基于matlab的凸轮轮廓线设计与运动仿真毕业论文(编辑修改稿)

基于matlab的凸轮轮廓线设计与运动仿真毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

，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。 为了使从动件与凸轮始终保持接触，可采用弹簧或施加重力。 具有凹槽的凸轮可使从动件传递确定的运动，为确动凸轮的一种。 一般情况下凸轮是主动的，但也有从动或固定的凸轮。 多数凸轮是单自由度的，但也有双自由度的劈锥凸轮。 凸轮机构结构紧凑，最适用于要求从动件作间歇运动的场合。 它与液压和气动的类似机构比较，运动可靠，因此在自动机床、内燃机、印刷机和纺织机中得到广泛应用。 但凸轮机构易磨损，有噪声，高速凸轮的设计比较复杂，制造要求较高。 凸轮机构的分类 （ 1）按凸轮的形状 分 A）盘形凸轮 这种凸轮是一个绕固定轴线转动并具有变化矢径的盘形机构。 图 盘形凸轮 B）移动凸轮 当盘形凸轮的回转中心趋于无穷远时，凸轮相对机架作往复移动，这种凸轮称为移动凸轮。 图 移动凸轮 C）圆柱凸轮 这种凸轮可认为是将移动凸轮卷成圆柱体而演化成的。 精品论文 图 圆柱凸轮 （ 2）按从动件的型式分 A）尖底从动件 图 尖底从动件凸轮机构 B）滚子从动件 图 滚子从动件凸轮机构 C）平底从动件 精品论文 图 平底从动件凸轮机构 （ 3）按凸轮与从动件维持高副接触（锁合）的方式分 A）力锁合 B）几何锁合 图解设计法 反转法设计原理 以尖底偏置直动从动件盘形凸轮机构为例： 凸轮机构工作时，凸轮和从动件都在运动。 为了在图纸上画出凸轮轮廓曲线，应当使凸轮与图纸平面相对静止，为此，可采用如下的反转法：使整个机构以角速度绕转动，其结果是从动件与凸轮的相对运动并不改变，但凸轮固定不动，机架和从动件一方面以角速度绕转动，同时从动件又以原有运动规律 相对机架往复运动。 根据这种关系，不难求出一系列从动件尖底的位置。 由于尖底始终与凸轮轮廓接触，所以反转后尖底的运动轨迹就是凸轮轮廓曲线。 精品论文 图 反转法设计原理（偏置直动尖底从动件） 尖底偏置直动从动件盘形凸轮机构 已知从动件位移线图，凸轮以等角速顺时针回转，其基圆半径为，从动件导路偏距为，要求绘出此凸轮的轮廓曲线。 运用反转法绘制尖底直动从动件盘形凸轮机构凸轮轮廓曲线的方法和步骤如下： 1) 以为半径作基圆，以为半径作偏距圆，点为从动件导路线 与偏距圆的切点，导路线与基圆的交点便是从动件尖底的初始位置。 2) 将位移线图的推程运动角和回程运动角分别作若干等分（图中各为四等分）。 3) 自开始，沿的相反方向取推程运动角 (1800)、远休止角 (300)、回程运动角(1900)、近休止角 (600)，在基圆上得、诸点。 将推程运动角和回程运动角分成与从动件位移线图对应的等分，得、和、诸点。 4) 过、 ...作偏距圆的一系列切线，它们便是反转后从动件导路的一系列位置。 5) 沿以上各切线自基圆 开始量取从动件相应的位移量，即取线段、 ...，得精品论文 反转后尖底的一系列位置、 ...。 6) 将、 ...连成光滑曲线（和之间以及和之间均为以为圆心的圆弧），便得到所求的凸轮轮廓曲线。 图 尖底偏置直动从动件盘形凸轮机构 滚子直动从动件盘形凸轮机构 首先取滚子中心为参考点，把该点当作尖底从动件的尖底，按照上述方法求出一条轮廓曲线。 再以上各点为中心画一系列滚子，最后作这些滚子的内包络线（对于凹槽凸轮还应作外包络线）。 它便是滚子从动件盘形凸轮机构凸轮的实际轮廓曲线，或称为工 作轮廓曲线，而称为此凸轮的理论轮廓曲线。 由作图过程可知，在滚子从动件凸轮机构设计中，是指理论轮廓曲线的基圆半径。 精品论文 图 滚子直动从动件盘形凸轮机构 在以上两例中，当时，即得对心直动从动件凸轮机构。 这时，偏距圆的切线化为过点的径向射线，其设计方法与上述相同。 平底从动件盘形凸轮机构 凸轮实际轮廓曲线的求法也与上述相仿。 首先取平底与导路的交点为参考点，将它看作尖底，运用尖底从动件凸轮的设计方法求出参考点反转后的一系列位置、 ...；其 次，过这些点画出一系列平底，得一直线族；最后作此直线族的包络线，便可得到凸轮实际轮廓曲线。 由于平底上与实际轮廓曲线相切的点是随机构位置变化的，为了保证在所有位置平底都能与轮廓曲线相切，平底左右两侧的宽度必须分别大于导路至左右最远切点的距离和。 从作图过程不难看出，对于平底直动从动件，只要不改变导路的方向，无论导路对心或偏置，无论取哪一点为参考点，所得出的直线族和凸轮实际轮廓曲线都是一样的。 精品论文 图 平底从动件盘形凸轮机构 凸轮机构解析设计法 滚子从动件盘形凸轮机构 （ 1）理论轮廓曲线方程 1）直动从动件盘形凸轮机构 偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构，偏距、基圆半径和从动件运动规律均已给定。 以凸轮回转中心为原点、从动件推程运动方向为轴正向建立右手直角坐标系。 为获得统一的计算公式，引入凸轮转向系数和从动件偏置方向系数，并规定：当凸轮转向为顺时针时，逆时针时；经过滚子中心的从动件导路线偏于轴正侧时，偏于轴负侧时，与 y 轴重合时。 当凸轮自初始位置转过角时，滚子中心将自点外移到达。 根据反转法原理，将点沿凸轮回转相反方向绕原点转过角，即得凸轮理论轮廓曲线上的对应点，其坐标为 : 上式即为凸轮理论轮廓曲线的直角坐标参数方程。 其中 : 精品论文 图 直动从动件盘形凸轮机构理论轮廓曲线 2) 摆动从动件盘形凸轮机构 摆动滚子从动件盘形凸轮机构，基圆半径、从动件长度、中心距和从动件运动规律均已给定。 以凸轮回转中心为原点、为轴正向建立右手直角坐标系。 为使计算公式统一，引入凸轮转向系数 h 和从动件推程摆动方向系数，并规定：当凸轮转向为顺时针时，逆时针时；从动件推程摆动方向为顺时针时，逆时针时。 当凸轮自初始位置转过角 时，从动件摆过角 ，滚子中心由到达。 根据反转法原理，将点沿凸轮回转相反方向绕原点转过角 ，便可得到凸轮理论轮廓曲线上的对应点，其坐标为 : 上式即为凸轮理论轮廓曲线的直角坐标参数方程。 式中 : 式中，、和、均为常数，和是 的函数，显然和也是凸轮转角的函数。 于是凸轮理论轮廓曲线的直角坐标参数方程一般可以表示为 : (2) 实际轮廓曲线方程 : 精品论文 滚子从动件盘形凸轮机构的实际轮廓曲线是滚子圆族的包络线。 由微分几何可得，以为参 数的曲线族的包络线方程为 此即凸轮实际轮廓曲线的参数方程。 式中：上面一组加、减号表示一条外包络线，下面一组加、减号表示另一条内包络线； 为滚子半径；而、可由式 ()或 ()对 求导得到。 平底从动件盘形凸轮机构 (1) 实际轮廓曲线方程 : 平底从动件盘形凸轮机构凸轮的实际轮廓曲线是反转后一系列平底所构成的直线族的包络线。 对于直动平底从动件盘形凸轮机构，基圆半径和从动件运动规律均已给定。 以凸轮回转中心为原点、从动件推程运动方向为轴正向建立右手直角坐标系，并取导路中心线与轴重合。 引 入凸轮转向系数，并规定当凸轮转向为顺时针时，逆时针时。 当凸轮自初始位置转过角时，导路中心线与平底的交点自外移 s 到达。 根据反转法原理，将点沿凸轮回转相反方向绕原点转过角 ，便可得出表示反转后平底的直线。 由图可知，点的坐标为 : 图 平底从动件盘形凸轮机构实际轮廓曲线 过点 B 的平底直线族的包络线方程为 : 此即凸轮实际轮廓曲线的直角坐标参数方程。 优化设计法 精品论文 凸轮机构种类繁多，同一运动要求往往可以通过多种凸轮机构来实现，即使在凸轮机构类型确定的情况下，实现运动要求的机构基本参数和结构参数 也有较大的可取范围。 这就存在如何根据使用场合和工作要求，合理选择凸轮机构类型和确定有关参数的问题，它们是建立在设计方案的定量评价基础上的最优化问题。 由于凸轮机构类型选择属于概念设计范畴，目前尚无系统的评价理论和方法，在一般的工程设计中，此项工作主要依赖于设计者个人的经验和主观意愿，只有通过对专家设计经验的总结，并加以描述，构造类型设计知识库和定量评价系统，基于人工智能和专家系统技术，才能实现凸轮机构类型的智能设计和最优设计。 关于凸轮机构类型确定情况下几何参数的优化设计，已有成熟的理论和方法，基于一定的寻优策 略和算法，即可获得最优解。 下面仅简要介绍凸轮机构参数优化设计数学模型的建立，优化方法可参考有关专门资料。 （ 1） 设计变量 凸轮机构的参数很多，如凸轮基圆半径、直动从动件偏距、滚子半径、盘形凸轮轮廓厚度、摆动从动件长度及中心距等，其中有部分参数相互之间存在确定的函数关系。 选择其中相互独立的参数作为设计变量，用通式表示为。 （ 2）约束条件 凸轮机构参数的设计往往受到多方面的限制，这些限制可以用函数表示成如下形式的约束条件： 约束条件主要有： A）几何参数边界约束 为缩小寻优 范围，可根据设计要求给出各几何参数的上下限，作为边界约束。 B）压力角约束 限制凸轮机构推程和回程的最大压力角不超过许用值。 C）凸轮轮廓曲率半径约束 防止轮廓变尖或出现运动失真。 D）接触强度约束 保证凸轮机构运动过程中凸轮副的最大接触应力不超过许用值。 E）几何空间约束 对凸轮机构所占据空间在各个方向的尺寸加以限制。 F）防干涉约束 防止各构件实体在空间上发生运动干涉。 （ 3）目标函数 以一定的评价指标作为凸轮机构优化设计的目标函数。 由于最优 解是针对某精品论文 一个或某几个评价指标而言的，所以凸轮机构的优化设计具有相对性，且目标函数的选取非常重要，应充分反映设计要求。 下面给出几种有代表性的目标函数及相应的优化设计数学模型。 A）凸轮机构工作空间的极小化 为了减小整个机器所占据的空间，在凸轮机构设计中，常要求其体积尽可能小。 此时可以凸轮机构运动中所占据空间的体积极小作为目标函数。 B）凸轮重量的极小化 为了减小凸轮机构的体积，节省材料和减小惯性，可以凸轮重量极小作为目标函数。 C）最大接触应力的极小化 虽然已用接触强度建立了约 束条件，使凸轮副有足够的强度和寿命。 但如果要求机构在给定条件下具有最高的强度和最长的寿命，则应使其最大接触应力极小化。 以上仅是考虑某个评价指标的单目标优化。 若优化设计中要求兼顾多个评价指标，则为多目标优化问题。 优化设计理论中也有解决多目标优化问题的方法。 第 3 章 凸轮机构轮廓仿真 偏置直动滚子推杆盘形凸轮轮廓仿真 建立数学模型 （ 1）凸轮理论轮廓的直角坐标方程 其中，是凸轮转角；是从动件位移；是结构常数。 （ 2）凸轮实际轮廓的直角坐标方程式 （ 3）凸轮理论轮廓上的机构 压力角 （ 4）凸轮理论轮廓上的曲率半径 （ 5）凸轮轮廓直角坐标的一阶和二阶导函数是 精品论文 因此，采用解析法设计凸轮轮廓，需要根据给定的从动件运动规律推到出对应的一阶导函数和二阶导函数，然后代入到上述格式中进行计算。 M 文件及运行结果 （ 1）常规设计 图 偏置直动滚子凸轮机构设计 GUI 界面 其中，以等加速 —— 简谐运动规律为例。 M 文件和运行结果： d1=ft+fs。 d2=ft+fs+fh。 n=360。 for f=1:n if f=ft/2 s(f)=2*h.*f^2./ft^2。 s=s(f)。 ds(f)=4*h.*f.*hd./(ft.*hd)^2。 ds=ds(f)。 elseif fft/2 amp。 fft s(f)=h2*h.*(ftf)^2./ft^2。 s=s(f)。 ds(f)=4*h.*(ftf).*hd./(ft.*hd)^2。 ds=ds(f)。 精品论文 elseif fft amp。 f=d1 s=h。 ds=0。 elseif fd1 amp。 f=d2 k=fd1。 s(f)=*h.*(1+cos(pi.*k./fh))。 s=s(f)。 ds(f)=*pi.*h.*sin(pi.*k./fh)./(fh.*hd)。 ds=ds(f)。 elseif fd2 amp。 f=n s=0。 ds=0。 end xx(f)=(se+s).*sin(f.*hd。