計算機輔助設計制造實驗指導書

1、hewlett-packard計算機輔助設計與制造實驗指導書姜志宏姜志宏2012-6該指導書為工業(yè)工程專業(yè)學習設計，旨在增強學生工業(yè)背景、計算機應用能力。配套教材：劉極峰.計算機輔助設計與制造.高等教育出版社目目 錄錄實驗一 autocad繪制三維實體的方法和技巧.3實驗三 梁平面框架結構的有限元分析.7實驗四 基于matlab語言的機械優(yōu)化設計 .12實驗五 用matlab進行數(shù)據(jù)擬合.16實驗六 用matlab實現(xiàn)拉格朗日插值、分段線性插值 .20實驗七 simmechanics建模及機構系統(tǒng)仿真.25實驗八 開目kmcapp工藝編制 .38實驗九 數(shù)控車編程與仿真實驗.57實驗十 數(shù)控銑

2、床模擬編程.64實驗一實驗一 autocad繪制三維實體的方法和技巧繪制三維實體的方法和技巧一、實驗目的1. 熟悉創(chuàng)建實體的命令及功能； 2. 掌握實體的編輯及三維操作； 3. 繪制如圖7-1所示的三維實體。圖7-1 組合體二、實驗設備 1. 586以上主機一臺2. 顯示器3. 鼠標器4. 鍵盤5. 打印機或繪圖儀三、實驗內容： 創(chuàng)建圖7-1所示立體的三維實體模型。繪圖步驟： 1. 分析圖形：該立體可分為由左右對稱的兩個耳板和中間開有矩形槽的空心圓柱組成。2. 繪制平面圖形，并把俯視圖上的左右兩個耳板創(chuàng)建成面域。 繪圖（下拉式菜單）邊界邊界創(chuàng)建面域拾取點拾取內部點 3. 單擊（西南等軸測）圖標

3、，視圖顯示方式為軸測圖。 單擊（建模工具欄）拾取俯視圖中左右耳板、耳板上的圓指定高度6 單擊（建模工具欄）拾取俯視圖中間的兩個圓指定高度20 拉伸后如圖7-2所示。 4. 在俯視圖上繪制1040的矩形，并定義成面域。 單擊（建模工具欄）拾取矩形指定高度6 以長方體上表面中心為基準，將其移動到圓柱頂面；使長方體的上表面中心與圓柱頂面圖7-2 在俯視圖上拉伸出立體 的圓心對齊，如圖7-3所示。 5. 單擊（差集）拾取大圓柱、左右兩個耳板小圓柱、長方體、耳板上的兩個小圓柱； 6單擊（并集）窗選所有實體完成實體繪制如圖7-4所示。 7. 單擊（概念視覺樣式），效果圖見圖7-5所示。 圖7-3 移動長方

4、體到圓柱上端面圖7-4 布爾運算結果圖7-5 著色后效果實驗三實驗三 梁平面框架結構的有限元分析梁平面框架結構的有限元分析實驗目的：了解matlab有限元分析功能； 了解有限元分析的過程；實驗內容：如圖3-19所示的框架結構，其頂端受均布力作用，結構中各個截面的參數(shù)都為：，。試基于matlab平113.0 10 pae 746.5 10im426.8 10am臺求解該結構的節(jié)點位移以及支反力。圖3-19 框架結構受一均布力作用步驟步驟：對該問題進行有限元分析的過程如下。（1 1） 結構的離散化與編號結構的離散化與編號將該結構離散為3個單元，節(jié)點位移及單元編號如圖3-20所示，有關節(jié)點和單元的信

5、息見表3-5。（a） 節(jié)點位移及單元編號（b） 等效在節(jié)點上的外力圖3-20 單元劃分、節(jié)點位移及節(jié)點上的外載（2 2） 各個單元的描述各個單元的描述首先在matlab環(huán)境下，輸入彈性模量e、橫截面積a、慣性矩i和長度l，然后針對單元1，單元2和單元3，分別二次調用函數(shù)beam2d2node_elementstiffness，就可以得到單元的剛度矩陣k1(66)和k2(66)，且單元2和單元3的剛度矩陣相同。 e=3e11; i=6.5e-7; a=6.8e-4; l1=1.44; l2=0.96; k1=beam2d2node_stiffness(e,i,a,l1); k2=beam2d2n

6、ode_stiffness(e,i,a,l2);（3 3） 建立整體剛度方程建立整體剛度方程將單元2和單元3的剛度矩陣轉換成整體坐標下的形式。由于該結構共有4個節(jié)點，則總共的自由度數(shù)為12，因此，結構總的剛度矩陣為kk(1212)，對kk清零，然后兩次調用函數(shù)beam2d2node_assemble進行剛度矩陣的組裝。 t=0,1,0,0,0,0;-1,0,0,0,0,0;0,0,1,0,0,0;0,0,0,0,1,0;0,0,0,-1,0,0;0,0,0,0,0,1; k3=t*k2*t; kk=zeros(12,12); kk=beam2d2node_assemble(kk,k1,1,2)

7、; kk=beam2d2node_assemble(kk,k3,3,1); kk=beam2d2node_assemble(kk,k3,4,2)kk = 1.0e+008 * 1.4431 0 0.0127 -1.4167 0 0 -0.0264 0 0.0127 0 0 0 0 2.1328 0.0056 0 -0.0078 0.0056 0 -2.1250 0 0 0 0 0.0127 0.0056 0.0135 0 -0.0056 0.0027 -0.0127 0 0.0041 0 0 0-1.4167 0 0 1.4431 0 0.0127 0 0 0 -0.0264 0 0.0127

8、 0 -0.0078 -0.0056 0 2.1328 -0.0056 0 0 0 0 -2.1250 0 0 0.0056 0.0027 0.0127 -0.0056 0.0135 0 0 0 -0.0127 0 0.0041-0.0264 0 -0.0127 0 0 0 0.0264 0 -0.0127 0 0 0 0 -2.1250 0 0 0 0 0 2.1250 0 0 0 0 0.0127 0 0.0041 0 0 0 -0.0127 0 0.0081 0 0 0 0 0 0 -0.0264 0 -0.0127 0 0 0 0.0264 0 -0.0127 0 0 0 0 -2.1

9、250 0 0 0 0 0 2.1250 0 0 0 0 0.0127 0 0.0041 0 0 0 -0.0127 0 0.0081（4 4） 邊界條件的處理及剛度方程求解邊界條件的處理及剛度方程求解該問題的位移邊界條件為。因此，將針對節(jié)點0444333vuvu1和節(jié)點2的位移進行求解，節(jié)點1和節(jié)點2的位移將對應kk矩陣中的前6行和前6列，則需從kk(1212)中提出，置給k，然后生成對應的載荷列陣p，再采用高斯消去法進行求解。注意：matlab中的反斜線符號“”就是采用高斯消去法。 k=kk(1:6,1:6); p=3000;-3000;-720;0;-3000;720; u=kpu =

10、0.0009 -0.0000 -0.0014 0.0009 -0.0000 -0.0000 將列排成了行（5 5）支反力的計算）支反力的計算在得到整個結構的節(jié)點位移后，由原整體剛度方程就可以計算出對應的支反力；先將上面得到的位移結果與位移邊界條件的節(jié)點位移進行組合(注意位置關系)，可以得到整體的位移列陣u(121)，再代回原整體剛度方程，計算出所有的節(jié)點力p(121)，按式(3-180)的對應關系就可以找到對應的支反力。 u=u;0;0;0;0;0;0u = 0.0009 -0.0000 -0.0014 0.0009 -0.0000 -0.0000 將列排成了行 0 0 0 0 0 0 將列排

11、成了行 p=kk*up = 1.0e+003 * 3.0000 -3.0000 -0.7200 0.0000 -3.0000 0.7200 將列排成了行 -0.6658 2.2012 0.6014 -2.3342 3.7988 1.1283 將列排成了行 附件：創(chuàng)建三個函數(shù)：beam2d2node_stiffness(e,i,a,l)以上函數(shù)計算單元的剛度矩陣，輸入彈性模量e，橫截面積a，慣性矩i，長度l，輸出單元剛度矩陣k(66)。beam2d2node_assemble(kk,k,i,j)以上函數(shù)進行單元剛度矩陣的組裝，輸入單元剛度矩陣k，單元的節(jié)點編號i、j，輸出整體剛度矩陣kk。bea

12、m2d2node_forces(k,u)以上函數(shù)計算單元的應力，輸入單元剛度矩陣k，節(jié)點位移u，輸出單元節(jié)點力forces。每個函數(shù)的matlab 程序如下。% beam2d2node % begin %function k =beam2d2node_stiffness(e,i,a,l)%以上函數(shù)計算單元的剛度矩陣%輸入彈性模量e，橫截面積a，慣性矩i，長度l%輸出單元剛度矩陣k(66)%-k=e*a/l,0,0,-e*a/l,0,0;0,12*e*i/(l3),6*e*i/(l2),0,-12*e*i/(l3),6*e*i/(l2);0,6*e*i/(l2),4*e*i/l,0,-6*e*i

13、/(l2),2*e*i/l;-e*a/l,0,0,e*a/l,0,0;0,-12*e*i/(l3),-6*e*i/(l2),0,12*e*i/(l3),-6*e*i/(l2);0,6*e*i/(l2),2*e*i/l,0,-6*e*i/(l2),4*e*i/l%function y =beam2d2node_assemble(kk,k,i,j)%以上函數(shù)進行單元剛度矩陣的組裝%輸入單元剛度矩陣k，單元的節(jié)點編號i、j%輸出整體剛度矩陣kk%-dof(1)=3*i-2;dof(2)=3*i-1;dof(3)=3*i;dof(4)=3*j-2;dof(5)=3*j-1;dof(6)=3*j;for

14、 n1=1:6for n2=1:6kk(dof(n1),dof(n2)=kk(dof(n1),dof(n2)+k(n1,n2);endendy = kk;%function forces = beam2d2node_forces(k,u)%以上函數(shù)計算單元的應力，輸入單元剛度矩陣k，節(jié)點位移u，%輸出單元節(jié)點力forces%-forces = k * u;% beam2d2node % end %實驗四實驗四 基于基于matlab語言的機械優(yōu)化設計語言的機械優(yōu)化設計機械優(yōu)化設計是在現(xiàn)代機械設計理論發(fā)展基礎上產(chǎn)生的一種新的設計方法,在連桿、凸輪、齒輪、渦輪、軸承、傳動軸、機床等產(chǎn)品的機械設計的應

15、用中取得了良好的效果。機械優(yōu)化設計作用是在進行某種機械產(chǎn)品設計時,可根據(jù)規(guī)定的約束條件,優(yōu)選設計參數(shù),使某項或幾項設計指標獲得最優(yōu)值。實際中對一個優(yōu)化問題的處理,主要有兩個步驟:首先要把工程設計問題轉化成數(shù)學模型,即用數(shù)學表達式描述工程實際問題;然后按照數(shù)學模型的特點選擇優(yōu)化方法及其計算程序,作必要的簡化和加工,用計算機求得最優(yōu)設計方案。目前,已經(jīng)有很多成熟的優(yōu)化程序可供選擇,但由于機械優(yōu)化設計的復雜性和程序算法的不穩(wěn)定性,實際中往往會因為方法選擇不當或初始值設置不合理而導致優(yōu)化失敗或只能得到局部優(yōu)化結果。matlabmatlab優(yōu)化工具箱優(yōu)化工具箱美國mathworks公司推出的matlab

16、 (matrix laboratory)是一套功能強大的工程計算軟件,集數(shù)值計算、符號運算、可視化建模、仿真和圖形處理等多種功能于一體,被廣泛應用于機械設計、自動控制和數(shù)理統(tǒng)計等工程領域。工程人員通過使用matlab提供的工具箱,可以高效的求解復雜的工程問題。matlab優(yōu)化工具箱提供了對各種問題的一個完整的解決方案,廣泛應用于線性規(guī)劃、二次規(guī)劃、非線性優(yōu)化、最小二乘問題、非線性方程求解、多目標決策、最小最大問題以及半無限問題。其函數(shù)表達簡潔,優(yōu)化算法選擇任意,參數(shù)設置自由,相比于其它很多成熟的優(yōu)化程序具有明顯的優(yōu)越性。大多數(shù)機械優(yōu)化設計問題屬于非線性多變量約束最小化問題,約束條件有等式和不等

17、式約束,目標函數(shù)和約束函數(shù)中有一個或多個為非線性函數(shù)。matlab通過調用fmincon函數(shù)來實現(xiàn)這一問題的優(yōu)化。優(yōu)化問題可作下列描述:min f (x ) xr n約束條件: ax b (線性不等式約束)aeqx = beq (線性等式約束)c (x ) 0 (非線性不等式約束)ceq (x ) = 0 (非線性等式約束)lb x ub (邊界約束)fmincon函數(shù)相應的調用格式為 2 : x, f, ex2itflag, output, lambda, grad, hessian = fmincon(fun, x0,a, b,aeq, beq, lb, ub, nonlcon, op t

18、ions,p1, p2, )其中x為最優(yōu)設計點, f為目標函數(shù)在最優(yōu)點x的值, exitflag是返回算法的終止標志, exitflag0,目標函數(shù)不收斂; exitflag 0,目標函數(shù)收斂。output負責返回優(yōu)化結果信息,主要有迭代次數(shù)、最后一次迭代計算次數(shù)、步長、算法、一階導數(shù)等,lambda返回lagrange乘子值, grad返回目標函數(shù)在最優(yōu)點x的梯度值, hessian返回目標函數(shù)在最優(yōu)點x的hessian矩陣。優(yōu)化實例優(yōu)化實例欲設計如圖1所示某型號空心傳動軸, d 和d分別為空心軸的外徑和內徑,軸長l = 4 m。軸的材料密度= 7. 8 103 kg/m3 ,剪切彈性模量g

19、= 80 gpa,許用剪應力 = 40 mpa,單位長度許用扭轉角 = 1/m,軸所傳遞的功率為p =5. 5 kw,轉速n = 200 r/min。要求在滿足使用條件和結構尺寸限制的前提下使其質量最小。3. 1設計變量和目標函數(shù)該傳動軸的力學模型是一個受扭轉的圓柱筒軸。其外徑d 和內徑d 是決定圓軸的重要獨立參數(shù),故將其作為設計變量。寫成向量形式為:x = x1 x2 t = d d t取質量最小為優(yōu)化目標。則目標函數(shù)空心圓軸的質量可按下式計算:m =/4*l (d2 - d2 )可見這是一個合理選擇d 和d 而使質量m最小的優(yōu)化問題。3. 2約束條件應滿足的使用條件和結構尺寸限制是:(1)

20、扭轉強度根據(jù)扭轉強度,要求扭轉剪應力須滿足:max =twt 式中, t是圓軸所受扭矩, t = 9 549 p / n,wt 是抗扭截面模量,wt =(d4 - d4 ) /16d。(2)扭轉剛度為了確保傳動軸正常工作, 除滿足強度條件外,還要限制軸的變形。限制變形條件即為剛度條件。通常要求單位長度的最大扭轉角不超過規(guī)定的許用值,即: =tgip 式中,是單位長度扭轉角, g是剪切模量, ip 是極慣性矩。(3)結構尺寸由結構尺寸要求決定的約束條件為:d 0d d3. 3優(yōu)化模型將所有函數(shù)表達式規(guī)范化并代入已知數(shù)據(jù),可得傳動軸優(yōu)化設計的數(shù)學模型為:minf (x ) = 24. 504 10

21、- 6 ( x12 - x22 )滿足約束條件:g1 (x ) = 33 435 x1x14 - x24 - 1 0g2 (x ) =1. 915 7 106x14 - x24 - 1 0g3 (x ) = - x2 0g4 (x ) = - x2 - x1 03. 4 matlab優(yōu)化程序實現(xiàn)此例為非線性約束優(yōu)化問題。利用文件編輯器為目標函數(shù)編寫m文件( fun. m) :function f = fun ( x)f = 24. 504e - 63 ( x(1) 2 - x(2) 2) ;編寫約束函數(shù)的m文件( nonlcon. m) :function c, ceq = nonlcon (

22、 x)c = 33435e43 x (1) / ( x ( 1) 4 - x ( 2) 4) -1;1. 9157e6 / ( x(1) 4 - x(2) 4) - 1 ;ceq = ;在命令窗口編寫主程序(調用函數(shù)) :x0 = 20 10 ;a = - 1 1 ;b = 0;lb = 0 0 ; x, f, exitflag, output = fmincon (fun,x0,a, b, , , lb, , nonlcon)得到運行結果如下:x = 37. 230 18. 622 3f = 0. 032 1exitflag = 1output =iterations: 7funccount

23、: 31step size: 1algorithm:medium - scale: sqp,quasi - newton, line - searchfirstorderop t: 3. 998 3e - 004cgiterations: 實驗五實驗五 用用matlab進行數(shù)據(jù)擬合進行數(shù)據(jù)擬合1. 多項式曲線擬合: polyfitp=polyfit(x,y,m)其中, x, y為已知數(shù)據(jù)點向量, 分別表示橫,縱坐標, m為擬合多項式的次數(shù), 結果返回m次擬合多項式系數(shù), 從高次到低次存放在向量p中.y0=polyval(p,x0)可求得多項式在x0處的值y0.例1 已知觀測數(shù)據(jù)點如表所示分別用

24、3次和6次多項式曲線擬合這些數(shù)據(jù)點.編寫matlab程序如下:x=0:0.1:1y=-0.447,1.978,3.28,6.16,7.08,7.34,7.66,9.56,9.48,9.3,11.2plot(x,y,k.,markersize,25)axis(0 1.3 -2 16)p3=polyfit(x,y,3)p6=polyfit(x,y,6)x=0:0.1:1y=-0.447,1.978,3.28,6.16,7.08,7.34,7.66,9.56,9.48,9.3,11.2plot(x,y,k.,markersize,25)axis(0 1.3 -2 16)p3=polyfit(x,y,

25、3)p6=polyfit(x,y,6)t=0:0.1:1.2s=polyval(p3,t)s1=polyval(p6,t)hold onplot(t,s,r-,linewidth,2)plot(t,s,b-,linewidth,2)grid注意觀察輸出，并對各行添加注釋。例2 用切削機床進行金屬品加工時, 為了適當?shù)卣{整機床, 需要測定刀具的磨損速度. 在一定的時間測量刀具的厚度, 得數(shù)據(jù)如表所示:解: 描出散點圖, 在命令窗口輸入:t=0:1:16y=30.0 29.1 28.4 28.1 28.0 27.7 27.5 27.2 27.0 26.8 26.5 26.3 26.1 25.7 2

26、5.3 24.8 24.0plot(t,y,*) 描出散點圖, 在命令窗口輸入:t=0:1:16y=30.0 29.1 28.4 28.1 28.0 27.7 27.5 27.2 27.0 26.8 26.5 26.3 26.1 25.7 25.3 24.8 24.0plot(t,y,*)a=polyfit(t,y,1) hold on y1=-0.3012*t+29.3804 plot(t, y1), hold off 例3 一個15.4cm30.48cm的混凝土柱在加壓實驗中的應力-應變關系測試點的數(shù)據(jù)如表所示)/(2mn1.552.472.933.032.89500e-61000e-61

27、500e-62000e-62375e-6)/(/2mn3.103e32.465e31.953e31.517e31.219e3已知應力-應變關系可以用一條指數(shù)曲線來描述, 即假設21kek式中, 表示應力, 單位是 n/m2; 表示應變.解 選取指數(shù)函數(shù)作擬合時, 在擬合前需作變量代換化為 k1, k2 的線性函數(shù)21lnlnkk 1120ln,lnkakaz10aaz在命令窗口輸入:x=500*1.0e-6 1000*1.0e-6 1500*1.0e-6 2000*1.0e-6 2375*1.0e-6y=3.103*1.0e+3 2.465*1.0e+3 1.953*1.0e+3 1.517*

28、1.0e+3 1.219*1.0e+3z=log(y)a=polyfit(x,z,1)k1=exp(8.3009)w=1.55 2.47 2.93 3.03 2.89plot(x,w,*)y1=exp(8.3009)*x.*exp( -494.5209*x)plot(x,w,*,x,y1,r-)求出a數(shù)組中的值即為k1, k2在實際應用中常見的擬合曲線有:直線、多項式、雙曲線、指數(shù)曲線。2. 非線性曲線擬合: nlinfit.x=lsqcurvefit(fun, x0, xdata, ydata)x, resnorm=lsqcurvefit(fun, x0, xdata, ydata)功能:根

29、據(jù)給定的數(shù)據(jù) xdata, ydata (對應點的橫, 縱坐標), 按函數(shù)文件 fun 給定的函數(shù), 以x0為初值作最小二乘擬合, 返回函數(shù) fun中的系數(shù)向量x和殘差的平方和resnorm.例4 已知觀測數(shù)據(jù)點如表所示求三個參數(shù) a, b, c的值, 使得曲線 f(x)=aex+bx2+cx3 與已知數(shù)據(jù)點在最小二乘意義上充分接近.編寫下面的程序調用擬合函數(shù)x=0:0.1:1;y=3.1,3.27,3.81,4.5,5.18,6,7.05,8.56,9.69,11.25,13.17;x0=0,0,0;beta,r,j=nlinfit(x,y,nihehanshu,x0);求三個參數(shù) a, b

30、, c的值, 使得曲線 f(x)=aex+bx2+cx3 與已知數(shù)據(jù)點在最小二乘意義上充分接近.說明: 最小二乘意義上的最佳擬合函數(shù)為f(x)= 3ex+ 4.03x2 + 0.94 x3.此時的殘差是: 0.0912.擬合函數(shù)為:f(x)= 3ex+ 4.03x2 + 0.94 x3.實驗作業(yè): 1. 已知觀測數(shù)據(jù)點如表所示求用三次多項式進行擬合的曲線方程.2. 已知觀測數(shù)據(jù)點如表所示求a, b, c的值, 使得曲線 f(x)=aex+bsin x+c lnx 與已知數(shù)據(jù)點在最小二乘意義上充分接近.實驗六實驗六 用用matlab實現(xiàn)拉格朗日插值實現(xiàn)拉格朗日插值、分段線性插值分段線性插值一、實

31、驗目的：1）學會使用matlab軟件；2）會使用matlab軟件進行拉格朗日插值算法和分段線性差值算法； 二、實驗內容：1用matlab實現(xiàn)y = 1./(x.2+1);（-1=x= x0(i) & (x = x0(i+1) y = (x - x0(i+1)/(x0(i) - x0(i+1)*y0(i) + ( x - x0(i)/(x0(i+1) - x0(i)*y0(i+1);else continue; endend%end 測試程序（text2.m）:x0 = linspace( -5,5,50);y0= 1./(x0.2+1); y=interp1(x0,y0,x0,line

32、ar)plot(x0,y0,x0,y,p);2）運行測試程序問題二：(1).分段線性插值matlab命令如下：x=linspace(0,2*pi,100);x=linspace(0,2*pi,100);y=sin(x);y=sin(x);x1=linspace(0,2*pi,5);x1=linspace(0,2*pi,5);y1=sin(x1);y1=sin(x1);plot(x,y,x1,y1,x1,y1,o,linewidth,1.5),plot(x,y,x1,y1,x1,y1,o,linewidth,1.5),gtext(n=4)gtext(n=4) 圖形如下：(2).三次樣條插值選取7

33、個基點計算插值matlab命令如下x0=linspace(-1,1,7);x0=linspace(-1,1,7);y0=(1-x0.2);y0=(1-x0.2);x=linspace(-1,1,100);x=linspace(-1,1,100);y=interp1(x0,y0,x,spline);y=interp1(x0,y0,x,spline);x1=linspace(-1,1,100);x1=linspace(-1,1,100);y1=(1-x1.2);y1=(1-x1.2);plot(x1,y1,k,x0,y0,+,x,y,r);plot(x1,y1,k,x0,y0,+,x,y,r);圖

34、形如下:實驗要求：1）在 matlab 環(huán)境下運行各個程序；2）為各段程序書在符號“%”后寫出注釋語句例如：x0=linspace(-1,1,7);%x0=linspace(-1,1,7);%生成數(shù)列生成數(shù)列x0 x0，在，在-1,1-1,1均勻均勻7 7個數(shù)個數(shù)y0=(1-x0.2);%y0=(1-x0.2);%通過通過x0 x0計算計算y0=1-x02y0=1-x02x=linspace(-1,1,100);%x=linspace(-1,1,100);%在在-1-1到到1 1中生成中生成100100個數(shù)的數(shù)組個數(shù)的數(shù)組x xy=interp1(x0,y0,x,spline);%y=inte

35、rp1(x0,y0,x,spline);%進行樣條曲線插值，得到進行樣條曲線插值，得到y(tǒng) yx1=linspace(-1,1,100);%x1=linspace(-1,1,100);%在在-1-1到到1 1間生成間生成100100個數(shù)的數(shù)組個數(shù)的數(shù)組x1x1y1=(1-x1.2);%y1=(1-x1.2);%計算計算y1=1-x02y1=1-x02plot(x1,y1,k,x0,y0,+,x,y,r);%plot(x1,y1,k,x0,y0,+,x,y,r);%以（以（x1x1，y1y1），（），（x0 x0，y0y0），），（x x， y y）三組數(shù)據(jù)繪制曲）三組數(shù)據(jù)繪制曲線。線。實驗七實驗

36、七 simmechanics建模及機構系統(tǒng)仿真建模及機構系統(tǒng)仿真1 simmechanics簡介simmechanics是matlab仿真中的一個工具箱，同時結合simulink、matlab的功能。利用simmechanics模塊框圖對機構運動進行建模和動態(tài)仿真。通過一系列關聯(lián)模塊來表示機構系統(tǒng),在仿真時通過simmechanics可視化工具將機構系統(tǒng)簡化為機構結構的直觀顯示。2 simmechanics模塊simmechanics模塊組提供了建模的必要模塊，可以直接在simulink中使用。simmechanics支持用戶自定義的構件模塊，可以設定質量和轉動慣量。通過節(jié)點聯(lián)接各個構件來表示

37、可能的相對運動，還可以在適當?shù)牡胤教砑舆\動約束、驅動力。模塊組包含剛體子模塊組（bodies）、約束與驅動模塊組（constraints&drivers）、力單元模塊組（force elements）、接口單元模塊組（interface elements）、運動鉸模塊組（joints）及傳感器和激勵器模塊組（sensors&actuators）和輔助工具模塊組（utilities）。2.1 剛體子模塊組（bodies）雙擊此模塊，彈出模塊組，此模塊組包括四個模塊：剛體（body）、機架（ground）機械環(huán)境（machine enviroment）和共享機械環(huán)境（shared

38、enviroment）。機械環(huán)境是為仿真定義環(huán)境變量。包含有重力、維數(shù)、分析模式、約束求解器、誤差、線性化和可視化。共享環(huán)境聯(lián)接兩個剛體模塊使他們享有相同的機械環(huán)境。機架只有一個連接端，另外一個固定。剛體有兩個連接端，其中一個為主動端，另一端為從動端。使用剛體時可以定義質量、慣性矩、坐標原點、剛體的初始位置和角度。2.2 約束與驅動模塊組 （constraints&drivers）雙擊該模塊組，彈出如圖所示。angle driver：設定兩個剛體坐標間的角度。distance driver：設定兩個坐標原點的距離。gear constraint：齒輪約束。linear driver：確

39、定兩個剛體坐標間的向量差。parallel constrant：平行約束。point-constraint：曲線約束。velocity driver：確定兩個剛體坐標間的相對線速度和角速度。2.3 力單元模塊組（force elements）body spring&damper：在兩個剛體之間施加線性阻尼振子。joint spring&damper：在兩個剛體間的單自由度鉸或單自由度轉動鉸建立一個線性阻尼振蕩力或力矩。2.4 接口模塊組（interface elements）分別提供移動副接口和轉動副接口。2.5 運動鉸模塊組（joints）此模塊組中提供了各種運動鉸，利用這些

40、運動鉸就可以將剛體構件連接起來。分別有bearing（三個方向轉動）、bushing（三個方向移動，三個方向轉動）、custom joint（自定義鉸）、cylindrical（柱面鉸）、gimbal（萬向鉸，旋轉三個角度）、in-plane（平面內移動）、planar（平面鉸）、prismatic（單自由運動鉸）、revolute（單自由轉動鉸）、screw（螺旋鉸）、six-dof（六自由度）、spherical（球面鉸，三個自由度）、telescoping（一個方向移動一個方向轉動）、universal（萬向鉸，旋轉兩個角度）、weld（剛節(jié)點）。打開其中包含的兩個子模塊組disasse

41、mbled joints和massless connectors。1.雙擊disassembled joints，彈出如圖模塊組，其中模塊是分解后的鉸，不同于joints中對應的鉸，它們有不同的基準點。2.雙擊massless connectors，彈出如圖模塊組，其中模塊是joint中對應的鉸的組合。2.6 傳感器與激勵器模塊組（sensors&actuators）雙擊模塊，彈出圖示模塊組。該模塊組中的模塊用來和普通的simulink模塊進行數(shù)據(jù)交換。body actuator：通過廣義力或力矩來驅動剛體。body sensor：剛體檢測模塊。constraint&drivr

42、 sensor：檢測一對受約束剛體間的力或力矩。driver actuator：對一對互相約束的剛體施加相對運動。joint actuator：在鉸鏈處施加力或力矩。joint initial condition：在仿真之前給鉸施加初始位移和速度。joint stiction actuator：給鉸施加初始位移和速度。variable mass&inertia actuator：在一個坐標系中，剛體的質量隨時間變化。2.7 輔助工具模塊組（utilities）connection port：子系統(tǒng)物理建模連接端口。continuous angle：將傳感器輸出的非連續(xù)、有界角度轉換成無

43、界連續(xù)的角輸出。convert from rotation matrix to virtual reality toolbox：將3*3的旋轉矩陣轉換成等價的vrml（虛擬現(xiàn)實語言）的旋轉軸和角的形式。mechanical branching bar：將多個sensor/actuator映射為鉸（joint）、約束（constraint）、驅動器（driver）或剛體坐標的系統(tǒng)的一個sensor/actuator端口。3 simmechnics建模1.建?；静襟E 不管模型有多么復雜都可以用同樣的步驟建立模型。這些步驟有些類似建造一個simulink模型。 （1）選擇groud、body、和j

44、oint模塊：從bodies和joints模塊組中拖放建立模型所必需的body和joint模塊，還包括machine environment模塊和至少一個ground模塊到simulink窗口中。其中各個模塊介紹如下：machine environment模塊是用來設定機器的機械參數(shù)設置。ground模塊表示將一個系統(tǒng)固結在一個慣性系統(tǒng)中。body模塊就表示剛體構件。joint模塊表示互相連接構件之間的相對運動。 （2）定位于聯(lián)接模塊：將joint和body模塊拖放到適當?shù)奈恢?，然后按正確的順序將它們依次連接起來，可參考如下形式： machine environmentgroundjointb

45、odyjointbody-body整個系統(tǒng)可以是一個開環(huán)的或者是閉環(huán)的拓撲結構，但至少有一個構件是ground模塊，而且有一個環(huán)境設置模塊直接與其相連。 一個構件可能不止兩個鉸（joint），即可以產(chǎn)生分支。但是一個較只能連接兩個構件。 （3）配置body模塊：雙擊模塊，打開參數(shù)對話框，配置質量屬性（質量和慣性矩），然后確定body模塊和ground模塊與整體坐標系或其他坐標系之間的關系。 （4）配置joint模塊：雙擊模塊，打開參數(shù)對話框，設置移動或轉動軸，或球面鉸結點等。（5）選擇、連接和配置constraint模塊和driver模塊：從它們的模塊庫中添加模塊到模型窗口中，打開并配置它們每

46、一個對話框，為了限制或驅動constraint/driver所連接的兩個構件的相對運動。 （6）選擇、連接和配置actuator和sensor模塊：從對應的模塊庫中添加所需模塊至模型窗口，并依次連接。通過actuator模塊確定控制信號，通過sensor模塊測量運動。actuator、sensor模塊實現(xiàn)simmechanics模塊與simulink模塊的連接。利用這兩個模塊就能夠達到與simulink環(huán)境實現(xiàn)信號傳遞。同時，actuator模塊從simulink模塊接受信號（如sources模塊庫）來激勵機構運動。sensor模塊的輸出端口向simulink中輸出信號（sinks模塊庫），反

47、饋輸出結果。（7）裝入子系統(tǒng)：在simmechanics模塊建造的系統(tǒng)完成后就可以裝入子系統(tǒng)作為一個模塊進行調用，就如同simulink中的子系統(tǒng)一樣使用。通過simmechanics中的utilities模塊庫中的connection port模塊可將simmechanics模型作為子系統(tǒng)與一個更大的模型連接起來。2.配置、運行模型基本步驟 將模塊都連接好后，此時的模型還需要確定如何運行，確定各項設置及裝載可視化。 （1）simmechanics為運行機器模型提供了四種分析方式，最常用的是forward dynamics方式。 但是對于一個機器更加完整的分析就需要用到其他三種方式?？梢詫τ谝?/p>

48、個模型創(chuàng)建多個版本，在同樣的基本組合結構下，為每一個版本連接不同的actuator模塊和sensors模塊，以及不同的配置。（2）使用simmechanics強大的可視化和動畫顯示效果。在建造模型的同時，或者模型完成后，但必須是在開始仿真之前，可以利用可視化效果，來調試機器的幾何形狀。還可以在仿真的同時進行動畫顯示。 （3）在machine environment對話框中設定分析方式以及其他的重要機械設置。在simulink configuration parameters中設置可視化和調整仿真設置。4 機構動態(tài)仿真實例分析-平面四連桿機構模型仿真平面四連桿機構模型仿真四連桿實物模型四連桿實物

49、模型: :1. 由模型建立simmechanics模型如下：各模塊的參數(shù)設置如下： ground1模塊：revolute1模塊：bar1模塊：revolute2模塊：bar2模塊revolute3模塊bar3模塊：revolute4模塊ground2模塊env模塊：joint sensor模塊joint sensor1模塊scope模塊：雙擊打開模塊，單擊按鈕，彈出設置框，在general區(qū)內numble of axes設置框內輸入2，單擊ok后示波器模塊將變成如下圖的雙波形圖。3.仿真 仿真結束后示波器模塊顯示的鉸2和鉸3的角位移圖像。設置configuration parameters相應

50、選項后可在仿真過程中同步動畫，動畫截圖如下實驗八實驗八 開目開目kmcapp工藝編制工藝編制一一開目開目 capp 的功能模塊的功能模塊kmcapp由武漢開目信息技術有限責任公司開發(fā)的產(chǎn)品。主要模塊如表1。表1 開目capp的功能模塊模模 塊塊執(zhí)執(zhí) 行行 文文 件件功功 能能工藝文件編制kmcapp.exe繪制表格、生成工藝規(guī)程文件（過程卡和工序卡）、通用技術文件（設計任務書等），繪制工序簡圖；工藝文件瀏覽cappview.exe用于瀏覽開目capp編制的各類文件打印中心plot.exe用于cad、capp文件的拼圖輸出工藝規(guī)程類型管理gyshjmb.exe為各工藝規(guī)程配置相應表格表格定義km

51、tabdef.exe為各企業(yè)定制自己的工藝表格公式管理器kmformualrmanager.exe管理工藝設計中用到的公式工藝資源管理器kmres.exe管理企業(yè)的工藝資源kmcapp集成了工藝師需用的開目cad功能，并自動獲取零件的基本信息；可將工藝卡片中的相關信息自動傳遞給開目bom，以實現(xiàn)工裝、工時、材料等的匯總。能與其他cad、pdm、mis、mrp系統(tǒng)集成，并提供相關接口，用戶可進行二次開發(fā)；可與多種數(shù)據(jù)庫接口，實現(xiàn)文件格式互換。典型的windows界面風格，簡單易學。二二啟動開目啟動開目capp各功能模塊的兩種方法各功能模塊的兩種方法1、 從 windows“開始”菜單中選擇“程序

52、”中的開目 capp 程序組，在程序組中單擊各圖標；2、 打開 windows 資源管理器，雙擊開目 capp 安裝目錄下各模塊執(zhí)行文件的圖標。三三工藝規(guī)程文件編制工藝規(guī)程文件編制31工藝規(guī)程文件編制工藝規(guī)程文件編制311 新建的三種方法新建的三種方法進入capp工藝文件編制模塊后，有以下三種方法來新建工藝文件：打開一張已經(jīng)繪制好的零件圖來編工藝1、打開一張擬編工藝的零件圖：點主菜單文件的打開或，在出現(xiàn)的對話框中雙擊該文件；2、選擇設計模版：在出現(xiàn)的“選擇設計模版”對話框中點“確定”；3、選擇工藝規(guī)程：在彈出 “選擇工藝規(guī)程類型”對話框中雙擊擬編制的工藝規(guī)程；例：選機加工工藝規(guī)程。說明：可打開

53、的圖形文件類型有*.kmg、*.dwg、*.dxf、*.igs。直接新建其方法同第一種基本相似，僅第一步不同，為點主菜單文件的新建工藝規(guī)程或。修改已有的典型工藝文件 1、點主菜單工具典型工藝庫的檢索典型工藝子菜單；2、在彈出的對話框中雙擊目標典型工藝文件，即可進行修改。312 用戶界面介紹新建一個工藝文件后，所有的菜單被激活，屏幕顯示如圖1。開目capp的用戶界面分為四個區(qū)：1、菜單區(qū)：標題欄、主菜單欄、設置工具欄、標準工具欄。2、庫文件顯示區(qū)：有四個屬性頁，點左下方的按鈕，可以在工藝資源庫、工藝庫文件、選項列表、頁面瀏覽區(qū)四者之間切換，顯示區(qū)的大小可以調整。說明：1）工藝資源庫、工藝庫文件、

54、選項列表的作用都是實現(xiàn)選擇填寫。 2）頁面瀏覽通過樹型結構管理工藝規(guī)程的頁面，工藝文件中的每一頁面對應樹上的一個節(jié)點，可方便的切換到某一指定頁面如圖2-5。 3、工藝文件（繪圖）顯示區(qū)：開目capp內置開目cad，點進入繪圖狀態(tài)，點回到表格填寫狀態(tài)。 4、信息區(qū)：左半部分顯示光標所在格的屬性，右半部分顯示光標的坐標位置。 圖1說明：如果是以“打開一張已經(jīng)繪制好的零件圖來編工藝”的方法來新建工藝文件的話：1、該零件的有關信息已自動進入過程卡表頭區(qū)，如零件圖號、零件名稱、材料牌號 2、打開的零件圖存放在工序卡的“0”頁面，點 圖標切換至工序卡圖3。 圖2 圖3可運用的資源可運用的資源：工藝資源庫、

55、工藝數(shù)據(jù)庫和工藝參數(shù)庫。插入的方法：工藝資源庫、工藝數(shù)據(jù)庫和工藝參數(shù)庫。插入的方法：1、光標單擊擬填寫的格；2、光標移至庫文件顯示區(qū)，在選中的庫內容處雙擊，此內容自動填入光標所在格。特殊工程符號庫包括符號國標的粗糙度、形位基準、形位公差等特殊符號。 菜單區(qū)庫文件顯示區(qū)工藝文件（繪圖）顯示區(qū)信息區(qū)方法：1、光標單擊擬填寫的格，點主菜單插入的工程符號或； 2、在彈出的“工程符號類型”對話框中，選擇類型后點設置參數(shù)，在彈出的對話框中選擇參數(shù)后點確定，該參數(shù)填入光標所在格。特殊字符庫方法：1、光標單擊擬填寫的格，點主菜單插入的工程符號或；2、 在彈出的“特殊字符”對話框中，選擇雙擊某字符可將其填入光標

56、所在格。說明：用戶還可擴充特殊字符庫，點添加，輸入內容后點確認即可。特殊字符的快速錄入：“”【shift】+【2】、“”【shift】+【5】、“”【shift】+【8】典型工藝庫點主菜單工具典型工藝庫的檢索典型工藝子菜單，可對典型工藝進行調用。公差與配合查詢公差與配合查詢在開目capp中提供了國標基孔制、基軸制公差帶和常用公差配合，可自動查詢填寫上下偏差值，也可預先瀏覽國標常用公差帶和公差配合，然后選擇公差等級。方法：光標單擊擬填寫的格點，在彈出的“自動填寫尺寸公差”對話框中有六個區(qū)如圖，如果要瀏覽國標常用公差帶和公差配合，可在圖5中點高級，彈出圖6“可視化查詢”對話框，它有兩個屬性頁，如圖

57、4和5。選擇后對話框下部會顯示出上、下偏差或配合值，點確定結果填入光標所在格。例：在前綴、中綴、基本尺寸區(qū)填入200h7后，點公差查詢，結果如圖5。 圖4 圖5 圖6 圖7 自動填寫尺寸公差對話框六個區(qū)說明：1、 前綴、中綴、后綴區(qū)：書寫文字、數(shù)字及符號。前綴區(qū)寫 、m 等尺寸特征符號；中綴區(qū)寫尺寸公差代號、精度等級或公差配合；后綴區(qū)填寫）等字符。2、 基本尺寸區(qū)：用來寫尺寸數(shù)據(jù)，此區(qū)域一般只輸入數(shù)據(jù)（不帶符號） ；上/下偏差區(qū)：顯示查詢得到的上、下偏差值。3.1.4 工藝編制工藝編制封面填寫封面填寫封面中的填寫區(qū)域與過程卡和工序卡不同，沒有表格線分隔，填寫時直接用光標單擊擬填寫區(qū)域，即可進入

58、表格填寫狀態(tài)。頁面操作頁面操作當系統(tǒng)處于過程卡或工序卡編輯時，單擊工具條上的按鈕可進入封面的編輯?？蓪Ψ饷孢M行添加、插入、復制、更換、交換、刪除等操作。1、添加：在已有封面后添加一張封面方法：點主菜單頁面封面的添加封面子菜單，彈出圖對話框，點添加表格 ，選擇某一種封面格式，確認即可完成封面的添加。2、其它：封面的其它編輯用得較少，需要的讀者請參照幫助主題進行學習。編寫過程卡編寫過程卡編寫表頭區(qū)編寫表頭區(qū)可采用手工填寫和庫查詢填寫兩種方式進行編輯。編寫表中區(qū)編寫表中區(qū)點主菜單窗口的表中區(qū)或進入表中區(qū)，可以看到系統(tǒng)提供了三張空白頁，如果任意在某一頁上填寫數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會在該頁的下面增加兩頁空白頁，以供

59、填寫。在某列表頭處雙擊，可收縮/展開此列。雙擊表頭最前面的空白區(qū)，可展開所有收縮的列。表中區(qū)編輯表中區(qū)編輯1、插入/刪除行1）點右鍵菜單的插入行或可在光標所在行前插入一行；2）點右鍵菜單的刪除行點 后確定即可刪除光標所在行。說明： 若被刪除行附帶工序卡，則工序卡一并被刪除。按住 ctrl 鍵，用鼠標一一點中擬刪除的多行，再點后確定即可一次刪除多行。2、塊操作1）相關概念列塊：由表中區(qū)一個完整的列或多個完整的列區(qū)域所組成的塊。行塊：由表中區(qū)一個完整的行或多個完整的行區(qū)域所組成的塊。多行多列塊：由表中區(qū)多個部分的行和多個部分的列組成的連續(xù)矩形區(qū)域。組成列塊的多列和組成行塊的多行可以不連續(xù)。2）塊選

60、擇 單行（列）：按住【ctrl】，用鼠標單擊行（列）前的空白區(qū)即可。 多個不連續(xù)行（列）：重復上述操作多次即可。 多個連續(xù)行（列）：按住【shift】，用鼠標依次單擊連續(xù)行（列）的第一行（列）和最后一行（列）。 多行多列塊：在表中區(qū)按定義塊的方式拖框即可。按【esc】取消對塊的選擇。3）操作 復制：表中區(qū)其實就是張表，其復制操作同word、excel。 統(tǒng)計某字符出現(xiàn)的次數(shù)：選中塊后點右鍵菜單的在選中塊中統(tǒng)計，在彈出的對話框中輸入需統(tǒng)計的內容后點開始統(tǒng)計即可。 替換：選擇塊后點右鍵菜單的在選中塊中替換，在彈出的對話框中輸入需統(tǒng)計的內容后點開始替換即可。3、列計算作用：計算某一列或某幾列數(shù)據(jù)的和、積或平均值。方法：1）選中目標列后，點主菜單編輯的列計算或；2）