matlab凸輪輪廓設(shè)計(jì)及仿真說明書

1、偏置盤型凸輪創(chuàng)新課程設(shè)計(jì)課程名稱： 機(jī)械原理 設(shè)計(jì)題目： 偏置盤型凸輪設(shè)計(jì)院 系： 機(jī)電學(xué)院 班 級： 09機(jī)41 設(shè) 計(jì) 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) 前言凸輪輪廓曲線的設(shè)計(jì)，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(jì)則比較困難，而且利用圖解法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jì)要求解析法可以根據(jù)設(shè)計(jì)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(jì)算出輪廓線上各點(diǎn)的坐標(biāo)，然后把凸輪的輪廓曲線精確地繪制出來但是

2、，當(dāng)從動件運(yùn)動規(guī)律比較復(fù)雜時(shí)，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(jì)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(jì)，可以解決設(shè)計(jì)工作量大的問題。本此課程設(shè)計(jì)基于MATLAB軟件進(jìn)行凸輪輪廓曲線的 解析法設(shè)計(jì)，并對的運(yùn)動規(guī)律凸輪進(jìn)行仿真，其具體方法為首先精確地計(jì)算出輪 廓線上各點(diǎn)的坐標(biāo)，然后運(yùn)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。目錄前言 1

3、第一章：工作意義31.1本次課程設(shè)計(jì)意義31.2 已知條件4第二章：工作設(shè)計(jì)過程 52.1：設(shè)計(jì)思路 52.2：滾子從動件各個(gè)階段相關(guān)方程 62.3：盤型凸輪理論與實(shí)際輪廓方程 7第三章：工作程序過程 73.1：滾子從動件各各階段MATLAB程序編制 83.2：凸輪的理論實(shí)際運(yùn)動仿真程序編制 12 第四章：運(yùn)行結(jié)果 174.1：滾子運(yùn)動的位移圖 174.2：滾子運(yùn)動的速度圖 174.3：滾子運(yùn)動的加速度圖，局部加速度圖 184.4：滾子運(yùn)動的仿真圖 194.5：滾子運(yùn)動的理論與實(shí)際輪廓圖 20第五章：設(shè)計(jì)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第一章：工作意義1

4、.1本次課程設(shè)計(jì)意義 凸輪是一個(gè)具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，一般為主動件，作等速回轉(zhuǎn)運(yùn)動或往復(fù)直線運(yùn)動。與凸輪輪廓接觸，并傳遞動力和實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動規(guī)律的構(gòu)件，一般做往復(fù)直線運(yùn)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(diǎn)在于能使從動件獲得較復(fù)雜的運(yùn)動規(guī)律。因?yàn)閺膭蛹倪\(yùn)動規(guī)律取決于凸輪輪廓曲線，所以在應(yīng)用時(shí)，只要根據(jù)從動件的運(yùn)動規(guī)律來設(shè)計(jì)凸輪的輪廓曲線就可以了。由凸輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動或往復(fù)運(yùn)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槽，有盤形凸輪、圓柱凸輪和移動凸輪等，其中圓柱凸輪的凹槽曲線是空間曲線，因而屬于空間凸輪。從動件與凸輪作點(diǎn)接觸或線接觸，有滾子從動件、平底從動件和尖端從

5、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(shí)現(xiàn)任意運(yùn)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(gè)動作。從動件位移s（或行程高度h）與凸輪轉(zhuǎn)角（或時(shí)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(jì)者選定，可以有多種運(yùn)動規(guī)律。傳統(tǒng)的凸輪運(yùn)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(yùn)動規(guī)律因有速度突變，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的剛性沖擊，只適用于低速。等加

6、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(yùn)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(jì)的關(guān)鍵，常用的設(shè)計(jì)方法有解析法和圖解法。在本次課程設(shè)計(jì)對偏心盤型凸輪進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，為下學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jì)相關(guān)準(zhǔn)備，為以后工作打下及基礎(chǔ)。運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行凸輪設(shè)計(jì)解析法設(shè)計(jì)，從而獲得設(shè)計(jì)凸輪實(shí)際以及理論輪廓曲線軌跡。1.2 已知條件偏心距e=15,基圓半徑=40，滾子半徑=10，推程運(yùn)動角=，遠(yuǎn)休止角

7、=，回程運(yùn)動角'=,近休止角=，從動件推桿滾子在推程以等加速等減速運(yùn)動規(guī)律上升，升程規(guī)律=60，回程以簡諧運(yùn)動規(guī)律返回原處，凸輪逆時(shí)針回轉(zhuǎn)，推桿偏于凸輪回轉(zhuǎn)中心的右側(cè)。(s為滾子推桿從動件移動的規(guī)律）升程許用壓力角，回程需用壓力角。 第二章：工作設(shè)計(jì)過程2.1設(shè)計(jì)思路根據(jù)機(jī)械原理書上用解析法設(shè)計(jì)凸輪輪廓線的實(shí)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(yùn)動規(guī)律ss()，則理論凸輪輪廓曲線方程：，。（）而實(shí)際凸輪的曲線方程：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量，利用MATLAB中相關(guān)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，求出需要設(shè)計(jì)的理論，實(shí)際凸輪的輪廓曲線，并且利用PLO

8、T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(gè)小型的動畫，進(jìn)行凸輪與滾子推桿從動件之間運(yùn)動規(guī)律的仿真設(shè)計(jì)。2.2：滾子從動件各個(gè)階段相關(guān)方程推程等加速段 ： ,即根據(jù)： ，： ，。推程等減速： ，即根據(jù)：， ,當(dāng)處于遠(yuǎn)休止：，即S=h,v=0,a=0即：s=60,v=0,a=0回程簡諧遠(yuǎn)動：,即，則:, 處于近休止：，即2.3：盤型凸輪理論與實(shí)際輪廓方程盤型凸輪理論方程：，（）盤型凸輪實(shí)際方程：第三章：工作程序過程3.1：滾子從動件各各階段MATLAB程序編制求從動件位移，加速度，速度曲線，這里根據(jù)前面所列函數(shù)，我定義矩陣步長為，r0為基圓半徑，rr為滾子半徑，h為升程，e為

9、偏心距，delta01為推程運(yùn)動角，delta02為遠(yuǎn)休止角，delta03為回程運(yùn)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(gè)計(jì)數(shù)向量，分別是tan1,tan2,tan3,tan4,tan4, tan5,分別屬于前面討論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=delta01+delta02+delta03;n=360; tan1=0:

10、pi/200:delta01/2;s1=2*h*tan1.2/delta012;v1=4*h*tan1*hd/(delta01*hd)2;a1=3/125;tan2=delta01/2:pi/200:delta01;s2=h-2*h*(delta01-tan2).2/delta012;v2=4*h*(delta01-tan2)*hd/(delta01*hd)2;a2=-3/125;tan3=delta01:pi/200:n1;s3=h;v3=0;a3=0;tan4=n1:pi/200:n3;k=tan4-n1;s4=0.5*h*(1+cos(pi*k/delta03);v4=-0.5*pi*h

11、*sin(pi*k/delta03)/(delta03*hd)2;a4=0.5*pi*pi*h*cos(pi*k/delta03)/(delta03*hd)2;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,-(r0+h) (r0+rr),'k');plo

12、t(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),'k');plot(tan1,v1,

13、'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,'r',tan5,a5,'r

14、9;);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，F(xiàn)igure(4)代表從動件局部加速度，因?yàn)樵诘谒亩吻€跳躍太大所以多一個(gè)圖進(jìn)行

15、觀察。3.2：凸輪的理論實(shí)際運(yùn)動仿真程序編制 因?yàn)樗枰兞扛懊媲€程序一樣所以這里就不重復(fù)，基本算法流程圖：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:n if i<=delta01/2 s(i)=2*h*i2/delta012; ds(i)=4*h*i*hd/(delta01*h

16、d)2; ds=ds(i); elseif i>delta01/2 & i<=delta01 s(i)=h-2*h*(delta01-i)2/delta012; ds(i)=4*h*(delta01-i)*hd/(delta01*hd)2; ds=ds(i); elseif i>delta01 & i<=n1 s(i)=h; ds=0; elseif i>n1 & i<=n3 k=i-n1; s(i)=0.5*h*(1+cos(pi*k/delta03); ds(i)=-0.5*pi*h*sin(pi*k/delta03)/(delt

17、a03*hd)2; ds=ds(i); elseif i>n3 & i<=n s(i)=0; ds=0; end xx(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)2+dy(i)2); yp(i)=yy(i)-rr*dx(i)/sqrt(dx(

18、i)2+dy(i)2);end figure(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(jì)'); xlabel('x/mm'); ylabel('y/mm'); plot(-(r0+h-40) (r0+h),0 0,'k');

19、 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'); xp0=(

20、r0-rr)/r0*e; yp0=(r0-rr)/r0*se; dss=sqrt(diff(xp).2+diff(yp).2); ss(1)=sqrt(xp(1)-xp0)2+(yp(1)-yp0)2); for i=1:359 ss(i+1)=ss(i)+dss(i);endphi=ss/rr; figure(2) m=moviein(20); j=0; for i=1:360 j=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;

21、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+

22、rr*cos(-phi(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(jì)'); xlabel('x/mm') ylabel('y/mm') m(j)=getframe; end movie(m); 第四章：運(yùn)行結(jié)果4.1：滾子運(yùn)動的位移圖圖三：位移圖4.2：滾子運(yùn)動的速度圖圖四：速度圖4.3：滾子運(yùn)動的加速度圖圖五：全加速度滾子運(yùn)動的局部加速度圖圖六：局部加速度 4.4：滾子運(yùn)動的仿真圖圖七：凸輪仿真圖 圖上曲線即是凸輪運(yùn)動時(shí)與從動件之間運(yùn)動關(guān)系函數(shù)圖，通過matlab動畫可以看出從動件與主動件凸輪運(yùn)動運(yùn)動關(guān)系符合上述線圖的關(guān)系。4.5：滾子運(yùn)動的理論與實(shí)際輪廓圖 圖八：凸輪