机械原理课程设计凸轮机构

目录
（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：
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:
00[cos()]
tan sin()d l
a l d a ψψψϕαψψ+-=+
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 。

B 0点为推程段摆杆起始点，
开始时推杆滚子中心处于
B 0点处，依几何关系有：
B 0的坐标:
X 0=sin(φ0)/l
Y 0=a-l* cos (φ0)
f 0=arcos[(a ²+l ²-r 0²)/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： 00[cos()]
tan sin()d l
a l d a ψψψϕαψψ+-=+
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r 1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±r 1;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＞r 1；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；r 1=（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=120 o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=270 o回程运动结束的凸轮总转角，其中(d3-d2)为回程角δ03 d4=360 o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120 mm
h=25 o从动杆的总角行程
w=1 rad / s 此处设凸轮角速度为1 rad / s
r r=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=πhw sin(πδ/δ01)/(2δ01)
即v=πh w sin(πd/d1)/(2d1)
摆杆角加速度：a=π2h w2cos(πδ/δ01)/(2δ012)
即a=π2h w2cos(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=r sin d-l sin(d+f+f0 )
y=r cos d-lcos(d+f +f0)
其中f0为摆杆的初始位置角
f0=arcos[(r2+l2-r02)/2(r l)]
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=-4 hw( (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=r sin d-l sin(d+f+f0)
y=r cos d-l cos(d+f+f0)
其中f0为摆杆的初始位置角
f0=arcos[(r2+l2-r02)/2(r l)] （五）程序方框图
（六）计算机源程序
#include <math.h>
#include <stdio.h>
main()
{
double d, d0,d1,d2,d3,d4,r,r0,
f,f0,h,pi,v,w,a,l,x,y;
int n;
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5 o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=%1.3 f\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=%1.3 f\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=%1.3 f\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=%1.3 f\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\n x=%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
(八）凸轮机构示意简图
(九）心得体会
这是我们步入大学之后的第一次做课程设计，虽然有些茫然和不知所措，但在老师的指导和同学的互相帮助下还是按时完成了设计。

这次课程设计让我体会很深，也学到了很多新东西。

作为一名机械系，机械设计制造及自动化专业大三的学生，我觉得能做类似的课程设计是十分有意义，而且是十分必要的。

在已度过的大学时间里我们大多数接触的是专业基础课。

我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面，如何去锻炼我们的实践
面？如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢？我想做类似的大作业就为我们提供了良好的实践平台。

在做本次大作业的过程中，我感触最深的当数查阅大量的设计手册了。

为了让自己的设计更加完善，更加符合工程标准，一次次翻阅机械设计手册是十分必要的，同时也是必不可少的。

我们是在作设计，但我们不是艺术家。

他们可以抛开实际，尽情在幻想的世界里翱翔，我们是工程师，一切都要有据可依.有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。

在这次课程设计中，充分利用了所学的机械原理知识，根据设计要求和运动分析，选用合理的分析方案，从而设计出比较合理的机构来。

这次课程设计，不仅让我们把自己所学的知识运用到实际生活中去，设计一些对社会有用的机构，也让我们深刻体会到团体合作的重要性，因为在以后的学习和工作中，但靠我们自己个人的力量是远远不够的，必须积聚大家的智慧，才能创造出令人满意的产品来。

创新也是一个国家、一个社会、一个企业必不可少的，设计中的创新需要高度和丰富的创造性思维，没有创造性的构思，就没有产品的创新，产品也就不具有市场竞争性。

在设计过程中，虽然我们的创新是肤浅的，但我们在设计过程中发现了自己的不足，分析和解决问题的方法与能力不够强.还有在整个过程中我发现像我们这些学生最最缺少的是经验没有感性的认识空有理论知识有些东西很可能与实际脱节.总体来说我觉得做这种类型的作业对我们的帮助还是很大的它需要我们将学过的相关知识都系统地联系起来从中暴露出自身的
不足以待改进.有时候一个人的力量是有限的合众人智慧我相信我们的作品会更完美!
这也锻炼了我们的能力，更指明了我们努力的方向；
这次课程设计也为我们以后的毕业设计打下了一个基础，我相信，经过这次设计，我们毕业设计的时候不再会象现在这么茫然了，也一定能做好它。

（十）参考书籍
1.《机械原理》（第七版）————孙恒,陈作模等主编
2.《材料力学》（第四版）————刘鸿文主编
3.《机械设计课程设计图册》（第三版）————哈尔滨工业大学龚桂
义,潘沛霖等主编
4.《机械零件设计手册》————金工业出版社
5.《互换性与技术测量》(第四版)中国计量出版社————廖念钊,莫
雨松等主编
6.《机械原理课程设计》————高英武,杨文敏编著。