MATLAB机械分析

2013XXXXXXXXXXXXXX2013/6/6工程机械数字化设计方法应用目录目录..............................................................................................................................1作业一凸轮轮廓曲线设计..........................................................................................11.1凸轮从动件运动规律确定.............................................................................11.2凸轮轮廓曲线设计.........................................................................................11.3实例分析.........................................................................................................21.4凸轮系.............................................................................................................41.5附录1MATLAB程序.......................................................................................41.6附录2凸轮二维CAD图纸...........................................................................7作业二ABBIRB660机械手运动学分析......................................................................92.1IRB660机械手简介..........................................................................................92.2机械手工作空间分析...................................................................................102.3机械手静力学分析.......................................................................................132.4附录MATLAB程序.......................................................................................14作业三结构动态仿真................................................................................................173.1建立系统微分方程.......................................................................................173.2Simulink仿真分析..........................................................................................183.4附录MATLAB程序........................................................................................20工程机械数字化设计方法应用第1页作业一凸轮轮廓曲线设计凸轮机构是一种高副机构，广泛应用于各种机械的运动控制装置中，其功能类似于连杆机构中的函数发生，只不过凸轮可以实现的输入和输出函数关系更加复杂多样，但凸轮的制造费用相对比较高、承载能力比较低。凸轮机构的运动设计主要包括从动件运动规律的确定和凸轮轮廓线的设计等。通常是先确定从动件的运动规律，然后根据从动件的运动规律确定凸轮的轮廓曲线。1.1凸轮从动件运动规律确定常用的凸轮从动件运动规律主要有多项式运动规律、等速运动规律、等加速等减速运动规律、余弦加速度运动规律、正弦加速度运动规律等。本文中凸轮从动件的运动规律是推程为五次多项式运动规律，回程是正弦加速度运动规律。其中推程角为80°，远休止角为40°，回程角为150°，近休止角为90°。1.2凸轮轮廓曲线设计已知从动件运动规律的前提下，利用从动件的反转运动可以得到从动滚子中心的运动轨迹，该轨迹称为凸轮的理论轮廓曲线。如图1所示，假设B0为滚子初始位置的中心，则r=OB0为凸轮的基圆半径。当凸轮逆时针转过角度δ时，从动件逆时针摆动角度φ，此时从动件滚子中心到达点B1。利用反转运动规律，将从动件以凸轮回转中心O为中心顺时针转动角度δ，到达图中A′B′1位置。以凸轮回转中心O为原点建立坐标系XOY，利用几何法可解出图中点B′1的坐标，点B′1即为凸轮理论轮廓线上的一点。令凸轮转动角度δ分别取到0°到360°中的每一个值，则可以得到凸轮理论轮廓曲线在坐标系XOY中的坐标描述。已知条件：基圆半径ro，摆杆转动中心A与凸轮转动中心O的距离d，摆杆AB的长度l，滚子半径rr，摆杆转动中心A和凸轮转动中心O的连线OA与水平X轴的夹角α。工程机械数字化设计方法应用第2页图1摆动滚子从动件盘形凸轮轮廓曲线设计摆杆初始摆角)2)(arccos(222ldrrdlro)cos(22211lddlhBOOB)2arccos(2221hdldhBOA)(OXA所以点1B的坐标为sincoshyhx当凸轮顺时针转动时，从动件逆时针反转运动，此时1.3实例分析利用MATLAB软件编写凸轮轮廓线绘制程序，要求用户输入参数如下：请输入凸轮基圆半径（mm）：80输入从动件滚子半径（mm）：30请输入从动摆杆长度（mm）：85工程机械数字化设计方法应用第3页请输入凸轮转动中心与摆杆转动中心距离（mm）：100请输入摆杆转动中心和凸轮转动中心的连线与水平X轴的夹角（度）：30请选择凸轮的转动方向（顺时针为0，逆时针为1）：1根据输入的条件和凸轮轮廓曲线计算公式，MATLAB软件输出的凸轮理论轮廓曲线如图2所示。图2凸轮理论轮廓曲线利用SolidWorks三维建模软件建立凸轮的三维模型，如图3所示。图3凸轮三维模型工程机械数字化设计方法应用第4页1.4凸轮系在凸轮设计时，经常需要设计一系列凸轮，这些凸轮之间有相位差。假设第二个凸轮与第一个凸轮之间的相位角为60°。利用MATLAB编制程序，将凸轮轮廓线上的每一个点坐标取出，乘以转换矩阵T，就得到凸轮二的轮廓线的各店的坐标。最后绘制凸轮二的理论轮廓线如图4。图4凸轮二的理论轮廓曲线1.5附录1MATLAB程序（1）从动件运动规律MATLAB程序functionphi=yundongguilv(delta)%%定义从动件的运动规律函数phimax=pi/4;%%从动件的最大摆角为45度ifdelta=80*pi/180%%推程phi=phimax*(10*(delta/(80*pi/180))^3-15*(delta/(80*pi/180))^4+6*(delta/(80*pi/13080))^5);%%推程角为80度，推程为五次多项式运动规律elseifdelta=120*pi/180%%远休止工程机械数字化设计方法应用第5页phi=phimax;elseifdelta=270*pi/180%%回程phi=phimax*(1-(delta-120*pi/180)/(150*pi/180)+sin(2*pi*(delta-120*pi/180)/(150*pi/180))/(2*pi));%%回程角为150度，回城为正弦加速度运动规律else%%近休止phi=0;endend（2）凸轮理论轮廓线绘制MATLAB程序clear;clc;ro=input('请输入凸轮基圆半径（mm）：');%%要求用户输入凸轮基圆半径rr=input('输入从动件滚子半径（mm）：');%%要求用户输入从动件滚子半径l=input('请输入从动摆杆长度（mm）：');%%要求用户输入从动摆杆长度d=input('请输入凸轮转动中心与摆杆转动中心距离（mm）：');%%要求用户输入凸轮转动中心与摆杆转动中心距离alpha=input('请输入摆杆转动中心和凸轮转动中心的连线与水平X轴的夹角（度）：');%%要求用户输入摆杆转动中心和凸轮转动中心的连线与水平X轴的夹角alpha=alpha*pi/180;beta=acos((l^2+d^2-(ro+rr)^2)/(2*l*d));%%摆杆初始摆角direction=input('请选择凸轮的转动方向（顺时针为0，逆时针为1）：');%%要求用户选择凸轮的转动方向switchdirectioncase0fori=0:360delta=i*pi/180;phi=yundongguilv(delta);工程机械数字化设计方法应用第6页h=(l^2+d^2-2*l*d*cos(phi+beta))^0.5;eta=acos((h^2+d^2-l^2)/(2*h*d));theta=eta+alpha+delta;lunkuo(i+1,1)=h*cos(theta);lunkuo(i+1,2)=h*sin(theta);lunkuo(i+1,3)=0;endcase1fori=0:360delta=i*pi/180;phi=yundongguilv(delta);h=(l^2+d^2-2*l*d*cos(phi+beta))^0.5;eta=acos((h^2+d^2-l^2)/(2*h*d));theta=eta+alpha-delta;lunkuo(i+1,1)=h*cos(theta);lunkuo(i+1,2)=h*sin(theta);lunkuo(i+1,3)=0;endendsave'F:\lunkuo.txt'lunkuo-ascii;plot(lunkuo(:,1),lunkuo(:,2));%%绘制凸轮一的轮廓曲线fori=1:361p1(1,1)=lunkuo(i,1);p1(2,1)=lunkuo(i,2);p1(3,1)=lunkuo(i,3);gamma=60*pi/180;T=[cos(gamma)-sin(gamma)0;sin(gamma)cos(gamma)0;001];p2=T*p1;lunkuo2(i,1)=p2(1,1);lunkuo2(i,2)=p2(2,1);工程机械数字化设计方法应用第7页lunkuo2(i,3)=p2(3,1);endsave'F:\lunkuo2.txt'lunkuo2-ascii;figure(2);plot(lunkuo2(:,1),lunkuo2(:,2),'r')%%绘制凸轮二的轮廓曲线1.6附录2凸轮二维CAD图纸见附页。工程机械数字化设计方法应用第9页作业二ABBIRB660机械手运动学分析2.1IRB660机械手简介IRB660是一款专用堆垛机器人，其速度、到达距离和有效