趙仙花 張毅

（1.德州學(xué)院汽車工程系，山東德州 253023；2.中輕集團(tuán)長(zhǎng)沙長(zhǎng)泰機(jī)械股份有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410116）

基于Pro/ENGINEER的凸輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析設(shè)計(jì)

趙仙花1張毅2

（1.德州學(xué)院汽車工程系，山東德州 253023；2.中輕集團(tuán)長(zhǎng)沙長(zhǎng)泰機(jī)械股份有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410116）

文章主要是利用Pro/E軟件對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)和三維建模，在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析和動(dòng)態(tài)分析，為設(shè)計(jì)人員所設(shè)計(jì)的凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)一步方便而快速的改進(jìn)和優(yōu)化提供依據(jù)。這對(duì)提高凸輪機(jī)構(gòu)的性能、設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率具有實(shí)際價(jià)值和長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。

凸輪機(jī)構(gòu)；參數(shù)化設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)仿真；動(dòng)態(tài)分析

0.引言

凸輪機(jī)構(gòu)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、響應(yīng)快速，但又能實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的一種機(jī)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)機(jī)械、儀器和操縱控制裝置[1]。而且由于其結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)使得凸輪機(jī)構(gòu)不可能被數(shù)控、電控等裝置完全替代。因此，凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)分析及其動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的分析研究也愈來(lái)愈重要。利用Pro/E不僅可以快速準(zhǔn)確地進(jìn)行凸輪機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體造型，直觀地再現(xiàn)出產(chǎn)品的外觀，并可以利用Mechanism和Mechanica模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和動(dòng)態(tài)分析，來(lái)驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的合理性、可行性，通過(guò)分析再利用Pro/E的二次開(kāi)發(fā)工具模塊Program就能夠很方便地實(shí)現(xiàn)凸輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)，對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行修正，生成新的凸輪機(jī)構(gòu)。這樣，可以減少了繁瑣的重復(fù)勞動(dòng)，從而大大提高了設(shè)計(jì)效率和精度。

1.凸輪機(jī)構(gòu)的參數(shù)化建模

1.1 凸輪的可變參數(shù)

凸輪的可變參數(shù)包括基圓半徑、行程、推程角、遠(yuǎn)休角、回程角、近休角、滾子半徑、偏距、孔徑、凸輪厚度等。

1.2 基本設(shè)計(jì)思路

（1）根據(jù)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律及結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，獲得以極坐標(biāo)或直角坐標(biāo)表示的凸輪理論廓線方程，以及上述各參數(shù)。滾子半徑為0，對(duì)應(yīng)尖頂從動(dòng)件，而偏距為0，對(duì)應(yīng)對(duì)心從動(dòng)件。因此，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，可涵蓋較多類型的凸輪機(jī)構(gòu)。

（2）在Pro/E【程序】編輯器中，設(shè)定上述各參數(shù)，并在退出后輸入各參數(shù)值。

（3）利用Pro/E的【方程】功能，分別繪制凸輪理論廓線，其表達(dá)式中帶入前面設(shè)定的各變量名。

（4）繪制一條由分段理論廓線組成的封閉曲線，即完整的凸輪理論廓線。

（5）生成凸輪實(shí)體。在生成過(guò)程中要隱藏分段曲線，即利用封閉曲線，并加入滾子半徑參數(shù)。

（6）加入?yún)⒆兞?，?shí)現(xiàn)參數(shù)化。

1.3 設(shè)計(jì)步驟

（1）創(chuàng)建新的零件文件

文件→新建→輸入零件名稱→確定

（2）參數(shù)輸入

工具→程序→編輯設(shè)計(jì)→打開(kāi)記事本，在INPUT和END INPUT之間輸入?yún)?shù)如下，存盤并退出。

INPUT

jybj NUMBER；基圓半徑

h NUMBER；行程

tcj NUMBER；推程角

yxj NUMBER；遠(yuǎn)休角

hcj NUMBER；回程角

jxj NUMBER；近休角

gzbj NUMBER；滾子半徑

kj NUMBER；孔徑

pj NUMBER；偏距

hd NUMBER；厚度

END INPUT

→在信息窗口選“是”，以便輸入?yún)?shù)值→輸入→選取全部→完成選取

根據(jù)信息窗口提示，各參數(shù)賦初值如下：jybj=60；h=60；tcj=110；yxj=100；hcj=100；jxj=50；gzbj=10；kj=30；pj=0；hd=35

（3）分段繪制理論廓線

根據(jù)上述原理，以設(shè)計(jì)正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律的凸輪為例，利用方程曲線功能，分段繪制凸輪理論廓線如下。

推程段：

插入基準(zhǔn)曲線→從方程→完成→選擇系統(tǒng)默認(rèn)坐標(biāo)系→選擇坐標(biāo)系類型為圓柱坐標(biāo)系→進(jìn)入方程編輯器。輸入曲線方程表達(dá)式如下，保存，退出編輯器。

theta1=tcj*t

r0=sqrt(jybj*jybj-pj*pj)

r1=r0+h*(t-sin(360*t)/2/pi)

theta=theta1+atan(pj/r0)

r=sqrt(pj*pj+r1*r1)

z=0

其它三段曲線的繪制方法同上，對(duì)應(yīng)的曲線方程分別為：

遠(yuǎn)休段：

theta1=tcj+yxj*t

r0=sqrt(jybj*jybj-pj*pj)

r1=r0+h

theta=theta1+atan(pj/r0)

r=sqrt(pj*pj+r1*r1)

z=0

回程角：

theta1=tcj+yxj+hcj*t

r0=sqrt(jybj*jybj-pj*pj)

r1=r0+h*(1-t+sin(360*t)/2/pi)

theta=theta1+atan(pj/r0)

r=sqrt(pj*pj+r1*r1)

z=0

近休角：

theta1=tcj+yxj+hcj+jxj*t

r0=sqrt(jybj*jybj-pj*pj)

r1=r0

theta=theta1+atan(pj/r0)

r=sqrt(pj*pj+r1*r1)

z=0

（4）分段廓線連成整體

（5）生成凸輪實(shí)體

為了避免在后面的曲線點(diǎn)選過(guò)程中出現(xiàn)干擾，隱藏分段繪制的4段曲線，使畫面上僅存封閉曲線。在左側(cè)模型特征樹(shù)中點(diǎn)選相應(yīng)的曲線，右鍵→隱藏即可。

現(xiàn)有理論廓線為對(duì)應(yīng)尖頂推桿或滾子推桿對(duì)應(yīng)滾子中心的凸輪廓線，在滾子推桿情況下，凸輪實(shí)際廓線應(yīng)考慮滾子半徑?？衫玫染嗥镁€功能完成如下：

圖1 凸輪三維模型

（6）特征參數(shù)化

在上述建模過(guò)程中，凸輪廓線由于是以方程曲線方式建立的，因而已經(jīng)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化了。但滾子半徑、凸輪厚度以及孔徑尚未實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，需使其成為變量，與先前在程序中設(shè)定的gzbj、hd和kj等參數(shù)相聯(lián)系。具體方法如下：

滾子半徑與厚度參數(shù)化：點(diǎn)擊凸輪實(shí)體→模型特征樹(shù)對(duì)應(yīng)項(xiàng)呈高亮顯示→右鍵點(diǎn)擊該項(xiàng)→編輯→途中將顯示偏置距離10以及凸輪厚度35→工具→關(guān)系→上述尺寸值將變?yōu)閰?shù)符號(hào)，并彈出關(guān)系對(duì)話框，對(duì)應(yīng)參數(shù)符號(hào)d1、d0輸入：d1=pj、d0=hd→確定。

孔徑參數(shù)化：點(diǎn)擊軸孔→模型特征樹(shù)對(duì)應(yīng)項(xiàng)呈高亮顯示→右鍵點(diǎn)擊該項(xiàng)→編輯→工具→關(guān)系→上述尺寸值將變?yōu)閰?shù)符號(hào)，并彈出關(guān)系對(duì)話框，對(duì)應(yīng)參數(shù)符號(hào)d2輸入：d2=kj→確定。

（7）凸輪變參

改變各參數(shù)值，可獲得不同的凸輪廓線、凸輪厚度及孔徑。具體做法：點(diǎn)擊圖標(biāo)：→→輸入→在彈出的對(duì)話框內(nèi)，點(diǎn)選需要變參的項(xiàng)目→完成選取→在彈出的信息窗口內(nèi)，輸入相應(yīng)參數(shù)值→點(diǎn)擊圖標(biāo)。

對(duì)應(yīng)不同參數(shù)組的凸輪模型如圖2所示。其中g(shù)zbj=0和pj=0對(duì)應(yīng)對(duì)心尖頂推桿。

圖2 參數(shù)化的凸輪模型

2.凸輪機(jī)構(gòu)的裝配

通過(guò)Pro/E軟件的裝配模塊Assembly，將先前建立的凸輪機(jī)構(gòu)中的各零件：機(jī)架、凸輪、滾子、軸銷以及推桿進(jìn)行裝配，完成凸輪機(jī)構(gòu)的創(chuàng)建。新建一個(gè)asm文件，點(diǎn)添加組件，逐一添加組件并定義互相接觸的零件間的連接類型，使它們具有相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)自由度。在Pro/E系統(tǒng)的裝配模式中，以系統(tǒng)缺省位置固定機(jī)架零件作為基礎(chǔ)，使用銷釘連接方式分別連接凸輪與機(jī)架、滾子與推桿；并用滑動(dòng)桿連接方式連接推桿與機(jī)架。裝配圖如圖3所示。并檢查組件間是否會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉。

圖3 凸輪機(jī)構(gòu)的裝配圖

3.凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真和動(dòng)態(tài)分析

圖4 位移、速度、加速度分析圖

圖5 軸轉(zhuǎn)矩

圖6 凸輪與從動(dòng)件滾子法向力、凸輪最大壓力角

4.結(jié)語(yǔ)

利用Pro/E軟件的強(qiáng)大三維實(shí)體建模功能和二次開(kāi)發(fā)工具模塊Program可以很方便地實(shí)現(xiàn)凸輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)，直觀地再現(xiàn)出產(chǎn)品的外觀，而且設(shè)計(jì)精度好、效率高。并可以Pro/E中的Mechanism和Mechanica兩個(gè)模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和動(dòng)態(tài)分析，對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的位移、速度、加速度、凸輪壓力角、軸的受力、扭矩、凸輪與推桿之間的作用力等量進(jìn)行測(cè)量分析，分析機(jī)構(gòu)性能，以此來(lái)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的合理性、可行性，并為設(shè)計(jì)人員提供修改依據(jù)，協(xié)助設(shè)計(jì)人員更好地、更快地完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作，使產(chǎn)品能更好地滿足工程和性能要求。而且由于凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)，所以，修改時(shí)非常方便，設(shè)計(jì)人員只要對(duì)已有的凸輪機(jī)構(gòu)模型的參數(shù)進(jìn)行變更就可以生成新的凸輪機(jī)構(gòu)。對(duì)于減少產(chǎn)品的試驗(yàn)環(huán)節(jié)、提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量以及設(shè)計(jì)效率、降低成本有著非常重要的意義。

[1]孫恒，陳作模.機(jī)械原理（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2006：151-152.

[2]王詠梅.Pro/ENGINEER Wildfire 4.0中文版基礎(chǔ)教程[M].北京:清華大學(xué)出版社，2008.

[3]張繼春，楊建國(guó).裝配設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真及Pro/E實(shí)現(xiàn)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

[4]祝凌云，李斌.PROE運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析[M].北京:人民郵電出版社，2004.

[5]張華，郭榮春，周進(jìn).挖掘機(jī)動(dòng)臂在Pro/E中的動(dòng)態(tài)模擬與分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2005，（1）:26－27.

（責(zé)任編輯 陳永康）

TH112.2

A

1008－7257（2015）02－0105－03

2014－07－14

趙仙花（1977－），女，山西忻州人，德州學(xué)院講師，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及制動(dòng)化。