基于SolidWorks的滚子盘形凸轮机构的图解法设计

设计计算基于SoliCWorks的滚子盘形凸轮机构的图解法设计’
王亮，梁泽芬，秦娟娟
(兰州工业学院机电工程学院，甘肃兰州730050)
摘要：为了能在SolidWoks软件的运动仿真功能中实现凸轮图解法的设计过程，利用Excel的函数计算功能，计算出滚子推杆位移与凸轮时间之间的关系并生成相应的数据表。

然后在SolidWorks软件中建立凸轮机构的运动仿真模型，利用Motion模块给推杆和凸轮分别添加直线电动机和旋转，通过运动仿真模块模拟反转法，利用结果分析中的路径跟踪功能，得到凸轮的理论轮廓曲线，用草图编辑中的偏移功能，把理论轮廓曲线向内偏移1个滚子半径的距离，得到实际轮廓曲线，拉伸得到凸轮三维模型，最后用生成凸轮模型反向通过运动仿真输出推杆位移$仿真结果表明，经过对比分析，输出的推杆位移曲线与设计得到的推杆位移曲线一致，因此通过SolidWorks和Excel相结合的方式，实现凸轮的图解法设计是可行的$设计方法可用于凸轮零件的高精度设计，为凸轮的设计提供了新的技术方法和思路$关键词：运动仿真；反转法;Excel；路径跟踪；凸轮；SolidWorks
中图分类号：TH112；TH164文献标志码:A
Graphical Design of Roller Disc Cam Mechanism Based on SolidWorks
WANG Liang,LIANG Zefen,QIN Juanjuan
(College of Mechanical and Electrical Engineering,Lanzhou Institute of Technology,Lanzhou730050,China) Abstract:In order to implement the design process of the cam graphic method in the motion simulation function of SolidWoks,by using function calculation function of Excel,the relationship between the roller fader displacement and the cam time was calculated and a corresponding data table was generated.Then,the motion simulation model of the cam mech­anism was established in SolidWorks,and the linear motor and rotation were added to the push rod and the cam respectively by the Motion module.The motion inversion module was used to simulate the inversion method,and the path tracking func-ionin>heresul analysiswasused>oob>ain>he>heoreicalcon>ourcurveof>hecam!byusing>heo f se>func>ioninske>ch ediing!o f se>>he>heoreicalcon>ourcurveinwardby>hedis>anceof>hero l erradius!>heac>ualcon>ourcurvewasgo>en!
i was stretched to obtain the cam3D model,and finally used the generated cam model to reverse the motion simulation out-putpu t erdisplacement.Thesimulationresultsshowedthatafterthecomparativeanalysis!theoutputpushroddisplace-mentcurvewasconsistentwiththedesignedpu t erdisplacementcurve.Therefore!itwasfeasibletorealizethegraphicde-sign of the cam through the combination of SolidWorks and Excel.The design method can be used into the high-precision design of>he cam par>s>o provide new>echnical me>hods and ideas for>he design of>he cam.
Keywords：motion simulation,inversion,Excel,path tracking,cam,SolidWorks
随着计算机技术的快速发展，尤其是三维造型软件的出现，其中的一些功能可以用来代替传统的设计方法，以提高设计效率和精度*凸轮机构的设计，在机械原理课本中，讲述的设计方法有2种：图解法和解析法(1)*其中图解法由于受到人工精力和作图精度的限制，绘制出的凸轮零件图存在一定的误差，使得加工出凸轮零件使用场合受到限制*在凸轮机构运动过程中，凸轮是核心部件*凸轮从动件运动性能的好坏及从动件预期运动规律完成程度均取决于凸轮轮廓的曲线形状閃*在整个凸轮结构的设计过程中，轮廓曲线的设计也是整个设计工作中的重中之重*本文利用图解法设计原理(反转法)，结合SolidWorks的运动仿真功能中路径跟踪,绘制出凸轮轮廓3*1设计原理及过程
1.1设计实例
设计一对心直动滚子盘形凸轮机构，基圆半径90mm,滚子直径30mm,推杆行程30mm,凸轮转动150。

，推杆近休；凸轮转动30。

，推杆按照简谐运动规律上升30mm；凸轮转动120。

，推杆远休；凸轮转动60。

，推杆按照简谐运动规律下降30mm*运动方程如下:
*0<p2[0,150°)
15{1-cos[6(--150°)]}甲2[150°,180°) s=)
30°2[180°,300°) 152+cos[3(<p—300°))}°2[300°,360°)
《新技术新工艺》设计与计算45
新技术新工艺 2019 年 第 8 期
1.2计算推杆位移
根据已列出的推杆位移方程，在Excel 软件中，
计算出推杆位移与时间关系的数据点。

设定的凸轮 转动的角速度为2*/3 rad/s ,即凸轮转动1周需要3
s *数据点采样按照每5°取1个点1个周期内取样 72个数据点*在Excel 软件中，第1列是角度数据
点，每5°取1个点*第2列是时间数据点，由第1列 角度除以角速度得到时间点*根据运动方程计算出
的推杆位移数据如图1所示*复制时间和位移2列
数据到新的数据表,将文件导出为csv 格式*
1. 3建立运动模型获得凸轮轮廓
SolidWorks 软件中motion 功能十分强大，可
以模拟各类机构运动情况，分析机构的速度和加速 度特性，便于分析改善⑷*
在SolidWorks 软件中建立凸轮机构的运动模
型，给推杆添加直线电动机，电动机驱动方式是数据 点，导入csv 格式的文件（5），导入之后SolidWorks 软件中会自动显示推杆的位移、速度和加速度线图*
显示推杆运动规律如图2所示*
时间/s
30.0\ 20.0
/
\
10.0
.,/,
1.0
2.03'0
恥 v = -17,70n»n/秒
图2推杆位移和速度线图
给盘形凸轮添加旋转电动机，转速20 r/min * 凸轮机构运动三维模型如图3所示*
图3凸轮机构运动模型
在Motion 中进行运动分析，在结果和图解中，
选取位移速度和加速度，子类别选取路径跟踪，选取 滚子中心的参考点作为路径跟踪点（在图解法设计 中，把滚子的几何中心当作推杆的尖点进行设计），
参照对象是盘形凸轮，模拟图解法中凸轮不动，推杆 相对于凸轮运动，得到凸轮轮廓曲线，在结果中单击 “在参照零件中从路径生成曲线'在凸轮基圆三维
零件中得到凸轮的理论轮廓曲线，由于理论轮廓和
实际轮廓在曲线法向方向相距1个滚子半径的距
离，因此草图绘制时，通过“实体转换”得到草图曲 线，然后用“等距实体”得到实际轮廓线，最后经过拉 伸造型生成盘形凸轮「6）。

凸轮轮廓如图4所示*
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《新技术新工艺》
设计与计算
设计
计算
图4凸轮轮廓
2运动仿真验证
在SolidWorks 软件中，建立凸轮机构的装配模
型，给滚子和盘形凸轮添加凸轮约束，盘形凸轮的转 速是20 r/min ,经过运动仿真模拟，得到推杆的运动 规律，导出CSV 数据格式文件，与设计位移方程计
算得到的位移线图对比*在Excel 中的设计推杆位 移线图基本一致，说明设计方法是合理可信的*对 比如图5所示*
推杆位移对比图
时间/S
图5推杆位移线图对比
经过对2个位移线图对比发现，设计与模拟的 推杆位移线图形状一致，因此采用Excel 和Solid-
Works 相结合的设计方式是可行的，通过数据点个 数的调整可满足高精度凸轮的设计要求*
3结语
SolidWorks 软件中，通过运动仿真反推出凸轮轮廓 曲线，利用反推出的曲线轮廓，经过三维造型得到盘
形凸轮的三维模型，最后用得到的凸轮模型运动仿 真得到推杆的位移曲线，经过验证推杆位移与设计
要求曲线一致*因此，通过Excel 和SolidWorks 相 结合的方式，利用反转法的原理，得到凸轮轮廓的三
维模型是可行的。

该模型可以导入带有数控加工模 块的CAD 软件，生成数控加工代码，直接在机床上 加工，降低设计繁琐程度；也可以直接接入3D 打印
机,参照三维模型直接打印出凸轮零件，避免图样设
计过程中精度不足的问题「7心*
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'兰州工业学院开物科研团队支持项目(2018KW-01)
作者简介：王亮(1982-)，男，硕士，讲师，主要从事计算机仿
真等方面的研究*
收稿日期：20190423
责任编辑郑练
本文采用Excel 计算数据，把计算结果导入
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