語 畢業(yè)設計題目為軟件開發(fā)類題目，工作量適中，難度適宜，可鞏固專業(yè)基礎知識和培養(yǎng)用計算機進行二次開發(fā)能力，有一定的實踐意義。該同學專業(yè)基礎理論比較扎實，能夠較清楚地論述平面連桿機構的基本理論和計算公式，有一定自學能力，使用Matlab進行 開發(fā)仿真，中文表達能力較好，計算機文檔處理和數(shù)值計算專業(yè)軟件進行開發(fā)能力較強，外文翻譯與原文內容相符。整套設計，較充分地論述完成內容，格式較規(guī)范；建議調整優(yōu)化設計論述條理性。結論表達不夠具體、充分；參考文獻格式規(guī)范方面需要修改。同意答辯。 評閱人簽字：XX 評閱人工作單位：機械工程學院日期：2018-05-21 答辯紀錄 學生姓名：XX 專業(yè)班級：XX 畢業(yè)論文(設計)題目： 平面四桿機構Matlab仿真及優(yōu)化設計 答辯時間：2018年05月24日 時 分 ~ 時 分 答辯委員會(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(答辯小組)提出的問題和答辯情況 問題1：仿真設計界面是怎么設計的？ 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： 通過語句返回數(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： 表示在時間周期內，位移，角速度，角加速度的變化過程。問題5：模擬結果有什么意義？ 回 答： 可得到位移，角速度和角加速度隨時間的變化關系，對機構參數(shù)化設計給予了一定幫助。 記錄人： 2018年05月24日 答辯委員會評價表 評價內容 具體要求 總分 評分 自述總結 思路清晰,語言表達準確,概念清楚,論點正確,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 選題質量 符合培養(yǎng)目標要求,有一定的研究價值和實踐意義,有一定的 開拓性、創(chuàng)新性,深度、難度適宜,工作量飽滿 5 4 完成質量 文題相符,概念準確,分析、論證、計算、設計、實驗等正確 合理,結論明確；論文結構、撰寫格式、圖表等符合基本規(guī) 10 8 能力水平 有較強的綜合運用知識能力、科研方法運用能力、中文表 達與外語應用能力、文獻資料檢索能力、計算機應用能力 10 9 答辯委員會評分合計 37 答辯委員會評語 XX同學在畢業(yè)設計工作期間，工作努力，態(tài)度認真，能遵守各項紀律 ，表現(xiàn)良好。 能按時、全面、獨立地完成與畢業(yè)設計有關的各環(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，解決問題方案實用，結論正確。 論文使用的概念正確，語言表達準確，結構嚴謹，條理清楚。 論文中使用的圖表，設計中的圖紙在書寫和制作時，能夠執(zhí)行國家相關標準，規(guī)范化較好。 具有一定的獨立查閱文獻資料及外語應用能力，原始數(shù)據(jù)搜集得當，實驗或計算結論準確。 答辯過程中，能夠簡明和正確地闡述論文的主要內容，思路清晰，論點基本正確；回答問題準確，有應變力；有較好的語言表達能力。 答辯成績： 37 答辯委員會主任： XX 2018年05月29日 成績評定 項目分類 成績評定 過程管理評分 14 指導教師評分 18 評閱人評分 16 答辯委員會評分 37 總分 85 成績等級 B 成績等級按“A、B、C、D、F”記載 成績審核人簽章： XX 學院審核人簽章： XX 一、選題依據(jù) 1．論文（設計）題目 平面四桿機構 Matlab 仿真及優(yōu)化設計 2．研究領域 Matlab 仿真 3．論文（設計）工作的理論意義和應用價值 計算機仿真是在研究系統(tǒng)過程中根據(jù)相似原理，利用計算機來逼真模擬研究對象。運動學仿真是指利用計算機仿真軟件包求解機構在所記時間域內的運動學方程， 以此確定機構在連續(xù)運動過程中各個構件的速度和加速度。而 Matlab 軟件具有系統(tǒng)建模方便直觀、仿真功能強大等特點，能為機械系統(tǒng)的建模仿真提供一個強大而方便的工具。使用 Matlab 軟件的 Simulink 仿真工具用于機械工程中機構的運動學仿真， 簡單，直觀，只需通過 M 文件編寫運動學方程，設定特殊時刻為初始值就可以得到任意時刻的位置、速度、加速度的值，并可以觀察它們在運動周期內的變化。通過基于 Matlab 的強大的矩陣運算能力，還可以方便得到三者之間的關系，這是一般解析方法所不及的。 本設計以 Matlab 軟件的 Simulink 軟件包為研究平臺，以連桿機構為研究對象， 通過建立閉環(huán)矢量方程，以牛頓力學為基礎列出動力學方程，通過已知的幾何特性， 利用 Matlab 軟件數(shù)值計算能力和 Simulink 仿真模塊來實現(xiàn)系統(tǒng)的建模仿真。通過對機構中各構件進行受力分析，得到動力學的數(shù)學模型，再加上機構運動的運動參數(shù)， 建立動力學仿真模型，得到機構運動的反力和力矩，避免了復雜的數(shù)學解析運算，并保證了計算精度。通過已知的幾何特性，利用 Matlab 軟件數(shù)值計算能力和 Simulink 仿真模塊來實現(xiàn)系統(tǒng)的建模仿真。 4．目前研究的概況和發(fā)展趨勢 連桿機構是一種常用的傳動機構，是機械傳動中必不可少的部件，廣泛應用于懸掛系統(tǒng)、工程機械工作裝置等各種機械裝置中。但是，在連桿機構的設計過程中需要大量的數(shù)據(jù)計算，僅靠人工計算非常繁瑣而且容易出錯，并且難以達到所要求的設計精度，同時在設計過程中無法完成讀設計機構的性能分析和動態(tài)模擬仿真。就目前情況而言，Matlab 已經(jīng)不再是“矩陣實驗室”，而成為國際上最流行的科學與工程計算的軟件工具，以及一種具有廣泛應用前景的全新的計算機高級編程語言，它在國內外高校和科研部門正扮演著越來越重要的角色，功能也越來越強大，不斷適應新的要求提出新的解決辦法。可以預見，在科學運算和科學繪圖領域，Matlab 語言將長期保持其獨一無二的地位，使用 Matlab 可以很好地對機械系統(tǒng)進行分析，為連桿機構的建模仿真提供一個強大而方便的工具。 二、論文（設計）研究的內容 1.重點解決的問題 以 Matlab 軟件的 Simulink 軟件包為研究平臺，以連桿機構為研究對象，通過建立閉環(huán)矢量方程，以牛頓力學為基礎列出動力學方程，通過已知的幾何特性，利用 Matlab 軟件數(shù)值計算能力和 Simulink 仿真模塊來實現(xiàn)系統(tǒng)的建模仿真。通過對機構中各構件進行受力分析，得到動力學的數(shù)學模型，再加上機構運動的運動參數(shù)，建立動力學仿真模型，得到機構運動的反力和力矩。通過已知的幾何特性，利用 Matlab 軟件數(shù)值計算能力和 Simulink 仿真模塊來實現(xiàn)系統(tǒng)的建模仿真。 2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路） （1）連桿機構的運動學分析：建立機構的閉環(huán)矢量方程； （2）改寫為矩陣形式：通過推導，將各矢量方程聯(lián)立，在坐標系中建立相應的矩陣數(shù)學模型； （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）連桿機構的Matlab仿真運算：將參數(shù)代入程序后，計算得到機構運動參數(shù)， 得出仿真結果。 3.本論文（設計）預期取得的成果 課題基于 Matlab 為研究平臺，以連桿機構為研究對象，進行機械傳動機構的運動學性能分析，建立運動學數(shù)學模型，選擇適當?shù)挠嬎惴椒ǎ幹葡鄳某绦?，求解運動學方程，以圖形的形式顯示出該機構在真實系統(tǒng)條件下的運動學特性，具體體現(xiàn)在以下幾點： （1）連桿機構的閉環(huán)矢量方程； （2）M 文件； （3）Simulink 仿真模型； （4）連桿機構運動學 Matlab 仿真曲線圖； （5）設計說明書。 三、論文（設計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數(shù)）； 以四桿機構綜合分析理論為核心，利用 MATLAB 軟件開發(fā)了平面四桿機構綜合與分析系統(tǒng)。充分利用 MATLAB 強大的計算功能和出色的數(shù)據(jù)可視化功能，完成了四桿剛體導引、軌跡發(fā)生及函數(shù)發(fā)生機構綜合與分析軟件的設計。 2.論文（設計）進度計劃 第 1 周：收集研究方向相關資料、研究資料； 第 2 周：閱讀參考文獻，確定研究內容； 第 3 周：撰寫開題報告，擬訂總體設計方案； 第 4 周：完善、修改開題報告，完成外文翻譯； 第 5 周：進行畢業(yè)設計總體規(guī)劃，設計總體實施方案； 第 6 周：根據(jù)機構分類，建立閉環(huán)矢量方程； 第 7 周：對閉環(huán)矢量方程進行求導和求解； 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：對機構數(shù)據(jù)變曲點、曲率極大極小點進行分析； 第 11 周：建立機構數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，編寫 M 文件； 第 12 周：對程序進行調試，撰寫設計說明書； 第 13 周：完善設計內容及設計說明書，準備畢業(yè)設計答辯； 第 14 周：按指導教師及評閱教師的意見修改設計說明書，進行畢業(yè)設計答辯。 四、需要閱讀的參考文獻 [1] 范恒彥,陳長秀. 一種支撐用鉸鏈四桿機構的設計[J]. 陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院學報. 2015(04) [2] 王琦,何仁. 采用改進差分進化算法的四桿機構軌跡優(yōu)化[J]. 機械設計與制造. 2017(09) [3] 徐春濤,廉哲滿. 基于矯正解的經(jīng)過預定三位置的四桿機構設計[J]. 延邊大學學報(自然科學版). 2012(01) [4] 桑中和. 四桿機構設計的一種解析法(二)[J]. 阜新礦業(yè)學院學報. 1986(02) [5] L.O. 巴克頓, 羅良玲. 四桿機構的簡易分析法[J]. 南昌大學學報( 工科版). 1980(03) [6] 覃金昌,林遠艷,張寶磊. 工程四桿機構焊接桿上 F 點的 Simulink/SimMechanics 軌跡仿真分析[J]. 科技信息. 2013(15) [7] 張建,谷裕. 談四桿機構教學中學生創(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構優(yōu)化設計[J]. 機械工程與自動化. 2009(03) [9] 張威, 王輝. 微分進化應用于四桿機構綜合時的人工干預[J]. 機床與液壓. 2009(07) [10] 趙云龍,劉俊標,韓立. 雙復合平行四桿機構的研究[J]. 航空精密制造技術. 2007(04) [11] 劉龍,黎炯宏. 基于 MATLAB 的平面四連桿機構運動仿真[J]. 機電工程技術. 2011(04) [12] 任澤凱. 基于 MATLAB 和 ADAMS 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MATLAB 的四桿機構運動學仿真方法[J]. 林業(yè)機械與木工設備. 2007(05) [14] 周凌. 基于 Matlab 的四桿機構的運動學動力學仿真[J]. 高職教育. 2011(11) [15] 王筱華. 四桿機構位移分析及連桿曲線繪制[N]. 大連輕工業(yè)學院學報. 1999(04) [16] 褚金奎,王立鼎,吳琛. 四桿機構軌跡特性與機構尺寸型關系研究[J]. 中國科 E 輯 工程科學 材料科學. 2004(07) [17] 鄭立斌, 陳全園, 胡志平. 四連桿機構運動仿真設計[N]. 景德鎮(zhèn)高專學報. 2007(04) [18] Kailash Chaudhary,Himanshu Chaudhary. Shape optimization of dynamically balanced planar four-bar mechanism[R]. 3rd International Conference on Recent Trends in Computing 2015. 2015(05) [19] Ahmet Yildiz,Osman Kopmaz,Sevda Telli Cetin. Dynamic modeling and analysis of a four-bar mechanism coupled with a CVT for obtaining variable input speeds?[J]. Journal of Mechanical Science and Technology. 2015(03) [20] Van De Sande,Werner W.P.J. , Aarts, Ronald G.K.M. ,Brouwer, Dannis M. System behaviour of a multiple overconstrained compliant four-bar mechanism[J]. engineering village. 2017(12) 附：文獻綜述或報告  文獻綜述 一、連桿機構的發(fā)展概述 在過去的幾十年里，國內外的一些學者對連桿機構分析和綜合的研究已取得了令人矚目的成就。 對于連桿機構分析，提出了以單開鏈為單元的理論與方法，以拓撲特征為基礎的新機構組成原理，揭示了機構特征與動力學方程、運動學方程之間的聯(lián)系，創(chuàng)立了一套數(shù)學模型。連桿機構綜合取得成就有： （1）提出了綜合桿組的概念，創(chuàng)立了連桿機構按速度、位置、加速度等運動參數(shù)綜合進行分析的理論和方法。（2）將計算機技術應用到連桿機構綜合，建立了傳動特征和導引特性的數(shù)據(jù)庫，有利于提高求解精度和設計速度。（3）提出了基于局部的軌跡的特征，實現(xiàn)整個機構的軌跡，提高軌跡機構求解的精度和設計速度。（4）提出了機架桿方向結構誤差與從動桿桿長機構誤差的概念，并通過改進遺傳算法，完成軌跡機構和函數(shù)生成機構的優(yōu)化。20 世紀中期，開始將計算機技術應用到連桿機構綜合。對于鉸鏈四桿機構綜合的幾何方法，一些學者將其公式化，超越方程組和求解代數(shù)方程組可以在計算機上進行，從而獲得綜合機構有關的參數(shù)，首次實現(xiàn)將計算機實現(xiàn)應用到四桿機構再現(xiàn)函數(shù)的最優(yōu)綜合中。60 年代后，位移矩陣法也被應用到機構綜合中， 通過解超越方程組和非線性方程組，求綜合機構的有關參數(shù)。 在過去的幾百年中，連桿機構的理論研究取得了巨大的成績。18 世紀后期，機械工程學科在第一次工業(yè)革命后迅速的發(fā)展起來了，機構學也成了一門獨立的新學科。連桿機構早在 13 世紀前期就已經(jīng)得到了廣泛應用，四桿機構是最簡單也是最早出現(xiàn)的一種機構。早在 18 世紀，著名發(fā)明家瓦特就對連桿機構進行了研究。1784 年，瓦特將四桿機構應用到他發(fā)明的蒸汽機里，為活塞提供近似直線運動。瓦特將連桿機構應用到蒸汽機多年之后，連桿機構并沒有得到快速的發(fā)展，一方面是由于缺乏其運動特性方面的理論基礎。與連桿機構相關的一些文獻在 19 世紀 80 年代后才相繼出現(xiàn)。 19 世紀之后，對連桿機構研究貢獻最大的是德國機構學學派，其研究成果處于世界遙遙領先地位。第二次世界大戰(zhàn)之后，由于計算機技術的快速發(fā)展，使連桿機構在生產(chǎn)中的應用有了新突破，開辟了許多新分支。四桿機構是連桿機構最基本的形式，雖然目前對四桿機構已進行了很多的研究，但是在運動學和動力學方面，四桿機構仍待進一步發(fā)展。對于五桿機構，尤其是五桿以上的多桿多自由度機構，仍待進一步研究。四桿機構雖應用廣泛，形式簡單，但僅僅能實現(xiàn)簡單的功能。隨著機械手、機械自動化機器人的發(fā)展，在機構運動和動力特性方面，人們有了更高的要求，國際上也十分注重這方面的研究。 隨著計算機技術的飛速發(fā)展和科學技術的進步，也促進了機械工程學的快速發(fā)展。連桿機構將朝著多桿機構方向和多學科之間的相會融合和滲透方向發(fā)展。未來連桿機構研究的對象將會是由機構、控制系統(tǒng)和原動機結合成的整個機構系統(tǒng)，通過對整個機構系統(tǒng)的研究，揭示其運動學、動力學特征以及其對動力分配的影響，從而改進機構的性能和創(chuàng)造出具有新用途的機構，這將是未來連桿機構發(fā)展的趨勢。 二、Matlab 的發(fā)展及優(yōu)點概述 在 70 年代中期，Cleve Moler 博士和其同事在美國國家科學基金的資助下開發(fā)了調用 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。在當時，這兩個程序庫代表矩陣運算的最高水平。到 70 年代后期，身為美國 New Mexico 大學計算機系系主任的 Cleve Moler， 在給學生講授線性代數(shù)課程時，想教學生使用 EISPACK 和 LINPACK 程序庫，但他發(fā)現(xiàn) 學生用 FORTRAN 編寫接口程序很費時間，為了讓學生方便的調用 EISPACK 和 LINPACK， 利用業(yè)余時間為學生編寫 EISPACK 和 LINPACK 的接口程序。Cleve Moler 給這個接口程序取名為 Matlab，取名 Matlab(MATrix LABoratory)，即 Matrix 和 Laboratory 的組合。在以后的數(shù)年里，Matlab 在多所大學里作為教學輔助軟件使用，并作為面向大眾的免費軟件廣為流傳。1983 年春天，Cleve Moler 到 Standford 大學講學，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 完成圖形功能的設計，John Little 和 Cleve Moler 主持開發(fā)了各類數(shù)學分分析的子模塊，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 第一個商用版，同時賦予了它數(shù)值計算和數(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)隊伍中，并為形成今天約 Matlab 系統(tǒng)做出了巨大的貢獻。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)進行 Matlab 的研究和開發(fā)，逐步將其發(fā)展成為一個集數(shù)值處理、圖形處理、圖像處理、符號計算、文字處理、數(shù)學建模、實時控制、動態(tài)仿真、信號處理為一體的數(shù)學應用軟件。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行的可靠性，使原先控制領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 為平臺加以重建。九十年代初期，在國際上 30 幾個數(shù)學類科技應用軟件中，Matlab 在數(shù)值計算方面獨占鰲頭，而 Mathematica 和 Maple 則分居符號計算軟件的前兩名。 MathCAD 因其提供計算、圖形、文字處理的統(tǒng)一環(huán)境而深受中學生歡迎。Matlab 已經(jīng)成為國際控制界公認的標準計算軟件。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購得 Maple 的使用權，以 Maple 為“引擎”開發(fā)了 Symbolic Math Toolbox 1.0。MathWorks 公司此舉加快結束了國際上數(shù)值計算、符號計算孰優(yōu)孰劣的長期爭論，促成了兩種計算的互補發(fā)展新時代。 Matlab 的主要特點有：(1)高效的數(shù)值計算及符號計算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學運算分析中解脫出來；(2)具有完備的圖形處理功能，實現(xiàn)計算結果和編程的可視化；(3)友好的用戶界面及接近數(shù)學表達式的自然化語言，使學者易于學習和掌握； (4)功能豐富的應用工具箱(如信號處理工具箱、通信工具箱等)，為用戶提供了大量方便實用的處理工具。Matlab 語言是一種非常強大的工程計算語言，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、多目標決策等問題，其函數(shù)表達簡潔，優(yōu)化算法選擇靈活，參數(shù)設置自由，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、連桿機構運動學的 Matlab 分析概述 連桿機構由于其結構簡單，可承受載荷大，連桿曲線具有多樣性等特性，它在眾多領域都有著廣泛的運用。機構運動學仿真就是根據(jù)給定的原動件運動規(guī)律，求出機構中其它構件的運動參數(shù)。機構運動分析的方法分為圖解法、解析法和實驗法三種, 解析法將機構問題抽象為數(shù)學問題,將機構運動參數(shù)和結構參數(shù)之間的關系用數(shù)學解析式來描述,便于推理和對機構在整個運動過程中任意位置的運動性能進行深入分析, 分析精度也較高。隨著計算機技術和數(shù)值方法的發(fā)展。解析法運算冗繁的問題得以解決,并體現(xiàn)出運算速度快、計算精度高的顯著優(yōu)勢,因此解析法得到越來越廣泛的應用。無論是分析現(xiàn)有機構工作性能,還是優(yōu)化新機械,仿真都是十分重要的。通過仿真可以確定某些構件運動所需的空間,校驗它們運動是否干涉,而且運動軌跡仿真動畫 則更為形象直觀，速度分析可以確定機構從動件的速度是否合乎要求，加速度分析可以為慣性力計算提供數(shù)據(jù)。因此,運動學分析既是機構綜合的基礎,又是力分析的基礎。 同時，Matlab 具有強大的運算分析功能，具有集科學計算、程序設計和可視化于一體的高度集成化軟件環(huán)境，是目前國際上公認的最優(yōu)秀的計算分析軟件之一，被廣泛應用于自動控制、信號處理、機械設計、流體力學和數(shù)理統(tǒng)計等工程領域。通過運算分析，Matlab 可以從眾多的設計方案中尋找最佳途徑，獲取最優(yōu)結果，大大提高了設計水平和質量。四連桿機構的解析法同樣可以用 Matlab 的計算工具來求值，并結合 Matlab 的可視化手段，把各點的計算值擬合成曲線，得到連桿機構的運動仿真軌跡。Matlab 軟件中的 Simulink 仿真工具用于機械工程中機構的運動學仿真，簡單， 直觀。只需通過 M 文件編寫運動學方程，設定特殊時刻為初始值就可以得到任意時刻的位置、速度、加速度的值，并可以觀察它們在運動周期內的變化。通過基于 Matlab 的強大的矩陣運算能力，還可以方便得到三者之間的關系，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，以平面四桿機構為研究對象，通過建立閉環(huán)矢量方程，以牛頓力學為基礎列出動力學方程，通過已知的幾何特性，利用 Matlab 軟件數(shù)值計算能力和 Simulink 仿真模塊來實現(xiàn)系統(tǒng)的建模仿真。通過對機構中各構件進行受力分析，得到動力學的數(shù)學模型，再加上機構運動的運動參數(shù)，建立動力學仿真模型，得到機構運動的反力和力矩，避免了復雜的數(shù)學解析運算，并保證了計算精度。通過已知的幾何特性，利用 Matlab 軟件數(shù)值計算能力和 Simulink 仿真模塊來實現(xiàn)系統(tǒng)的建模仿真。 我們以連桿機構為研究對象，應用了基于 Matlab 的 Simulink 對平面連桿機構以及空間連桿機構的運動學和動力學仿真方法。仿真模擬使計算更為簡單，并以曲線圖的形式顯示出在曲柄勻速運動條件下，各參數(shù)的隨時間變化的特性。這不僅可以保證系統(tǒng)方案的可行性，還可以提高機械設計的效率，為機構設計提供了新的方法，具有很強的實際工程應用意義。 總之,機構仿真是實現(xiàn)機構優(yōu)化設計的重要方法,特別是對于復雜機構系統(tǒng),這一方法更加顯示出其優(yōu)越性,而 Matlab 可很好地對機械系統(tǒng)進行分析,為機械系統(tǒng)的建模仿真提供一個強大而方便的工具。