盘形凸轮的四种设计方法

盘形凸轮的四种设计方法

深圳市百特兴科技有限公司 周杰平

摘要：详细介绍运用SolidWorks 绘制盘形凸轮的不同方法，包括插件法、解析法、折弯法及仿真法。

关键词：盘形凸轮，插件法，解析法，折弯法，仿真法，余弦加速度， SolidWorks，EXCEL。

凸轮/连杆机构以其快速、稳定的特点，在很多的场合尤其是传统的制程设备中得以运用。但其缺点也很明显：适应性较差，结构相对比较复杂，开发周期长，凸轮加工精确要求比较高等,非标设备大多由伺服马达/步进马达、丝杆/同步带、气缸/油缸等替代。近年来，由于对设备产能要求越来也高，传统的凸轮/连杆机构又受到用户青睐。以动力电池制造设备中塑封制程为例。进口设备核心机构采用凸轮/连杆机构，产能在140件/分钟以上，国产设备采用伺服/丝杆驱动，产能则在50件/分钟左右。更为重要的是前者用于制程的有效时间更长，确保了品质的可靠性。凸轮的设计将成为机构设计工程是不可缺少的技能。

本文以盘形凸轮为研究对象，分别介绍几种不同的设计方法。

一、基本参数

1.1、凸轮基本参数

项目 代号 参数值

基圆直径 D 150

凸轮厚度 W 15

辊子直径 d 25

升程 h 50

表1

1.2、从动杆运动规律

动作 运动角度数

(Φ)

起始角度位置 终止角度位置 结束半径 运动规律

推程 120 0 120 125 余弦加速度 远休止角 30 120 150 125 回程 90 150 240 75 余弦加速度 近休止角 120 240 360 75 表2

注：余弦加速度(简谐运动)方程：

S=h*[1-cos(πφ/Φ)]/2

图1

二、SolidWorks 插件法

2.1、如图2，打开SolidWorks，新建零件，关闭草图。菜单栏Toolbox -> 凸轮

如菜单栏无Toolbox，先加入插件。

图2 图3

2.2、设置。如图3

凸轮类型为圆形，推杆类型为平移，如果是偏心的，可作相应的选择；开始半径为基圆半径，开始角度根据<表2>填写；旋转方向为顺时针

2.3、运动如图4

图4

运动部分，根据<表2>，进行设置，运动的类型为谐波；

2.4、 生成 如图5

图5

生成部分：坯件的外径要满足：>(D+d)/2；近毂和远榖分别为凸轮两侧的圆柱状台阶，要大于孔的直径，厚度自行定义，但需要大于圆角半径和倒角大小；本例子缺省。

结果如图6

图6

至此，采用SolidWorks 自带插件的方法设计完成了满足表1、表2要求的凸轮。将文件保存为凸轮（插件）1。

三、解析法

3.1、数学模型建立。

3.1.1、辊子中心运动轨迹

图7

X1=S * COS(θ)

Y1=S * SIN(θ)

S=D/2+h* (1- COS(θ))/2（升程） ；Z1=D/2 +h-h * (1- COS(θ))/2（回程）；

θ=πφ/Φ ---角度转换

其中：D - 凸轮基圆直径；S – 向径；h - 为升程；φ - 为凸轮转动的角度（弧度值）

3.2、EXCEL自动计算

3.2.1、打开EXCEL，依次将相关参数及公式输入到表中。

3.2.2、采用下拉复制，相关参数即可自动计算并显示在表中。如图8。

图8（部分截图）

3.2.3、 按图9整理，加入Z值。（便于SolidWorks导入）

X1 Y1 Z1

75 0 0

74.99714 1.30908 0

74.98855 2.618658 0

74.97418 3.92923 0

74.95392 5.241289 0

74.92767 6.555321 0

74.89525 7.871808 0

74.85647 9.191219 0

74.8111 10.51401 0

74.75887 11.84064 0

图9（部分截图）

3.2.4、复制图9中参数黏贴到TXT文件中，保存为jx1.txt。

3.3、在SolidWorks中绘制凸轮

3.3.1、打开SolidWorks零件绘制环境，关闭草图

3.3.2、插入曲线，如图10

图10 图11 3.3.3、按图11点击浏览，找到参数文件jx1.txt存放位置。

注意:文件类型要切换到 *.txt文件类型.

插入后的结果如图12。

图12 图12

3.3.4、利用等距实体命令绘制凸轮轮廓草图，如图13。

偏移距离为辊子半径.

3.3.5、草图拉伸 15，如图18。绘制中心孔，如图19.

图18 图19

四、折弯法

4. 1、数学模型建立

图20 （图中凸轮曲线可为任意，便于分析即可）

展开前的凸轮轮廓线曲线

X1=S * COS(θ)

Y1=S * SIN(θ)

S=D/2+h* (1- COS(θ))/2（升程） ；S =D/2 +h–h * (1- COS(θ))/2（回程）；

θ=πφ/Φ –角度转换

其中：D - 凸轮基圆直径；S – 向径；h - 为升程；φ - 为凸轮转动的角度（弧度值）

展开后，展开长度与向径之间的关系

以直径D’=100为展开圆

S’=S- D’/2= S-50 --D’为展开圆直径

S=D/2+h*(1-COS(θ))/2 （细节需作补偿？）

4. 2、EXCEL自动计算

4.2.1、打开EXCEL，依次将相关参数及公式输入到表中。

4.2.2、采用下拉复制，相关参数即可自动计算并显示在表中。图21为计算表部分截图。

图21

按图9整理，加入Z值。（便于SolidWorks导入）

4.2.4、复制图9中参数黏贴到TXT文件中，保存为jx1.txt。

4.3、在SolidWorks中绘制凸轮

4.3.1、打开SolidWorks零件绘制环境，关闭草图

4.3.2、插入曲线(参考3.3.2)

图22