基于SolidWorks的凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計及運動仿真

王仲勛，蒲潔濤，婁紅杰，崔玉芝，滕磊

（1.煙臺職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，山東 煙臺 264670；2.山東景芝建設(shè)股份有限公司，山東 濰坊 262100；3.山東樂普韋爾自動化技術(shù)有限公司，濟(jì)南 250002）

0 引言

凸輪機(jī)構(gòu)是機(jī)械裝置中常用的高副機(jī)構(gòu)[1]，由凸輪、從動件和機(jī)架組成，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。凸輪機(jī)構(gòu)可將凸輪連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為從動件往復(fù)的直線運動，從動件往復(fù)運動位移、速度及加速度等運動規(guī)律決定于凸輪的輪廓曲線。在各種自動化程度較高設(shè)備及其操縱和控制裝置中，大量需要從動件間歇運動而原動件作連續(xù)運動時，凸輪機(jī)構(gòu)應(yīng)用相當(dāng)廣泛。目前，作為凸輪輪廓設(shè)計的兩種主要方法，作圖法和解析法[2]各有特點。作圖法將凸輪運動一周期轉(zhuǎn)角平分為若干份，根據(jù)凸輪不同時刻對應(yīng)的從動件位移量，以基圓半徑為基礎(chǔ)手工或者軟件輔助作圖形成獨立點，光順擬合形成凸輪輪廓，受到轉(zhuǎn)角平分份數(shù)限制，形成凸輪輪廓一般精度較低。對于精度要求較高的凸輪，必須采用解析法給出凸輪輪廓曲線的表達(dá)式，采用計算軟件計算機(jī)編程或機(jī)械設(shè)計軟件，實現(xiàn)輪廓精確設(shè)計。SolidWorks軟件功能強(qiáng)大[3]，組件繁多，可實現(xiàn)零件建模、裝配、工程圖、運動仿真、管道排布、有限元分析、流體分析等，操作簡單方便、易學(xué)易用，受到工程技術(shù)人員好評。應(yīng)用領(lǐng)域涉及航空航天、機(jī)車、食品、機(jī)械、國防、交通、模具、電子通訊、醫(yī)療器械、離散制造等。SolidWorks軟件中可以實現(xiàn)圓形、線性凸輪，從動件類型平移、左等距、右等距、左擺動、右擺動等的凸輪設(shè)計。本文基于SolidWorks軟件，根據(jù)給定的凸輪機(jī)構(gòu)一個運動周期內(nèi)從動件位移規(guī)律給出凸輪輪廓，并通過運動仿真反求從動件位移規(guī)律，驗證SolidWorks軟件應(yīng)用于凸輪輪廓設(shè)計的可行性。

問題描述：設(shè)計凸輪機(jī)構(gòu)，盤形凸輪、尖頂從動件、對心直動，參數(shù)如下：基圓半徑r0=20 mm，從動件升程h=10 mm，從動件運動規(guī)律如圖1所示，推程采用等速運動規(guī)律，推程運動角φ=90°；遠(yuǎn)休止角φs=90°；回程采用等速運動規(guī)律，回程運動角φ＇=90°；近休止角φs＇=90°。

圖1 從動件運動規(guī)律

1 凸輪設(shè)計

在SolidWorks軟件中，新建文件→點擊“選項”→“插件”，選 中“SolidWorks Toolbox”、“SolidWorks Toobox Browser”、“SolidWorks Motion”。菜單欄中出現(xiàn)“Toolbox”，點擊“Toolbox”→“凸輪”，在“設(shè)置”中設(shè)定單位公制，凸輪類型圓形，推桿類型平移，推桿直徑為2 mm，開始半徑為20 mm，開始角度0°，旋轉(zhuǎn)方向順時針，如圖2所示。

圖2 Toolbox設(shè)定

在“運動”中分別添加4 個運動階段如圖3?？紤]到基圓半徑為20 mm，從動件升程為10 mm，凸輪運行過程中，推程運動角、遠(yuǎn)休止角、回程運動角、近休止角均分運動周期，參數(shù)設(shè)定如表1 所示。在“生成”中設(shè)定生成方法為生成新的移除了軌道的零件，坯件外徑和厚度分別為300 mm和10 mm，近轂直徑和長度為5 mm 和20 mm，坯件圓角半徑和倒角不計，如圖4所示。點擊“生成”→“完成”得到凸輪。“工具”→“樣條曲線工具”→“套合樣條曲線”，參數(shù)選中“約束”，公差調(diào)至盡量小，套合效果如圖5所示，凸輪實體如圖6所示。

圖3 從動件運動規(guī)律設(shè)定

圖4 凸輪參數(shù)設(shè)定

圖5 凸輪樣條曲線

圖6 凸輪實體圖

表1 從動件運動規(guī)律參數(shù)表

2 裝配和運動仿真

在SolidWorks裝配體中，可實現(xiàn)基于多個零部件的復(fù)雜裝配體，這些零部件可以是零件或者其他裝配體[4]。添加零部件到裝配體，在裝配體和零部件之間定義連接，把各個零部件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)配合、高級配合及機(jī)械配合等約束以限定其自由度，并同時完成產(chǎn)品的組裝過程。若某零部件發(fā)生變化，再次打開裝配體時，SolidWorks會提示自動更新。凸輪機(jī)構(gòu)裝配時，新建一裝配體文件，將支座、凸輪、從動件插入。定義凸輪軸線與支座孔同心且軸端面與支座端面重合，從動件與支座底孔同心，凸輪表面與從動件頂點重合，裝配體效果如圖7所示。

圖7 凸輪機(jī)構(gòu)裝配體

SolidWorks Motion可以精確模擬并分析裝配體的運動[5]，在運動算例中，裝配體零部件運動狀態(tài)可在運動學(xué)解算器中求解，與約束配合關(guān)系、材料屬性、質(zhì)量、零部件接觸等結(jié)合，同時合成運動算例單元的效果（包括力、彈簧、阻尼及摩擦等）。凸輪機(jī)構(gòu)運動仿真中，進(jìn)入運動算例，選擇“旋轉(zhuǎn)馬達(dá)”，馬達(dá)位置選擇凸輪軸，運動選擇“等速運動”，速度為，默認(rèn)運動時間為5 s?！八憷愋汀敝羞x擇“motion分析”，點擊“計算運動算例”進(jìn)行運動計算。結(jié)果和圖解中顯示從動件各方向受力、速度、加速度、位移等。本例類別選擇從動件Y方向位移，圖解結(jié)果相對于時間進(jìn)行顯示，得從動件Y軸方向位移量隨時間的變化曲線如圖8所示。

圖8 從動件Y方向位移變化曲線

3 結(jié)果分析

對位移曲線進(jìn)行觀察，與圖1給出的從動件運動規(guī)律基本符合。在位移變化曲線圖表中右擊可輸出CSV(E)，從動件隨時間變化沿Y軸位移量以0.04 s為周期有詳細(xì)記錄。選取升程和回程過程中凸輪機(jī)構(gòu)在0.06、0.14、0.22、0.30、0.78、0.86、0.94、1.02 s從動件理論和仿真位移對比如圖9所示，以上不同時刻凸輪機(jī)構(gòu)從動件理論和仿真位移誤差如圖10所示。

結(jié)合圖9和圖10中凸輪機(jī)構(gòu)運動過程中從動件理論位移和仿真位移值對比和誤差分析，從動件升程和回程8個時刻最大誤差不超過±4%，在一般工程誤差允許±5%范圍之內(nèi)。由此，我們認(rèn)為采用本方法對凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和運動仿真的結(jié)果符合工程實踐的需求。

圖9 理論與仿真位移對比圖

圖10 理論與仿真位移誤差