謝良勝，寸立崗，柳彥虎

（蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730070）

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，CAD、CAE 和CAD/CAE/CAM 一體化在機(jī)械零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核、性能分析和模擬仿真加工等方面得到了廣泛應(yīng)用［1］。將CAD/CAE/CAM 一體化技術(shù)運(yùn)用到凸輪的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，不僅滿(mǎn)足了凸輪的使用要求，而且降低生產(chǎn)成本，縮短了開(kāi)發(fā)周期。SolidWorks 軟件是一款優(yōu)秀的三維CAD/CAE/CAM 軟件，可以幫助設(shè)計(jì)師們更快、更準(zhǔn)確、更有效地將創(chuàng)新轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌?chǎng)產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的無(wú)圖紙化設(shè)計(jì)與制造，縮短了周期，節(jié)約了成本。

2 凸輪基本參數(shù)的確定

在對(duì)凸輪進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)之前，需先確定凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律、凸輪基圓半徑以及滾子半徑。

2.1 凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律的確定

以某微動(dòng)開(kāi)關(guān)上的凸輪機(jī)構(gòu)為例，其工作場(chǎng)合為低速輕載，設(shè)計(jì)要求為凸輪以等角速度100r/min 逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng),在凸輪的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期里，要求滾子在凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)70°后等速上升10mm；凸輪轉(zhuǎn)到150°處，滾子靜止不動(dòng)；凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)220°處，滾子等速下降10mm；凸輪再繼續(xù)轉(zhuǎn)到起點(diǎn)處時(shí)，滾子靜止不動(dòng)。得凸輪的位移線圖如圖1 所示。

圖1中，δ為凸輪的轉(zhuǎn)角，h為滾子的行程。

圖1 凸輪的位移線圖

2.2 凸輪基圓半徑的選取以及滾子半徑的確定

為了使用方便，在工程上現(xiàn)已制備了根據(jù)推桿幾種常見(jiàn)規(guī)律確定許用壓力角和基圓半徑關(guān)系的諾模圖，供近似確定凸輪的基圓半徑或校核凸輪機(jī)構(gòu)最大壓力角時(shí)使用［2］，如圖2 所示。

圖2 凸輪設(shè)計(jì)諾模圖

圖中虛線所示：當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)角Φ=70°，最大壓力角αmax=30°時(shí)（對(duì)于直動(dòng)推桿取許用壓力角［α］=30°）［2］，得到h/rb=0.75，由圖1 可知凸輪行程h=10mm，可得凸輪的基圓半徑rb≥13.33mm。再根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸取rb=15mm。采用滾子推桿時(shí)滾子半徑的選擇要考慮滾子結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度以及凸輪輪廓曲線的形狀等方面的因素，通常取滾子半徑rr=（0.1～0.15）rb［2］，因此取滾子半徑rr=2mm。

3 凸輪CAD

圖3 凸輪的三維模型圖

圖4 凸輪機(jī)構(gòu)裝配簡(jiǎn)圖

凸輪的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是作圖法和解析法。圖解法存在手工繪圖誤差大、加工精度差等缺點(diǎn)。解析法存在凸輪程序復(fù)雜，對(duì)編程人員的要求比較嚴(yán)格等缺點(diǎn)，所以，凸輪的傳統(tǒng)方法在滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)凸輪的精度要求時(shí)受到了很大的限制［3］。SolidWorks 自帶的“Toolbox”插件是一種零件標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，使用十分方便。對(duì)于稍微熟悉SolidWorks的人員來(lái)說(shuō)很快就能掌握。但是惟一的缺點(diǎn)就是其直接生成的凸輪輪廓曲線不是光滑連續(xù)的，運(yùn)用到實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合將會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊和噪聲。文獻(xiàn)［4］中采用了對(duì)“Toolbox”插件直接生成的凸輪實(shí)體進(jìn)行重新“編輯草圖”，然后再使用樣條曲線工具欄中的“套合樣條曲線”的方法使得凸輪輪廓線光滑連續(xù)，成功解決了這一問(wèn)題。凸輪的生成過(guò)程主要是對(duì)話框中“設(shè)置”、“運(yùn)動(dòng)”以及“生成”三個(gè)標(biāo)簽的參數(shù)的輸入。其大致步驟如下：“設(shè)置”主要用來(lái)定義凸輪、推桿的類(lèi)型以及相應(yīng)的尺寸；“運(yùn)動(dòng)”主要是設(shè)置凸輪的運(yùn)動(dòng)類(lèi)型以及相應(yīng)的結(jié)束半徑和凸輪轉(zhuǎn)角；“生成”主要用來(lái)定義凸輪造型的各個(gè)參數(shù)。

將上述標(biāo)簽中分別輸入凸輪的相應(yīng)的基本參數(shù)和要求，再利用文獻(xiàn)［4］中介紹的方法生成了輪廓連續(xù)的凸輪如圖3 所示。

4 凸輪運(yùn)動(dòng)仿真

COSMOS/Motion 作為SolidWorks 軟件平臺(tái)的一款插件，通過(guò)對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能的仿真分析，得到凸輪曲線的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)從而判斷凸輪設(shè)計(jì)的優(yōu)劣以及是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求［5］。為了驗(yàn)證推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是否符合要求，應(yīng)該設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的凸輪機(jī)構(gòu)對(duì)凸輪進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。建立凸輪和滾子“凸輪配合”（SolidWorks 軟件配合選項(xiàng)卡里自帶）的機(jī)械配合關(guān)系并完成其他零部件的配合關(guān)系，建立如圖4 所示的凸輪機(jī)構(gòu)裝配體模型。

在凸輪機(jī)構(gòu)的裝配圖的基礎(chǔ)上，在凸輪軸處加一馬達(dá)，并設(shè)置轉(zhuǎn)速為100r/min，進(jìn)行凸輪的運(yùn)動(dòng)仿真。為了驗(yàn)證滾子推桿的運(yùn)動(dòng)性能是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，我們選擇滾子為目標(biāo)，輸出滾子在豎直方向上的位移、速度及加速度曲線，相應(yīng)的輸出圖形如圖5 所示。

圖5 滾子的線性位移、速度、加速度圖

圖中均以凸輪的旋轉(zhuǎn)時(shí)間作為橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)分別反映了凸輪輪廓線的相應(yīng)的線位移、速度及加速度性能。圖中的位移曲線比較平緩，與圖1 凸輪的位移線圖基本一致；速度曲線基本滿(mǎn)足了等速上升和等速下降的運(yùn)動(dòng)要求，證明凸輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律基本滿(mǎn)足了要求。加速度略有突變，但變化值較小，說(shuō)明沖擊較小，符合等速直線運(yùn)動(dòng)常用在低速和輕載場(chǎng)合的原則。綜上可知，此處凸輪的輪廓曲線具有一定的合理性，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。

5 凸輪CAE

計(jì)算機(jī)輔助工程CAE 指用計(jì)算機(jī)輔助求解分析復(fù)雜工程和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能等。我們有必要對(duì)凸輪在運(yùn)動(dòng)過(guò)程的運(yùn)動(dòng)載荷，尤其是在凸輪加速度突變的時(shí)候的載荷進(jìn)行定量分析，以校核凸輪的強(qiáng)度是否足夠。Simulation 是與SolidWorks 無(wú)縫集成的有限元分析系統(tǒng)，它是作為一個(gè)插件供用戶(hù)選購(gòu)。在COSMOSMotion 對(duì)凸輪的運(yùn)動(dòng)分析的基礎(chǔ)上，利用Simulation 插件分析就可以得到凸輪在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)載荷分布。由圖5中的加速度與時(shí)間的關(guān)系，在選擇時(shí)間步進(jìn)行計(jì)算機(jī)有限元計(jì)算的時(shí)候，為了節(jié)約時(shí)間，在此選擇時(shí)間步為加速度突變發(fā)生的時(shí)間，設(shè)置時(shí)間為0.5～0.75s。設(shè)置凸輪材料為1203 碳鋼板（ss）進(jìn)行有限元計(jì)算，分析結(jié)果如圖6 所示。

圖6 凸輪的應(yīng)力分布云圖

由圖6 可知，凸輪在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的最大應(yīng)力為9335Pa，可知凸輪在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中當(dāng)加速度有突變時(shí)的最大應(yīng)力很小，遠(yuǎn)小于凸輪材料的屈服強(qiáng)度283MPa，滿(mǎn)足使用條件。因此在低速輕載的情況下使用等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律是合適的。

6 凸輪CAM

傳統(tǒng)的凸輪加工方法是劃線后采用銑床或用手工銼削而成，精度低，誤差大；或者運(yùn)用手動(dòng)編程進(jìn)行數(shù)控加工，由于凸輪輪廓的復(fù)雜性，對(duì)編程人員的要求比較高，極大地增加了凸輪的加工周期。本文以SolidCAM為平臺(tái)進(jìn)行凸輪的數(shù)控銑床的模擬仿真加工。SolidCAM 是完全關(guān)聯(lián)于SolidWorks 模型的計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）軟件。是內(nèi)置的SolidWorks中最完整的、最佳的加工解決方案，其高效的操作為CNC編程提供更多的價(jià)值。對(duì)于凸輪來(lái)說(shuō)，其模擬加工過(guò)程如圖7 所示。

圖7 凸輪的模擬加工流程

開(kāi)始：主要包括將SolidWorks 已經(jīng)建立好的凸輪的三維模型進(jìn)行加載和啟動(dòng)SolidCAM 軟件，并新建模擬數(shù)控銑床加工。

定義加工原點(diǎn)：SolidCAM 會(huì)自動(dòng)定義加工坐標(biāo)系和加工原點(diǎn)，Z 軸會(huì)自動(dòng)垂直與我們要選取的加工平面。

定義毛坯和加工模型：SolidCAM 根據(jù)凸輪的形狀會(huì)自動(dòng)形成毛坯的形狀，設(shè)定凸輪的輪廓面為加工模型的外形輪廓。

圖8 “模擬”對(duì)話框

零件的模擬：在完成以上的設(shè)定以后，單擊模擬按鈕，彈出如圖8 所示的“模擬”對(duì)話框，SolidCAM 會(huì)自動(dòng)進(jìn)行對(duì)凸輪的仿真模擬加工。模擬結(jié)果如圖8所示。

單擊“模擬”對(duì)話框中的任一項(xiàng)，如3D 實(shí)體模擬，就可查看凸輪的模擬仿真加工過(guò)程。其目的主要是檢驗(yàn)自動(dòng)生成的數(shù)控程序語(yǔ)法的正確性、加工過(guò)程中是否出現(xiàn)干涉或刀具軌跡不符的現(xiàn)象等，減少了設(shè)備、刀具和工件之間的損壞，也避免了凸輪傳統(tǒng)方法加工中試切試驗(yàn)，節(jié)約了成本［6］。

輸出G 代碼：檢查模擬結(jié)果沒(méi)有問(wèn)題的情況下，就可以生成G 代碼，G代碼是以文本的格式被保存，如圖9 所示，通過(guò)微機(jī)和數(shù)控裝置之間的RS232 串行通訊傳工具將G代碼傳送給數(shù)控機(jī)床，完成對(duì)凸輪的實(shí)體加工。減少了人工編程，提高了效率。

圖9 凸輪G 代碼

7 結(jié)語(yǔ)

本文以SolidWorks 軟件及其各種插件為平臺(tái)介紹了凸輪的CAD/CAE/CAM 一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了凸輪的從研發(fā)、設(shè)計(jì)到制造的無(wú)圖紙化生產(chǎn)，縮短了周期，極大地減少了成本。同時(shí)也對(duì)其他機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)有一定的借鑒意義。本文的不足之處就是只是對(duì)凸輪進(jìn)行了模擬仿真加工，由于條件限制沒(méi)能進(jìn)行實(shí)體加工，無(wú)法進(jìn)一步驗(yàn)證G 代碼的正確性。

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［4］曹巖，趙汝嘉.SolidWorks 2007 精通篇［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

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