机械原理凸轮机构设计

机械原理大作业凸轮机构设计一、凸轮机构概述凸轮机构是一种常见的传动机构，它通过凸轮的旋转运动，带动相应零件做直线或曲线运动。

凸轮机构具有结构简单、运动平稳、传递力矩大等优点，在各种机械设备中得到广泛应用。

二、凸轮基本结构1. 凸轮凸轮是凸起的圆柱体，通常安装在主轴上。

其表面通常为圆弧形或其他曲线形状，以便实现所需的运动规律。

2. 跟随件跟随件是与凸轮配合的零件，它们通过接触面与凸轮相互作用，并沿着规定的路径做直线或曲线运动。

跟随件可以是滑块、滚子、摇臂等。

3. 连杆连杆连接跟随件和被驱动部件，将跟随件的运动转化为被驱动部件所需的运动。

连杆可以是直杆、摇杆等。

三、凸轮机构设计要点1. 几何参数设计设计时需要确定凸轮半径、角度和曲率半径等参数，这些参数的选择将直接影响凸轮机构的运动规律和性能。

2. 运动规律设计根据被驱动部件的运动要求，选择合适的凸轮曲线形状，以实现所需的运动规律。

3. 稳定性设计在设计凸轮机构时，需要考虑其稳定性。

例如，在高速旋转时，可能会发生跟随件脱离凸轮或者产生振动等问题，因此需要采取相应措施提高稳定性。

4. 材料和制造工艺设计在材料和制造工艺方面，需要考虑凸轮机构所承受的载荷和工作环境等因素，选择合适的材料和制造工艺。

四、几种常见凸轮机构及其应用1. 摇臂式凸轮机构摇臂式凸轮机构由摇臂、连杆和被驱动部件组成。

它通常用于实现直线运动或旋转运动，并且具有结构简单、运动平稳等优点。

摇臂式凸轮机构广泛应用于各种机械设备中，如发动机气门控制系统、纺织设备等。

2. 滑块式凸轮机构滑块式凸轮机构由凸轮、滑块、连杆和被驱动部件组成。

它通常用于实现直线运动，并且具有结构简单、运动平稳等优点。

滑块式凸轮机构广泛应用于各种机械设备中，如冲压设备、印刷设备等。

3. 滚子式凸轮机构滚子式凸轮机构由凸轮、滚子、连杆和被驱动部件组成。

它通常用于实现圆弧形运动，并且具有运动平稳、传递力矩大等优点。

滚子式凸轮机构广泛应用于各种机械设备中，如汽车发动机气门控制系统等。

第六讲凸轮机构及其设计（一）凸轮机构的应用和分类一、凸轮机构1．组成：凸轮，推杆，机架。

2．优点：只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各种预期的运动规律，而且机构简单紧凑。

缺点：凸轮廓线与推杆之间为点、线接触，易磨损，所以凸轮机构多用在传力不大的场合。

二、凸轮机构的分类1．按凸轮的形状分：盘形凸轮圆柱凸轮2．按推杆的形状分尖顶推杆：结构简单，能与复杂的凸轮轮廓保持接触，实现任意预期运动。

易遭磨损，只适用于作用力不大和速度较低的场合滚子推杆：滚动摩擦力小，承载力大，可用于传递较大的动力。

不能与凹槽的凸轮轮廓时时处处保持接触。

平底推杆：不考虑摩擦时，凸轮对推杆的作用力与从动件平底垂直，受力平稳；易形成油膜，润滑好；效率高。

不能与凹槽的凸轮轮廓时时处处保持接触。

3．按从动件的运动形式分（1）往复直线运动：直动推杆，又有对心和偏心式两种。

（2）往复摆动运动：摆动推杆，也有对心和偏心式两种。

4．根据凸轮与推杆接触方法不同分：（1）力封闭的凸轮机构：通过其它外力（如重力，弹性力）使推杆始终与凸轮保持接触，（2）几何形状封闭的凸轮机构：利用凸轮或推杆的特殊几何结构使凸轮与推杆始终保持接触。

①等宽凸轮机构② 等径凸轮机构③共轭凸轮（二）推杆的运动规律一、基本名词：以凸轮的回转轴心O 为圆心，以凸轮的最小半径r0为半径所作的圆称为凸轮的基圆，r0 称为基圆半径。

推程：当凸轮以角速度转动时，推杆被推到距凸轮转动中心最远的位置的过程称为推程。

推杆上升的最大距离称为推杆的行程，相应的凸轮转角称为推程运动角。

回程：推杆由最远位置回到起始位置的过程称为回程，对应的凸轮转角称为回程运动角。

休止：推杆处于静止不动的阶段。

推杆在最远处静止不动，对应的凸轮转角称为远休止角；推杆在最近处静止不动，对应的凸轮转角称为近休止角二、推杆常用的运动规律1．刚性冲击：推杆在运动开始和终止时，速度突变，加速度在理论上将出现瞬时的无穷大值，致使推杆产生非常大的惯性力，因而使凸轮受到极大冲击，这种冲击叫刚性冲击。

全面探究凸轮机构设计原理及方法凸轮机构是一种常用的机械传动装置，通过凸轮和摆杆的配合组成，具有可逆性、可编程性和高精度的特点。

本文将从设计原理、设计方法和优化策略三个方面探究凸轮机构设计的要点。

一、设计原理
凸轮机构的设计原理是在摆杆与凸轮配合时，摆杆可以沿凸轮轮廓实现规定的运动规律，如直线运动、往返运动和旋转运动等。

凸轮可以根据运动轨迹、运动频率和运动速度等要求，通过凸轮轮廓的设计来完成。

凸轮轮廓的设计包括了初步设计、动力学分析、运动规划等步骤。

二、设计方法
凸轮机构的设计方法包括手工绘图及设计软件辅助。

手工绘图是传统的凸轮轮廓设计方法，适用于简单的凸轮机构，如往复式转动机构、转动转动机构等；而对于复杂的凸轮机构，可以利用计算机辅助设计软件，如ProEngineer、CATIA、AutoCAD等，进行三维建模、运动模拟和优化设计。

此外，对于凸轮机构的设计还需要考虑到强度计算、可靠性分析等相关问题。

三、优化策略
凸轮机构的设计优化策略主要包括凸轮轮廓的形状优化、摆杆的长度优化和机构传动效率的优化等。

凸轮轮廓的形状优化通常是通过
Cycloid、Involute、Bezier等曲线的拟合来实现；摆杆的长度优化可以通过数学模型来建立，利用遗传算法、粒子群算法等优化算法进行
求解；传动效率的优化可以通过轮廓优化、材料优化、润滑优化等途
径来进行。

凸轮机构的设计是机械工业中非常重要的一环，它涉及到运动学、动力学、力学等多个学科的知识，需要学习者在多方面进行深入研究
和实践。

通过对凸轮机构的深入探究，我们可以更好地理解机械原理
的精髓，提高机械设计的水平和能力。

机械原理课程设计——凸轮机构设计（一）目录 (1)＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿（一）、题目及原始数据 (2)（二）、推杆运动规律及凸轮廓线方程 (3)（三）、计算程序方框图 (5)（四）、计算源程序 (6)（五）、程序计算结果及分析 (10)（六）、凸轮机构图 (15)（七）、心得体会 (16)（八）、参考书 (16)（一）、题目及原始数据试用计算机辅助设计完成偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构的设计，凸轮以1rad/s的角速度沿逆时针方向转动。

要求：（1）、推程运动规律为等加速等减速运动，回程运动规律为五次多项式运动规律；（2）、打印出原始数据；（3）、打印出理论轮廓和实际轮廓的坐标值；（4）、打印出推程和回程的最大压力角，以及出现最大压力角时凸轮的相应转角；（5）、打印出凸轮实际轮廓曲线的最小曲率半径，以及相应的凸轮转角；（6）、打印出凸轮运动的位移；（7）、打印最后所确定的凸轮的基圆半径。

原始数据如下：r0=0.015; 初选的基圆半径r0Deltar0=0.0005; 当许用压力角或许用最小曲率半径不满足时，r0以Δr0为步长增加重新计算rr=0.010; 滚子半径r rh=0.028; 推杆行程he=0.005; 偏距eomega=1; 原动件凸轮运动角速度，逆时针ωdelta1=pi/3; 近休止角δ1delta2=2*pi/3; 推程运动角δ2delta3=pi/2; 远休止角δ3delta4=pi/2; 回程运动角δ4alpha1=pi/6; 推程许用压力角[α1]alpha2=(70/180)*pi; 回程许用压力角[α2]rho0min=0.3*rr; 许用最小曲率半径ραmin （二）、推杆运动规律及凸轮廓线方程推杆运动规律：（1）近休阶段：0o≤δ<60 os=0v=0a=0（2）推程阶段：60o≤δ<180 o等加速运动规律：60o≤δ<120 os=2h(δ-60o)2/(120 o)2v=4hω(δ-60o)/(120 o)2a=4hω2/(120 o)2等减速运动规律：120o≤δ<180 os=h-2h(120o -(δ-60o))2/(120 o)2v=4hω(120o -(δ-60o))/(120 o)2a=-4hω2/(120 o)2（3）远休阶段：180o≤δ<270 os=hv=0a=0（4）回程阶段：270o≤δ≤360 o五次多项式运动规律：s=h-(10h(δ-270o)3/(90 o)3-15h(δ-270o)4/(90 o)4+6h(δ-270o)5/(90 o)5)v=-(30hω(δ-270o)2/(90 o)3-60hω(δ-270o)3/(90 o)4+30hω(δ-270o)4/(90 o)5)a=-(60hω2(δ-270o)/(90 o)3-180hω2(δ-270o)2/(90o)4+120hω2(δ-270o)3/(90 o)5)凸轮廓线方程：（1）理论廓线方程：s0=sqrt(r02-e2)x=(s0+s)sinδ+ecosδy=(s0+s)cosδ-esinδ(2)实际廓线方程先求x，y的一阶导数x’=(v/ω-e) sinδ+(s0+s)cosδy’=(v/ω-e) cosδ-(s0+s)sinδ再求sinθ，cosθsinθ＝x’/sqrt((x’)2+(y’)2)cosθ＝-y’/sqrt((x’)2+(y’)2)最后求实际廓线方程x1=x-rr cosθy1=y-rr sinθ压力角方程：曲率半径计算公式：（四）、计算源程序%凸轮机构大作业Matlab语言源程序%选题：偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构5—A% 推程运动规律：等加速等减速运动% 回程运动规律：五次多项式运动% 作者:WYH 学号：xxxxxxxx 日期：2007.12.26 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% clear all;%close all;clc;%赋初值r0=0.015;Deltar0=0.0005;rr=0.010;h=0.028;e=0.005;omega=1; %原动件凸轮运动角速度，逆时针delta1=pi/3; %近休止角delta2=2*pi/3; %推程运动角delta3=pi/2; %远休止角delta4=pi/2; %回程运动角alpha1=pi/6; %推程许用压力角alpha2=(70/180)*pi; %回程许用压力角rho0min=0.3*rr; %许用最小曲率半径del1=delta1+delta2;del2=del1+delta3;temp=0; %判断是否执行r0＝r0＋Deltar0的变量while (temp==0)temp=1;s0=sqrt(r0^2-e^2); %求解s0alpha1max=0;delta1max=0; %定义alpha1的最大值以及对应的delta1值alpha2max=0;delta2max=0; %定义alpha2的最大值以及对应的delta2值rhoamin=r0-rr;deltamin=0; %定义rhoa的最小值以及对应的delta值for I=0:120; %圆周120等分delta=(I*3/180)*pi;if delta>=0&delta<delta1 %近休阶段s=0; %位移v=0; %速度a=0; %加速度elseif delta>=delta1&delta<(delta2/2)+delta1 %等加速推程s=2*h*(delta-delta1)^2/delta2^2;v=4*h*omega*(delta-delta1)/delta2^2;a=4*h*omega^2/delta2^2;elseif delta>=(delta2/2)+delta1&delta<del1 %等减速推程s=h-2*h*(delta2-(delta-delta1))^2/delta2^2;v=4*h*omega*(delta2-(delta-delta1))/delta2^2;a=-4*h*omega^2/delta2^2;elseif delta>=del1&delta<del2 %远休阶段s=h;v=0;a=0;elseif delta>=del2&delta<=2*pi %五次多项式运动规律回程s=h-(10*h*(delta-del2)^3/delta3^3-15*h*(delta-del2)^4/delta3^4+6*h*(delta-del 2)^5/delta3^5);v=-(30*h*omega*(delta-del2)^2/delta4^3-60*h*omega*(delta-del2)^3/delta4^4 +30*h*omega*(delta-del2)^4/delta4^5);a=-(60*h*omega^2*(delta-del2)/delta4^3-180*h*omega^2*(delta-del2)^2/delta 4^4+120*h*omega*(delta-del2)^3/delta4^5);endx=(s0+s)*sin(delta)+e*cos(delta); %理论轮廓方程式y=(s0+s)*cos(delta)-e*sin(delta);x_=(v/omega-e)*sin(delta)+(s0+s)*cos(delta); %理论轮廓对delta求一次导数y_=(v/omega-e)*cos(delta)-(s0+s)*sin(delta);x__=(a/omega^2-(s0+s))*sin(delta)+(2*v/omega-e)*cos(delta); %理论轮廓对delta求二次导数y__=(a/omega^2-(s0+s))*cos(delta)-(2*v/omega--e)*sin(delta);x1=x-rr*(-y_/sqrt(x_^2+y_^2)); %实际轮廓方程式y1=y-rr*(x_/sqrt(x_^2+y_^2));alpha=atan((v-e)/(sqrt(r0^2-e^2)+s)); %求压力角if delta>=del2&delta<=2*pi %判断是否为回程if abs(alpha)>alpha2 %判断是否大于回程许用压力角r0=r0+Deltar0;temp=0;break;elseif abs(alpha)>alpha2max %满足许用压力角，则找出回程最大压力角alpha2max=abs(alpha);delta2max=delta;endendelseif abs(alpha)>alpha1 %判断是否大于推程许用压力角r0=r0+Deltar0; %不满足许用压力角，则增大基圆半径重新计算temp=0;break;elseif abs(alpha)>alpha1max %满足许用压力角，则找出推程最大压力角alpha1max=abs(alpha);delta1max=delta;endendendrho=(x_^2+y_^2)^(3/2)/(x_*y__-y_*x__); %计算曲率半径if rho<0rhoa=abs(rho)-rr;if rhoa>=rho0min %满足最小曲率半径if rhoa<rhoamin %找出实际轮廓曲线的最小曲率半径及其对应的delta角rhoamin=rhoa;deltamin=delta;endelser0=r0+Deltar0;temp=0;break;endendDelta(I+1)=(delta/pi)*180; %delta由弧度值转化为角度值X(I+1)=x*1000;Y(I+1)=y*1000;X1(I+1)=x1*1000;Y1(I+1)=y1*1000;S(I+1)=s;V(I+1)=v;A(I+1)=a;ALPHA(I+1)=(alpha/pi)*180;PHO(I+1)=rho*1000;endenddeltamin=(deltamin/pi)*180;alpha1max=(alpha1max/pi)*180;delta1max=(delta1max/pi)*180;alpha2max=(alpha2max/pi)*180;delta2max=(delta2max/pi)*180;figure(1);axis equal;hold ont=0:0.01:2*pi;xx=r0*cos(t)*1000;yy=r0*sin(t)*1000;xxx=(rr*cos(t)+X(1)/1000)*1000;yyy=(rr*sin(t)+Y(1)/1000)*1000;xxxx=e*cos(t)*1000;yyyy=e*sin(t)*1000;plot(xx,yy,'m--',X,Y,':',X1,Y1,'k',xxx,yyy,'c-',xxxx,yyyy,'y-');%画出理论轮廓及实际轮廓以及基圆legend('基圆','理论轮廓','实际工作轮廓');plot(0,0,'ko')plot(X(1),Y(1),'ko');title('凸轮轮廓曲线图');xlabel('X/mm');ylabel('Y/mm');figure(2);plot(Delta,S,Delta,V,'r--',Delta,A,'k:'); %画出位移、速度、加速度曲线图title('凸轮运动规律曲线图');xlabel('{\delta}/(^o)');ylabel('s/m v/m.s^{-1} a/m.s^{-2}');legend('位移','速度','加速度');%结果显示：disp([num2str(Delta'),num2str(X'),num2str(Y'),num2str(X1'),num2str(Y1'),num 2str(S'*1000)]);disp(['rhoamin=',num2str(rhoamin*1000),'deltamin=',num2str(deltamin)]);disp(['alpha1max=',num2str(alpha1max),'delta1max=',num2str(delta1max)]);disp(['alpha2max=',num2str(alpha2max),'delta2max=',num2str(delta2max)]);disp(['r0=',num2str(r0*1000)]);（五）、程序计算结果及分析求得ραmin及对应的δαmin值：rhoamin=14.0952 deltamin=288求得α1max及对应的δ1max值：alpha1max=29.782 delta1max=120求得α2max及对应的δ2max值：alpha2max=47.4426 delta2max=324求得最后的基圆半径r0为:r0=24.5（七）、心得体会通过对凸轮机构的编程设计：（1）、熟悉了推杆的运动规律特别是等加速等减速和五次多项式运动规律；（2）、掌握了已知推杆运动规律用解析法对凸轮轮廓曲线的进行设计的方法以及设计时应该注意的各个性能要求；（3）、加深了对Matlab语言的熟悉与应用（八）、参考书（1）《机械原理》第七版高等教育出版社（2）《MATLAB程序设计教程》中国水利水电出版社。