吳 斌,鐘曉勤,侯懷書(shū)

(上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200235)

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基于Inventor運(yùn)動(dòng)仿真創(chuàng)建凸輪輪廓的方法

吳 斌,鐘曉勤,侯懷書(shū)

(上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200235)

以Inventor草圖為骨架裝配機(jī)構(gòu)，根據(jù)預(yù)定的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律在Inventor運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境下創(chuàng)建出凸輪輪廓，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了創(chuàng)建的凸輪機(jī)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求.該方法創(chuàng)建過(guò)程便捷、設(shè)計(jì)結(jié)果正確、創(chuàng)建方法適用性廣，為凸輪輪廓的設(shè)計(jì)提供了一種簡(jiǎn)便可行的方法.

運(yùn)動(dòng)仿真；運(yùn)動(dòng)規(guī)律；凸輪輪廓

0 引 言

凸輪機(jī)構(gòu)在機(jī)械和半自動(dòng)機(jī)械中應(yīng)用廣泛，通常凸輪作等速運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)從動(dòng)件按設(shè)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)或擺動(dòng).在設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)，一般都事先設(shè)定從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，再按從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)出凸輪的輪廓.獲取凸輪輪廓的方法有圖解法和解析法兩種，兩種方法的基本原理一樣，都是采用反轉(zhuǎn)法原理.其中圖解法作圖過(guò)程繁瑣，且更換條件后需要重新作圖，優(yōu)點(diǎn)是作圖結(jié)果直觀形象；解析法需要建模編程，一次編程后可以在不同條件下使用.兩種方法共同的不足是不能對(duì)所獲得的凸輪輪廓進(jìn)行驗(yàn)算[1].

采用基于Inventor運(yùn)動(dòng)仿真創(chuàng)建凸輪輪廓相對(duì)來(lái)說(shuō)也非常方便，且無(wú)需編程，利用Inventor尺寸驅(qū)動(dòng)的功能可使創(chuàng)建的凸輪輪廓適應(yīng)不同的工作條件，最有利的一點(diǎn)是，可以對(duì)獲得的凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，生成從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而檢驗(yàn)凸輪輪廓是否符合要求.

1 基于Inventor運(yùn)動(dòng)仿真創(chuàng)建凸輪輪廓

1.1 運(yùn)動(dòng)仿真的基本要求

案例1：某包裝機(jī)構(gòu)的下折紙運(yùn)動(dòng)采用了偏置直動(dòng)滾子從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖1所示，要求凸輪以200r/min逆時(shí)針作等速轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪基圓半徑為80mm，偏距為20mm，直動(dòng)滾子從動(dòng)件行程為40mm，滾子半徑為10mm，從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如表1所示.

圖1 偏置直動(dòng)滾子從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)

表1 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律

1.2 仿真前準(zhǔn)備工作

在Inventor運(yùn)動(dòng)仿真創(chuàng)建凸輪輪廓時(shí)，可以通過(guò)導(dǎo)入樣條曲線(xiàn)的方式獲取任意指定的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律.根據(jù)案例要求，可以結(jié)合電子表格Excel生成所需的樣條曲線(xiàn).電子表格中必須有兩列內(nèi)容，一列為時(shí)間系列，即凸輪以200r/min等速回轉(zhuǎn)相應(yīng)角度時(shí)所耗費(fèi)的時(shí)間，其二是修正位移，即相應(yīng)時(shí)間所對(duì)應(yīng)的從動(dòng)件相對(duì)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心的垂直位移.選取時(shí)間和修正位移兩列數(shù)據(jù)，生成“.txt”文本文件待用.

1.3 運(yùn)動(dòng)仿真創(chuàng)建凸輪輪廓方法[2,4-5]

通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真創(chuàng)建凸輪輪廓步驟如下：

(1)分別創(chuàng)建四個(gè)零件圖，為從動(dòng)推桿、機(jī)架、凸輪輪心和滾子，各零件圖均用概念草圖[3]表達(dá).

(2)創(chuàng)建裝配圖，裝配四個(gè)零件，如圖2所示.

圖2 四個(gè)零件的裝配圖

(3)由“環(huán)境”菜單選擇“運(yùn)動(dòng)仿真”選項(xiàng)，在瀏覽器窗口找到“標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)型”中的“平移：(機(jī)架1，推桿1)”，激活其特性上的的自由度選項(xiàng)卡，啟用“位置”作為驅(qū)動(dòng)條件，選擇“輸入圖示器對(duì)話(huà)框”，在下拉菜單中選擇“樣條曲線(xiàn)”，加載上述的“.txt”文本文件，生成推桿位移線(xiàn)圖，如圖3所示.

圖3 樣條曲線(xiàn)生成的推桿位移

(4)運(yùn)動(dòng)仿真，在輸出圖示器上選擇“軌跡”命令，在彈出框上，勾選數(shù)值和軌跡選項(xiàng)，軌跡原點(diǎn)選取推桿的尖頂點(diǎn)，參考系選取凸輪心.

(5)激活構(gòu)造模式，設(shè)定凸輪心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角速度為1200deg/s.再運(yùn)行仿真，且設(shè)定仿真時(shí)間為0.3s.仿真后生成凸輪的理論輪廓如圖4所示.

圖4 生成凸輪輪廓

(6)在輸出圖示器的瀏覽器中選擇軌跡，單擊右鍵選擇“輸出到草圖”命令，在圖形窗口選定凸輪心，即可得到凸輪理論輪廓的零件圖.

(7)打開(kāi)凸輪心的零件圖，可以見(jiàn)到該零件圖已作改變，多出了一條樣條曲線(xiàn)，該樣條曲線(xiàn)即為所求凸輪的理論輪廓曲線(xiàn)，即圖5中的樣條曲線(xiàn).利用偏置功能，將理論輪廓曲線(xiàn)向內(nèi)偏置.從輪心向外作任一徑向線(xiàn)，通過(guò)兩曲線(xiàn)修剪得到一個(gè)線(xiàn)段，將線(xiàn)段長(zhǎng)度定為滾子半徑，則偏置后的輪廓曲線(xiàn)自動(dòng)調(diào)整為與理論輪廓法向等距為滾子半徑的實(shí)際輪廓曲線(xiàn).

圖5 凸輪的輪廓曲線(xiàn)

2 運(yùn)動(dòng)仿真創(chuàng)建凸輪輪廓的優(yōu)勢(shì)

2.1 實(shí)時(shí)檢驗(yàn)凸輪輪廓的正確性[2,4-5]

(1)新建裝配圖，分別載入上述的四個(gè)零件圖，其中零件凸輪心中新增出凸輪廓線(xiàn).需要注意的是，凸輪和滾子的裝配必須在運(yùn)動(dòng)仿真窗口進(jìn)行.

(2)轉(zhuǎn)入到Inventor運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境，在瀏覽器窗口中產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)接中沒(méi)有凸輪與從動(dòng)件之間的運(yùn)動(dòng)約束聯(lián)接，需要通過(guò)“插入運(yùn)動(dòng)類(lèi)型”，選擇插入“傳動(dòng)：凸輪-滾子運(yùn)動(dòng)”，生成凸輪與滾子的運(yùn)動(dòng)副.

(3)“仿真”面板激活構(gòu)造模式，選擇凸輪心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，激活其特性上的自由度選項(xiàng)卡，啟用“速度”作為驅(qū)動(dòng)條件，設(shè)定凸輪轉(zhuǎn)速為1200deg/s.

(4)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，錄制動(dòng)畫(huà).在輸出圖示器中，選擇輸出推桿的位移線(xiàn)圖，如圖6所示，其結(jié)果與要求的運(yùn)動(dòng)規(guī)律一致，說(shuō)明通過(guò)仿真獲得的凸輪輪廓是正確的.

圖6 運(yùn)動(dòng)仿真生成的推桿位移線(xiàn)圖

2.2 運(yùn)動(dòng)仿真創(chuàng)建凸輪輪廓便捷、適用范圍廣

2.2.1 適用于擺動(dòng)從動(dòng)件

案例2：凸輪連桿機(jī)構(gòu)中，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)后通過(guò)擺桿帶動(dòng)滑塊左右移動(dòng)，滑塊行程、各桿長(zhǎng)和凸輪軸心位置已知，但凸輪輪廓未知，如圖7所示.現(xiàn)要求按滑塊的運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)主動(dòng)凸輪的輪廓曲線(xiàn)[1：習(xí)題6.11].

設(shè)計(jì)步驟如下：

(1)新建6個(gè)零件圖，分別為擺桿、機(jī)架、連桿、滑塊、滾子及凸輪心.

(2)新建裝配圖，將以上6個(gè)零件載入并裝配，得到如圖7所示的裝配圖.

圖7 創(chuàng)建擺動(dòng)從動(dòng)件輪廓裝配圖

(3)在Inventor運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境下，激活滑動(dòng)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的自由度選項(xiàng)卡，啟用位移驅(qū)動(dòng)條件，并打開(kāi)“輸入圖示器對(duì)話(huà)框”，載入代表滑塊位移的樣條曲線(xiàn)，如圖8所示.

圖8 滑塊的速度線(xiàn)圖

(4)運(yùn)動(dòng)仿真，在輸出圖示器上添加軌跡：原點(diǎn)選取滾子中心點(diǎn)，參考系選取凸輪心.

(5)激活構(gòu)造模式，設(shè)定凸輪心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角速度為常量后運(yùn)行仿真，獲得所需的凸輪輪廓，結(jié)果顯示如圖9所示.

圖9 揮動(dòng)從動(dòng)件凸輪輪廓

2.2.2 利用尺寸驅(qū)動(dòng)可快速獲得不同結(jié)果

案例3：在案例1中，若改變其運(yùn)動(dòng)條件，如凸輪基圓半徑為60mm，偏距為15mm，直動(dòng)滾子從動(dòng)件行程為60mm，滾子半徑為10mm，從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律改為表2所示.

表2 改變后的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律

通過(guò)三個(gè)步驟即可獲得新的結(jié)果：

(1)準(zhǔn)備工作，在電子表格Excel中根據(jù)新的運(yùn)動(dòng)規(guī)律生成新的“.txt”文本文件；

(2)在機(jī)架零件圖中改變偏距；

(3)Inventor在載入裝配圖時(shí)，將根據(jù)最新保存的零件圖自動(dòng)更新，之后，重新設(shè)置“平移：(機(jī)架1，推桿1)”，加載新的樣條曲線(xiàn)”.

在三個(gè)步驟之后，在圖形界面即可獲得新的凸輪輪廓.同樣，也可對(duì)新的凸輪輪廓進(jìn)行驗(yàn)證，圖10(a)為驗(yàn)證凸輪輪廓的機(jī)構(gòu)裝配圖，圖10(b)為仿真后獲得的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律，與要求一致.

圖10 改變條件后獲得的凸輪輪廓

3 結(jié)論

基于Inventor運(yùn)動(dòng)仿真創(chuàng)建凸輪輪廓的方法簡(jiǎn)單、方便，創(chuàng)建過(guò)程中的圖形與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖一致，在解釋機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理方面具有很大的優(yōu)點(diǎn).利

用Inventor尺寸驅(qū)動(dòng)的功能改變某些尺寸可以得到不同的凸輪廓線(xiàn)，如改變基圓半徑、改變偏距、改變運(yùn)動(dòng)規(guī)律等.并且，可以對(duì)獲得的凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，直觀地檢驗(yàn)凸輪機(jī)構(gòu)是否符合要求.

基于Inventor運(yùn)動(dòng)仿真創(chuàng)建凸輪輪廓適用范圍較廣，除適用于不同的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)形式外，還可用于移動(dòng)凸輪等情況.生成的凸輪輪廓座標(biāo)點(diǎn)可直接用于凸輪的數(shù)控加工.因此，基于Inventor運(yùn)動(dòng)仿真創(chuàng)建凸輪輪廓具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值.

[1] 朱 理．機(jī)械原理[M]．北京：高等教育出版社，2010.

[2] 唐湘民．Autodesk Inventor有限元分析和運(yùn)動(dòng)仿真詳解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3] 吳 斌．基于Inventor概念草圖仿真在機(jī)械原理中的應(yīng)用[J].上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014(1)：54-56.

[4] Autodesk.Inc．Autodesk Inventor 2011高級(jí)培訓(xùn)教程[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[5] 胡仁喜,董永進(jìn),鄭 娟,等.Inventor10中文版機(jī) 械設(shè)計(jì)高級(jí)應(yīng)用實(shí)例(第2版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

Method of Creating Cam Profile Based on Inventormotion Simulation

WU Bin,ZHONG Xiao-qin,HOU Huai-shu

(School ofmechanical Engineering,Shanghai Institute of Technology,Shanghai 200235,China)

The cam profile is created in the Inventormotion simulation environment based on the Inventor sketch as the skeleton assemblymechanism.And an example is given to verify the creation of cammechanism,which tomeets the requirements of the design.The process is convenient; the design is correct and themethod is suitable for wide application.It provides a simple and feasiblemethod for the design of cam profile.

simulation;motion law; cam profile

2015-11-12基金項(xiàng)目：上海市教育委員會(huì)重點(diǎn)課程資助項(xiàng)目(10210M151008).作者簡(jiǎn)介：吳 斌(1971-)，男，副教授，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)電控制.

TP391.72

A

1671-119X(2016)02-0029-04