机械原理课程设计指导书2025版

PAGE机械原理课程设计指导书机械原理课程设计指导书JIXIEYUANLIKECHENGSHEJIZHIDAOSHU机械原理课程组编杭州师范大学PAGEPAGE24第一章绪论1.1机械原理课程设计的目的机械原理是高等工科院校机械类的主干课程，与之配套的课程设计是学生首次较全面地进行机械传动系统方案设计并进行运动学、动力学分析的实践性教学环节，它是机械原理课程的重要组成部分。其主要目的是进一步巩固、理解并初步运用所学知识，在接触和了解工程技术实际的基础上，使学生进行较为系统的设计方法训练，以达到初步培养学生分析问题、解决实际工程问题的能力。通过该课程设计训练，一方面要求学生系统地运用机械原理课程的所学知识，结合实际加以融会贯通，使学生对机械系统传动方案的设计、运动学及动力学的分析有一个较完整的概念，从而具有计算、绘图、计算机辅助设计的能力。另一方面，又要求学生积极思考、广为涉猎和大胆创新，这对于培养学生的继承能力和创新能力打下良好的基础。创新是人类文明进步的原动力，是科技发展、经济增长和社会进步的源泉，因此培养具备创新意识和创新能力的人才是所有高校必须承担的社会责任。实践证明，只有经过有意识的学习和训练，人的创造力才可以被有效地激发，并在实践中逐步得到巩固与提高，为此设置了机械原理课程设计这一实践环节。1.2机械原理课程设计的任务随着生产技术的不断发展和人民生活水平的日益提高，机械产品种类日益增加。例如：各种食品机械、纺织机械、石油化工机械、交通运输机械、家用电器、儿童玩具等。各种机械设备一般均需实现生产与操作过程的自动化，或者实现某一工艺动作过程。因此，机械设备设计首先需要进行机械运动方案的设计和构思，各种传动机构和执行机构的选用和创新设计。这些新机械设备的创新设计要求设计者除了掌握各种典型机构的工作原理、结构特点、设计方法和应用场合等知识外，还要考虑如何选择巧妙的工艺动作过程来达到预定的机械功能要求。机械运动方案及机械运动简图设计是机械产品设计的第一步，也是决定机械产品质量水平高低、性能优劣和经济效益好坏的关键性的一步。机械原理课程设计要求针对某种简单机器（工艺动作过程比较简单）进行机械运动简图设计，其中包括机器功能分析、工艺动作确定、执行机构选择、机械运动方案评价和机构尺度综合等。课程设计题目分为两大类，一是对现有机械的某个运动机构进行运动学分析，可采用图解法，绘制必要的图纸；也可采用解析法，需要编制计算机程序。二是在分析已有机械的基础上，通过继承加创新完成对现有机械的改进，要求筛选运动方案绘制机构运动简图。1.3机械原理课程设计的采用的方法机械原理课程设计采用的设计方法是根据机械产品在各种限定的条件下，按具体情况权衡利弊，统筹兼顾，设计出最优、综合技术经济效果好的机械产品。因此常采用以下三种设计方法。开发设计从机械产品的功能要求出发，设计过去还没有过的机械。这类设计通常是在工作原理、结构等完全位置的情况下，应用成熟的科学技术，或经过实验证明是可行的新技术，进行方案设计、技术设计和施工设计。这是一种完全创新的设计。继承设计已有同类产品可供参考，但需按附加条件和技术的发展。对系统结构及性能参数等方面进行设计更新。这类设计通常是在原理方案基本保持不变的情况下，对产品局部更新或设计一新部件。3）变型设计已有样机，仅在设计参数上加以改变。即在工作原理及功能结构都不变的情况下，变更现有产品的结构配置和尺寸，使其应用更广泛，如不同的功率、转矩、结构尺寸、传动比范围等。在机械设计中，开发设计十分重要，即便是进行继承设计和变型设计别具一格，从而提高机器的工作性能和市场的竞争能力。在机械产品设计过程中，当机械系统方案确定之后，需进行机构的运动及动力分析，此时通常采用图解法和解析法。第二章机械系统运动方按的设计2.1机械原理课程设计的目的机械系统运动方案的设计是机械原理课程设计的主要内容，最适合用于培养学生的创新思维和创新能力。一个机械的功能要求往往是复杂的，一般要由若干机构组合才能实现这些功能要求。用什么样的工作原理、哪些机构以及如何组合才能实现给定的功能要求，这就是所谓的机械系统方案设计（即机构运动简图设计）。机械系统运动方案的设计是产品设计的关键步骤，它是决定产品质量、水平高低、性能优劣和经济效益好坏的关键一步。2.2机械系统方案设计的内容功能原理方案的设计和构思根据机械所要实现的功能（功用）采用有关的工作原理，由工作原理出发设计和构思出工艺动作的过程就是功能原理方案设计。在功能设计中，应将机械将要达到的总功能，分解成多个功能元的运动和动作，确定运动方案。在确定功能元中还应考虑各执行机构间的协调配合关系，画出机械运动循环图。值得指出的是，一个灵巧的功能原理方案是创新机械的出发点和归宿。如图2-1所示。子功能1子功能1子功能2子功能3子功能n…………总功能相应工艺动作…………相应工艺动作相应工艺动作相应工艺动作执行机构执行机构执行机构执行机构……执行动作执行动作执行动作执行动作……图2.1机器的功能、工艺动作及执行机构框图2)机械运动方案设计机械运动方案通常用机械运动示意图来表示，它是根据功能原理方案中提出的工艺动作过程及各个动作的运动规律要求，选择相应的若干个执行机构，并按一定的顺序把它们组合成机械运动示意图，这个机械系统应能合理地、可靠地完成上述工艺动作。机械运动方案就是机械运动简图设计中的型综合，机械运动方案中所画出的表示机构结构型式、机构相互联接情况的示意图是进行机械运动简图设计尺度综合的依据。3)机械运动简图的尺度综合将机械运动方案中各个执行机构根据工艺动作运动规律和机械运动循环图的要求进行尺度综合。机械运动简图中各机构的运动尺寸（如有高副机构还应包括高副的形状）都要通过分析、计算加以确定。当然在设计机械运动简图进行尺度综合时，应该同时考虑其运动条件和动力条件，否则不利于设计性能良好的新机械。4)机械系统传动方案的评价选择再进行机械系统运动方案设计时，由于能实现同一功能的机构不是唯一的，选用不同机构就可构成不同方案。因此，设计要提出若干个方案通过讨论、专家评定，从而选出最佳方案。2.3机械系统运动方案设计举例在冲制薄壁零件时，上模先以较大速度接近被加工零件，然后以匀速进行拉延成形工作，接着上模继续下行将成品推出型腔，最后快速返回。上模退出下模后，送料机构从侧面将料送至待加工位置，完成一个冲压工作循环。冲床的基本功能要求如图2.2a所示。上模的运动规律要求如图2.2b所示。经过方案构思与筛选，提出了四种较合理的方案，如图2.3,图2.4,图2.5,图2.6,图2.7。图2.3齿轮—连杆冲压机构图2.4导杆—摇杆滑块冲压机构经过各项评定指标综合评定可知图2-3为最佳方案（评定方法参见有关资料）。图2.5六杆冲压机构图2.6凸轮—连杆冲压机构第三章用图解法进行机构的运动分析和动力分析机械原理教材对图解法原理作了系统讲授，因此在这里不再作详细的论述，下面以插床为例介绍图解的应用。3.1插床机械简介与设计数据1、工作原理插床机械系统的执行机构主要是由导杆机构和凸轮机构组成。附图3.1为其参考示意图，电动机经过减速传动装置（皮带和齿轮传动）带动曲柄2转动，再通过导杆机构2-3-4-5-6-1使装有刀具的滑块6沿导路y—y作往复运动，以实现刀具的切削运动。刀具向下运动时切削，在切削行程H中，前后各有一段0.05H的空刀距离，工作阻力F为常数；刀具向上运动时为空回行程，无阻力。为了缩短回程时间，提高生产率，要求刀具具有急回运动。刀具与工作台之间的进给运动，是由固结于轴O2上的凸轮驱动摆动从动件lOFmaxFmaxsH0.05H0.05HFb）插刀阻力曲线图F电机传动装置执行机构a）机械系统示意图y图3.1插床y图3.1插床机械示意图Ay4AB曲柄滑块3导杆滑块连杆n2CDO8O22O4凸轮71456从动件8c）执行机构运动简图d2、设计要求电动机轴与曲柄轴2平行，使用寿命10年，每日一班制工作，载荷有轻微冲击。允许曲柄2转速偏差为±5％。要求导杆机构的最小传动角不得小于60o；凸轮机构的最大压力角应在许用值[α]之内，摆动从动件8的升、回程运动规律均为等加速等减速运动，其它参数见设计数据。执行机构的传动效率按0.95计算，系统有过载保护。按小批量生产规模设计。3、设计数据（见表3.1）表3.1插床机械的设计数据方案号4-14-24-34-44-54-64-74-84-94-10导杆机构运动分析转速n250484645505047524846力臂d(mm)120110100120115120120110100110曲柄lO2A(mm)75706080857065787570插刀行程H(mm)130120110140140120120100110100行程速比系数K2.01.82.01.8连杆lBC=lBO4导杆机构动态静力分析工作阻力Fmax(N)1200130013501280110012501350148013601370导杆质量m4(kg)20202220222426282622滑块6质量m6(kg)40404440444852565244导杆4质心转动惯量JS4(kgm2)1.2凸轮机构设计从动件最大摆角ψmax20o20o20o20o20o20o20o20o20o20o从动件杆长lO8D125135130122123124126128130132许用压力角[α]40o38o42o45o43o44o41o40o42o45o推程运动角δO60o70o65o60o70o75o65o60o72o74o远休止角δS10o10o10o10o10o10o10o10o10o10o回程运动角δO’60o70o65o60o70o75o65o60o72o74o3.2设计内容及步骤1、导杆机构的设计内容及工作量设计导杆机构，作机构两个位置的速度多边形和加速度多边形，作滑块的运动线图。以上的内容与后面的动态静力分析一起画在A2号图纸上（参照图例1），整理说明书。步骤：1）设计导杆机构。根据图3.1中的数据，设计导杆机构各未知参数。其中滑块的导路y-y应位于B点所画圆高的中垂线上（见图例1）2）作机构运动简图。选取长度比例尺，按照附表3.2所分配曲柄的两个位置作机构运动简图，其中的一个位置用粗线画出。曲柄位置的分配如附表3.2，取滑块6在上极限位置时所对应的位置为起始位置1，按逆时针（转向）将曲柄圆周十二等分，得十二个曲柄位置，位置9对应于滑块下极限时的位置。再作出开始切削和终止切削时所对应的两个位置。共计有14个位置，可以7个同学为一组。表3.2机构位置分配表学生编号1234567位置编号1234561278910113）导杆机构的运动分析。选速度比例尺和加速度比例尺，用相对运动图解法作两个位置的速度多边形和加速度多边形，并将结果列于表3.3，写在说明书中。表3.3速度、加速度值1234567位置编号1234561278910114）作滑块的位移线图。根据机构的各个位置，找出滑块上C点的对应位置，以位置1为起点，量取滑块的相应位移，取位移比例尺作位移线图。为了能直接从机构运动简图上量取滑块位置，建议取=5）绘制滑块的速度和加速度。列表汇集同组学生用相对运动图解法求得的各个位置的速度，及加速度，并绘制速度线图及加速度线图。6）编写设计说明书一份。应包括设计任务、设计参数、设计计算过程等。根据给定的数据确定执行机构的运动尺寸，要求用图解法设计，并将设计结果和步骤写在设计说明书中。以上工作完成后准备机械原理部分的答辩。7）图纸布置说明。按指导教师指定的题号，查出有关参数设计出导杆机构的各杆尺寸。在2号图纸左上方按指导教师指定的两个位置按比例画机构位置图（包括左右极限位置），并将给定的两个位置中的一个一般位置的机构简图加粗，还需画出滑块的对应的十四个位置。用图解法进行机构的运动分析。2号图纸右上侧绘制刀头位移曲线图，在上述2号图纸中间及下侧作速度和加速度多边形。在同组同学中收集数据作刀头的速度和加速度曲线图。用图解法进行机构的动态静力分析。在2号图纸左侧施示力体和力多边形。2、凸轮机构的设计根据所给定的已知参数，确定凸轮的基本尺寸（基圆半径ro、机架lO2O8和滚子半径rr），并将运算结果写在说明书中。将凸轮机构放在直角坐标系下，在UG软件中建模，画出凸轮机构的实际廓线，打印出从动件运动规律和凸轮机构仿真模型。第四章课程设计题目4.1牛头刨床1、工作原理牛头刨床是一种靠刀具的往复直线运动及工作台的间歇运动来完成工件的平面切削加工的机床。附图4.1为其参考示意图。电动机经过减速传动装置（皮带和齿轮传动）带动执行机构（导杆机构和凸轮机构）完成刨刀的往复运动和间歇移动。刨床工作时，刨头6由曲柄2带动右行，刨刀进行切削，称为工作行程。在切削行程H中，前后各有一段0.05H的空刀距离，工作阻力F为常数；刨刀左行时，即为空回行程，此行程无工作阻力。在刨刀空回行程时，由摆动从动件盘形凸轮机构通过四杆机构带动棘轮机构，棘轮机构带动螺旋机构使工作台连同工件在垂直纸面方向上做一次进给运动，以便刨刀继续切削。sHsH0.05H0.05HFb）刨头阻力曲线图FFmax电机传动装置执行机构a）机械系统示意图AAB曲柄滑块3导杆滑块6连杆n2CEDO9O22O43145工作台86工件71091112c）执行机构运动简图图4.1牛头刨床机械示意图设计要求电动机轴与曲柄轴2平行，刨刀刀刃E点与铰链点C的垂直距离为50mm，水平距离为1.2H。使用寿命10年，每日一班制工作，载荷有轻微冲击。允许曲柄2转速偏差为±5％。要求导杆机构的最大压力角应为最小值；凸轮机构的最大压力角应在许用值[]之内，摆动从动件9的升、回程运动规律均为等加速等减速运动,其它参数见设计数据。执行机构的传动效率按0.95计算，系统有过载保护。按小批量生产规模设计。设计数据表4.1牛头刨床设计数据方案号3-13-23-33-43-53-63-73-83-93-10导杆机构运动分析转速n248495052504847556056机架lO2O4380350430360370400390410380370工作行程H310300400330380250390310310320行程速比系数K1.461.401.401.441.531.341.501.371.461.48连杆与导杆之比lBC/lO4B60.330.30.320.330.250.280.26导杆机构动态静力分析工作阻力Fmax(N)4500460038004000410052004200400060005500导杆质量m4(kg)20202220222426282622滑块6质量m6(kg)70708080809080708062导杆4转动惯量JS4(kgm2)1.2凸轮机构设计基本参数r0=30mm，lO2O9=140mm从动件最大摆角ψmax15o15o15o15o15o15o15o15o15o15o从动件杆长lO9D125135130122123124126128130132许用压力角[]40o38o42o45o43o44o41o40o42o45o推程运动角δ075o70o65o60o70o75o65o60o72o74o远休止角δ0110o10o10o10o10o10o10o10o10o10o回程运动角δ0’75o70o65o60o70o75o65o60o72o74o从动件运动规律余弦正弦等加等减余弦余弦正弦等加等减余弦余弦正弦等加等减正弦设计内容导杆机构的运动分析已知曲柄每分钟的转数，各构件的尺寸及重心位置，且刨头导路x-x位于导杆端点B所作圆弧高的平分线（见图4.2）。要求：作机构运动简图；作机构两个位置的速度和加速度多边形，以及刨头的运动线图（位移，速度，加速度）。以上的内容画在2号图纸上（参照图例1）。曲柄位置图的做法为（图4.2）取1和8’为工作的起始点和终止点所对应的曲柄位置，1’和7’为切削起点和终点所对应的曲柄位置，其余2-12等，是由位置1起，顺方向将曲柄圆周作十二等分的位置。图4.2曲柄位置2）凸轮机构的设计已知摆杆9为等减速运动规律，其推程运动角，远休止角，回程运动角，摆杆长度，许用压力角(参见表4.1)，凸轮与曲柄共轴。要求：确定凸轮机构的轮廓曲线，选取滚子半径，画出凸轮实际廓线。可以采用三维软件（UG或Solidworks）进行计算机辅助设计（参见第六章），以上内容写在说明书中。4.2压床机械1、工作原理压床机械是由六杆机构中的冲头（滑块）向下运动来冲压机械零件的。附图4.3为其参考示意图，其执行机构主要由连杆机构和凸轮机构组成。电动机经过减速传动装置（齿轮传动）带动六杆机构的曲柄转动，曲柄通过连杆、摇杆带动滑块克服阻力F冲压零件。当冲头向下运动时，为工作行程，冲头在0.75H内无阻力；当在工作行程后0.25H行程时，冲头受到的阻力为F；当冲头向上运动时，为空回行程，无阻力。在曲柄轴的另一端，装有供润滑连杆机构各运动副的油泵凸轮机构。HH0.75HFb）冲头阻力曲线图F0.25HsFmax电机电机传动装置执行机构a）机械系统示意图BBCA曲柄3摇杆滑块6连杆n2DO22O4凸轮7145从动件8c）执行机构运动简图yx1x2图4.3压床机械示意图图4.3压床机械示意图2、设计要求电动机轴与曲柄轴垂直，使用寿命10年，每日一班制工作，载荷有中等冲击。允许曲柄转速偏差为±5％。连杆机构和凸轮机构的参数见设计数据，要求凸轮机构的最大压力角应在许用值[α]之内。执行机构的传动效率按0.95计算。按小批量生产规模设计。3、设计数据（见表4.2）表4.2压床机械设计数据方案号5-15-25-35-45-55-65-75-85-95-10连杆机构运动分析曲柄转速n295959289989593899092距离x1(mm)50404040305040404540距离x2(mm)140170200135140190150180160160距离y(mm)160180180160160200140180170165冲头行程H(mm)150180210140150200160190170170摇杆上极限角1=120o；摇杆下极限角2=60o；lBC=0.5l04B；lCD=0.25l04C。连杆机构动态静力分析连杆质量m3(kg)66706580657482788072连杆3质心转动惯量JS3(kgm2)0.20.320.300.400.340.330.460.380.420.33摇杆质量m4(kg)44524460445461565854摇杆4质心转动惯量JS4(kgm2)0.210.280.20.380.320.340.3滑块质量m6(kg)34383440344052464240工作阻力Fmax(N)4300460041004500420038004200440043004500凸轮机构设计基本参数r0=30mm,e=10mm从动件最大升程h20202020202020202020从动件运动规律余弦正弦等加等减余弦余弦正弦等加等减余弦余弦正弦等加等减余弦正弦许用压力角[α]30o30o30o30o30o30o30o30o30o30o推程运动角δO60o70o65o60o70o75o65o60o72o74o远休止角δ0110o10o10o10o10o10o10o10o10o10o回程运动角δO’60o70o65o60o70o75o65o60o72o74o设计内容连杆机构的运动分析已知中心距x1，x2，y，构件3的上极限角、下极限角，滑块的冲程H，比值lBC=0.5l04B；lCD=0.25l04C，各构件质心的位置，曲柄的转速（见图4.3）。要求：设计连杆机构，作机构运动简图；作机构两个位置的速度和加速度多边形，以及刨头的运动线图（位移，速度，加速度）；以上的内容画在2号图纸上（参照图例1）曲柄位置图的做法为（图4.4）取滑块的下极限位置时所对应的曲柄位置为起始位置1，按曲柄转向，将曲柄圆周作十二等分得12个曲柄位置；另外再作当滑块在上极限位置和距离上极限H/4时所对应的两个曲柄位置6’和10’。图4.4曲柄位置2）凸轮机构的设计已知从动件冲程H，许用压力角,其推程运动角，远休止角，回程运动角，摆杆长度，从动件的运动规律(参见表4.2)，凸轮与曲柄共轴。要求：确定凸轮机构的轮廓曲线，选取滚子半径，画出凸轮实际廓线。可以采用三维软件（UG或Solidworks）进行计算机辅助设计（参见第六章），以上内容写在说明书中。第五章创新设计类题目5.1铆钉自动冷镦机设计1、工作原理及工艺动作采用冷镦的方法将铝棒材的铆钉头镦出。铆钉自动冷镦机主要完成以下几个工艺动作：①自动间歇校直送料，②截料并运料，③镦料，④顶料脱模。2、原始数据及设计要求铆钉自动冷镦机的制钉速度为每分钟冷镦钉头m个，铝棒材的直径=6mm，长度L=20mm，冷镦的冲头行程H=60mm，要求冷镦机构具有急回特性，行程速比系数为K，电动机的转速为n。设计数据如下附表5.1。表5.1铆钉自动冷镦机设计数据方案号1-11-21-31-41-51-61-71-8钉头个数m4040424445464850行程速比系数K61.271.28电机转速n910940960970980139014001420方案号1-91-101-111-121-131-141-151-16钉头个数m5252545456565860行程速比系数K1.31.311.321.331.341.351.361.38电机转速n14401400980146013901400142014203、设计任务按工艺动作要求拟定总体机械运动方案简图。②按四种工艺动作要求对送料机构，载、运料机构，镦料机构和脱模机构进行选型。③按给定的电机和执行机构的运动参数算出总传动比，然后拟定机械传动系统方案。④在A2图纸上画出机械运动方案简图。⑤对传动机构和主要执行机构进行运动尺寸计算。⑥写一份设计说明书。 4、设计方案提示①自动间歇校直送料校直可用两摩擦轮挤压完成。但对两摩擦轮的运动应间歇控制，可采用槽轮机构、棘轮机构和不完全齿轮机构等间歇运动机构。②截料并运料可采用切割后旋转运料或采用移动凸轮机构推动进刀并送料。③镦料机构可采用具有滑块的四杆机构或六杆机构，但应满足具有急回特性的要求。④顶料脱模机构可采用凸轮机构或连杆机构。⑤机械传动系统可采用皮带、轮系或齿轮机构，首先通过传动比将转速降下来。在传递运动中，若两轴平行、相交或相错可采用直齿、斜齿圆柱齿轮、圆锥齿轮和蜗轮蜗杆机构。5.2印刷机送纸机构的设计1、已知条件

电动机JO2型，转速1430r/min，电动机与送纸机构距离2.5m，要求吸头每分钟送纸30张，吸头每次吸纸时沿图11-11（b）轨迹运动，送纸距离40mm，送纸时纸前端升高10mm，同时要求每次吸剩下的纸由压脚配合压紧，避免吸头多带纸张。

2、设计要求

(1)按工作要求对机构进行运动方案设计，执行机构的传动方案。

(2)设计计算出机构中所需凸轮轮廓线，并画出其机构运动简图。

(3)设计计算处所需连杆机构的各杆长。

(4)设计计算出所需齿轮机构各部分尺寸。(5)画出所设计的送纸机构运动简图。图5.1平板印刷机中的送纸机构5.3洗瓶机推瓶机构设计1、机构简介图5.2所示是洗瓶机有关部件的工作情况示意图。待洗的瓶子放在两个转动着的导辊上，导辊带动瓶子旋转。当推头M把瓶推向前进时，转动着的刷子就把瓶子外面洗净。当前一个瓶子将洗涮完毕时，后一个待洗的瓶子已进入导辊待推。

2、原始设计数据和设计要求

(1)瓶子尺寸：大端直径D=80mm，长200mm，小端直径d=25mm(如附下图所示)。

(2)推进距离l=600mm，推瓶机构应使推头M以接近均匀的速度推瓶，平衡地接触和脱离瓶子，然后，推头快速返回原位，准备第二个工作循环。

(3)按生产率的要求，推程平均速度为v=45mm/s，返回的平均速度为工作行程三倍。

(4)机构传力性能良好，结构紧凑，制造方便。

3、设计方案及讨论

根据设计要求，推头M可走图示轨迹，而且在l=600mm工作行程中作匀速运动，在其前后作变速运动，回程时有急回运动特性。对这种运动要求。通常，要用若干个基本机构组合成的组合机构，各司其职，协调动作，才能实现。在选择机构时，一般先考虑选择满足轨迹要求的机构(基础机构)，而沿轨迹运动时的速度要求，则往往通过改变基础机构主动件的运动速度来满足。如图5.3所示为五个机构方案。学生可选择其中一个方案进行尺度设计，并对设计结果进行运动分析。图5.2洗瓶机图5.3推瓶机构设计参考方案第六章解析法凸轮设计6.1偏置尖底从动件盘形凸轮设计举例说明偏置尖底从动件盘形凸轮机构中凸轮的设计过程。其凸轮机构的参数如表6.1所示，绘制凸轮的轮廓曲线。1、凸轮机构参数凸轮机构参数如表6.1。表6.1凸轮机构参数凸轮基圆半径r0偏距e从动件行程h推程运动角δ30mm10mm20mm远程休止角δ01回程运动角δ'近程休止角δ运动规律60°140°60°推程余弦加速度回程正弦加速度2、凸轮轮廓线方程利用解析法求出凸轮轮廓线方程凸轮机构的设计关键在于凸轮轮廓曲线的设计。通常的方法是根据工作要求选定从动件的运动规律,确定凸轮机构的一些基本参数,如基圆半径、偏距e、滚子半径r等,然后应用图解法或解析法来设计凸轮轮廓曲线。在进行凸轮轮廓线设计时,应用解析法,求出凸轮廓线的方程式:（1）式（1）中：为凸轮转角，，为从动件位移。对于推程（余弦加速度），有：（2）对于远休止,有:（3）对于回程（正弦加速度），有：（4）对于近休止，有：（5）3、凸轮轮廓曲线1）在UG中建立表达式表达式是数学方程或条件方程,它控制了规律曲线的方程,要求轮廓曲线即由规律曲线组成,它由方程定义。把式(2)、(3)、(4)、(5)分别代入式(1),并转化为符合UG规定的方程,在表达式对话框中手工输入,创建UG表达式：t=0A1=100*tA2=100+60*tA3=160+140*tA4=300+60*t%s0X1=(38.28-10*cos(100*t))*sin(A1)+10*cos(A1)图6.1凸轮轮廓曲线Y1=(38.28-10*cos(100*t))*cos(A1)-10*sin(A1)图6.1凸轮轮廓曲线X2=48.28*sin(A2)+10*cos(A2)Y2=48.28*cos(A2)-10*sin(A2)X3=(28.28+20*(1-t+sin(360*t)/(2*pi()))*sin(A3)+10*cos(A3)Y3=(28.28+20*(1-t+sin(360*t)/(2*pi()))*cos(A3)-10*sin(A3)X4=28.28*sin(A4)+10*cos(A4)Y4=28.28*cos(A4)-10*sin(A4)其中t是UG的内部变量,其值在0~1之间变化。2）由规律曲线生成凸轮轮廓线利用UG的规律曲线（插入—曲线——规律曲线）来构造样条，选用按照方程变化(ByEquation)方式,使用上面输入的方程式，分4段生成凸轮轮廓曲线如图6.1。对轮廓线按照一定的厚度值进行拉伸(Extrude)操作,可以获得凸轮三维实体。同时创建尖顶从动件实体,完成凸轮机构设计如图2。图6.2凸轮6.2摆动尖底从动件盘形凸轮机构设计（UG）举例说明摆动尖底从动件盘形凸轮机构中凸轮的设计过程。其凸轮机构的参数如表6.1所示，绘制凸轮的轮廓曲线。1、凸轮机构参数凸轮机构参数如表6.2：表6.2凸轮机构参数凸轮基圆半径r0摆杆的长度从动件最大摆角ψmax推程运动角δ30mm125mm15o75°远程休止角δ回程运动角δ'近程休止角δ运动规律10°75°200°推程余弦加速度回程正弦加速度2、凸轮轮廓线方程利用解析法求出凸轮轮廓线方程。凸轮机构的设计关键在于凸轮轮廓曲线的设计。通常的方法是根据工作要求选定从动件的运动规律,确定凸轮机构的一些基本参数,如基圆半径、偏距e、滚子半径r等,然后应用图解法或解析法来设计凸轮轮廓曲线。在进行凸轮轮廓线设计时,应用解析法,求出凸轮廓线的方程式:（1）式（1）中：a为OD长；为初始摆角，为从动件角位移。A是凸轮的转角，为分段函数，方程式：对于推程余弦加速度有：（2）对于远休止,有:（3）对于回程（正弦加速度），有：（4）对于近休止，有：（5）3、凸轮轮廓曲线1）在UG中建立表达式表达式是数学方程或条件方程,它控制了规律曲线的方程,要求轮廓曲线即由隐函数组成,它由方程定义。把式(2)、(3)、(4)、(5)分别代入式(1),并用变量t代替以上方程中的，转化为符合UG规定的方程,在表达式对话框中手工输入,创建UG表达式：t=0[degrees]phi0=8.1[degrees]phi1=7.5*(1-cos(180*t))[degrees]phi2=15[degrees]phi3=15*(1-t-sin(360*t)/(2*pi()))[degrees]phi4=0[degrees]A1=75*t[degrees]A2=75+10*t[degrees]A3=85+75*t[degrees]A4=160+200*t[mm]X1=150*sin(A1)-135*sin(A1+phi1+phi0)[mm]X2=150*sin(A2)-135*sin(A2+phi2+phi0)[mm]X3=150*sin(A3)-135*sin(A3+phi3+phi0)[mm]X4=150*sin(A4)-135*sin(A4+phi4+phi0)[mm]Y1=150*cos(A1)-135*cos(A1+phi1+phi0)[mm]Y2=150*cos(A2)-135*cos(A2+phi2+phi0)[mm]Y3=150*cos(A3)-135*cos(A3+phi3+phi0)[mm]Y4=150*cos(A4)-135*cos(A4+phi4+phi0)[mm]Z=02）由规律曲线生成凸轮轮廓线利用UG的规律曲线。对轮廓线按照一定的厚度值进行拉伸(Extrude)操作,可以获得凸轮三维实体。同时创建尖顶从动件实体,完成凸轮机构设计。图6.4凸轮2）在Solidworks中建立表达式表达式是数学方程或条件方程,它控制了规律曲线的方程,要求轮廓曲线即由参数性函数组成,它由方程定义。建立草图/方程式驱动的曲线/参数性/输入方程式1/输入角度范围。把式(2)、(3)、(4)、(5)分别代入式(1),并用变量t代替以上方程中的，转化为符合SW规定的方程,在表达式对话框中手工输入,创建SW表达式：推程等加速：X11=140*sin(t)-125*sin(t+φ+φ0)Y11=140*cos(t)-125*cos(t+φ+φ0)推程等减速：X12=140*sin(t)-125*sin(t+φ+φ0)Y12=140*cos(t)-125*cos(t+φ+φ0)远休止阶段：X2=140*sin(t)-125*sin(t+φ_max+φ_0)Y2=140*cos(t)-125*cos(t+φ_max+φ_0)回程正弦加速度：X3=140*sin(t)-125*sin(t+φ+φ_0)Y3=140*cos(t)-125*cos(t+φ+φ_0)s=15∗pi/180*(1-(t-85*pi/180)/(75*pi/180)+sin(2*pi*(t-85/180*pi)/(75*pi/180))/(2*pi))t=[160*pi/180,300*pi/180]X4=140*sin(t)-125*sin(t+φ_0)Y4=140*cos(t)-125*cos(t+φ_0)第七章基于Matlab连杆机构的运动分析7.1数学模型的建立在图7.1所示的铰链四杆机构中，已知各构件的尺寸及原动件1的方位角θ1和匀角速度ω图7.1铰链四杆机构为了对机构进行运动分析，先如图7.1建立直角坐标系，并将各构件表示为杆矢，为了求解方便，将各杆矢用指数形式的复数表示。1、位置分析如图7.1所示，由封闭图形ABCDA可写出机构各杆矢所构成的封闭矢量方程l1+l2=l其复数形式表示为l1eiθ1+l将上式的实部和虚部分离，得l1cos由于式(7-3)是一个非线性方程组，直接求解比较困难，在这里借助几何方法进行求解，在图中连接BD,由此得图7.2铰链四杆机构lBD2=l12φ1=arcsin(lφ2=arccos(lθ3=π−θ2=arcsin(l2、速度分析将式(1-2)对时间t求一次导数，得速度关系l1ω1ei将上式的实部和虚部分离，得l1ω−l2sinθ解上式即可求得二个角速度ω2、ω3、加速度分析将式(7-7)对时间t求一次导数，可得加速度关系表达式−l2sinθ解上式即可求得二个角速度α2、α7.2计算实例[例7-1]如图7.2所示，已知铰链四杆机构各构件的尺寸为:l1=100mm,l2=240mm，l3=180mm，l4=301、程序设计铰链四杆机构MATLAB程序由主程序crank_rocker_main和子函数crank_rocker两部分组成。（1）主程序crank_rocker_main文件%1输入已知数据clc;clear;l1=100;l2=240;l3=180;l4=300;omega1=250;alpha1=0;hd=pi/180;du=180/pi;%2调用子函数crank_rocker计算铰链四杆机构位移，角速度，角加速度forn1=1:361theta1=(n1-1)*hd;[theta,omega,alpha]=crank_rocker(theta1,omega1,alpha1,l1,l2,l3,l4);theta2(n1)=theta(1);theta3(n1)=theta(2);omega2(n1)=omega(1);omega3(n1)=omega(2);alpha2(n1)=alpha(1);alpha3(n1)=alpha(2);end%3角位移、角速度、角加速度和四杆机构图形输出figure(1);n1=1:361;subplot(2,2,1);%绘位移线图plot(n1,theta2*du,n1,theta3*du,'k');title('角位移线图');xlabel('曲柄转角\theta_1/\circ')ylabel('角位移/\circ')gridon;holdon;text(100,140,'\theta_3')text(140,30,'\theta_2')subplot(2,2,2);%绘角速度线图plot(n1,omega2,n1,omega3,'k')title('角速度线图');xlabel('曲柄转角\theta_1/\circ')ylabel('角速度/rad\cdots^{-1}')gridon;holdon;text(250,130,'\omega_2')text(130,165,'\omega_3')subplot(2,2,3);%绘角加速度线图plot(n1,alpha2,n1,alpha3,'k')title('角加速度线图');xlabel('曲柄转角\theta_1/\circ')ylabel('角加速度/rad\cdots^{-2}')gridon;holdon;text(210,2e4,'\alpha_2')text(70,2.5e4,'\alpha_3')subplot(2,2,4);%铰链四杆机构图形输出x(1)=0;y(1)=0;x(2)=l1*cos(70*hd);y(2)=l1*sin(70*hd);x(3)=l4+l3*cos(theta3(71));y(3)=l3*sin(theta3(71));x(4)=l4;y(4)=0;x(5)=0;y(5)=0;plot(x,y);gridon;holdon;plot(x(1),y(1),'o');plot(x(2),y(2),'o');plot(x(3),y(3),'o');plot(x(4),y(4),'o');title('铰链四杆机构');xlabel('mm')ylabel('mm')axis([-50350-20200]);subplot(2,2,4)