凸轮机构设计及其动态仿真

凸轮机构设计及其动态仿真

[摘要]根据所要求的从动件运动曲线类型和相关基本参数得到对应的凸轮轮廓曲线，利用得到曲线在Solidworks中用插入坐标点曲线功能，快速生成凸轮实体，应用COSMOSMotion的运动仿真功能，再现了凸轮机构的运动过程，用图形输出的运动仿真结果与输入曲线的对比，可以检验机构的运动特性是否符合设计要求。

【关键词】凸轮设计；运动仿真；COSMOSMotion

凸轮机构由凸轮、从动件和机架组成。其主要优点是结构简单、工作可靠，能够使从动件按任意复杂给定的规律运动，在工程实践中得到广泛的应用[1]。对凸轮机构进行运动分析的目的是当已知各构件尺寸参数、位置参数和原动件运动规律时，研究机构其余构件上各点的轨迹、位移、速度、加速度，构件的位置、角位移、角速度和角加速度等运动参数，从而评价机构是否满足工作性能要求，机构是否发生运动干涉。

传统的凸轮机构的运动分析方法有图解法、解析法。图解法形象直观，但作图较烦琐；解析法需要建立复杂的数学关系式，计算工作量大。本文通过Solidworks建立凸轮机构的装配模型，利用COSMOSMotion模块建立其运动仿真模型，然后进行运动学分析，仿真凸轮机构的运动状况，最后将所设置的构件的位移、速度、加速度的变化情况以图表的形式输出[2-3]。

一、滚子从动件盘型凸轮机构分析

为便于分析，首先设定坐标系。（1）凸轮机构坐标系XOY：原点为凸轮坐标轴中心，X轴、Y轴固结于机架上。该坐标轴为整个凸轮机构的总体坐标系。（2）从动件坐标系XfOfYf：原点为从动件回转中心，Xf

二、凸轮轮廓的三维建模

将凸轮回转一个周期分为400份，最后得到的400个点，利用这400个点来进行凸轮轮廓曲线的绘制的。根据建模的需要，将在Matlab中得到的曲线“导入”Soli dworks中。

打开Solidworks进入绘制，选择“插入”—“曲线”—“通过X、Y、Z点的曲线”，打开曲线文件对话框，选择对应的txt文件并打开，将数据传递到Solidworks中，以直动从动件滚子凸轮为例，如图1所示，点击“确定”便可以看到生成的轮廓曲线。选择前基准面作为基准面绘制草图，单击已经生成的凸轮轮廓曲线，选择“转换实体引用”命令，便可以得到凸轮轮廓草图，通过对该草图的拉伸操作便可以得到滚子从动件盘型凸轮的基本三维模型，如图2、图3所示。

三、基于COSMOSMotion的凸轮机构运动仿真

建模完成之后，将凸轮机构的装配体在COSMOSMotion中打开，这时，一些运动副如旋转副、移动副会根据零件的装配关系自动转换。点击界面左下角的“运动算例”，在播放速度中选择运动时间，点击马达图标给主动件添加驱动，使凸轮机构运动起来。运动仿真完成后我们得到的从动件的位移（图4）、速度（图5）、加速度运动曲线（图6），可以帮助我们分析机构的运动特性是否符合设计要求[4]。

将仿真得到的从动件的位移、速度、加速度曲线图形和我们输入的标准曲线图形进行对比分析，发现两者的运动特性十分接近，可以看出凸轮三维建模的精度完全满足设计的需要。

本文利用凸轮轮廓设计程序所生成的轮廓曲线上的400个点，在三维软件Solidworks中进行了三维建模以及运动仿真。利用导入txt函数文件的方法生成曲线；用“转换实体引用”转换成草图绘制以便拉伸完成基础建模；以及利用添加约束和添加马达以完成运动仿真。为了与Matlab更紧密地连接，把动画保存为A VI格式文件，直接用命令将其插入Matlab中。另外，对于动态仿真的结果和输出图像的分析，对于设计的检验和校正有很大的意义。