机械原理课程设计凸轮机构.docx
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机械原理课程设计凸轮机构
（一）机械原理课程设计的目的和任务··················2
（二）从动件（摆杆）及滚子尺寸的确定··················4
（三）原始数据分析··········································5
（四）摆杆的运动规律及凸轮轮廓线方程···············6
（五）程序方框图·············································8
（六）计算机源程序··········································9
（七）程序计算结果及其分析····························14
（八）凸轮机构示意简图··································16
（九）心得体会··············································16
（十）参考书籍··············································18
（一）机械原理课程设计的目的和任务
一、机械原理课程设计的目的：
1、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：
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，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、摆动从动件杆盘型凸轮机构
2、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：
符号
摆杆角行程
h
推程运动角
δ01
远休止角
δ02
回程运动角
δ03
近休止角
δ04
基圆
半径
r0
从动杆运动规律
推程
回程
数据
25º
120º
40º
110º
90º
50
简谐
等加减速
3、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，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
4、用解析法设计该凸轮轮廓，原始数据条件不变，要写出数学模型，编制程序并打印出结果
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。
1、
三、课程设计采用方法：
对于此次任务，要用图解法和解析法两种方法。
图解法形象，直观，应用图解法可进一步提高学生绘图能力，在某些方面，如凸轮设计中，图解法是解析法的出发点和基础；但图解法精度低，而解析法则可应用计算机进行运算，精度高，速度快。
在本次课程设计中，可将两种方法所得的结果加以对照。
四、编写说明书：
1、设计题目（包括设计条件和要求）；
2、机构运动简图及设计方案的确定，原始数据；
3、机构运动学综合；
4、列出必要的计算公式，写出图解法的向量方程，写出解析法的数学模型，计算流程和计算程序，打印结果；
5、分析讨论。
（二）从动件（摆杆）及滚子尺寸的确定
1、摆杆长度l确定：
根据右图建立坐标系Oxy。
B0点为推程段摆杆起始点，
开始时推杆滚子中心处于
B0点处，依几何关系有：
B0的坐标:
X0=sin（φ0）/l
Y0=a-l*cos（φ0）
f0=arcos[（a²+l²-r0²）/2a*l］
又因为摆动盘形凸轮机构
在运动时的许用压力角为：
[α]=35°~45°
根据压力角公式：
注：
当主从动件角速度方向不同时取“-”号，相同时取“+”号。
由此我们可以取到：
l=120mm；此时摆杆的初始摆角：
φ0≈12.429°
2、滚子半径r1的选择
我们用ρ1表示凸轮工作廓线的曲率半径,用ρ表示理论廓线的曲率半径.所以有ρ1=ρ±r1;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＞r1；另一方面，滚子的尺寸还受其强度，结构的限制，不能太小，通常我们取滚子半径；r1=（0.1~0.5）*r0
在此，我们可以取r1=0.2*r0=10mm。
（三）原始数据及分析
依题意，原始数据如下：
1、已知量：
（未标明的单位为mm）
d1=120o推程运动结束的凸轮总转角，其中（d1-d0）为推程角δ01
d2=160o远休止运动结束时总转角，其中（d2-d1）为远程休止角δ02
d3=270o回程运动结束的凸轮总转角，其中（d3-d2）为回程角δ03
d4=360o远休止运动结束总转角，其中（d4-d3）为远程休止角δ04
r=160凸轮中心到摆杆中心A的距离
r0=50基圆半径
l=120此处设摆动从动杆长度为120mm
h=25o从动杆的总角行程
w=1rad/s此处设凸轮角速度为1rad/s
rr=10此处设滚子半径为10
2、设计所求量：
f摆动从动杆的角位移
v摆动从动杆的角速度
a摆动从动杆的角加速度
以凸轮的中心为原点，竖直和水平方向分别为x,y轴，建立平面直角坐标系
x为凸轮轮廓的轨迹的x坐标点
y为凸轮轮廓的轨迹的y坐标点
（四）摆杆的运动规律及凸轮轮廓线方程
1、摆杆运动规律：
①推程过程：
0o＜d≤120o
摆杆角位移：
f=h（1-cos（πδ/δ01））/2
即f=h（1-cos（πd/d1））/2
摆杆角速度：
v=πhwsin（πδ/δ01）/（2δ01）
即v=πhwsin（πd/d1）/（2d1）
摆杆角加速度：
a=π2hw2cos（πδ/δ01）/（2δ012）
即a=π2hw2cos（πd/d1）/（2d12）
②远休止过程：
120o＜d≤160o
摆杆角位移：
f=h
摆杆角速度：
v=0
摆杆角加速度：
a=0
在推程和远休止过程中凸轮轮廓轨迹：
x=rsind-lsin（d+f+f0）
y=rcosd-lcos（d+f+f0）
其中f0为摆杆的初始位置角
f0=arcos[（r2+l2-r02）/2（rl）]
③回程过程：
160o＜d≤270o
a.等加速回程阶段：
160o＜d≤215o
摆杆角位移：
f=h-2h（δ-δ01-δ02）2/（δ03）2
即f=h-2h（d-d2）2/（d3-d2）2
摆杆角速度：
v=-4hw（δ-δ01-δ02）/（δ03）2
即v=-4hw（d-d2）/（d3-d2）2
摆杆角加速度：
a=-4hw2/（δ03）2
即a=-4hw2/（d3-d2）2
b.等减速回程阶段：
215o＜d≤270o
摆杆角位移：
f=2h（δ03-（δ-δ01-δ02-δ03/2））2/（δ03）2
即f=2h（（d3-d2）-（d-d2-（d3-d2）/2））2/（d3-d2）2
摆杆角速度：
v=-4hw（δ03-（δ-δ01-δ02-δ03/2））/（δ03）2
即v=-4hw（（d3-d2）-（d-d2-（d3-d2）/2））/（d3-d2）2
摆杆角加速度：
a=4hw2/（δ03）2
即a=4hw2/（d3-d2）2
④近休止过程：
720o＜d≤360o
摆杆角位移：
f=0
摆杆角速度：
v=0
摆杆角加速度：
a=0
在回程和近休止过程中凸轮轮廓轨迹：
x=rsind-lsin（d+f+f0）
y=rcosd-lcos（d+f+f0）
其中f0为摆杆的初始位置角
f0=arcos[（r2+l2-r02）/2（rl）]
（五）程序方框图
开始
读入数据d,d1，d2，d3，d4，pi，r，r0，l，h，w
d初值为0
以10度累加
选择推程类型，调用子程序计算f，v，a，
d≤d1?
d≤d2?
s=0
v=0
a=0
d≤d3?
s=0
v=0
a=0
选择推程类型，调用子程序计算f，v，a，
计算轮廓轨迹坐标（x,y）
Y
Y
N
Y
N
屏幕输出，文本输出
f，v，a，x，y
结束
（六）计算机源程序
#include
#include
main（）
{
doubled,d0,d1,d2,d3,d4,r,r0,
f,f0,h,pi,v,w,a,l,x,y;
intn;
FILE*fp;/*定义文件指针*/
fp=fopen（"aa.txt","w"）;
/*打开以写方式文件（aa.txt不存在则新建）*/
d=0;/*d为凸轮总转角*/
d0=5;/*d0为转角分度值，此处设为5o每次*/
d1=120;/*（d1-0）为推程角*/
d2=160;/*（d2-d1）为远程休止角*/
d3=270;/*（d3-d2）为回程角*/
d4=360;/*（d4-d3）为近休止角*/
pi=3.1415926;
r=160;/*凸轮圆心到从动杆固定点的距离*/
r0=50;/*基圆半径*/
l=120;/*从动杆长度*/
h=25;/*行程角度*/
w=1;/*凸轮角速度*/
f0=acos（（r*r+l*l-r0*r0）/（2*r*l））*180/pi;/*从动杆初始角*/
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）;
for（n=0;n<=36;n++）
{
d=d0*n;
if（d<=d1）/*当d<=120度时，为推程过程*/
{f=h*（1-cos（pi*（d/d1）））/2;/*从动杆的角位移*/
v=pi*h*w*sin（pi*（d/d1））/（2*d1）;/*从动杆角速度*/
a=pi*pi*h*w*w*cos（pi*（d/d1））/（2*d1*d1）;/*从动杆角加速度*/
x=r*sin（d*pi/180）-l*sin（pi*（d+f+f0）/180）;
/*确定的凸轮的轨迹x坐标*/
y=r*cos（d*pi/180）-l*cos（pi*（d+f+f0）/180）;
/*确定的凸轮的轨迹y坐标*/
printf（"\nd=%1.3f\nf=%1.3f\nv=%1.3f\na=%1.3f\nx=%1.3f\ny=%1.3f\n",d,f,v,a,x,y）;
fprintf（fp,"\nd=%1.3f\nf=%1.3f\nv=%1.3f\na=%1.3f\nx=%1.3f\ny=%1.3f\n",d,f,v,a,x,y）;}
else{
if（d<=d2）/*当120<=d<=160度时，为远休止过程*/
{f=h;/*从动杆的角位移*/
v=0;/*从动杆角速度*/
a=0;/*从动杆角加速度*/
x=r*sin（d*pi/180）-l*sin（pi*（d+f+f0）/180）;
/*确定的凸轮的轨迹x坐标*/
y=r*cos（d*pi/180）-l*cos（pi*（d+f+f0）/180）;
/*确定的凸轮的轨迹y坐标*/
printf（"\nd=%1.3f\nf=%1.3f\nv=%1.3f\na=%1.3f\nx=%1.3f\ny=%1.3f\n",d,f,v,a,x,y）;
fprintf（fp,"\nd=%1.3f\nf=%1.3f\nv=%1.3f\na=%1.3f\nx=%1.3f\ny=%1.3f\n",d,f,v,a,x,y）;}
else{
if（d<=215）
/*当160<=d<=215度时，为等加速回程过程*/
{f=h-2*h*（d-d2）*（d-d2）/（（d3-d2）*（d3-d2））;
/*从动杆的角位移*/
v=（-1）*4*h*w*（d-d2）/（（d3-d2）*（d3-d2））;
/*从动杆角速度*/
a=（-1）*4*h*w*w/（（d3-d2）*（d3-d2））;/*从动杆角加速度*/
x=r*sin（d*pi/180）-l*sin（pi*（d+f+f0）/180）;
/*确定的凸轮的轨迹x坐标*/
y=r*cos（d*pi/180）-l*cos（pi*（d+f+f0）/180）;
/*确定的凸轮的轨迹y坐标*/
printf（"\nd=%1.3f\nf=%1.3f\nv=%1.3f\na=%1.3f\nx=%1.3f\ny=%1.3f\n",d,f,v,a,x,y）;
fprintf（fp,"\nd=%1.3f\nf=%1.3f\nv=%1.3f\na=%1.3f\nx=%1.3f\ny=%1.3f\n",d,f,v,a,x,y）;}
else{
if（d<=270）/*当215<=d<=270度时，为等减速回程过程*/
{
f=2*h*（（d3-d2）-（d-d2-（d3-d2）/2））*（（d3-d2）-（d-d2-（d3-d2）/2））/（（d3-d2）*（d3-d2））;/*从动杆的角位移*/
v=（-1）*4*h*w*（（d3-d2）-（d-d2-（d3-d2）/2））/（（d3-d2）*（d3-d2））;
/*从动杆角速度*/
a=4*h*w*w/（（d3-d2）*（d3-d2））;/*从动杆角加速度*/
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）;
printf（"\nd=%1.3f\nf=%1.3f\nv=%1.3f\na=%1.3f\nx=%1.3f\ny=%1.3f\n",d,f,v,a,x,y）;
fprintf（fp,"\nd=%1.3f\nf=%1.3f\nv=%1.3f\na=%1.3f\nx=%1.3f\ny=%1.3f\n",d,f,v,a,x,y）;}
else/*当270<=d<=360度时，为近休止过程*/
{if（d<=d4）
{f=0;/*从动杆的角位移*/
v=0;/*从动杆的角速度*/
a=0;/*从动杆角加速度*/
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）;
printf（"\nd=%1.3f\nf=%1.3f\nv=%1.3f\na=%1.3f\nx=%1.3f\ny=%1.3f\n",d,f,v,a,x,y）;
fprintf（fp,"\nd=%1.3f\nf=%1.3f\nv=%1.3f\na=%1.3f\nx=%1.3f\ny=%1.3f\n",d,f,v,a,x,y）;}
}
}
}
}
fclose（fp）;/*关闭文件*/
}
}
（七）程序计算结果及其分析
初始角：
f0=12.429
d
f
v
a
x
y
0.000
0.000
0.000
0.009
-25.828
42.813
5.000
0.107
0.043
0.008
-22.212
44.968
10.000
0.426
0.085
0.008
-18.825
46.991
15.000
0.952
0.125
0.008
-15.628
48.971
20.000
1.675
0.164
0.007
-12.560
50.988
25.000
2.583
0.199
0.007
-9.535
53.101
30.000
3.661
0.231
0.006
-6.452
55.341
35.000
4.890
0.260
0.005
-3.200
57.714
40.000
6.250
0.283
0.004
0.334
60.188
45.000
7.716
0.302
0.003
4.252
62.700
50.000
9.265
0.316
0.002
8.640
65.155
55.000
10.868
0.324
0.001
13.559
67.433
60.000
12.500
0.327
0.000
19.034
69.394
65.000
14.132
0.324
-0.001
25.054
70.888
70.000
15.735
0.316
-0.002
31.567
71.765
75.000
17.284
0.302
-0.003
38.483
71.888
80.000
18.750
0.283
-0.004
45.675
71.138
85.000
20.110
0.260
-0.005
52.987
69.427
90.000
21.339
0.231
-0.006
60.245
66.700
95.000
22.417
0.199
-0.007
67.259
62.943
100.000
23.325
0.164
-0.007
73.841
58.179
105.000
24.048
0.125
-0.008
79.810
52.473
110.000
24.574
0.085
-0.008
85.000
45.921
115.000
24.893
0.043
-0.008
89.270
38.650
120.000
25.000
0.000
-0.009
92.505
30.809
125.000
25.000
0.000
0.000
94.838
22.629
130.000
25.000
0.000
0.000
96.450
14.277
135.000
25.000
0.000
0.000
97.327
5.817
140.000
25.000
0.000
0.000
97.464
-2.688
145.000
25.000
0.000
0.000
96.859
-11.172
150.000
25.000
0.000
0.000
95.516
-19.571
155.000
25.000
0.000
0.000
93.447
-27.822
160.000
25.000
0.000
0.000
90.667
-35.860
165.000
24.897
-0.041
-0.008
86.996
-43.544
170.000
24.587
-0.083
-0.008
82.292
-50.664
175.000
24.070
-0.124
-0.008
76.644
-57.074
180.000
23.347
-0.165
-0.008
70.155
-62.643
d
f
v
a
x
y
185.000
22.417
-0.207
-0.008
62.943
-67.260
190.000
21.281
-0.248
-0.008
55.138
-70.828
195.000
19.938
-0.289
-0.008
46.874
-73.273
200.000
18.388
-0.331
-0.008
38.294
-74.536
205.000
16.632
-0.372
-0.008
29.539
-74.579
210.000
14.669
-0.413
-0.008
20.753
-73.381
215.000
12.500
-0.455
-0.008
12.077
-70.936
220.000
45.558
-0.868
0.008
15.990
-139.241
225.000
41.322
-0.826
0.008
5.466
-131.395
230.000
37.293
-0.785
0.008
-4.291
-123.111
235.000
33.471
-0.744
0.008
-13.229
-114.464
240.000
29.855
-0.702
0.008
-21.312
-105.532
245.000
26.446
-0.661
0.008
-28.511
-96.397
250.000
23.244
-0.620
0.008
-34.813
-87.141
255.000
20.248
-0.579
0.008
-40.214
-77.850
260.000
17.459
-0.537
0.008
-44.726
-68.605
265.000
14.876
-0.496
0.008
-48.370
-59.490
270.000
12.500
-0.455
0.008
-51.181
-50.580
275.000
0.000
0.000
0.000
-44.901
-21.998
280.000
0.000
0.000
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