matlab凸輪輪廓設(shè)計及仿真說明書

1、偏置盤型凸輪創(chuàng)新課程設(shè)計課程名稱：機(jī)械原理設(shè)計題目：偏置盤型凸輪設(shè)計院 系：機(jī)電學(xué)院班 級：09機(jī)41設(shè)計者：彭輝學(xué) 號：09294040指導(dǎo)教師：王衛(wèi)辰學(xué) 校：江蘇師范大學(xué)凸輪輪廓曲線的設(shè)計，一般可分為圖解法和解析法. 利用圖解法 能比較方便地繪制出各種平面凸輪的輪廓曲線.但這種方法僅適用于比較簡單的結(jié)構(gòu)，用它對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計則比較困難，而且利用圖解法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計， 作圖誤差較大，對一些精度要求高 的結(jié)構(gòu)不能滿足設(shè)計要求. 解析法可以根據(jù)設(shè)計要求， 通過推導(dǎo) 機(jī)構(gòu)中各部分之間的幾何關(guān)系，建立相應(yīng)的方程，精確地計算出 輪廓線上各點的坐標(biāo)，然后把凸輪的輪廓曲線精確地繪制出 來.但是，當(dāng)從動件運

2、動規(guī)律比較復(fù)雜時，利用解析法獲得凸輪 的輪廓曲線的工作量比較大.而 MATLAB軟件提供了強(qiáng)大的矩 陣處理和繪圖功能，具有核心函數(shù)和工具箱. 其編程代碼接近數(shù) 學(xué)推導(dǎo)公式，簡潔直觀，操作簡易，人機(jī)交互性能好，且可以方 便迅速地用三維圖形、圖像、聲音、動畫等表達(dá)計算結(jié)果、拓展 思路口。因此，基于MATLAB軟件進(jìn)行凸輪機(jī)構(gòu)的解析法設(shè)計， 可以解決設(shè)計工作量大的問題。本此課程設(shè)計基于 MATLAB 軟件進(jìn)行凸輪輪廓曲線的 解析法 設(shè)計，并對的運動規(guī)律凸輪進(jìn)行仿真，其具體方法為首先精確地計算出輪 廓線上各點的坐標(biāo)，然后運用MATLAB 繪制比較精確的凸輪輪廓曲線和推桿的位移、速度及加速度曲線以及仿真

3、。im錄前言i第一章：工作意義 31.1本次課程設(shè)計意義31.2已知條件 4第二章：工作設(shè)計過程 52.1:設(shè)計思路 52.2:滾子從動件各個階段相關(guān)方程 62.3:盤型凹輪理論與實際輪廓方程 7第三章：工作程序過程 7 3.1:滾子從動件各各階段MATLAB程序編制-83.2:凹輪的理論實際運動仿真程序編制 12第四章：運彳亍結(jié)果 174.1:滾子運動的位移圖 174.2:滾子運動的速度圖 174.3:滾子運動的加速度圖,局部加速度圖 184.4:滾子運動的仿真圖 194.5:滾子運動的理論與實際輪廓圖 20第五章：設(shè)計總結(jié) 215.1:總結(jié)21第六章：參考文獻(xiàn) 226.1:參考文獻(xiàn)22第一

4、章：工作意義1.1本次課程設(shè)計意義凸輪是一個具有曲線輪廓或凹糟的構(gòu)件，一般為主動件，作等速回轉(zhuǎn)運動或往復(fù)直線運動。與凸輪輪廓接觸，并傳遞 動力和實現(xiàn)預(yù)定的運動規(guī)律的構(gòu)件，一般做往復(fù)直線運動或 擺動，稱為從動件。凸輪機(jī)構(gòu)在應(yīng)用中的基本特點在于能使 從動件獲得較復(fù)雜的運動規(guī)律。因為從動件的運動規(guī)律取決 于凸輪輪廓曲線，所以在應(yīng)用時，只要根據(jù)從動件的運動規(guī) 律來設(shè)計凸輪的輪廓曲線就可以了。由凸輪的回轉(zhuǎn)運動或往復(fù)運動推動從動件作規(guī)定往復(fù)移 動或擺動的機(jī)構(gòu)。凸輪具有曲線輪廓或凹糟，有盤形凸輪、 圓柱凸輪和移動凸輪等，其中圓柱凸輪的凹糟曲線是空間曲 線，因而屬于空間凸輪。從動件與凸輪作點接觸或線接觸， 有

5、滾子從動件、平底從動件和尖端從動件等。尖端從動件能 與任意復(fù)雜的凸輪輪廓保持接觸，可實現(xiàn)任意運動，但尖端 容易磨損，適用于傳力較小的低速機(jī)構(gòu)中。在帶滾子的直動從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)中，凸輪回轉(zhuǎn)一周從動件依次作升-停-降-停4個動作。從動件位移s（或行程高度h） 與凸輪轉(zhuǎn)角 中（或時間t）的關(guān)系稱為位移曲線。從動件的行程h有推程和回程。凸輪輪廓曲線決定于位移曲線的形狀。在某些機(jī)械中，位移曲線由工藝過程決定，但一般情況下只有行程和對應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角根據(jù)工作需要決定，而曲線的形狀則由設(shè)計者選定，可以有多種運動規(guī)律。傳統(tǒng)的 凸輪運動規(guī)律有等速、等加速-等減速、余弦加速度和正弦 加速度等。等速運動規(guī)律因有速度突

6、變，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的剛性 沖擊，只適用于低速。等加速-等減速和余弦加速度也有加速 度突變，會引起柔性沖擊，只適用于中、低速。正弦加速度運 動規(guī)律的加速度曲線是連續(xù)的，沒有任何沖擊，可用于高速。曲線是凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵， 常用的設(shè)計方法有解析法和 圖解法。在本次課程設(shè)計對偏心盤型凸輪進(jìn)行設(shè)計，一方面是為對以前機(jī)械原理內(nèi)容進(jìn)行加深印象，另一方面是為提高 CAE/CAM/CAD 計算機(jī)輔助設(shè)計，為下學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計做好 前期準(zhǔn)備，以及提高自我能力。提高編程能力，理解產(chǎn)品設(shè) 計相關(guān)準(zhǔn)備，為以后工作打下及基礎(chǔ)。運用計算機(jī)進(jìn)行凸輪 設(shè)計解析法設(shè)計，從而獲得設(shè)計凸輪實際以及理論輪廓曲線 軌跡。1.2已知條件偏心距

7、e=15rni，基圓半徑rO =40他，滾子半徑計=10鄙牌，推 程運動角中=100。，遠(yuǎn)休止角中s=6（f，回程運動角中=90。， 近休止角中s =110°，從動件推桿滾子在推程以等加速等減速 運動規(guī)律上升，升程規(guī)律 h =60醐i,回程以簡諧運動規(guī)律返 回原處，凸輪逆時針回轉(zhuǎn)，推桿偏于凸輪回轉(zhuǎn)中心的右側(cè)。%二摑-！ （s為滾子推桿從動件移動的規(guī)律）升程許用壓力角a=3萼，回程需用壓力角= 6乎。第二章：工作設(shè)計過程2.1設(shè)計思路根據(jù)機(jī)械原理書上用解析法設(shè)計凸輪輪廓線的實質(zhì)是建立凸輪輪廓線的數(shù)學(xué)方程式。已知偏距e,基圓半徑r,從動件的運動規(guī)律s= s（a ），則理論凸輪輪廓曲線方程

8、：&/（s+%）血8+esin6 ,y=（s+s山展-品5。（S廣而'W）而實際凸輪的曲線方程：I _rr dxXp = x + i;xdy/Jdx2+dy七 y p = y + " ； + dy 產(chǎn)以此作為程序編制基礎(chǔ)算法，然后明確程序編制需要哪些變雖，利用 MATLAB中相關(guān)函數(shù)進(jìn)行計算，求出需要設(shè)計的理論，實際凸輪的輪廓曲線， 并且利用PLOT函數(shù)進(jìn)行畫圖, 把從動件加速度，速度，位移進(jìn)行畫出來，并生成一個小型的動畫，進(jìn)行凸輪與滾子推桿從動件之間運動規(guī)律的仿真設(shè) 計。2.2 :滾子從動件各個階段相關(guān)方程推程等加速段：0卵<土即0<x<502h

9、2 4h(o 4hco2s = fW v = (pa =艱據(jù)： 。， 妒， *一 323一 3s =x v =x a = °250'125'125推程等減速S祭引，即50 2< x £ 100104h ，/），1252h2s = h - p -2 ，32s =60 - 100 - x250當(dāng)處于遠(yuǎn)休止：卜中引+如，即 100 三 x 三 160S=h,v=0,a=0即：s=60,v=0,a=0回程簡諧遠(yuǎn)動：七卵5 +由+、即 160 _ x _ 250h二s = 1 cos - s2 IL-h":sin (平 一。一 ©s)2，,2

10、2-h cos2 2貝I: s = 30 + 30 cos x _ 80 v = 15 sin x 80'/121 a =7.5 cos -x -802處于近休止： s ：s < 華壬2兀,艮J 250、x壬360s=0,v = 0,a = 02.3:盤型凹輪理論與實際輪廓方程盤型凹輪理論方程：&論= (s+%)sin8+esin6, y=(s+sJcoWesin/(S 廣 括-)盤型凸輪實際方程：Xp 二 x + i;xdy/仙? +dy第三章：工作程序過程3.1 :滾子從動件各各階段 MATLA雎序編制求從動件位移，加速度，速度曲線，這里根據(jù)前面所函數(shù),我定義矩陣步長

11、為三，r0為基圓半徑,rr為滾子半徑,pih為升程，e為偏心距，delta01為推程運動角，delta02為 遠(yuǎn)休止角，delta03為回程運動角，hd為角度轉(zhuǎn)換弧度制，du為弧度制轉(zhuǎn)換為角度制，n=360,并定義5個計數(shù)向雖，分另U是tan1,tan2,tan3,tan4,tan4, tan5,分另1屬于前面討論5情況matlab 程序：clear;r0=40;rr=10;h=60;e=15;delta01=100;delta02=60;delta03=90;hd=pi/180;du=180/pi;se=sqrt(r0*r0-e*e);n1=delta01+delta02;n3=delta0

12、1+delta02+delta03;n=360;tan1=0:pi/200:delta01/2;s1=2*h*tan1.A2/delta01A2;v1=4*h*tan1*hd/(delta01*hd)八2;a1=3/125;tan2=delta01/2:pi/200:delta01;s2=h-2*h*(delta01-tan2).A2/delta01A2;v2=4*h*(delta01-tan2)*hd/(delta01*hd)A2;a2=-3/125;tan3=delta01:pi/200:n1;s3=h;v3=0;a3=0;tan4=n1:pi/200:n3;k=tan4-n1;s4=0.

13、5*h*(1+cos(pi*k/delta03);v4=-0.5*pi*h*sin(pi*k/delta03)/(delta03*hd)A2;a4=0.5*pi*pi*h*cos(pi*k/delta03)/(delta03*hd)A2;tan5=n3:pi/200:n;s5=0;v5=0;a5=0;figure(1);hold on;grid on;title('偏置盤形凸輪從動件位移');xlabel('x/mm');ylabel('y/mm');plot(-(r0+h-40) (r0+h),0 0,'k');plot(0,0

14、,-(r0+h) (r0+rr),'k');plot(tan1,s1,'r',tan2,s2,'r',tan3,s3,'r',tan4,s4,'r',tan5,s5,'r');figure(2);title('偏置盤形凸輪從動件速度');hold on;grid on;xlabel('x/mm');ylabel('y/mm');plot(-(r0+h-40) (r0+h),0 0,'k');plot(0,0,-(r0+h) (r0+rr

15、),'k');plot(tan1,v1,'r',tan2,v2,'r',tan3,v3,'r',tan4,v4,'r',tan5,v5,'r');figure(3);title('偏置盤形凸輪從動件加速度');hold on;grid on;xlabel('x/mm');ylabel('y/mm');plot(tan1,a1,'r',tan2,a2,'r',tan3,a3,'r',tan4,a4,'

16、;r',tan5,a 5,'r');figure(4);title('偏置盤形凸輪從動件局部加速度');hold on;grid on;xlabel('x/mm');ylabel('y/mm');plot(tan1,a1,'r',tan2,a2,'r',tan3,a3,'r',tan5,a5,'r');在這里figure (1)代表從動件位移曲線，figure (2)代表 從動件速度曲線，figure (3)代表從動件全部加速度曲線， Figure(4)代表從

17、動件局部加速度，因為在第四段曲線跳躍 太大所以多一個圖進(jìn)行觀察。3.2:凸輪的理論實際運動仿真程序編制因為所需要變量跟前面曲線程序一樣所以這里就不重復(fù)，基本算法流程圖：繪制凸蛉曲線23程序流程圖一matlab 程序:clear;r0=40;rr=10;h=60;e=15;delta01=100;delta02=60;delta03=90;hd=pi/180;du=180/pi;se=sqrt(r0*r0-e*e);n1=delta01+delta02;n3=delta01+delta02+delta03;n=360;for i=1:nif i<=delta01/2s(i)=2*h*iA2

18、/delta01A2;ds(i)=4*h*i*hd/(delta01*hd)A2; ds=ds(i);elseif i>delta01/2 & i<=delta01s(i)=h-2*h*(delta01-i)A2/delta01A2;ds(i)=4*h*(delta01-i)*hd/(delta01*hd)八2; ds=ds(i);elseif i>delta01 & i<=n1s(i)=h;ds=0;elseif i>n1 & i<=n3k=i-n1;s(i)=0.5*h*(1+cos(pi*k/delta03);ds(i)=-0.

19、5*pi*h*sin(pi*k/delta03)/(delta03*hd)A2;ds=ds(i);elseif i>n3 & i<=ns(i)=0;ds=0;endxx(i)=(se+s(i)*sin(i*hd)+e*cos(i*hd);yy(i)=(se+s (i) )*cos(i*hd)-e*sin(i*hd);dx(i)=(ds-e)*sin(i*hd)+(se+s(i)*cos(i*hd);dy(i)=(ds-e)*cos(i*hd)-(se+s(i)*sin(i*hd);xp(i)=xx (i)+rr*dy(i)/sqrt(dx(i)A2+dy(i)A2);yp(

20、i)=yy(i)-rr*dx(i)/sqrt(dx (i) A2+dy(i)A2);endfigure(1)hold on;grid on; axis equal;axis(-(r0+h-30) (r0+h+10) -(r0+h+10) (r0+rr+10);text(r0+h+3,4,'X');text(3,r0+rr+3,'Y');text(-6,4,'0');title(' 偏置盤形凸輪設(shè)計');xlabel('x/mm');ylabel('y/mm');plot(-(r0+h-40) (r0

21、+h),0 0,'k');plot(0,0,-(r0+h) (r0+rr),'k');plot(xx,yy,'r-');ct=linspace(0,2*pi);plot(r0*cos(ct),r0*sin(ct),'g');plot(e*cos(ct),e*sin(ct),'c-');plot(e+rr*cos(ct),se+rr*sin(ct),'k');plot(e,se,'o');plot(e e,se se+30,'k');plot(xp,yp,'b&

22、#39;);xp0=(r0-rr)/r0*e;yp0=(r0-rr)/r0*se;dss=sqrt(diff(xp).A2+diff(yp).A2);ss(1)=sqrt(xp(1)-xp0)A2+(yp(1)-yp0)A2);for i=1:359ss(i+1)=ss(i)+dss(i);endphi=ss/rr;figure(2)m=moviein(20);j=0;for i=1:360j=j+1;delta(i)=i*hd;xy=xp',yp'A1=cos(delta(i),sin(delta(i);-sin(delta(i),cos(delta (i);xy=xy*A1

23、;clf;plot(xy(:,1),xy(:,2);hold on;axis equal;axis(-(120) (470) -(100) (140);plot(-(r0+h-40) (r0+h),0 0,'k');plot(0 0,-(r0+h) (r0+rr),'k');plot(r0*cos(ct),r0*sin(ct),'g');plot(e*cos(ct),e*sin(ct),'c-');plot(e+rr*cos(ct),se+s(i)+rr*sin(ct),'k');plot(ee+rr*cos(-p

24、hi(i),se+s(i)se+s(i)+rr*sin(-phi(i),'k');plot(e e,se+s (i) se+s (i)+40,'k');plot(1:360+r0+h,s+se);plot(r0+h) (r0+h+360),se se,'k');plot(r0+h) (r0+h),se se+h,'k');plot(i+r0+h,s(i)+se,'*');title('偏置凸輪設(shè)計');xlabel('x/mm')ylabel('y/mm')m(j)=

25、getframe;endmovie(m);第四章：運行結(jié)果4.1:滾子運動的位移圖圖三：位移圖4.2:滾子運動的速度圖圖四：速度圖4.3:滾子運動的加速度圖全加速度滾子運動的局部加速度圖偏置盤形凸輪從動件局部加速度0.025 .:廠七.：,，-：.：,0,02 .：.：* -e， = = ： b.1r, I ,.I*'0.015 ；: ； .I.F, BI.*,:at,0,01 - I > -r *p 1 ,a"a s r ;.-,-jS->；,r-10 005 -：、?:一 :-.-B-I0 «"":. -0 005 : :n:?j :,J.:1 JJ'fcBI7B'；LI'-；JI0.01 ：；：-0.015 :r : 7: .，.一,、'：°-D.02 :- :' .fc-:-0 025 i i'i1i1i050100150200250300350400x/mm圖六：局部加速度4.4:滾子運動的仿真圖圖七：凸輪仿真圖圖上曲線即是凸輪運動時與從動件之間運動關(guān)系函數(shù)圖，通 過matlab動畫可以看出從動件與