matlab凸轮轮廓设计及仿真说明书

1、matlab 凸轮轮廓设计及仿真说 明 书 偏置盘型凸轮创新课程设计 课程名称： 机械原理 设计题目： 偏置盘型凸轮设计 院系： 机电学院 班级： 09 机 41 设计者： 彭辉 学号： 09294040 指导教师： 王卫辰 学校： 江苏师范大学 凸轮轮廓曲线的设计，一般可分为图解法和解析法 . 利用图解法 能比较 方便地绘制出各种平面凸轮的轮廓曲线 . 但这种方法仅适 用于比较简单的结构，用它对复杂结构进行设计则比较困难， 而 且利用图解法进行结构设计， 作图误差较大，对一些精度要求高 的结 构不能满足设计要求 . 解析法可以根据设计要求， 通过推导 机构中各 部分之间的几何关系，建立相应的

2、方程，精确地计算出 轮廓线上各点的 坐标，然后把凸轮的轮廓曲线精确地绘制出 来. 但是，当从动件运动规 律比较复杂时， 利用解析法获得凸轮 的轮廓曲线的工作量比较大 . 而 MATLAB件提供了强大的矩 阵处理和绘图功能，具有核心函数和工具 箱. 其编程代码接近数 学推导公式，简洁直观，操作简易，人机交互性 能好，且可以方 便迅速地用三维图形、图像、声音、动画等表达计算结 果、拓展 思路口。因此，基于 MATLAB件进行凸轮机构的解析法设计，可以解 决设计工作量大的问题。 本此课程设计基于 MATLAB软件进行凸轮轮廓曲线的 解析法 设计，并 对的运动规律凸轮进行仿真，其具体方法为首先精确地

3、计算出轮 廓线 上各点的坐标，然后运用 MATLAB绘制比较精 确的凸轮轮廓曲线和推杆 的位移、速度及加速度曲线以及仿真。 目录 1 第一章：工作意义 1.1本次课程设计意义1.2已知条件 第二章：工作设计过程 5 2.1:设计思路 5 2.2:滚子从动件各个阶段相关方程 6 2.3：盘型凸轮理论与实际轮廓方程 7 工工“ .A作A程过A程 3.1:滚子从动件各各阶段 MATLAB程序编制*8 3.2: 凸轮的理论实际运动仿真程序编制 12 第四章？： 运 行 结 果 17 4.1： 滚子运动的位移图 17 4.2： 滚子运动的速度图 17 4.3 ：滚子运动的加速度图，局部加速度图 18 4

4、4 滚子运动的仿真图 19 4.5：滚子运动的理论与实际轮廓图 20 第 五 章: 设 计 总 结 21 5.1： 总结 21 第六章：参考文献 22 6.1： 参 考 文 献 22 第一章：工作意义 从动件获 1.1 本次课程设计意义 凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件， 一般为主动件， 作等速回转运动或往复直线运动。与凸轮轮廓接触，并传递 动力和实 现预定的运动规律的构件， 一般做往复直线运动或 摆动，称为从动件。凸轮机构在应用中的基本特点在于能使 凸轮轮廓曲线，所以在应用时，只要根据从动件的运动规律来设计凸 轮的轮廓曲线就可以了。 由凸轮的回转运动或往复运动推动从动件作规定往复移 动或摆

5、动 的机构。凸轮具有曲线轮廓或凹槽，有盘形凸轮、 圆柱凸轮和移动凸 轮等， 其中圆柱凸轮的凹槽曲线是空间曲 线，因而属于空间凸轮。 从动件与凸轮作点接触或线接触， 有滚子从动件、平底从动件和尖端 从动件等。尖端从动件能 与任意复杂的凸轮轮廓保持接触，可实现任 意运动，但尖端 容易磨损，适用于传力较小的低速机构中。 在带滚子的直动从动件盘形凸轮机构中， 凸轮回转一周从动 件依次作升-停-降-停4个动作。从动件位移 s （或行程高度h）与凸 轮转角 （或时间t）的关系称为位移曲线。从动件的行程h有推 程和回程。凸轮轮廓曲线决定于位移曲线的 形状。在某些机械中，位移曲线由工艺过程决定，但一般 情况下

6、只有行程和对应的凸轮转角根据工作需要决定，而 曲线的形状则由设计者选定，可以有多种运动规律。传统的凸轮运动 规律有等速、等加速 - 等减速、余弦加速度和正弦 加速度等。等速运 动规律因有速度突变，会产生强烈的刚性 冲击，只适用于低速。等加 速-等减速和余弦加速度也有加速度突变 ，会引起柔性冲击，只适用 于中、低速。正弦加速度运 动规律的加速度曲线是连续的， 没有任 何冲击，可用于高速。 曲线是凸轮机构设计的关键， 常用的设计方法有解析法和 图解 在本次课程设计对偏心盘型凸轮进行设计， 一方面是为对 以前机械原理内容进行加深印象，另一方面是为提高 CAE/CAM/CAD 计算机辅助设计，为下学期

7、的毕业设计做 好前期准备，以及提高自我能力。提高编程能力，理解产品 设计相关 准备，为以后工作打下及基础。运用计算机进行凸 轮设计解析法设 计， 从而获得设计凸轮实际以及理论轮廓曲 线轨迹。 1.2 已知条件 偏心距 e=15基圆半径 滚子半径 =40 =10 运动角 远休止角 ，从动件推杆滚子在推程以 近休止角 等加速等减速 (S 为滚子推杆从动件移动的 ,回程以简谐运动规律返回 原处，凸轮逆时针回转，推杆偏于凸轮回转中心的右侧。 规律 )升程许用压力角 回程需用压力角 第二章：工作设计过程 2.1 设计思路 根据机械原理书上用解析法设计凸轮轮廓线的实质是建立 凸轮轮廓线的数学方程式。已知偏

8、距e,基圆半径r，从动 件的运动规律 s= s(8 )，则理论凸轮轮廓曲线方程： ( ) 而实际凸轮的曲线方程 以此作为程序编制基础算法， 然后明确程序编制需要哪些变 量，利用 MATLAB 中相关函数进行计算，求出需要设计的 理论，实 际凸轮的轮廓曲线，并且利用 PLOT 函数进行画图， 把从动件加速 度，速度，位移进行画出来，并生成一个小型 的动画，进行凸轮与 滚子推杆从动件之间运动规律的仿真设 计。 2.2 :滚子从动件各个阶段相关方程 推程等加速段 :0 2,即 x 50 s 250 x v 125x,a 125。 隹程等减速 根据：s 2h 2 3 60 100 250 即 5010

9、0 4h 4h 2 4h 2 _3 125 当处于远休止： 即 100160 S=h,v=0,a=0 即：s=60,v=0,a=0 回程简谐远动： h彳 s 1 cos 2 2 2 2 cos 30 30cos 丄 x go 7.5cos 6 s ，即 160 h . sin -r 2 250 15s in - x 2 80 处于近休止: s 0, v 0, a 即 250 x 360 80 2 2.3 : 盘型凸轮理论与实际轮廓方程 型凸轮理论方程： ( ) 盘型凸轮实际方程： 第三章：工作程序过程 3.1 : 滚子从动件各各阶段 MATLAB1 序编制 求从动件位移，加速度，速度曲线，这里

10、根据前面所 列函数， 我 定义矩阵步长为 -，rO 为基圆半径， rr 为滚子半径， pi h 为升程， e 为偏心距， deltaOl 为推程运动角， delta02 为 远休止 角， delta03 为回程运动角， hd 为角度转换弧度制， du 为弧度制转 换为角度制， n=360, 并定义 5 个计数向量，分 别是 分别属于前面讨论 tan1,tan2,tan3,tan4,tan4, tan5, 5 情况 matlab 程序： clear; r0=40; rr=10; h=60; e=15; deltaO1=1OO; delta02=60; delta03=90; hd 二 pi/18

11、0; du=180/pi; se 二 sqrt(rO*rO-e*e); n1=delta01+delta02; n3=delta01+delta02+delta03; n=360; tan 1=0:pi/200:delta01/2; s1=2*h*ta n1. A2/delta01 A2; v1=4*h*ta n1*hd/(delta01*hd)A2; a 仁 3/125; tan 2=delta01/2:pi/200:deltaO1; s2=h-2*h*(delta01-ta n2).A2/delta01A2; v2=4*h*(delta01-ta n2)*hd/(deltaO1*hd)A2

12、; a2=-3/125; tan 3=delta01:pi/200: n1; s3=h; v3=0; a3=0; tan4=n 1:pi/200: n3; k=ta n4-n1; s4=0.5*h*(1+cos(pi*k/delta03); v4=-0.5*pi*h*si n( pi*k/delta03)/(delta03*hd) A2; a4=0.5*pi*pi*h*cos(pi*k/delta03)/(delta03*hd) A2; tan 5=n3:pi/200: n; s5=0; v5=0; a5=0; figure(1); hold on; grid on; title( 偏置盘形凸

13、轮从动件位移 ); xlabel(x/mm); ylabel(y/mm); plot(-(r0+h-40) (rO+h),O 0,k); plot(0,0,-(r0+h) (r0+rr),k); plot(ta n1,s1,r,ta n2,s2,r,ta n3,s3,r,ta n4,s4,r,ta n5, s5,r); title( 偏置盘形凸轮从动件速度 ); hold on; grid on; xlabel(x/mm); ylabel(y/mm); plot(-(r0+h-40) (rO+h),O 0,k); plot(0,0,-(r0+h) (rO+rr),k); plot(ta n1,

14、v1,r,ta n2,v2,r,ta n3,v3,r,ta n4,v4,r,ta n5, v5,r); figure(3); title（ 偏置盘形凸轮从动件加速度 ）; hold on; grid on; xlabel(x/mm); ylabel(y/mm); plot(ta n1,a1,r,ta n2,a2,r,ta n3,a3,r,ta n4,a4,r,ta n5, a5,r); figure(4); title（ 偏置盘形凸轮从动件局部加速度 ）; hold on; grid on; xlabel(x/mm); ylabel(y/mm); 在这里figure (1)代表从动件位移曲线，

15、figure (2)代表 从动件速度 曲线，figure (3 )代表从动件全部加速度曲线，Figure(4)代表从动件 局部加速度，因为在第四段曲线跳跃太大所以多一个图进行观察。 3.2 :凸轮的理论实际运动仿真程序编制 因为所需要变量跟前面曲线程序一样所以这里就不重复, 基本算法流程图： 开始 凸轮结构参数 /凸轮转角 r0=40; 程序流程图 h=60; e=15; deltaO1=1OO; delta02=60; delta03=90; hd 二 pi/180; du=180/pi; se=sqrt(r0*r0-e*e); n1=delta01+delta02; n3=delta01+

16、delta02+delta03; n=360; for i=1: n if idelta01/2 & idelta01 & in3 & i# * * * *!* - *： 卜 q - - r - J T - V T - , - T -.J呻 T - V - - - - - r P. . . . . cp . -. T 豐叼 II*最品=d woj 卜* “ * 7 * * 1 *4 ”*-* “* * .1001i111i1111 10050060100160200260300至 0Ad 图四: 4.3:滚子运动的加速度图 150 0 150 全 图五 o IM 100 H 滚子运动的局部加速

17、度图 60100150200250 0.005 辱看從形凸轮从动件加速度 0.025 偏置盘形凸轮臥动件局部加速度 0 02 0.015 0.01 -0.X5 250300350400 -90095 200 50100 w/rri nn 图六：局 4.4:滚子运动的仿真图 图七：凸轮仿 真图 图上曲线即是凸轮运动时与从动件之间运动关系函数图， 过matlab动画可以看出从动件与主动件凸轮运动运动关系 符合上述线图的关系。 4.5：滚子运动的理论与实际轮廓图 E E 图八：凸轮理论与 实际轮廓曲线 在上图中红色代表凸轮实际轮廓曲线，蓝色是代表凸轮的理 论轮廓曲线。 第五章：设计总结 5.1:总结

18、 经过两周课程设计，我认真复习机械原理有关凸轮设计相应原理设 计，了解机械原理有关凸轮设计相应解析法过程，比当初在大二时 学机械原理懂了很多，同时在这几天我锻炼自 己编程能力，查找相关资料，自己 matlab 的编程水平相对 于当初而言进步了很多，而且在图形化编程进步了很多，我 相信这 次课程设计相对以前课程设计而言，自己进步了很 多，在开始拿到 问题到现在完成课程设计过程，我参考了不 少资料，自己感觉这次 课程设计对自己以后毕业设计，以及 工作提供了不少经验，为下学 期毕业设计怎么做，指明了目 标，同时在本次课程设计里，我自学 PROE 仿真，可以来说 自己机械设计水平提高了不少，当然在课程设计，我发现了 自己还 存在不少不足，所以针对那些不足，我打算在大四下 学期进行补 救，要把大学四年相关专业可进行重新复习一 遍，因为许多学科是 相通的，在以后工作上都要用上。 感谢老师在本次课程给予技术指导，也感谢同组同学在 本次课程设计给予相关帮助。 第六章：参考文献 6.1:参考文献 1 孙恒，陈作模主编 .机械原理 .北京：高等教育出版社， 2001. 2