课程设计摆动从动件杆盘型凸轮机构.docx

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课程设计摆动从动件杆盘型凸轮机构

机械原理课程设计

说明书

设计题目：

摆动从动件杆盘型凸轮机构

一、机械原理课程设计的目的及其任务………………………2

二、机械原理课程设计题目及其设计要求……………………2

三、凸轮机构的运动说明及运动简图…………………………3

四、机械原理课程设计方案以及原始数据……………………4

五、图解法………………………………………………………5

六、解析法………………………………………………………7

七、计算程序方框图……………………………………………10

八、计算机源程序及运行结果………………………………11

九、心得体会……………………………………………………16

十、参考文献……………………………………………………17

一、机械原理课程设计的目的及其任务

<一>、机械原理课程设计的目的：

机械原理课程设计是一个重要实践性教学环节。

其目的在于：

1、进一步巩固和加深所学知识；

2、培养学生运用理论知识独立分析问题、解决问题的能力；

3、使学生在机械的运动学和动力分析方面，初步建立一个完整的概念；

4、进一步提高学生计算和制图能力，以及运用电子计算机的运算能力。

<二>、机械原理课程设计的任务：

1按给定条件综合连杆机构，确定连杆机构各构件的尺寸，以满足不同的实际工作的要求；

2对机构进行运动分析；（图解法及解析法两种方法）

3设计凸轮轮廓曲线，绘制凸轮从动件位移曲线。

二、机械原理课程设计题目及其设计要求

<一>课程设计题目：

摆动从动件杆盘型凸轮机构

<二>设计要求

1、采用图解法设计：

凸轮中心到摆杆中心A的距离为160mm，凸轮以顺时针方向等速回转，摆杆的运动规律如表：

h

δ01

δ02

δ03

δ04

r0

从动杆运动规律

推程

回程

ⅴ

240

1500

200

1200

700

40

等加等减

简谐

2、设计要求：

①确定合适摆杆长度

②合理选择滚子半径rr

③选择适当比例尺，用几何作图法绘制从动件位移曲线，并画于图纸上；

④用反转法绘制凸轮理论廓线和实际廓线，并标注全部尺寸（用A2图纸）

⑤将机构简图、原始数据、尺寸综合方法写入说明书，并打印出结果。

3、用解析法设计凸轮轮廓，原始数据不变，要求写出数学模型，编制主程序并打出结果。

备注：

1、尖底（滚子）摆动从动件盘形凸轮机构压力角:

在推程中，当主从动件角速度方向不同时取“-”号，相同时取“+”号。

三、凸轮机构的运动说明及机构运动简图

<一>凸轮机构的运动说明：

凸轮运动分为四个阶段：

第一阶段，推程阶段：

从动件以等加等减规律运动，凸轮转过角度为1500，摆杆上摆过240；

第二阶段（即远休止）凸轮转过角度为200，摆杆静止；

第三阶段（即回程段）从动件以简谐规律运动，凸轮转过角度为1200，摆杆下摆过240；

第四阶段（即近休止）凸轮转过角度为700，摆杆静止。

<二>机构运动简图如下：

四、机械原理课程设计方案以及原始数据

<一>、设计方案：

　符号

方案

Φ

δ01

δ02

δ03

δ04

r0

从动杆运动规律

推程

回程

Ⅱ

24º

150º

20º

120º

70º

40

等加等减

简谐

<二>、原始数据：

凸轮中心到摆杆中心的距离：

a=160mm

摆杆行程角：

Φ=24°

凸轮推程运动角：

δ01=150°

凸轮远休止角：

δ02=20°

凸轮回程运动角：

δ03=120°

凸轮近休止角：

δ04=70°

基圆半径：

r0=40mm

滚子半径rr的选择：

凸轮工作廓线的曲率半径表示为ρa,用ρ表示理论廓线的曲率半径,即有ρa=ρ±rr；为了避免发生失真现象，我们应该使p的最小值大于0，即使ρ＞rr；另一方面，滚子的尺寸还受其强度和结构的限制，不能太小，通常我们取滚子半径：

rr=（0.1~0.5）*r0

在此，

可以取r1=0.25*r0=10mm。

摆杆长度的选择：

摆动推杆取许用压力角[a]=35°—45°

因此杆长取150mm

五、图解法设计

摆杆的运动规律：

（1）第一个运动阶段，推程段：

摆杆推程运动是等加等减运动，

根据多项式运动规律，推杆的多项式运动规律的一般表达式为

=C0+C1δ+C2δ2+…+Cnδn

式中δ为凸轮转角；

为摆杆位移；C0、C1、C2、…、Cn为待定系数，可利用边界条件来确定。

运动规律是二项式运功规律，其表达式为

=C0+C1δ+C2δ2

由式可见，为了保证凸轮机构运动的平稳性，通常应使推杆先作加速运动。

设在加速段和减速段凸轮机构的运动角及推杆的行程各占一半（即各为δ0/2及Φ/2）。

这时，推程加速段的边界条件为

在始点处δ=00，

=00，

在终点处δ=750，

=120，

将其代入，可求得C0=0,C1=0,C2=2Φ/（δ01）2,且Φ=240，故摆杆等加速推程段的运动方程为

=2Φδ2/（δ01）2

式中，δ变化范围为00~750。

推程减速段的边界条件为

在始点处δ=750,

=120,

在终点处δ=1500,

=240,

故摆杆等减速推程段的运动方程为

=Φ-2Φ（δ01-δ）2/（δ01）2

式中δ的变化范围为750~1500。

（2）第三阶段，回程段：

简谐运动规律，其摆杆回程时的运动方程为

=Φ[1+cos（πδ/δ03）]/2

式中δ的变化范围为1700~2900。

（2）第二、四阶段分别是远休止和近休止，故摆杆运动方程都为

=00

（3）初始角：

0=arccos[（a2+l2-r0）/（2al）]=arccos[（1602+1502-402）/（2×160×150）]=14.3620

取计算间隔为100计算各分点的位移值，其结果如表：

凸轮运动角（0）

摆杆转角（0）

0.0

0.000000

10.0

0.213333

20.0

0.853333

30.0

1.920000

40.0

3.413333

50.0

5.333333

60.0

7.680000

70.0

10.453333

80.0

13.546667

90.0

16.320000

100.0

18.666667

110.0

20.586667

120.0

22.080000

130.0

23.146667

140.0

23.786667

150.0

24.000000

160.0

24.000000

170.0

24.000000

180.0

23.591110

190.0

22.392305

200.0

20.485281

210.0

18.000000

220.0

15.105829

230.0

12.000000

240.0

8.894172

250.0

6.000000

260.0

3.514719

270.0

1.607695

280.0

0.408890

290.0

0.000000

300.0

0.000000

310.0

0.000000

320.0

0.000000

330.0

0.000000

335.0

0.000000

340.0

0.000000

350.0

0.000000

360.0

0.000000

六、解析法

<一>计算摆杆的角位移并对凸轮转角求导：

（1）在第一阶段当摆杆以等加等减运动规律上摆240，设在加速段和减速段凸轮的运动角及摆杆的行程角各占一半，故摆杆等加速推程段的运动方程为：

=2Φ（δ）2/（δ01）2

d

/dδ=4ωΦδ/（δ01）2

δ变化范围0~750。

摆杆推程减速段的运动方程为：

=Φ﹣2Φ（δ01﹣δ）/（δ01）2

d

/dδ=4Φω（δ01-δ）/（δ01）2

δ=750~1500。

（2）第三阶段摆杆按简谐运动规律下摆240，故可列回程时的运动方程为：

=Φ[1+cos（πδ3/δ03）]/2

d

/dδ=-Φπωsin（πδ3/δ03）/（2δ03）

δ=00~1200,δ03=1200。

<二>计算凸轮的理论廓线和工作廓线：

凸轮理论廓线的直角坐标如下：

x=asinδ﹣lsin（δ+

+

0）

y=acosδ﹣lcos（δ+

+

0）

0为摆杆的初始位置角，其值为

=arccos[（a2+l2-r0*r0）/（2al）]

在第一阶段按等加等减规律，其摆杆推程加速段坐标值对δ角的倒数为

dx/dδ=acosδ-lcos（δ+

+

0）[1+4Φδ/（δ01）2]

dy/dδ=-asinδ+lsin（δ+

+

0）[1+4Φδ/（δ01）2]

其摆杆减速推程段坐标值对δ角的倒数为

dx/dδ=acosδ-lcos（δ+

+

0）[1+4Φω（δ01-δ）/（δ01）2]

dy/dδ=-asinδ+lsin（δ+

+

0）[1+4Φω（δ01-δ）/（δ01）2]

在第二阶段（运休止）时δ=δ01+δ2=1500~1700,

=240；在第四阶段（近休止）时δ=δ01+δ02+δ03+δ4=2900~3600,

=00。

坐标值对δ角的倒数为

dx/dδ=acosδ-lcos（δ+

+

0）

dy/dδ=-asinδ+lsin（δ+

+

0）

第三阶段按简谐运动规律δ=δ01+δ02+δ3，δ3=00~1200,坐标值对δ角的倒数为

dx/dδ=acosδ-lcos（δ+

+

0）（1-Φπωsin（πδ3/δ03）/（2δ03））

dy/dδ=‐asinδ+lsin（δ+

+

0）（1-Φπωsin（πδ3/δ03）/（2δ03））

则

sinΘ=（dx/dδ）/[（dx/dδ）2+（dy/dδ）2]1/2

cosΘ=﹣（dy/dδ）/[（dx/dδ）2+（dy/dδ）2]1/2

凸轮工作廓线的直角坐标

x′=x﹣rrcosθ

y′=y﹣rrsinθ

验证：

根据

尖底（滚子）摆动从动件盘形凸轮机构压力角:

在推程中，当主从动件角速度方向不同时取“-”号，相同时取“+”号

验证结果：

压力角均在合理范围之内，该凸轮合格。

七、计算程序框图

八、计算机源程序及运行结果

源程序：

#include

#include

voidmain（）

{

doubled,d1,d2,d3,d0,r,r0,d4,d5,

f,f0,h,pi,v,w,a,l,x,y,x0,y0,A1,B2,D1,D2,A2,B3,D3,D4,A3,B4,D5,D6,A4,B5,D7,D8,A5,B6,D9,D10,r1;

intn;

FILE*fp;

fp=fopen（"aa.txt","w"）;

d=0;/*凸轮运动初始角0度*/

d0=5;/*间隔角5度*/

d1=150;/*推程角150度*/

d2=170;

d3=290;

d4=360;

d5=75;

pi=3.1415926;

r=160;/*凸轮中心到摆杆中心的距离160毫米*/

r0=40;/*基圆半径40毫米*/

l=150;/*摆杆长度150毫米*/

h=24;/*摆杆行程角24度*/

w=1;/*凸轮转速每秒1度*/

r1=10;/*滚子半径10毫米*/

f0=acos（（r*r+l*l-r0*r0）/（2*r*l））*180/pi;

printf（"初始角：

f0=%1.3f\n",acos（（r*r+l*l-r0*r0）/（2*r*l））*180/pi）;

fprintf（fp,"初始角：

%1.3f\n",acos（（r*r+l*l-r0*r0）/（2*r*l））*180/pi）;

printf（"dfvaxyx0y0\n"）;

for（n=0;n<=72;n++）

{d=d0*n;

if（d<=d1）

{if（d

{f=2*h*d*d/（d1*d1）;

v=4*h*w*d/（d1*d1）;

a=4*h*w*w/（d1*d1）;

x=r*sin（d*pi/180）-l*sin（pi*（d+f+f0）/180）;

y=r*cos（d*pi/180）-l*cos（pi*（d+f+f0）/180）;

A1=（r*cos（d*pi/180）-l*cos（pi*（d+f+f0）/180））*pi/180;

B2=（-r*sin（d*pi/180）+l*sin（pi*（d+f+f0）/180））*pi/180;

D1=A1/sqrt（A1*A1+B2*B2）;

D2=（-1）*B2/sqrt（B2*B2+A1*A1）;

x0=x-r1*D2;

y0=y-r1*D1;}

else

{f=h-2*h*（d1-d）*（d1-d）/（d1*d1）;

v=4*h*w*（d1-d）/（d1*d1）;

a=-4*h*w*w/（d1*d1）;

x=r*sin（d*pi/180）-l*sin（pi*（d+f+f0）/180）;

y=r*cos（d*pi/180）-l*cos（pi*（d+f+f0）/180）;

A2=（r*cos（d*pi/180）-l*cos（pi*（d+f+f0）/180））*pi/180;

B3=（-r*sin（d*pi/180）+l*sin（pi*（d+f+f0）/180））*pi/180;

D3=A2/sqrt（A2*A2+B3*B3）;

D4=-B3/sqrt（B3*B3+A2*A2）;

x0=x-r1*D4;

y0=y-r1*D3;}

printf（"%1.1f%1.6f%1.6f%1.6f%1.6f%1.6f%1.6f%1.6f\n",d,f,v,a,x,y,x0,y0）;

fprintf（fp,"\nd=%1.1f\nf=%1.6fv=%1.6f\na=%1.6f\nx=%1.6fy=%1.6fx0=%1.6fy0=%1.6f\n",d,f,v,a,x,y,x0,y0）;}

else

{if（d<=d2）

{f=h*（d1/d1-sin（2*pi*d1/d1））;

v=0;

a=0;

x=r*sin（d*pi/180）-l*sin（pi*（d+f+f0）/180）;

y=r*cos（d*pi/180）-l*cos（pi*（d+f+f0）/180）;

A3=（r*cos（d*pi/180）-l*cos（pi*（d+f+f0）/180））*pi/180;

B4=（（-1）*r*sin（d*pi/180）+l*sin（pi*（d+f+f0）/180））*pi/180;

D5=A3/sqrt（A3*A3+B4*B4）;

D6=B4/sqrt（B4*B4+A3*A3）;

x0=x-r1*D6;

y0=y-r1*D5;

printf（"%1.1f%1.6f%1.6f%1.6f%1.6f%1.6f%1.6f%1.6f\n",d,f,v,a,x,y,x0,y0）;

fprintf（fp,"\nd=%1.1f\nf=%1.6fv=%1.6f\na=%1.6f\nx=%1.6fy=%1.6fx0=%1.6fy0=%1.6f\n",d,f,v,a,x,y,x0,y0）;}

else

if（d<=290）

{f=h*（1+cos（pi*（d-d2）/（d3-d2）））/2;

v=（-1）*pi*h*w*sin（pi*（d-d2）/（d3-d2））/（2*（d3-d2））;

a=pi*pi*h*w*w*cos（pi*（d-d2）/（d3-d2））/（4*（d3-d2）*（d3-d2））;

x=r*sin（d*pi/180）-l*sin（pi*（d+f+f0）/180）;

y=r*cos（d*pi/180）-l*cos（pi*（d+f+f0）/180）;

A4=r*cos（d*pi/180）-l*cos（pi*（d+f+f0）/180）*（1-pi*h*w*sin（pi*（d-d2）/（d3-d2））/（2*（d3-d2）*pi/180））;

B5=（-1）*r*sin（d*pi/180）+l*sin（pi*（d+f+f0）/180）*（1-pi*h*w*sin（pi*（d-d2）/（d3-d2）/（2*（d3-d2）*pi/180）））;

D7=A4/sqrt（A4*A4+B5*B5）;

D8=B5/sqrt（B5*B5+A4*A4）;

x0=x-r1*D8;

y0=y-r1*D7;

printf（"%1.1f%1.6f%1.6f%1.6f%1.6f%1.6f%1.6f%1.6f\n",d,f,v,a,x,y,x0,y0）;

fprintf（fp,"\nd=%1.1f\nf=%1.6fv=%1.6f\na=%1.6f\nx=%1.6fy=%1.6fx0=%1.6fy0=%1.6f\n",d,f,v,a,x,y,x0,y0）;}

else

{if（d<=d4）

{f=0;

v=0;

a=0;

x=r*sin（d*pi/180）-l*sin（pi*（d+f+f0）/180）;

y=r*cos（d*pi/180）-l*cos（pi*（d+f+f0）/180）;

A5=（r*cos（d*pi/180）-l*cos（pi*（d+f+f0）/180））*pi/180;

B6=（（-1）*r*sin（d*pi/180）+l*sin（pi*（d+f+f0）/180））*pi/180;

D9=A5/sqrt（A5*A5+B6*B6）;

D10=B6/sqrt（B6*B6+A5*A5）;

x0=x-r1*D10;

y0=y-r1*D9;

printf（"%1.1f%1.6f%1.6f%1.6f%1.6f%1.6f%1.6f%1.6f\n",d,f,v,a,x,y,x0,y0）;

fprintf（fp,"\nd=%1.1f\nf=%1.6fv=%1.6f\na=%1.6f\nx=%1.6fy=%1.6fx0=%1.6fy0=%1.6f\n",d,f,v,a,x,y,x0,y0）;}

}

}

}

fclose（fp）;}

运行结果：

初始角：

f0=14.3620

d

f

v

a

x

y

x′

y′

0.0

0.000000

0.000000

0.004267

-37.205878

14.687500

-27.904408

11.015625

5.0

0.053333

0.021333

0.004267

-35.915907

17.920667

-26.286156

15.224761

10.0

0.213333

0.042667

0.004267

-34.598526

21.156423

-24.860240

18.883586

15.0

0.480000

0.064000

0.004267

-33.229334

24.437358

-23.441170

22.389959

20.0

0.853333

0.085333

0.004267

-31.773379

27.801491

-21.958979

25.883796

25.0

1.333333

0.106667

0.004267

-30.185607

31.280295

-20.357073

29.436405

30.0

1.920000

0.128000

0.004267

-28.411626

34.896715

-18.576288

33.089472

35.0

2.613333

0.149333

0.004267

-26.388827

38.663219

-16.551752

36.865456

40.0

3.413333

0.170667

0.004267

-24.047853

42.579950

-14.212952

40.770328

45.0

4.320000

0.192000

0.004267

-21.314427

46.633017

-11.485009

44.793852

50.0

5.333333

0.213333

0.004267

-18.111547

50.793012

-8.290616

48.909052

55.0

6.453333

0.234667

0.004267

-14.362005

55.013799

-4.552445

53.071500

60.0

7.680000

0.256000

0.004267

-9.991233

59.231659

-0.195919

57.218741

65.0

9.013333

0.277333

0.004267

-4.930419

63.364846

4.847704

61.270017

70.0

10.453333

0.298667

0.004267

0.880146

67.313626

10.638019

65.126411

75.0

12.000000

0.320000

-0.004267

7.487571

70.960867

6.554417

61.004501

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