VS2015平面四杆机构运动仿真编程
VS2015平面四杆机构运动仿真编程
一、软件运行界面
二. 编程步骤
1. 新建MFC应用程序，项目名取为“FourBar”，在location中指定一个工作路径用于放置程序文件。
2. 在程序向导中选择建立一个“基于对话框”的应用程序，点击“下一步”直至结束向导。
3. 在对话框窗口布局控件。首先选中已有的静态文本“TODO:在这里设置对话框控件”，delete将其删除。从右侧控件工具栏中点击“Picture”图片控件，在对话框空白区域拖出一个矩形窗口，右键点击控件边框，弹出属性对话框，设定其控件的ID号：IDC_DISPLAY，Type属性为Rectangle，color为white，其余不变。再点击Group Box（成组框）控件，在对话框空白区域拖出一个矩形窗口，将其caption改为“输入四杆机构参数”，并在其中布置四个静态文本控件和四个编辑框控件，分别对应输入四杆机构的四个杆长尺寸。
为各个编辑框控件指定控件的ID号：
AB杆：IDC_AB；
BC杆：IDC_BC；
CD杆：IDC_CD；
AD杆：IDC_AD。
在成组框的下方添加2个按钮，其caption分别为“开始运动”和“停止运动”，其ID分别为IDC_START和IDC_STOP。将已有的“确定”按钮拖至下方并将其caption改为“退出”，并删除原有的“取消”按钮。这样对话框界面就设计好了，后续可以根据需要添加其他功能按钮等。
4. 为对话框中的控件添加相应的成员变量：点击菜单“项目 →类向导” 。
点击“Member Variables”标签项，依次选中对话框中的编辑控件IDC_AB、IDC_BC、IDC_CD、IDC_AD后点击“添加变量”，为添加对应的成员变量，类型为double，最小值0.0，最大值1000.0，如下图所示。
5. 四杆机构参数包括：各杆长尺寸ab，bc，cd，ad，曲柄位置角φ1、连杆位置角φ2、摇杆位置角φ3、机架倾角θ4。
直接在类向导，点击“Member Variables”标签项——“添加自定义”，为CFourBarDlg类中添加成员变量angle1，angle2，angle3，sita4，分别对应为AB、BC、CD、AD四杆的位置角，类型均设置为double。
6. 在CFourBarDlg类中添加成员函数DrawFourbar()，类型为void。将来在这个函数中实现四杆机构的参数计算及绘图。
7. 初始化四杆机构的参数：在CFourBarDlg类的OnInitDialog()函数中添加初始化代码：
// TODO: 在此添加额外的初始化代码
m_ab=100;
m_bc=250;
m_cd=200;
m_ad=200;
sita4=0;
angle1=45;
angle2=0;
angle3=0;
UpdateData(FALSE); //将初始设定的杆长尺寸填入编辑框中显示
8. 在FourBarDlg.cpp前面加上科学计算的头文件，这样就可以支持三角函数的计算。
#include "stdafx.h"
#include "FourBar.h"
#include "FourBarDlg.h"
#include "afxdialogex.h"
#include "math.h"
9. 在CFourBarDlg类的函数DrawFourbar( )中添加语句，用来计算并画四杆机构图形。
void CFourBarDlg::DrawFourbar()
{
UpdateData(TRUE);
//获取对话框的图片控件的位置大小，并准备在其中绘图
CRect m_rect;
GetDlgItem(IDC_DISPLAY)->GetWindowRect(&m_rect);
ScreenToClient(&m_rect);
//获得绘图设备对象，并设置绘图区域大小，范围及原点
CClientDC dc(this);
dc.SetMapMode(MM_ISOTROPIC);
dc.SetWindowExt(CSize(500,500));
dc.SetViewportExt(m_rect.right,-m_rect.bottom);
dc.SetViewportOrg(m_rect.right/2,m_rect.bottom/2+50);
//当参数改变时重绘窗口
RedrawWindow(&m_rect);
//计算运动参数，此部分内容与《机械原理》教材计算方法完全一致。
double pi=3.1415926; // 定义圆周率π
double bx,by,cx,cy; //铰链B、C点的坐标
double L, fai, aa, bb; //定义中间变量
angle1=angle1*pi/180; //将角度值转化为弧度值
sita4=sita4*pi/180;
//计算辅助矢量BD的模与位置角
L = sqrt(m_ab * m_ab + m_ad * m_ad - 2 * m_ab * m_ad * cos(angle1 - sita4*pi/180));
fai = atan((m_ad * sin(sita4) - m_ab * sin(angle1)) / (m_ad * cos(sita4) - m_ab * cos(angle1)));
aa = (m_bc * m_bc - L * L - m_cd * m_cd) / (2 * L * m_cd);
angle3 = acos(aa) + fai;
bb = (L * sin(fai) + m_cd * sin(angle3)) / (L * cos(fai) + m_cd * cos(angle3));
angle2 = atan(bb);
if (bb < 0)
{
angle2 = angle2 + pi;
}
//计算B点和C点的坐标
bx = m_ab * cos(angle1);
by = m_ab * sin(angle1);
cx = bx + m_bc * cos(angle2);
cy = by + m_bc * sin(angle2);
//计算完成，下面设定画图需要的参数
CPen NewPen1;//声明画笔对象
CPen* pOldPen; //保存原先画笔的指针
//初始化实线、5像素宽的红色画笔
NewPen1.CreatePen(PS_SOLID,5,RGB(255,0,0));
//将画笔选入设备对象
pOldPen=dc.SelectObject(&NewPen1);
//画四杆机构，分成四个杆和对应的铰链进行绘制
//画AB杆
dc.MoveTo(0,0);
dc.LineTo(bx,by);
//画BC杆
dc.MoveTo(bx,by);
dc.LineTo(cx,cy);
dc.Ellipse(bx-10,by-10,bx+10,by+10); //画转动副B
//画CD杆
dc.MoveTo(cx,cy);
dc.LineTo(m_ad,0);
dc.Ellipse(cx-10,cy-10,cx+10,cy+10); //画转动副C
//画AD杆
dc.MoveTo(0,0);
dc.LineTo(m_ad,0);
dc.Ellipse(-10,-10,10,10); //画转动副A
dc.Ellipse(m_ad-10,-10,m_ad+10,10); //画转动副D
//画机架
for (int i=1;i<=12;i++)
{
dc.MoveTo((m_ad/12)*i,0);
dc.LineTo((m_ad/12)*i-20,-20);
}
dc.SelectObject(pOldPen); //恢复系统原来的画笔对象。
angle1=angle1*180/pi; //将AB杆的位置角的弧度再转化为角度，准备后面用来递增。
}
10. 下面添加机构动画的功能。在类向导中选中“命令”，在Class name中选择“CFourBarDlg”类，目标ID号中选择“ID_START”，消息选择“BN_CLICKED”，添加处理程序，确认函数名为“OnStart”。同理，目标ID号中选择“ID_STOP”，消息选择“BN_CLICKED”，添加成员函数“OnStop”。分别在两个函数中设置定时器及撤销定时器。
分别添加程序如下：
void CFourBarDlg::OnStart()
{
// TODO: 在此添加控件通知处理程序代码
SetTimer(1, 100, NULL); //设置定时器
}
void CFourBarDlg::OnStop()
{
// TODO: 在此添加控件通知处理程序代码
KillTimer(1); //删除定时器
} 11. 点击菜单“项目 →类向导”为菜单项命令添加消息映射函数。在Class name中选择“CFourBarDlg”类，在“Messages”中选择“WM_TIMER”，“添加处理程序”或双击，添加OnTimer成员函数。
12. 在OnTimer函数中添加如下代码：
void CFourBarDlg::OnTimer(UINT nIDEvent)
{
// TODO: Add your message handler code here and/or call default
if (angle1>360)
angle1=angle1-360; //当曲柄转动角度大于360度时，重新从0度开始旋转。
angle1=angle1+2; // 曲柄每次转动5度
DrawFourbar(); //调用四杆机构绘图函数
CDialog::OnTimer(nIDEvent);
}
13. 编译、连接，调试运行。
三、完整程序
// FourBarDlg.cpp : 实现文件
//
#include "stdafx.h"
#include "FourBar.h"
#include "FourBarDlg.h"
#include "afxdialogex.h"
#include "math.h"
#ifdef _DEBUG
#define new DEBUG_NEW
#endif
// 用于应用程序“关于”菜单项的 CAboutDlg 对话框
class CAboutDlg : public CDialogEx
{
public:
CAboutDlg();
// 对话框数据
#ifdef AFX_DESIGN_TIME
enum { IDD = IDD_ABOUTBOX };
#endif
protected:
virtual void DoDataExchange(CDataExchange* pDX); // DDX/DDV 支持
// 实现
protected:
DECLARE_MESSAGE_MAP()
};
CAboutDlg::CAboutDlg() : CDialogEx(IDD_ABOUTBOX)
{
}
void CAboutDlg::DoDataExchange(CDataExchange* pDX)
{
CDialogEx::DoDataExchange(pDX);
}
BEGIN_MESSAGE_MAP(CAboutDlg, CDialogEx)
END_MESSAGE_MAP()
// CFourBarDlg 对话框
CFourBarDlg::CFourBarDlg(CWnd* pParent /*=NULL*/)
: CDialogEx(IDD_FOURBAR_DIALOG, pParent)
, m_ab(0)
, m_ad(0)
, m_bc(0)
, m_cd(0)
{
m_hIcon = AfxGetApp()->LoadIcon(IDR_MAINFRAME);//自定义变量
angle1 = 0.0;
angle2 = 0.0;
angle3 = 0.0;
sita4 = 0.0;
}
void CFourBarDlg::DoDataExchange(CDataExchange* pDX)
{
CDialogEx::DoDataExchange(pDX);
DDX_Text(pDX, IDC_AB, m_ab);
DDX_Text(pDX, IDC_AD, m_ad);
DDX_Text(pDX, IDC_BC, m_bc);
DDX_Text(pDX, IDC_CD, m_cd);
}
BEGIN_MESSAGE_MAP(CFourBarDlg, CDialogEx)
ON_WM_SYSCOMMAND()
ON_WM_PAINT()
ON_WM_QUERYDRAGICON()
ON_BN_CLICKED(IDC_START, &CFourBarDlg::OnStart)
ON_BN_CLICKED(IDC_STOP, &CFourBarDlg::OnStop)
ON_WM_TIMER()
END_MESSAGE_MAP()
// CFourBarDlg 消息处理程序
BOOL CFourBarDlg::OnInitDialog()
{
CDialogEx::OnInitDialog();
// 将“关于...”菜单项添加到系统菜单中。
// IDM_ABOUTBOX 必须在系统命令范围内。
ASSERT((IDM_ABOUTBOX & 0xFFF0) == IDM_ABOUTBOX);
ASSERT(IDM_ABOUTBOX < 0xF000);
CMenu* pSysMenu = GetSystemMenu(FALSE);
if (pSysMenu != NULL)
{
BOOL bNameValid;
CString strAboutMenu;
bNameValid = strAboutMenu.LoadString(IDS_ABOUTBOX);
ASSERT(bNameValid);
if (!strAboutMenu.IsEmpty())
{
pSysMenu->AppendMenu(MF_SEPARATOR);
pSysMenu->AppendMenu(MF_STRING, IDM_ABOUTBOX, strAboutMenu);
}
}
// 设置此对话框的图标。 当应用程序主窗口不是对话框时，框架将自动
// 执行此操作
SetIcon(m_hIcon, TRUE); // 设置大图标
SetIcon(m_hIcon, FALSE); // 设置小图标
// TODO: 在此添加额外的初始化代码
m_ab = 100;
m_bc = 250;
m_cd = 200;
m_ad = 200;
sita4 = 0;
angle1 = 45;
angle2 = 0;
angle3 = 0;
UpdateData(FALSE); //将初始设定的杆长尺寸填入编辑框中显示
return TRUE; // 除非将焦点设置到控件，否则返回 TRUE
}
void CFourBarDlg::OnSysCommand(UINT nID, LPARAM lParam)
{
if ((nID & 0xFFF0) == IDM_ABOUTBOX)
{
CAboutDlg dlgAbout;
dlgAbout.DoModal();
}
else
{
CDialogEx::OnSysCommand(nID, lParam);
}
}
// 如果向对话框添加最小化按钮，则需要下面的代码
// 来绘制该图标。 对于使用文档/视图模型的 MFC 应用程序，
// 这将由框架自动完成。
void CFourBarDlg::OnPaint()
{
if (IsIconic())
{
CPaintDC dc(this); // 用于绘制的设备上下文
SendMessage(WM_ICONERASEBKGND, reinterpret_cast<WPARAM>(dc.GetSafeHdc()), 0);
// 使图标在工作区矩形中居中
int cxIcon = GetSystemMetrics(SM_CXICON);
int cyIcon = GetSystemMetrics(SM_CYICON);
CRect rect;
GetClientRect(&rect);
int x = (rect.Width() - cxIcon + 1) / 2;
int y = (rect.Height() - cyIcon + 1) / 2;
// 绘制图标
dc.DrawIcon(x, y, m_hIcon);
}
else
{
CDialogEx::OnPaint();
}
}
//当用户拖动最小化窗口时系统调用此函数取得光标
//显示。
HCURSOR CFourBarDlg::OnQueryDragIcon()
{
return static_cast<HCURSOR>(m_hIcon);
}
void CFourBarDlg::DrawFourbar()
{
UpdateData(TRUE);
//获取对话框的图片控件的位置大小，并准备在其中绘图
CRect m_rect;
GetDlgItem(IDC_DISPLAY)->GetWindowRect(&m_rect);
ScreenToClient(&m_rect);
//获得绘图设备对象，并设置绘图区域大小，范围及原点
CClientDC dc(this);
dc.SetMapMode(MM_ISOTROPIC);
dc.SetWindowExt(CSize(500, 500));
dc.SetViewportExt(m_rect.right, -m_rect.bottom);
dc.SetViewportOrg(m_rect.right / 2, m_rect.bottom / 2 + 50);
//当参数改变时重绘窗口
RedrawWindow(&m_rect);
//计算运动参数，此部分内容与《机械原理》教材计算方法完全一致。
double pi = 3.1415926; // 定义圆周率π
double bx, by, cx, cy; //铰链B、C点的坐标
double L, fai, aa, bb; //定义中间变量
angle1 = angle1*pi / 180; //将角度值转化为弧度值
sita4 = sita4*pi / 180;
//计算辅助矢量BD的模与位置角
L = sqrt(m_ab * m_ab + m_ad * m_ad - 2 * m_ab * m_ad * cos(angle1 - sita4*pi / 180));
fai = atan((m_ad * sin(sita4) - m_ab * sin(angle1)) / (m_ad * cos(sita4) - m_ab * cos(angle1)));
aa = (m_bc * m_bc - L * L - m_cd * m_cd) / (2 * L * m_cd);
angle3 = acos(aa) + fai;
bb = (L * sin(fai) + m_cd * sin(angle3)) / (L * cos(fai) + m_cd * cos(angle3));
angle2 = atan(bb);
if (bb < 0)
{
angle2 = angle2 + pi;
}
//计算B点和C点的坐标
bx = m_ab * cos(angle1);
by = m_ab * sin(angle1);
cx = bx + m_bc * cos(angle2);
cy = by + m_bc * sin(angle2);
//计算完成，下面设定画图需要的参数
CPen NewPen1;//声明画笔对象
CPen* pOldPen; //保存原先画笔的指针
//初始化实线、5像素宽的红色画笔
NewPen1.CreatePen(PS_SOLID, 5, RGB(255, 0, 0));
//将画笔选入设备对象
pOldPen = dc.SelectObject(&NewPen1);
//画四杆机构，分成四个杆和对应的铰链进行绘制
//画AB杆
dc.MoveTo(0, 0);
dc.LineTo(bx, by);
//画BC杆
dc.MoveTo(bx, by);
dc.LineTo(cx, cy);
dc.Ellipse(bx - 10, by - 10, bx + 10, by + 10); //画转动副B
//画CD杆
dc.MoveTo(cx, cy);
dc.LineTo(m_ad, 0);
dc.Ellipse(cx - 10, cy - 10, cx + 10, cy + 10); //画转动副C
//画AD杆
dc.MoveTo(0, 0);
dc.LineTo(m_ad, 0);
dc.Ellipse(-10, -10, 10, 10); //画转动副A
dc.Ellipse(m_ad - 10, -10, m_ad + 10, 10); //画转动副D
//画机架
for (int i = 1; i <= 12; i++)
{
dc.MoveTo((m_ad / 12)*i, 0);
dc.LineTo((m_ad / 12)*i - 20, -20);
}
dc.SelectObject(pOldPen); //恢复系统原来的画笔对象。
angle1 = angle1 * 180 / pi; //将AB杆的位置角的弧度再转化为角度，准备后面用来递增。
}
void CFourBarDlg::OnStart()
{
// TODO: 在此添加控件通知处理程序代码
SetTimer(1, 100, NULL); //设置定时器
}
void CFourBarDlg::OnStop()
{
// TODO: 在此添加控件通知处理程序代码
KillTimer(1); //删除定时器
}
void CFourBarDlg::OnTimer(UINT_PTR nIDEvent)
{
// TODO: 在此添加消息处理程序代码和/或调用默认值
if (angle1>360)
angle1 = angle1 - 360; //当曲柄转动角度大于360度时，重新从0度开始旋转。
angle1 = angle1 + 2; // 曲柄每次转动5度
DrawFourbar(); //调用四杆机构绘图函数
CDialogEx::OnTimer(nIDEvent);
}
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