基于SolidWorks二次开发的凸轮廓线精确设计

基于SolidWorks二次开发的凸轮廓线精确设计

本文介绍了以直动滚子从动件盘形凸轮机构为例，先用SolidWorks自带的Visual Bisic编辑宏，精确绘制凸轮的轮廓曲线，并拉伸成型，然后用SolidWorks插件COSMOSMotion对凸轮机构进行运动仿真，生成推杆的位移和速度曲线

引言

凸轮机构是由凸轮、从动件和机架组成的高副机构，凸轮具有曲线轮廓或凹槽，通常作连续等速转动，从动件则按预定运动规律作间歇(或连续)直线往复移动或摆动。凸轮机构的特点是结构简单、紧凑、工作可靠，只要凸轮廓线设计合理，便可使从动件按任意给定的规律运动。在精密机械特别是在自动控制装置和仪器中，应用非常广泛。

当从动件的运动规律和凸轮的基圆半径确定后，凸轮廓线的设计方法通常有作图法和解析法。作图法简便、直观，但作图误差较大，难以获得凸轮廓线上各点的精确坐标，只能用于低速或不重要的场合;对于高速凸轮或精确度要求较高的凸轮，需用解析法设计，并借助于计算机编程软件精确地计算出凸轮廓线上各点的坐标值，以适合在数控机床上精确加工。

1 问题的提出

已知推杆的运动规律为:当凸轮转过60°时，推杆等加速等减速上升l0mm;凸轮继续转过120°时，推杆停止不动;凸轮再继续转过60°时，推杆等加速等减速下降l0mm;最后，凸轮转过所余的120°时，推杆又停止不动。设凸轮逆时针方向等速转动，凸轮理论廓线圆半径r0=50mm，推杆滚子半径rg=l0mm，设计满足该运动要求的凸轮廓线。

2 对心直动滚子从动件盘形凸轮机构数学模型的建立

图1 凸轮机构运动简图

在如图l所示的对心直动滚子从动件盘形凸轮机构中，选取如图1所示的极坐标系，B0点为凸轮理论廓线的起始点。当凸轮转过角δ时，推杆相应地产生位移s。根据反转法原理，此时滚子中心应处于B点，则轮理论廓线的直角坐标参数方程为

(1)

根据式(1)和推杆的运动规律，可以得出所要设计的凸轮理论廓线方程。

当δ=0°～30°时，推杆作等加速上升，凸轮理论廓线方程为

(2)

当δ=30°～60°时，推杆作等减速上升，凸轮理论廓线方程为

(3)

当δ=60°～180°时，推杆在距凸轮回转中心最远位置不动，凸轮理论廓线方程为

(4)

当δ=180°～210°时，推杆作等加速下降，凸轮理论廓线方程为

(5)

当δ=210°～240°时，推杆作等减速下降，凸轮理论廓线方程为

(6)

当δ=240°～360°时，推杆在距凸轮回转中心最近位置不动，凸轮理论廓线方程为

(7)

式中δ01=60°=π/3，推程运动角;δ02=120°=2π/3，远休止角;δ03=60°=π/3，回程运动角;δ04=120°=2π/3，近休止角。

3 凸轮三维实体造型

3.1 Visual Basic程序设计生成凸轮理论廓线坐标

运行SolidWorks，新建一个零件，选择【工具】/【宏】/【新建】命令，打开VB编程界面，凸轮推程阶段主要程序编写如下，其它阶段程序编写与此类似，在此略。

Sub main( )

Dim x( ) As Double, y( ) As Double'凸轮廓线坐标

Dim Ph As Double, Ps As Double, H As Double'凸轮转角、推杆位移、最大行程

Dim R0 As Double, P0l As Double'基圆半径、凸轮推程运动角

Dim St As Double, Num As Double'凸轮廓线构造点步长、曲线坐标点数目

Const Con=pi/180'角度转化为弧度常数

R0=50:H=10'初始条件

P0l=60:P01=P01 * Con

St=pi/180 * 2: Num=0

推程:等加速等减速运动

For Ph=0 To P0l/2 Step St

Ps=(2*H/(P0l~2))*(Ph~2)

Num=Num+1

ReDim Preserve x(Num)，Y(Num)

x(Num)=(R0+Ps)*Sin(Ph)

y(Num)=(R0+Ps)*Cos(Ph)

Next

For Ph=P0l/2 To P01 Step St

Ps=H-(2*H/(P01~2))*(P01-Ph)~2

Num=Num+1

ReDim Preserve x(Num)，y( Num)

x(Num)=(R0+Ps)*Sin(Ph)

y(Num)=(R0+Ps)*Cos(Ph)

Next

……

End Sub

在Visual Basic中选择【运行】/【运行子过程/用户窗口】命令，将在当前文件夹中生成凸轮理论廓线坐标文件“凸轮理论廓线坐标.txt”。

3.2生成凸轮理论廓线

返回到SolidWorks零件界面，选择【插人】/【曲线】/【通过XYZ点的曲线】命令，在出现的对话框中单击“浏览…”按钮，选择上述保存的“凸轮理论廓线坐标.txt”文件，单击“确定”按钮，则在SolidWorks中将凸轮理论廓线以样条曲线方式绘出。

3.3 绘制凸轮实际廓线单击【前视基准】，选择【工具】/【草图绘制工具】/【等距实体】命令，输人推杆滚子半径l0mm，将曲线转换成草图曲线，得到凸轮实际廓线，在原点处绘制凸轮轴孔。 3.4 凸轮三维实体造型以距离

3.3 绘制凸轮实际廓线

单击【前视基准】，选择【工具】/【草图绘制工具】/【等距实体】命令，输人推杆滚子半径l0mm，将曲线转换成草图曲线，得到凸轮实际廓线，在原点处绘制凸轮轴孔。

3.4 凸轮三维实体造型

以距离10mm拉伸草图轮廓，得到凸轮三维实体，如图2所示。

图2 凸轮三维实体造型

4 基于COSMOSMotion的运动仿真

4.1 装配体中配合的要求

为了使推杆处于初始位置，需要在凸轮上作一条辅助线，此辅助线穿过凸轮基圆与凸轮上升曲线的交点。装配时，使该辅助线与推杆的竖直边线呈“平行”约束，然后对滚子表面与凸轮表面施加“相切”约束，这样推杆处于所要求的初始位置，最后将上述的“平行与“相切”约束进行“压缩”，目的是使该约束不影响后面的运动仿真;其它构件的配合皆属于常规配合，在此不再赘述。

4.2 基于COSMOSMotion的运动仿真

完成凸轮机构的装配体后，在设计树上选择运动分析图标，切换到COSMOSMotion运动分析模块。将机架设置为【静止零部件】，其余设置为【运动零部件】。将凸轮与机架的旋转副设置为运动驱动，凸轮角速度ω为-360(°)/s(负号表示凸轮逆时针转动)，设置仿真时间为1s(凸轮正好转一圈)。在设计树中右击【约束】/【碰撞】/【添加曲线与曲线碰撞】，分别选择滚子与凸轮的轮廓边线，这样在凸轮转动时，滚子始终与凸轮廓线弹性接触。单击“仿真”按钮，对凸轮机构进行运动仿真。

4.3 仿真结果的分析

在COSMOSMotion中右击【推杆-1】，选择【绘制曲线】/【质心位置】/【Y(y)】，得到推杆位移曲线，如图3所示。同样得到推杆的速度曲线，如图4所示。