含有凸轮机械的机电系统建模与仿真

光学精密工程990508

光学精密工程

OPTICS AND PRECISION

ENGINEERING

1999年 第7卷 第5期 No.5Vol.7 1999

含有凸轮机械的机电系统建模与仿真

李兴华　翟林培

摘　要　凸轮机构由于其优良的工作性能而被广泛用于高精度往复运动系统中。但由于它的变转动惯量、变加速度、震动、间隙等非线性动力学特性，给凸轮机构的稳速控制带来了很大难度。为便于对含有凸轮机构的机电系统的控制系统的研究，本文针对负载、转动惯量、间隙等影响控制性能的参数，以具有正弦加速运动规律的改进型等速运动凸轮廓线的对心凸轮机构为例，给出了凸轮机构的建模、仿真的公式，并给出了仿真程序设计方法。这一模型从控制系统研究需要出发，适合对含有凸轮机构的机电控制系统进行仿真研究。仿真结果表明所建的模型符合实际情况，是正确的。

关键词　凸轮　机电系统　建模与仿真

中图分类号　TH112．2 文献标识码　A

Modeling and Simulation of

Electromechanical System with Cam Mechanism

LI Xing－Hua，ZHAI Lin－Pei

（Changchun Institute of Opticsand Fine Mechanics，

Chinese Academy of Sciences，Changchun 130022）

Abstract　Cam Mechanism is wide used in many high accuracy movement systems because of itsexcellent characteristics．This paper introduces the modeling method of electromechanical system with cam mechanism and the designs of simulation program based on discrete method．The model considers most of the nonlinear characteristics，such as the changingload torque，the changing moment of inertia and the transaction clearance between the camand the slave mechanism．It can be used in the studying of control strategy of the elec－tromechanical systems with cam mechanism．The simulating results convince thatthe modelgiven is correct．

Key words：Cam mechanism，Electromechanical system，Modeling and simulation

1　引言

凸轮机构被广泛用于高精度往复运动机构中，但由于它的变转动惯量、变加速度、震动、间隙等非线性动力学特性，给凸轮机构的稳速控制带来了很大难度。从本file:///E|/qk/gxjmgc/gxjm99/gxjm9905/990508.htm（第 1／9 页）2010-3-22 20:49:29

机械原理作业凸轮机构绘制

机械原理大作业－凸轮机构 专业：材料成型机控制工程学号：0284 姓名：朱富慧组号：11材卓一第2组 1.题目 （1）凸轮回转方向：顺时针 （2）从动件偏置方向：左偏置 （3）偏心距：15mm （4）基圆半径：45mm （5）从动件运动规律：先以余弦运动规律上升，再以等加速等减速运动规律下降。推程运动角150°，远休止角30°，回程运动角120°，近休止角60°。 （6）从动件行程20mm。 要求：编制程序每隔5°计算凸轮轮廓坐标并绘制凸轮轮廓曲线。 2.数学公式 记基圆半径为r0，偏心距为e，凸轮转向系数为m（顺时针时m=1，逆时针时m=-1)，从动件偏置方向系数为n（左偏置时n=1，右偏置时n=-1,无偏置时n=0)，推程运动角、远休止角、回程运动角、近休止角依次为p1、p2、p3、p4，从动件行程为h从动件位移为s。 则从动件位移曲线方程为 0

其中， 3.程序框图 N ③ Y N Y N 执行函数zuobiao （） 执行函数zuobiao （） p+5=>p p>=p 1+p 2&&p

p p>=p 1&&p

s 0 0=>p p>=0&&p

哈工大机械原理大作业凸轮 - 黄建青

H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y 机械原理大作业二 课程名称：机械原理 设计题目：凸轮机构设计 院系：能源学院 班级： 1302402 设计者：黄建青 学号： 1130240222 指导教师：焦映厚陈照波 设计时间： 2015年06月23日

凸轮机构设计说明书 1. 设计题目 设计直动从动件盘形凸轮机构，机构运动简图如图1，机构的原始参数如表1所示。 图1 机构运动简图 表1 凸轮机构原始参数

计算流程框图： 2. 凸轮推杆升程，回程运动方程及推杆位移、速度、加速度线图 2.1 确定凸轮机构推杆升程、回程运动方程 设定角速度为ω=1 rad/s (1) 升程：0°<φ<50° 由公式可得 )]cos(1[20 ?π Φh s -=

)sin( 20 1 ?π ωπΦΦh v = )cos(20 2 2 12?π ωπΦΦh a = (2) 远休止：50°<φ<150° 由公式可得 s = 45 v = 0 a = 0 (3) 回程：150°<φ<240° 由公式得： ()()22 0000200000002200000 0,2(1)(1)1,12(1)(1),2(1)s s s s s s s s s Φhn s h ΦΦΦΦΦΦn Φn ΦΦn h n s h ΦΦΦΦΦΦn Φn n ΦΦΦn hn s ΦΦΦΦΦn Φn ??????'?=---+<≤++?'-? ???''-? =----++ <≤++???'-??? ?'---?'=-++<≤++'-?? 201 00000010002001 000 00n (),(1)(1)n ,(1)(1)n (1),(1)s s s s s s s s Φh v ΦΦΦΦΦΦn Φn ΦΦn h v ΦΦΦΦn Φn n ΦΦΦn h v ΦΦΦΦΦn ΦΦn ω??ω??ω??'=- --+<≤++?'-? ?''-? =- ++<≤++?'-? ?'---'?=--++<≤++''-??

【完整版】仿真软件在机械系统设计中的应用

机械系统中仿真软件的使用现状分析 1.计算机仿真概述 所谓计算机仿真就是建立系统模型的仿真模型进而在电子计算机上对该仿真模型进行模拟实验(仿真实验)研究的过程。计算机仿真方法即以计算机仿真为手段，通过仿真模型模拟实际系统的运动来认识其规律的一种研究方法。计算机仿真作为分析和研究系统运行行为、揭示系统动态过程和运动规律的一种重要手段和方法, 随着系统科学研究的深入、计算机技术的发展,而成为一门新兴的学科。近年来, 随着信息处理技术的突飞猛进, 使仿真技术得到迅速发展。计算机仿真主要有以下三种仿真形式： （1）物理仿真：按照实际系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行试验研究。直观形象，逼真度高，但代价高，周期长。在没有计算机以前，仿真都是利用实物或者它的模型来进行研究的。 （2）半物理仿真：即物理数学仿真，一部分以数学模型描述，并把它仿真计算模型，一部分以实物方式引入仿真回路。针对存在建立数学模型困难的子系统的情况，必须使用此类仿真，如航空航天、武器系统等研究领域。 （3）数字仿真（计算机仿真）：首先建立系统的数学模型，并将数学模型转化为仿真计算模型，通过仿真模型的运行达到对系统运行的目的。现代计算机仿真由仿真系统的软件/硬件环境，动画与图形显示、输入/输出等设备组成。作为新兴的技术方法，与传统的物理实验相比较，计算机仿真有着很多无可替代的优点： 1）模拟时间的可伸缩性由于计算机仿真受人的控制，整个过程可控性比较强，仿真的时间可以进行人为的设定，因此时间上有着很强的伸缩性，也可以节约实验的时间,提高实验的效率。 2）模拟运行的可控性由于计算机仿真以计算机为载体，整个实验过程由计算机指令控制进程，所以可以进行认为的设定和修改，这个实验模拟过程有较强的可控性。 3）模拟试验的优化性由于计算机仿真技术可以重复进行无限次模拟实验，因此可以得出不同的结果，各种结果相互比较，可以找到一个更理想更优的问题的解决方案，可以作为优化实验，选择相应的方案。

哈工大机械原理大作业凸轮机构第四题

Harbin Institute of Technology 机械原理大作业二 课程名称：机械原理 设计题目：凸轮机构设计 姓名：李清蔚 学号：1140810304 班级：1408103 指导教师：林琳

一.设计题目 设计直动从动件盘形凸轮机构，其原始参数见表 1 表一：凸轮机构原始参数 升程（mm ) 升程 运动 角（o） 升程 运动 规律 升程 许用 压力 角（o） 回程 运动 角（o） 回程 运动 规律 回程 许用 压力 角（o） 远休 止角 （o） 近休 止角 （o） 40 90 等加 等减 速30 50 4-5-6- 7多 项式 60 100 120

二.凸轮推杆运动规律 （1）推程运动规律（等加速等减速运动） 推程F0=90° ①位移方程如下： ②速度方程如下： ③加速度方程如下： （2）回程运动规律（4-5-6-7多项式） 回程0 0240 190≤ ≤?，F0=90°，F s=100°，F0’=50°其中回程过程的位移方程，速度方程，加速度方程如下：

三.运动线图及凸轮s d ds -φ 线图 本题目采用Matlab 编程，写出凸轮每一段的运动方程，运用Matlab 模拟将凸轮的运动曲线以及凸轮形状表现出来。代码见报告的结尾。 1、程序流程框图 开始 输入凸轮推程回程的运动方程 输入凸轮基圆偏距等基本参数 输出ds,dv,da 图像 输出压力角、曲率半径图像 输出凸轮的构件形状 结束

2、运动规律ds图像如下： 速度规律dv图像如下： 加速度da规律如下图：

3.凸轮的基圆半径和偏距 以ds/dfψ-s图为基础，可分别作出三条限制线（推程许用压力角的切界限D t d t,回程许用压力角的限制线D t'd t'，起始点压力角许用线B0d'')，以这三条线可确定最小基圆半径及所对应的偏距e,在其下方选择一合适点，即可满足压力角的限制条件。 得图如下：得最小基圆对应的坐标位置O点坐标大约为（13，-50）经计算取偏距e=13mm，r0=51.67mm.

机械原理 凸轮机构及其设计

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。 2.柔性冲击：加速度有突变，因而推杆的惯性力也将有突变，不过这一突变为有限值，因而引起有限

含有凸轮机械的机电系统建模与仿真

光学精密工程990508 光学精密工程 OPTICS AND PRECISION ENGINEERING 1999年 第7卷 第5期 No.5Vol.7 1999 含有凸轮机械的机电系统建模与仿真 李兴华　翟林培 摘　要　凸轮机构由于其优良的工作性能而被广泛用于高精度往复运动系统中。但由于它的变转动惯量、变加速度、震动、间隙等非线性动力学特性，给凸轮机构的稳速控制带来了很大难度。为便于对含有凸轮机构的机电系统的控制系统的研究，本文针对负载、转动惯量、间隙等影响控制性能的参数，以具有正弦加速运动规律的改进型等速运动凸轮廓线的对心凸轮机构为例，给出了凸轮机构的建模、仿真的公式，并给出了仿真程序设计方法。这一模型从控制系统研究需要出发，适合对含有凸轮机构的机电控制系统进行仿真研究。仿真结果表明所建的模型符合实际情况，是正确的。 关键词　凸轮　机电系统　建模与仿真 中图分类号　TH112．2 文献标识码　A Modeling and Simulation of Electromechanical System with Cam Mechanism LI Xing－Hua，ZHAI Lin－Pei （Changchun Institute of Opticsand Fine Mechanics， Chinese Academy of Sciences，Changchun 130022） Abstract　Cam Mechanism is wide used in many high accuracy movement systems because of itsexcellent characteristics．This paper introduces the modeling method of electromechanical system with cam mechanism and the designs of simulation program based on discrete method．The model considers most of the nonlinear characteristics，such as the changingload torque，the changing moment of inertia and the transaction clearance between the camand the slave mechanism．It can be used in the studying of control strategy of the elec－tromechanical systems with cam mechanism．The simulating results convince thatthe modelgiven is correct． Key words：Cam mechanism，Electromechanical system，Modeling and simulation 1　引言 凸轮机构被广泛用于高精度往复运动机构中，但由于它的变转动惯量、变加速度、震动、间隙等非线性动力学特性，给凸轮机构的稳速控制带来了很大难度。从本file:///E|/qk/gxjmgc/gxjm99/gxjm9905/990508.htm（第 1／9 页）2010-3-22 20:49:29

哈工大机械原理大作业——凸轮——22号

机械原理大作业（二） 作业名称：机械原理 设计题目：凸轮机构 班级： 设计者： 学号： 指导教师： 设计时间： 哈尔滨工业大学机械设计

1. 设计题目 (1) 凸轮机构运动简图： 2．凸轮推杆升程，回程运动方程及推杆位移,速度,加速度线图 (1) 推杆升程，回程运动方程如下： A.推杆升程方程： 设为ω1rad/s )],2 3 cos(1[30)(Φ-=Φs ;3/20π≤Φ≤ )),23 sin(45)(Φ=Φv ;3/20π≤Φ≤ ),2 3 cos(2135)(Φ= Φa ;3/20π≤Φ≤ B.推杆回程方程： ],2310[ 60)(Φ-=Φπs ;3567ππ≤Φ≤ ,120)(π-=Φv ;3 5 67ππ≤Φ≤ ,0)(=Φa ;3 5 67ππ≤Φ≤ 2)推杆位移,速度,加速度线图如下： A.推杆位移线图

凸轮位移B.推杆速度线图 凸轮速度C.推杆加速度线图

凸轮速度 3．凸轮机构的错误！未找到引用源。-s线图，并依次确定凸轮的基圆半径和偏距. 1) 凸轮机构的错误！未找到引用源。-s线图：

(2)确定凸轮的基圆半径和偏距： 由图知:可取错误！未找到引用源。=400 mm，e=100mm 即:基圆半径错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。=412.31mm 偏距e=100mm 4．滚子半径的确定及凸轮理论轮廓和实际轮廓的绘制. 可取滚子半径r=60mm，则凸轮理论轮廓和实际轮廓如下： (1) 程序如下 fai01=2*pi/3; fai02=pi/2; fais1=pi/2; fais2=5*pi/9; h=60; fai1=0:0.001*pi:2*pi/3; fai2=2*pi/3:0.001*pi:7*pi/6; fai3=7*pi/6:0.001*pi:5*pi/3; fai4=5*pi/3:0.001*pi:2*pi; s1=h/2*(1-cos(pi*fai1/fai01)); s2=h+fai2*0; s3=h*(1-(fai3-(fai01+fais1))/fai02); s4=fai4*0; plot(fai1,s1,fai2,s2,fai3,s3,fai4,s4) v1=pi*h/(2*fai01)*sin(pi*fai1/fai01); v2=0*fai2; v3=-h/fai02; v4=0*fai4; plot(fai1,v1,fai2,v2,fai3,v3,fai4,v4) a1=2*pi*h/fai01.^2*cos(pi*fai1/fai01); a2=0*fai2;

哈工大机械原理大作业_凸轮机构设计(第3题)

机械原理大作业二 课程名称：机械原理 设计题目：凸轮设计 院系：机电学院 班级：1208103 完成者：xxxxxxx 学号：11208103xx 指导教师：林琳 设计时间：2014.5.2

工业大学 凸轮设计 、设计题目 如图所示直动从动件盘形凸轮，其原始参数见表，据此设计该凸轮 二、凸轮推杆升程、回程运动方程及其线图 1 、凸轮推杆升程运动方程（0 5） 6 升程采用正弦加速度运动规律，故将已知条件h 50mm ，05带入正弦 6 加速度运动规律的升程段方程式中得： 6 1 12 S 50 sin ； 5 2 5

cos 5 144 12 12 a sin 5 2、凸轮推杆推程远休止角运动方程（ 5 ） 6 s h 50mm ； v a 0 ； 3、凸轮推杆回程运动方程（ 14 ） 9 回程采用余弦加速度运动规律，故将已知条件 h 50mm ， '0 5 9 6 带入余弦加速度运动规律的回程段方程式中得： 14 4、凸轮推杆回程近休止角运动方程（ 14 2 ） 9 s v a 0； 5、凸轮推杆位移、速度、加速度线图 根据以上所列的运动方程，利用 matlab 绘制出位移、速度、加速度线图 ①位移线图 编程如下： %用 t 代替转角 t=0:0.01:5*pi/6; s=50*((6*t)/(5*pi)-1/(2*pi)*sin(12*t/5)); hold on plot(t,s); t=5*pi/6:0.01:pi; s=50; hold on plot(t,s); t=pi:0.01:14*pi/9; s=25*(1+cos(9*(t-pi)/5)); hold on plot(t,s); t=14*pi/9:0.001:2*pi; s=0; 60 12 cos 9 ( 5 ）； v 45 9 1 sin a -81 29 1 cos 25

液压机械系统建模仿真软件AMESim及其应用

液压机械系统建模仿真软件AMESim及其应用

液压仿真软件AMESim及其应用 在现代工业中，随着对液压机械设备的性能要求以及机电液一体化程度的不断提高，对液压传动与控制系统的性能和控制精度等提出了更高的要求，传统的以完成设备工作循环和满足静态特性为目的的液压系统设计方法已不能适应现代产品的设计和性能要求。如果要对液压机械系统进行动态特性分析和采用动态设计方法，就需要运用计算机仿真技术，它是利用计算机技术研究液压机械系统动态特性的一种新方法。计算机仿真技术不仅可以在设计中预测系统性能，缩短设计周期，降低成本，还可以通过仿真对所涉及的系统进行整体分析和评估，从而达到优化设计，提高系统稳定性及可靠性的目的。 仿真首要任务就是建立数学模型，重点和难点也是进行建模，然后才可能进行计算机仿真研究，而建模是一件相当复杂的工作。目前常用的建模方法有传递函数法、状态空间法、功率键合图法等。模型建立的好坏直接关系到仿真的结果，不恰当的模型有可能得出相反的结论。目前

绝大多数软件采用状态方程建模，这些对一般的液压工作者来说，要求较高，有相当的难度。 1建模仿真软件——AMESim 基于建模过程的复杂性以及给仿真研究带来的不便，近几年来国外尤其是欧洲陆续研制出一些更为实用的液压机械仿真软件，并获得了成功的应用。AMESim就是其中杰出的代表。它是法国IMAGINE公司于1995年推出基于键合图的液压/机械系统建模仿真及动力学分析软件。它由一系列软件构成，其中包括AMESim、AMESet、A MECustom和AMERun。这4部分有其各自的用途和特性。 (1)AMESim——图形化工程系统建模、仿真和动态性能分析工具 AMESim是一个图形化的开发环境，用于工程系统建模、仿真和动态性能分析。使用者完全可以应用集成的一整套AMESim应用库来设计一个系统，所有的模型都经过严格的测试和实验验证。AMESim不仅可以令使用者迅速达到建模仿真的最终目标，而且还可以分析和优化设计。A MESim使得工程师从繁琐的数学建模中解放出

哈工大机械原理大作业凸轮机构设计第题

哈工大机械原理大作业-凸轮机构设计(第题)

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机械原理大作业二 课程名称：机械原理 设计题目：凸轮机构设计 院系：机电学院 班级：1208103 完成者：xxxxxxx 学号：11208103xx 指导教师：林琳 设计时间：2014.5.2 哈尔滨工业大学

凸轮机构设计 一、设计题目 如图所示直动从动件盘形凸轮机构，其原始参数见表，据此设计该凸轮机构。 序号 升程（mm ） 升程运动角（°） 升程运动规律 升程许用压力角（°） 回程运动角（°） 回程运动规律 回程许用压力角 （°） 远休止角（°） 近休止角 （°） 3 50 150 正弦加速度 30 100 余弦加速度 60 30 80 二、凸轮推杆升程、回程运动方程及其线图 1 、凸轮推杆升程运动方程(6 50π?≤ ≤) 升程采用正弦加速度运动规律，故将已知条件mm h 50=，6 50π =Φ带入正弦加速度运动规律的升程段方程式中得： ??? ?????? ??-=512sin 215650?ππ?S ； ??? ?? ???? ??-= 512cos 1601ππωv ； ω

?? ? ??= 512sin 1442 1?π ωa ； 2、凸轮推杆推程远休止角运动方程（ π?π ≤≤6 5） mm h s 50==； 0==a v ； 3、凸轮推杆回程运动方程（9 14π ?π≤≤） 回程采用余弦加速度运动规律，故将已知条件mm h 50=，9 5'0π= Φ，6 s π = Φ带入余弦加速度运动规律的回程段方程式中得： ?? ? ???-+=)(59cos 125π?s ； ()π?ω--=59 sin 451v ； ()π?ω-=59 cos 81-a 21； 4、凸轮推杆回程近休止角运动方程（π?π 29 14≤≤） 0===a v s ； 5、凸轮推杆位移、速度、加速度线图 根据以上所列的运动方程，利用matlab 绘制出位移、速度、加速度线图。 ①位移线图 编程如下： %用t 代替转角 t=0:0.01:5*pi/6; s=50*((6*t)/(5*pi)-1/(2*pi)*sin(12*t/5)); hold on plot(t,s); t=5*pi/6:0.01:pi; s=50; hold on plot(t,s); t=pi:0.01:14*pi/9; s=25*(1+cos(9*(t-pi)/5)); hold on plot(t,s); t=14*pi/9:0.001:2*pi;

浅析机械设计中的系统建模与仿真

浅析机械设计中的系统建模与仿真 发表时间：2018-05-15T14:56:43.670Z 来源：《知识-力量》2018年3月上作者：赵洪泽[导读] 本文介绍发展系统建模与仿真技术的的分类，进一步阐述系统建模与仿真技术的运用，最后总结建模与仿真技术的发展的趋势。 （西华大学，四川成都 610039）摘要：本文介绍发展系统建模与仿真技术的的分类，进一步阐述系统建模与仿真技术的运用，最后总结建模与仿真技术的发展的趋势。关键词：系统建模仿真趋势 一、模拟仿真的定义 仿真(Simulation)，即使用系统模型将特定于某一具体层次的不确定性转化为它们对目标的影响，该影响是在项目仿真系统整体的层次上表示的。系统仿真利用计算机模型和某一具体层次的风险估计，一般采用蒙特卡洛法进行仿真，为设计提供决策支持和科学依据。仿真是利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统，又称模拟。 二、模拟仿真的运用 研制新型飞机时，一般先要对按比例缩小的飞机模型进行风洞试验，以验证飞机的空气动力学性能；开发新型轮船或舰艇等时，一般先要在水池中对缩小的轮船模型进行试验，以了解轮船的各种性能；我国在建设三峡大坝时，广泛采用建模与仿真技术研究和评估大坝对环境、生态、洪水等方面的影响；设计新的生产线或新产品时，要通过仿真或试验对生产线或产品性能作出评估。训练、演示、教学、培训；军事模拟、指挥、虚拟战场；建筑视景与城市规划等多个领域均有仿真模拟的存在。 三、仿真的分类仿真可以按照不同原则分类： ①按所用模型的类型（物理模型、数学模型、物理数学模型）分为物理仿真、计算机仿真（数学仿真）、半实物仿真； ②按所用计算机的类型（模拟计算机、数字计算机、混合计算机）分为模拟仿真、数字仿真和混合仿真 ③按仿真对象中的信号刘（连续的、离散的）分为连续系统仿真和离散系统仿真； ④按仿真时间与实际时间的比例关系分为实时仿真（仿真时间标尺等于自然时间标尺）、超实时仿真（仿真时间标尺小于自然时间标尺）和亚实时仿真（仿真时间标尺大于自然时间标尺）； ⑤按对象的性质分为宇宙飞船仿真、化工系统仿真、经济系统仿真等四、系统的分类 （一）从自然属性的角度对系统划分的内容。根据系统是否具有齐次性，系统可以分为：线性系统与非线性系统。简单地说，线性系统就是满足“加法”和“乘法”的系统，两个信号之和经过一个线性系统所产生的输出，等于这两个信号分别经过这个系统得到的输出，这就是加法；乘法就是一个信号乘以一个常数经过线性系统的输出，等于这个信号经过此系统的输出乘以这个常数；而非线性系统就是不满足“加法”和“乘法”的系统（二）根据系统状态变化是否连续，可以将系统分为连续系统（continuous system)和离散事件系统(discrete event system)。连续系统是指系统状态随时间发生连续变化，如化工、电力、液压-气动系统、铣削加工等，其数学模型有微分方程、状态方程、脉冲响应函数等形式。离散事件系统是指只有在离散的时间点上发生“事件”时，系统状态才发生变化的系统，它的数学模型通常为差分方程。制造领域中生产线/装配线、路口的交通流量分布、电信网络的电话流量等都是典型的离散事件系统。 （三）根据系统的模型参数是否恒定，系统可以分为：时变系统与时不变系统。时变系统的函数随时间发生而变化，时不变系统的函数是恒定的，不因时间的变化而变化。还是以售票系统为例，这个系统的参数设定，一般就不会随时间的变化而变化了，因此是时不变系统；人类生存的生态环境就是一个时变系统，每一时刻都有动植物在灭绝，五、数字化仿真的优势 ①有利于缩短产品的开发周期； ②有利于提高产品质量； ③有利于降低产品开发成本； ④可以完成复杂产品的操作、使用训练。 六、数学模型的分类 按人们对事物发展过程的了解程度分类：白箱模型：指那些内部规律比较清楚的模型。如力学、热学、电学以及相关的工程技术问题。灰箱模型：指那些内部规律尚不十分清楚，在建立和改善模型方面都还不同程度地有许多工作要做的问题。如气象学、生态学经济学等领域的模型。黑箱模型:指一些其内部规律还很少为人们所知的现象。如生命科学、社会科学等方面的问题；但由于因素众多、关系复杂，也可简化为灰箱模型来研究按建立模型的数学方法分类:几何模型、微分方程模型、图论模型规划论模型马氏链模型；按应用离散方法或连续方法分类：离散型、连续模型；按是否考虑模型的变化分类：静态模型动态模型按是否考虑随机因素分类：确定性模型随机性模型；按模型的应用领域分类:生物数学模型、医学数学模型、地质数学模型、数量经济学模型、数学社会学模型。 七、建模与仿真的发展趋势 由于国际化市场的激烈竞争和用户对产品的功能、质量、价格、供货期、售后服务等要求越来越高，以及高新技术的飞速发展，柔性自动化，智能化，并行工程等是当今先进制造技术的发展趋势。计算机的普遍应用给系统仿真领域带来了巨大的发展动力。计算机仿真技术，也就是数学仿真技术的发展改变了以往物理仿真投资大、周期长、不易改进的局面，计算机的应用又推动了系统仿真领域的研究不断向前发展。通过建模与仿真技术的结合，进一步优化产品，使产品智能化，自动化。仿真技术将逐渐涉及更多领域，以求跟随计算机的数字化发展进程。

《机械系统建模与仿真》试卷

答题卡 1.①机械系统是机器和机构的总称，它由许多构件和零件组成。零件是组成机器的最小单元。 若将一部机器进行拆卸，拆到不可再拆的最小单元就是零件。从制造工艺角度来看，零件也是加工的最小单元。 构件通常是由若干零件组成的。如压缩机中的连杆，它由连杆体、轴套、轴瓦、螺栓和螺母等零件组成，这些零件刚性地联接在一起组成—个刚性系统，机器运动时作为一个整体独立运动。所以，构件是出若干零件组成的一个刚性系统，是机械系统运动的最小单元。当然构件也可以仅出一个零件组成。 机构是由两个以上具有相对运动的构件系统组成的，机构的作用在于传递运动或改变运动的形式。机器是由若干机构组成的系统。例如，内燃机包含曲柄滑块机构、齿轮结构和控制进气与排气的凸轮机构。在机构中，每一个构件都以一定的方式与其他构件相互连接。相互连接的两构件既保持直接接触，又能产生一定的相对运动。我们把两构件直接接触而又能产生一定形式的相对运动的连接称为运动副。 40多年来,我国在建模与仿真(ModelingandSimulation)方面发展迅速并取得了很大成就。建模与仿真技术的应用已扩展到产品的全生命周期:方案论证、设计、制造、试验、使用、维护和训练。建模与仿真技术最早应用于自动控制领域,飞机、导弹的飞行控制、制导系统采用数学仿真和半实物仿真进行分析试验,同时采用的是模拟计算机和面向方程的建模方法。实践证明,建模与仿真所能应用的领域,都极大地促进了该领域的发展。所以人们就开始把其应用于传统的机械系统中,从20世纪90年代至今,我国的研究人员对建模与仿真技术开展了研究,包括分布交互仿真、虚拟现实仿真、基于仿真的设计、虚拟样机、建模与仿真的重用和互操作性,以及分布虚拟环境等。近几年随着计算机技术的迅速发展,新的建模与仿真技术也应运而生,其极大地推动了机械行业的发展,提高了经济效益。 机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项新技术，其核心是机械系统运动学和动力学仿真技术，同时还包括三维CAD 建模技术、有限元分析技术、机电液控制技术、最优化技术等相关技术。 运用虚拟样机技术，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发用期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统级性能，获得最优化和创新的设计产品。 ②建模的步骤与过程 首先，根据机械系统的功能与作用，抽象出机构简图，根据简图，采用三维软件或者动力学仿真软件建立各零件三维模型，并进行合理的装配，初步建立机械系统的虚拟样机模型。 其次，将建立的装配体导入动力学仿真软件或者在机械动力学仿真软件中直接建立模型，然后利用动力学仿真软件如ADAMS 建立系统的虚拟样机模型，包括零件、约束副、弹性连接、应用力和驱动等，进行动力学、运动学、静力学仿真分析。 最后，将仿真结果与实验数据进行比较，验证模型，否则进行优化设计，改进设计方案，在进行仿真分析，直至虚拟仿真结果和物理样机的测试结果趋于一致。 2.⑴ 如图为开槽机上用的急回机构，原动件BC 匀速转动，其中mm AB 200=，mm BC 300=， mm l AD 100=，mm l DF 400=。原动件为构件BC ，为匀速转动，角速度/rad s ωπ=,对该 机构进行运动分析和动力分析及优化。

哈工大机械原理大作业凸轮

机械原理大作业二 课程名称： _______ 设计题目： 凸轮机构设计 院 系： ------------------------- 班 级： _________________________ 设计者： ________________________ 学 号： _________________________ 指导教师： ______________________ 哈尔滨工业大学 Harbin I nstituteof Techndogy

设计题目 如右图所示直动从动件盘形凸轮机构，选择一组凸轮机构的原始参数, 据此设计该凸轮机构。 凸轮机构原始参数 二.凸轮推杆升程、回程运动方程及推杆位移、速度、加速度线图 凸轮推杆升程运动方程：冷3唱—亦（中］ 156 12 .. v 」1 - cos()] 兀1 5 374.4 2 12 ? a 1si n( ) 兀 1 5 % t 表示转角， s 表示位移 t=0:0.01:5*pi/6; %升程阶段 s= [(6*t)/(5*pi)- 1/(2*pi)*si n(12*t/5)]*130; hold on plot(t,s);

t= 5*pi/6:0.01:pi; %远休止阶段 s=130; hold on plot(t,s); t=pi:0.01:14*pi/9; %回程阶段 s=65*[1+cos(9*(t-pi)/5)]; hold on plot(t,s); t=14*pi/9:0.01:2*pi; %近休止阶段 s=0; hold on plot(t,s); grid on % t表示转角，令3 1=1 t=0:0.01:5*pi/6; %升程阶段v=156*1*[1-cos(12*t/5)]/pi hold on plot(t,v); t= 5*pi/6:0.01:pi; %远休止阶段

机械原理大作业凸轮剖析

机械原理大作业二 课程名称： 设计题目： 院系： 班级： 设计者： 学号： 指导教师：

一、设计题目 图1 凸轮机构设计 升程/mm 升程运 动角/。 升程运 动规律 升程许 用压力 角/。 回程运 动角/。 回程运 动规律 回城许 用压力 角/。 远休止 角/。 近休止 角/。 65 90 等加等 减速 35 50 改进正 弦 70 100 120 二、凸轮推杆运动规律分析 1、升程运动规律（等加等减速）推程： 2、远休止运动规律 远休止：

3、回程运动规律（改进正弦加速度） 回程： 4、近休止运动规律 近休止： 三、编程及代码 1、位移、速度、加速度 t=0:0.01:pi/4; s=2*65*((2*t/pi).^2); hold on plot(t,s); t=pi/4:0.01:pi/2; s=65-2*65*(((pi/2-t)/(pi/2)).^2); hold on plot(t,s); t=pi/2:0.01:pi*19/18; s=65*ones(size(t)); hold on plot(t,s); t=19*pi/18:0.01:196.25*pi/180; s=65-65*((pi*(t-19*pi/18)/(5*pi/18))-sin(4*(pi*(t-19*pi/18)/(5*pi/18) ))/4)/(4+pi); hold on plot(t,s); t=196.25*pi/180:0.01:233.75*pi/180; s=65-65*(2+(pi*(t-19*pi/18)/(5*pi/18))-9*sin(pi/3+4*(pi*(t-19*pi/18)/ (15*pi/18)))/4)/(4+pi); hold on plot(t,s); t=233.75*pi/180:0.01:24*pi/18; s=65-65*(4+(pi*(t-19*pi/18)/(5*pi/18))-sin(4*(pi*(t-19*pi/18)/(5*pi/1 8)))/4)/(4+pi); hold on plot(t,s)

机械原理 凸轮机构设计

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r0 Deltar0=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 r h=0.028; 推杆行程h e=0.005; 偏距e omega=1; 原动件凸轮运动角速度，逆时针ω delta1=pi/3; 近休止角δ1 delta2=2*pi/3; 推程运动角δ2 delta3=pi/2; 远休止角δ3 delta4=pi/2; 回程运动角δ4 alpha1=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 o s=0 v=0 a=0 （2）推程阶段：60o≤δ<180 o 等加速运动规律：60o≤δ<120 o s=2h(δ-60o)2/(120 o)2 v=4hω(δ-60o)/(120 o)2 a=4hω2/(120 o)2 等减速运动规律：120o≤δ<180 o

机械原理大作业凸轮设计(1)(1)

目录 一、题目及原始数据 (2) 二、推杆运动规律及凸轮廓线方程 (4) 三、计算程序 (5) 四、计算结果及分析 (12) 五、凸轮机构图 (12) 六、体会及建议 (15) 七、参考书 (15)

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 表1 凸轮结构的推杆运动规律 表2 凸轮结构的推杆在近休、推程、远休及回程段的凸轮转角 表3 偏置直动滚子推杆盘形凸轮机构的已知参数

（1）打印出原始数据； （2）打印出理论轮廓和实际轮廓的坐标值； （3）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； （4）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； （5）打印最后所确定的凸轮的基圆半径。 计算点数：100 πδ0δ 二、推杆运动规律及凸轮廓线方程 1、推杆运动规律 （1）近休阶段：0°≤δ< 60° 0=s 0/=δd ds 0/22=δd s d （2）推程阶段：60°≤δ<° 等加速段运动方程 s=2h

（3）远休阶段：210°≤δ< 280° 30==h s 0/=δd ds 0/22=δd s d （4）回程阶段：280°≤δ< 360° 2、凸轮廓线方程 (1)理论廓线方程 2200e r s -= δδcos sin )(0e s s x ++= δδsin cos )(0e s s y -+= (2)工作廓线方程 x′=θcos r r x - y′=θsin r r y - 三、计算程序 #include #include void main(){ //freopen("xxx.txt","w",stdout); double r0,dr,rr,h,e,q1,q2,q3,q4,a,a11,a22,Q,pi,pa,paa,QQ,A1,A2,B1,B2,C1,C2; /*定义变量*/

机械系统建模与仿真方法1

机械系统建模与仿真 机理建模法 所谓机理模型，实际上就是采用由一般到特殊的推理理演绎方法，对巳知结构、参数的物理系统运用相应的物理定律或定理，经过合理分析简化建立起来描述系统各物理员动、静态变化性能的数学模型。 因此，机理建模法主要是通过理论分析推导方法建立系统模型。根据确定元件或系统行为所遵循的自然机理，如常用的物质不灭定律(用于液位、压力调节等)、能量守恒定律(用于温度调节等)、牛顿第二定律(用于速度、加速度调节等)、基尔霍夫定律(用于电气网络)等等，对系统各种运功规律的本质进行描述，包括质量、能量的变换和传递等过程，从而建立起变量间相互制约又相互依存的精确的数学关系。通常情况下，是给出微分方程形式或其派生形式——状态方程、传

递函数等。 实验建模法 所谓实验建模法，就是采用出特殊到一般的逻辑归纳方法，根据一定数量的在系统运行过程中的实测、观察的物理量数据，运用统计规律、系统辨识等理论合理估计出反映系统各物理量相互制约关系的数学模型。其主要依据是来自系统的大量实测数据．出此义称之为实验测定法。 当对所研究系统的内部结构和特性尚不清楚、甚至无法了解时,系统内部的机理变化规律就不能确定,通常称之为·黒箱”或“灰箱”问题,机理建模法也就无法应用。而根据所测到的系统输入输出数据,采用一定方法进行分析及处理来获得数学模型的统计模型法正好适应这种情况。通过对系统施加激励,观察和测取其响应,了解其内部変量的特性,并建立能近似反映同样变化的模拟系统的数学模型,就相当于建立起实际系统的数学描述(方程、曲线或图表等)。 （1）频率特性法 频率特性法是研究控制系统的一种应用广泛的工程实用方法。其特点在是通过建立系统频率响应与正弦输入信号之间的稳态特性关系，不仅可以反映系统的稳态性能，而且可以用来研究系统的稳定性和暂态性能;可以根据系统的开环频率特性，判别系统闭环后的各种性能；可以较方便地分析系统参数对动态性能的影响，并能大致指出改善系统性能的途径。 （2）系统辨识法 系统辨识法是现代控制理论与系统建模中常用的方法，它是依据测量到的输人与输出数据来建方静态与动态系统的数学模型，但其输出响应不局限于频率响应，阶压响应或脉冲响应等时间响应都可作为反映系统模型静态与动态特性的重要信息；而且，确定模型的过程更依赖于各种高效率的最优算法以及如何保证所测取数据的可靠性。因

机器人系统建模

一、基于模型控制方式来改进机器人性能 背景： 在学术界多年前就已经对机械臂动态模型化方法论已有深入研究。它作为一个非常有用工具，通常应用在机器人领域和工程实验室领域里研究和开发人形机器人，开发高级控制算法，运动模拟及其他学术进行研发。动态模型化涉及描述机器人惯量，质量，质心动态性能的数学公式和其他不易简单计算取得数值。尽管在理论研究中频繁可见，但使用动态模型化来改进机器人控制的应用大都得不到研发人员和工业机器人生产商的重视。 高创首先考虑用动态模型化解决半导体行业中高速delta机器人所遇到的性能问题。 模型实例： 通过对运动中机器人上力矩和力的预估，以及对过大力矩的阻止，使得机器人提速变得更简单，更安全，同时减少了振动，缩短整定时间。基于模型的控制最终使机器人系统运动更快，更精准，从而提高产量。 轴伽利略球形机器人（GSR-L）在执行动态模式 使用动态模型，客户能迅速获取整定时间，并更好实现轨迹跟踪运动控制。使用动态模型另外一个好处通过随时变动的机械参数，尤其是摩擦常数，可检测系统磨损和撕裂。力矩误差显示计算出的力矩值能准确预估过滤力矩

作用： 基于模型的控制最直接益处是检测并避免冲击，这点在delta机器人案例中清晰可见。负载，工作环境及操作工可得到更好保护。此外，该控制模式不需要力传感器，从而简化系统设计，减少成本。 该控制方式最显著益处是改善机器人运转状态及提高驱动器性能。要求获取位置的力矩值可被计算得出，且能精确地控制，因此路径得到大幅度地优化。因为通过计算得到电流，并非简单由反馈环获得，所以要求的电流更平缓，从而取得更好速度控制，减少颤抖和抖动。 对于太阳能硅片处理应用机器人，需具备高加速度和高精确度。Delta机器人结构本就脆弱，所以机械臂易损。此外，它还对贵重负载及生产材料受到冲击及损坏带来威胁。 Delta机器人存在损坏自身及负载的风险 Delta动力学基于由球状关节连起来的力的平行四边形，在一些系统中，这些平行四边形连接到移动平台和机械臂连轴。若超过一定位置或角度时，需要力来分解，机器人则大幅度减速，即使是一个小碰撞或强震动也可使机器人解体。更复杂的是，这些断裂点典型地位于伸出位置，碰到障碍物风险更高。机器人折断后，留存的撞击未被检测出，会增加潜在破损机率。 为解决以上隐患并提供delta机器人更好的控制性能，高创工程师采纳并改善科研中原有的动态模式，从而为delta机器人提供更好的控制。 体会： 二、矢量喷水推进式水下机器人的建模仿真与验证 背景： 为提高小型水下航行器的机动性与可控性，构建了一种基于矢量喷水推进系统的新型多自由度水下机器人。为使该机器人具有理想的运动特性和优异的操控性能，对其进行了理论建模、数值仿真与实验验证。首先建立其运动学和动力学模型，分析多矢量推进作用对机器人运动姿态和航行效果的影响，据此研究机器人多矢量喷水推进协调控制的策略与方法，实现机器人自 主升沉、旋转、水平移动等多姿态水中运动。此后，采用MATLAB 和ADAMS 对所建模型和虚拟样机进行了数值仿真，并且对机器人实物样机进 行了水下运动验证实验。仿真分析与实验验证的结果表明，该机器人的运动特性和操控性能符合高机动性和高可控性的设计要求。 实例： 矢量喷水推进式水 下机器人的建模仿真与