CAD CAM應用數學第三章

2022-12-03 15:15:05 字數 4187 閱讀 3483

曲線是點的運動軌跡,如果曲線上所有的點都在同乙個平面上,則這條曲線叫做平面曲線,平面曲線是空間曲線的特例,它的表示式有多種形式,有些曲線採用某種表示式,運算起來很簡便,若採用另一種表示式運算起來就很不方便,因此,在討論曲線的表示式時,要注意它們之間的相互關係以及應用場合。

是平面曲線的一種最簡便的表示式。只要給出一系列的值,就可以求出相應的y值,從而繪出該曲線的圖形。

當曲線是單值函式又帶有和軸平行的切線部分時,用表達這類平面曲線是不合適的,因此,許多實用上很重要的平面曲線,如圓、橢圓等,不宜用表示式,而是以數學中廣泛應用的隱函式形式表達。例如,表示以原點為圓心、半徑為的圓,在確定乙個點是否在曲線上時,採用的方程是合適的,但是,要用方程直接算出曲線上的點,除了那些能化成的以外往往是很麻煩的。

橢圓、拋物線和雙曲線常用如下方程表達。

橢圓拋物線雙曲線這些曲線的方程都是二元二次方程,它們所代表的曲線稱為二次曲線。二元二次曲線的一般方程為:

(3-1)

在式(3-1)中,若係數給以不同的數值,就可以表達不同的曲線,

若則式(3-1)是橢圓的方程;

若則式(3-1)是拋物線的方程;

若則式(3-1)是雙曲線的方程;

用引數方程表達曲線,可以使複雜的方程變得簡單、明了,運算起來也很方便,因此,在工程計算中,曲線常用引數方程表示,例如,乙個圓沿一條直線作無滑動的滾動時,(圖3-1)圓周上某點p的運動軌跡是普通擺線,它的引數方程為

解釋:x=om-r*sin(903-2)

上式若改用的形式表達,則要改寫為

顯然,上式比引數方程式(3-2)複雜,運算也不方便,此外,引數式的曲線方程還可以表達帶有和y軸平行的切線部分的曲線。

在極座標系中,極徑(它等於矢徑的模)是極角的函式,用極座標方程可以很簡便地表示某些曲線,如阿基公尺德螺線,對數螺線和雙曲螺線等。

用極座標方程表達曲線有三個缺點:

(1)對於原點不同的極座標系之間的座標變換為複雜;

(2)在表達曲線的切線和法線方程時,表示式很複雜,一般要將極座標方程轉換為引數方程後,再求它的切線與法線方程;

(3)曲線上某點的極角只能通過反三角函式法求出。

當直線發生線l沿半徑為的基圓作無滑動的滾動時(圖3-2),發生線l上點的運動軌跡()就是漸開線,若與發生線固連且位於與滾動方向相反的一側有一條直線,則點的運動軌跡()叫做長幅漸開線。

設發生線繞基圓滾動過的角度為,p點的原始位置為,,則,在圖3-2中,

注意正負號 (3-3)

或 上式就是長幅漸開線的引數方程。

討論:1)若點在發生線l的另一側,即式(3-3)中的用代入時,則得短幅漸開線方程

3-4)

2)若,則式(3-3)變為普通漸開線的方程

3-5)

3)若,則式(3-3)變為阿基公尺德螺線的方程。

3-6)

通過座標變換,上式也可以用極座標方程表達

3-7)

當乙個動圓(半徑為)沿乙個固定圓(半徑為)作無滑動的滾動時(圖3-3),動圓圓週上一點p的軌跡()叫做擺線。設p點的原始位置為點,則

因為 ,則

將它代入上述外擺線的向量方程,並經改寫後,得出常用的引數方程,為

3-8)

在圖3-4的曲線上,取定點和動點,當動點無限趨近於定點時,割線的極限位置稱為過定點的切線,這時,點就是曲線的切點,在通過切點的所有直線中,切線是最貼近曲線的一條直線,過切點的切線方向也就是曲線在這點的方向,而且,切線的正向與曲線方程中引數增大的方向一致。若兩條曲線相交,它們在交點處的二條切線的夾角就是兩曲線的交角。如果這二條切線重合,則稱這兩條曲線在交點處相切。

例如,用插齒刀加工圓柱齒輪時,在接觸點處,插齒刀刀刃曲線與齒輪的齒形曲線的切線互相重合。

過切點且重直於切線的直線稱為曲線的法線,任意點的切線與法線互相垂直。平面曲線的法線的正向是這樣規定的:設平面曲線位於空間座標系的平面上,而且軸的么矢指向紙面的上方,這時,按照右手法則,么矢也就是平面的法矢。

在平面曲線某點的法線上,取么矢,使切么矢的正向到么矢的正向之間的有向角是,即

么矢稱為平面曲線的法么矢。無論是平面曲線的凹部還是凸部,用這種方法確定的法么矢,有的指向凹部,有的指向凸部,但它們在平面曲線上是連續的(圖3-6)。

用不同的形式表達的曲線工程,它們的切線和法線方程的形式也是不相同的。

過已知點的切線和法為方程為

切線方程3-9)

法線方程3-10)

式中,是切線或法上任意點的座標。

把式中看作是的函式,再將上式對求導,得

當時3-11)

將上式代入式(3-9)和式(3-10),得出過已知點的切線和法線方程為

切線方程3-12)

法線方程3-13)

其中,分別為過點的值

因為將上式代入(3-9)和式(3-10),得出過已知點的切線和法線方程為

切線方程3-14)

法線方程3-15)

例3-1 求式(3-2)的擺線方程(圖3-1)在過點處的切線和法線方程。

解:(1)時,

(2)(3)切線方程,由式(3-14)得

(4)法線方程,由式(3-15)得

前曾提及,在求用極座標表達的曲線的切線和法線方程時,要先將曲線的極座標方程轉換成引數方程。座標變換時,軸與極軸重合,座標原點與極心重合(圖3-5),座標變換公式為

3-16)

在上式中,是的函式,因而

3-17)

或 (3-18)

式中,為切線與軸的夾角

若將曲線上某已知點的引數代入式(3-17)得到相應的導數和,再將它們代入式(3-14)和(3-15),便可以得出相應的切線方程和法線方程。

在式(3-18)中,若,則該式可以改寫為

3-19)

在圖3-5中,曲線上m點的極角為,切么與軸的夾角為,極徑與切么矢的夾角為。因此

即將上式和式(3-19)相比較,即可得出

3-20)

上式在鏟齒成形銑刀設計中,用得很多。

例3-2 成形銑刀的齒頂面以圖3-5方式鏟成阿基公尺德螺線,求齒頂後刀面上任意點m處的後角。

解:在圖3-5中,設k是刀具鏟削量,z是銑刀的刀齒數,由圖看出,在端截面上,銑刀齒背曲線方程為

當銑刀轉過乙個刀齒時,轉角,極徑,將它們代入齒背曲線方程,得係數為

因此因為,所以後刀面上任意點處的後角為

當時,上式即為新鏟齒成形銑刀齒頂後角的公式

當切線沿曲線滾動時,圖3-6,若在點鄰域內,切線的旋轉方向與切點在切線上的移動方向保持不變,則點稱為曲線的正常點,過點後,切線的旋轉方向發生變化,而切點在切線上的移動方向仍然沒有變化,則稱點為曲線的拐點或反曲點。

設為平面曲線的方程,若過已知點的偏導數和不同時為零,則點就是正常點,和不同時為零,是點為正常點的條件。

在正常點的鄰域內,曲線在切線的一側,若切線在曲線的上方,則稱曲線為凸(如在圖中區間內);若切線在曲線的下方,則稱曲線為凹(如右圖中區間內)。

由微積分學知道,當曲線存在二階導數時,它在某個區域內呈凸形或凹形可由的數值確定。

當時,曲線的圖形呈凸形;

當時,曲線的圖形呈凹形。

圖3-7是半徑,和的二個同心圓。從點沿曲線運動到點和從點沿曲線運動到點,切線方向的改變量,但是走過的弧長。因此,相對於單位弧長的切線方向改變量,二者是不同的。

如果沿任意線oc,將移動到c點,並與相切,從圖上可以看出,圓弧的彎曲程度比的大很多,曲線的彎曲程度用「曲率」表示。在圖中圓弧的曲率比的曲率要大。通常把弧長為的段的彎曲程度(即曲率)記作:。

在圖3-8中,當b點沿曲線趨近a點,即弧長趨近於零時,曲線上a點的曲率為

3-21) 解釋:切線方向的改變量與弧長比值的極限

曲率恒為值。

在微分幾何中,有時把由x軸正向按逆時針方向轉到曲線上切線正向的角度,看作正的有向角。當圖3-8中的a點沿平面曲線運動到b點時,切線逆時針地「向左轉」,有向角差;對於切線順時針地「向右轉」的曲線部分,,用這種方法確定的平面曲線的曲率有正、負之分,稱為相對曲率或平面曲率。

3-22)

相對曲率與曲率的幾何意義是一致的,但前者有正值、有負值,後者只有正值。從圖3-8還可看出,當時,平面曲線的凹向朝其法么矢的正向;當時,曲線的凹向朝其法么矢的負向,當時,該點是曲線的拐點。若曲線上各點的相對曲率恆等於零,則該曲線是一條直線。

平面曲線的曲率的計算公式如下:

(1)當曲線方程為時,

3-23)

式中,(2)當曲線方程為時

3-24)

式中,(3)當曲線方程為時,

3-25)

式中,(4)當曲線方程為時

3-26)

例3-3 已知阿基公尺德螺線的方程為,求它的平面曲線率。

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