基于SolidWorks和Excel的凸輪設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真

肖思偉，張晉西，陳江洪，饒 貝，陳奕婷，李 洋，胡青松

(重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 重慶 400054)

基于SolidWorks和Excel的凸輪設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真

肖思偉，張晉西，陳江洪，饒 貝，陳奕婷，李 洋，胡青松

(重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 重慶 400054)

采用Excel計(jì)算凸輪運(yùn)動(dòng)方程位移值，在SolidWorks環(huán)境中建立三維模型，運(yùn)動(dòng)仿真模塊Motion添加直線(xiàn)馬達(dá)和旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，反轉(zhuǎn)法獲得凸輪輪廓曲線(xiàn)坐標(biāo)點(diǎn)，得到盤(pán)形凸輪三維實(shí)體模型，并對(duì)該凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，繪制出推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線(xiàn)并加以驗(yàn)證。

凸輪；反轉(zhuǎn)法；運(yùn)動(dòng)仿真；SolidWorks；Excle

凸輪機(jī)構(gòu)是由凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架組成的高副機(jī)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械特別是自動(dòng)機(jī)械、自動(dòng)控制裝置等?；赟olidWorks的盤(pán)形凸輪的建模方法很多，可“通過(guò)XYZ點(diǎn)的曲線(xiàn)”直接生成凸輪輪廓曲線(xiàn)[1]，也可通過(guò)Toolbox中的“凸輪”插件生成凸輪模型。但是這些都需要完全計(jì)算出凸輪的相關(guān)參數(shù)或點(diǎn)的坐標(biāo)，人為計(jì)算有時(shí)難免會(huì)出現(xiàn)失誤。本文采用Excel工具生成推桿的位移運(yùn)動(dòng)規(guī)律，結(jié)合反轉(zhuǎn)法、 SolidWorks運(yùn)動(dòng)仿真模塊Motion分析直接生成凸輪輪廓曲線(xiàn)的點(diǎn)坐標(biāo)[2]，通過(guò)凸輪點(diǎn)坐標(biāo)創(chuàng)建凸輪三維模型，最后運(yùn)動(dòng)仿真驗(yàn)證凸輪曲線(xiàn)的準(zhǔn)確性。

1 原理及實(shí)現(xiàn)

1.1 設(shè)計(jì)實(shí)例

凸輪設(shè)計(jì)的一般步驟是：根據(jù)工作要求合理地選擇從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律，按照結(jié)構(gòu)所允許的空間和具體要求，確定凸輪的基圓半徑，根據(jù)計(jì)算公式分段列出從動(dòng)件位移s和凸輪角位移φ的函數(shù)關(guān)系[3]，最后畫(huà)出函數(shù)圖像。

設(shè)計(jì)一直動(dòng)對(duì)心凸輪機(jī)構(gòu)，基圓半徑80 mm，滾子半徑15 mm，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)2π/3，推桿等加速等減速上升30 mm；凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)π/3，推桿靜止；最后等加速等減速各π/2回到最低位置。

1.2 Excel計(jì)算凸輪運(yùn)動(dòng)方程位移

1.2.1 列出從動(dòng)件方程

根據(jù)已知條件列出從動(dòng)件位移方程[3]：

(1)

式中：δ0為推桿等加速等減速上升凸輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度，δ0=2π/3;δ1為推桿等加速等減速下降凸輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度，δ1=π;h為推桿上升的高度，h=30 mm；δ為推桿上升或下降時(shí)凸輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度。

1.2.2 確定凸輪的輪廓

確定凸輪的輪廓曲線(xiàn)，關(guān)鍵在于根據(jù)從動(dòng)件位移方程(1)得出輪廓曲線(xiàn)上的離散點(diǎn)的位置。傳統(tǒng)的凸輪輪廓曲線(xiàn)是根據(jù)離散點(diǎn)位置，手工擬合或運(yùn)用計(jì)算工具計(jì)算輪廓的坐標(biāo)而成[4]，利用繪圖命令擬合出離散點(diǎn)，不是本文推薦的方法。

圖1 基于Excel推桿位移坐標(biāo)計(jì)算

1.3 SolidWorks獲得凸輪三維模型

SolidWorks一般用其三維繪圖的功能較多，其實(shí)它的運(yùn)動(dòng)分析模塊Motion功能十分強(qiáng)大。通過(guò)Motion運(yùn)動(dòng)仿真和分析，可以有效地降低產(chǎn)品的制造成本和縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，快速了解產(chǎn)品的可行性[5]。

在Excel計(jì)算出推桿運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)點(diǎn)后，利用SolidWorks Motion分析[2]，在SolidWorks環(huán)境中繪制和裝配凸輪廓線(xiàn)生成裝置，在基圓4側(cè)面上加載馬達(dá)。SoliWorks中的馬達(dá)類(lèi)型有旋轉(zhuǎn)馬達(dá)(R)、線(xiàn)性馬達(dá)(L)和路徑配合馬達(dá)(p)。選擇旋轉(zhuǎn)馬達(dá)(R)，推桿1的邊線(xiàn)上加載線(xiàn)性馬達(dá)(L)，并把圖1推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律中的坐標(biāo)點(diǎn)通過(guò)加載“數(shù)據(jù)點(diǎn)”導(dǎo)入，作為推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，相關(guān)參數(shù)設(shè)置完畢，點(diǎn)擊“計(jì)算運(yùn)動(dòng)算例”仿真。查看結(jié)果，選擇位移/速度/加速度里面的“跟蹤路徑”，并選中推桿與凸輪接觸的小輪中心和基圓外端面，得到凸輪廓線(xiàn)5，如圖2所示。

圖2 凸輪廓線(xiàn)生成裝置

右鍵單擊凸輪廓線(xiàn)5的圖解，選擇“在新零件中從路徑生成曲線(xiàn)”，將路徑生成新零件的輪廓，添加凸輪軸孔和軸孔鍵草圖，拉伸得到凸輪零件三維模型[6]，如圖3所示。為進(jìn)一步說(shuō)明生成的凸輪廓線(xiàn)，繪制了凸輪廓線(xiàn)圖(見(jiàn)圖4)，圖中外輪廓曲線(xiàn)為生成的理論廓線(xiàn)，內(nèi)圓為基圓。對(duì)應(yīng)本文中開(kāi)始實(shí)例，DA段廓線(xiàn)為等加速等減速運(yùn)動(dòng)階段，AB段廓線(xiàn)為靜止階段，BD段廓線(xiàn)為等加速等減速回到最低位置。

圖3 凸輪基體三維模型

圖4 凸輪廓線(xiàn)圖

2 SolidWorks Motion運(yùn)動(dòng)仿真驗(yàn)證

在SolidWorks軟件中建立好運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的模型后，可借助SolidWorks Motion實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和動(dòng)力學(xué)仿真[7]。

裝配凸輪機(jī)構(gòu)，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，得到仿真結(jié)果圖。與從動(dòng)件位移方程(1)經(jīng)過(guò)Excel推桿位移坐標(biāo)計(jì)算得出的圖做對(duì)比，如圖5所示。比較發(fā)現(xiàn)：兩者的曲線(xiàn)走勢(shì)基本一致，曲線(xiàn)偏移是由于數(shù)據(jù)精度不夠引起的，凸輪旋轉(zhuǎn)角度與從動(dòng)件上升高度基本一一對(duì)應(yīng)，運(yùn)動(dòng)特性十分接近。從而可以看出，凸輪三維建模的精度完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要[8]。

Cam Design and Motion Simulation Based on SolidWorks and Excel

XIAO Siwei, ZHANG Jinxi, CHEN Jianghong, RAO Bei, CHEN Yiting, LI Yang, HU Qingsong

(College of Mechanical Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

Using Excel tool, it generates the steeple of the displacement law of motion, the inversion method, in environment of SolidWorks add linear motor and rotary motor motion analysis of cam contour curve coordinates, 3D modeling of disc cam matrix through the coordinates, the on cam mechanism for motion simulation to verify the accuracy of the cam profile curve. Through this method can simplify the cam design process, the cam profile curve data can be used for direct processing of CNC machine tools, CAM research and development and production automation is of great significance.Using the calculation of cam motion equation of displacement with Excel, it establishes the three-dimensional model in SolidWorks environment. It uses motion simulation module of Motion to add a straight line motor and rotary motor. Using coordinate cam contour curve inversion method, it gets the disc cam 3D solid model, and has motion simulation of the cam mechanism and draws rod motion curve and verifies it.

cam; inversion method; motion simulation; SolidWorks; Excel

圖5 從動(dòng)推桿位移線(xiàn)對(duì)比

3 結(jié)論

2017-03-03 基金項(xiàng)目：重慶市基礎(chǔ)與前沿研究項(xiàng)目(csts2016jcyjA0444)

肖思偉(1991—)，男，碩士研究生，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)理論、方法及應(yīng)用研究，E-mail：15111980348@163.com; 張晉西(1962—)，男，教授，主要從事機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)研究，E-mail:zhangjinxi@cqut.edu.cn。

肖思偉，張晉西，陳江洪，等.基于SolidWorks和Excel的凸輪設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(8):73-75.

format：XIAO Siwei,ZHANG Jinxi, CHEN Jianghong, et al.Cam Design and Motion Simulation Based on SolidWorks and Excel[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(8):73-75.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.08.011

TH13

A

1674-8425(2017)08-0073-03