張恩光，王麗，黃冠元，惠帥

(1.吉林大學(xué)珠海學(xué)院，廣東 珠海519041；2.廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州510006)

0 引言

凸輪機構(gòu)是實現(xiàn)機械自動化和半自動化中應(yīng)用比較廣的一種機構(gòu)，凸輪機構(gòu)突出的優(yōu)點是適當?shù)拇_定凸輪輪廓線就可以實現(xiàn)比較復(fù)雜的運動規(guī)律［1］。從動件的運動規(guī)律與特性會直接影響到整個凸輪機構(gòu)的運動學(xué)、動力學(xué)等特性［1］。因此采用高精度的設(shè)計和加工方法已經(jīng)非常必要。隨著計算機輔助設(shè)計、分析的技術(shù)的飛速發(fā)展，凸輪輪廓曲線的計算機輔助設(shè)計方法逐漸豐富起來［1］，同時越來越多的制造業(yè)信息化軟件可以實現(xiàn)凸輪輪廓線的設(shè)計及凸輪機構(gòu)的運動仿真。NX8.0是集CAD/CAE/CAM為一體的功能強大的三維參數(shù)化軟件，它的功能覆蓋了產(chǎn)品的全生命周期過程［1］?，F(xiàn)以NX8.0為平臺，介紹了盤形凸輪輪廓曲線的參數(shù)化設(shè)計方法，對凸輪輪廓曲線做了曲線連續(xù)性分析，并通過運動分析對仿真結(jié)果和理論設(shè)計結(jié)果的一致性做了驗證，同時對凸輪的參數(shù)化驅(qū)動做了驗證。

1 凸輪的理論輪廓線

某直動從動件盤形凸輪機構(gòu)，從動件行程h=50mm，推程和回程均采用擺線運動規(guī)律，擺線運動規(guī)律的從動件加速度沒有突變，可以避免柔性沖擊和剛性沖擊［1］。偏距e=0，并且推程運動角Φ=120°、遠休止角Φs=45°、回程運動角Φ＇=100°、近休止角=95°，基圓半徑 r0=110mm。

凸輪輪廓線方程:

從動件在不同階段的位移方程:

于是得到輪廓曲線分別在x、y的方程:

2 基于NX的凸輪輪廓線建立

使用建模模塊的“表達式”及“規(guī)律曲線”創(chuàng)建凸輪的輪廓曲線。

2.1 創(chuàng)建表達式

新建NX文件cam.prt，單位:mm。進入NX建模模塊后，根據(jù)方程(3)、(4)創(chuàng)建以下表達式:

t=1//變量在0～1之間變化

h=50//行程

r=110//基圓半徑

p=pi()//圓周率

a1=120*t//

a2=120+45*t//

a3=165+100*t//

a4=265+95*t//

x1=(r+h*a1/120-h*sin(2*180*a1/120)/(2*p))*sin(a1)//推程階段x參數(shù)方程

x2=(r+h)*sin(a2)//遠休止階段x參數(shù)方程

x3=(r+h-h*(a3-165)/100+h*sin(2*180*(a3-165)/100)/(2*p))*sin(a3)//回程階段x參數(shù)方程

x4=r*sin(a4)///近休止階段x參數(shù)方程

y1=(r+h*a1/120-h*sin(2*180*a1/120)/(2*p))*cos(a1)//推程階段y參數(shù)方程

y2=(r+h)*cos(a2)//回程階段y參數(shù)方程

y3=(r+h-h*(a3-165)/100+h*sin(2*180*(a3-165)/100)/(2*p))*cos(a3)//近休止階段y參數(shù)方程

y4=r*cos(a4)//回程階段y參數(shù)方程

zt=0//

以上表達式可以從NX中導(dǎo)出一個.exp文件，可以使用記事本編輯，該文件可以導(dǎo)入到NX文件中［1］。

2.2 使用“規(guī)律曲線”創(chuàng)建凸輪輪廓線

點擊“規(guī)律曲線”，使用“根據(jù)方程”依次創(chuàng)建出凸輪輪廓的四段曲線。具體的創(chuàng)建過程可參閱［3］。然后使用“圓弧/圓”命令創(chuàng)建基圓，半徑為表達式r，再使用直線命令以第一段規(guī)律曲線的起點為端點建立豎直向上沿YC方向，長度為100mm的直線來代表從動件，以上曲線和直線都為特征。此時圖形窗口如圖1所示。

圖1 凸輪的輪廓曲線

2.3 曲線連續(xù)性分析

使用“形狀分析”工具條的“曲線連續(xù)性分析”命令對凸輪的四段輪廓曲線在彼此的交點處的曲線連續(xù)性進行分析，結(jié)果顯示所有相鄰曲線都是相切連續(xù)，驗證了設(shè)計的精度。

3 凸輪的運動仿真

NX8.0的運動仿真模塊和建模模塊無縫連接，可以在不建立實體、不裝配的情況下進行機構(gòu)的運動規(guī)律分析，還可以做零件間的干涉分析、跟蹤零件的運動軌跡、分析零件在不同參考系的位移、速度、加速度、力和扭矩等。NX8.0的運動仿真模塊可以使用Adams或RecurDyn解算器進行解算。

3.1 創(chuàng)建連桿、運動副、添加驅(qū)動及解算

選擇主菜單“開始”—“運動仿真”，進入運動仿真模塊，此時可以在運動仿真導(dǎo)航器最頂部的節(jié)點上單擊右鍵，選擇“新建仿真”建立一個新的仿真方案，運動環(huán)境設(shè)置為“運動學(xué)”。

單擊“運動”工具條上的“連桿”命令，選擇凸輪的5條曲線(包括基圓)，“確定”創(chuàng)建連桿L001。以同樣的方法選擇直線創(chuàng)建出連桿L002。

單擊“運動”工具條上“運動副”命令選擇連桿L001的基圓添加旋轉(zhuǎn)副，單擊運動副的“驅(qū)動”標簽，為運動副添加“恒定”驅(qū)動，初速度為360。單擊“運動”工具條上“運動副”命令，設(shè)置“類型”為“滑動副”，選擇連桿L002，無驅(qū)動。以上兩個運動副均接地。

單擊“運動”工具條上“點在曲線上”命令約束連桿運動，在“指定點”選項中選擇直線的下端點，在“選擇曲線”選項中依次選擇凸輪的4條輪廓曲線(不包含基圓)，確定完成添加。

單擊“運動”工具條上“解算方案”命令添加解算方案，時間為1秒，步數(shù)為500步。在運動導(dǎo)航器的Solution_1節(jié)點處單擊右鍵“解算”。此時運動導(dǎo)航器和圖形窗口如圖2所示

圖2 凸輪的運動分析

3.2 生成運動曲線

使用“動畫控制”工具條的“播放”命令可以觀看凸輪機構(gòu)的運動仿真動畫。

使用“運動”工具條的“作圖”命令，可以生成從動件相對絕對坐標系原點的位移和速度曲線。此時出現(xiàn)“圖表”對話框。

添加從動件位移曲線:選擇運動副J002，其它選項依次是“位移”、“Y”、“絕對”。

添加從動件速度曲線:選擇運動副J002，其它選項依次是“速度”、“Y”、“絕對”。

單擊“確定”生成圖表如圖3所示從動件的速度曲線和位移曲線，運動分析結(jié)果符合理論設(shè)計結(jié)果。

4 驗證凸輪設(shè)計的參數(shù)化驅(qū)動

返回主模型文件cam.prt，將表達式 h=50，r=110。更改為h=40，r=80，此時模型更新，重新解算并生成從動件的位移和速度曲線。如圖4所示。更改表達式后的運動分析結(jié)果充分驗證了凸輪輪廓線參數(shù)化設(shè)計的合理性。整個凸輪的推程、回程運動角也都可以參數(shù)化更新，這里不再驗證。

圖3 從動件速度曲線和位移曲線

圖4 更新后的從動件速度曲線和位移曲線

5 結(jié)語

相對于傳統(tǒng)的作圖法，基于NX8的盤形凸輪的參數(shù)化設(shè)計方法能夠充分保證設(shè)計精度，針對關(guān)鍵變量的參數(shù)化，大大提高了模型可編輯性與重用性。而NX8的運動仿真模塊可以直觀的展示機構(gòu)的運動過程，分析運動規(guī)律，并且與NX建模模塊無縫連接，確保了設(shè)計過程中的CAD和CAE一體化。

［1］秦榮榮，崔可維.機械原理［M］.長春:吉林科學(xué)技術(shù)出版社，2000:72-73.

［2］張春林.機械原理［M］.北京:高等教育出版社，2006:243.

［3］金秀慧.平行分度凸輪工作曲線CAD參數(shù)化軟件設(shè)計［J］.機械制造與自動化，2009，38(6):35-36，58.

［4］張恩光，王麗.基于UG NX7.5圓柱凸輪的參數(shù)化設(shè)計及運動分析［J］.煤礦機械，2013，34(4):259-261.

［5］李繼慶，李育錫.機械設(shè)計基礎(chǔ)［M］.北京:高等教育出版社，2006:94.