顧志剛，陳玉瑜

（常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州 213164）

0 引言

隨著社會(huì)生產(chǎn)力的不斷提高，工廠(chǎng)對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的需求量也越來(lái)越大。目前國(guó)內(nèi)外的自動(dòng)化設(shè)備控制主要采用氣動(dòng)、電動(dòng)及機(jī)械傳動(dòng)相結(jié)合的控制方式，在設(shè)備中對(duì)于運(yùn)作速度較高，運(yùn)行質(zhì)量可靠度要求較高的場(chǎng)合，采用凸輪機(jī)構(gòu)作為傳動(dòng)方式，是裝備設(shè)計(jì)的首選。通常設(shè)計(jì)出適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，便可以使從?dòng)件實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)規(guī)律[1-2]。然而凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程繁雜，對(duì)設(shè)計(jì)人員要求較高，某些自動(dòng)化設(shè)備開(kāi)發(fā)公司感覺(jué)利用凸輪機(jī)構(gòu)“不劃算”[3]，因此，尋找一種更加簡(jiǎn)便、有效的凸輪設(shè)計(jì)方法，縮短設(shè)備開(kāi)發(fā)周期，是解決當(dāng)前對(duì)于凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程的首要任務(wù)。

目前我國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)凸輪的設(shè)計(jì)主要還是采用理論設(shè)計(jì)方法為主，賀煒[4]介紹了我國(guó)凸輪機(jī)構(gòu)研究的回顧與展望，側(cè)重介紹了基于不同的解析公式和專(zhuān)用數(shù)表來(lái)進(jìn)行單凸輪輪廓曲線(xiàn)的設(shè)計(jì)方法。金國(guó)光[5]采用有限元模型對(duì)高速凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析。蔣金法[6]、吳云章[7]介紹了利用時(shí)序分析法設(shè)計(jì)單驅(qū)動(dòng)多凸輪副機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。韓慶紅[8]介紹了利用Solid-Works對(duì)灌裝機(jī)分瓶機(jī)凸輪輪廓曲線(xiàn)的設(shè)計(jì)過(guò)程。

本文首先利用SolidWorks 對(duì)需要設(shè)計(jì)的凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維基礎(chǔ)建模，并通過(guò)添加“路徑配合”，使從動(dòng)件在沒(méi)有凸輪驅(qū)動(dòng)的情況下，滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)軌跡。然后利用motion 插件，對(duì)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行反向求解，得出主動(dòng)件（轉(zhuǎn)軸）相對(duì)于從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的路徑，從而直接得出凸輪理論輪廓曲線(xiàn)[9]。最后將理論輪廓曲線(xiàn)轉(zhuǎn)換為凸輪實(shí)際輪廓，再給凸輪添加轉(zhuǎn)動(dòng)，來(lái)驅(qū)動(dòng)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)分析得出從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)軌跡符合預(yù)期設(shè)計(jì)的要求，來(lái)驗(yàn)證凸輪設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程省去了常規(guī)設(shè)計(jì)過(guò)程中建立理論輪廓曲線(xiàn)方程等諸多繁雜過(guò)程，為自動(dòng)化設(shè)備的開(kāi)發(fā)工作提供了思路，具有一定的參考意義。

1 自動(dòng)移料三維建模及運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃

該自動(dòng)移料機(jī)構(gòu)利用一個(gè)電機(jī)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給主軸，主軸上安裝有凸輪機(jī)構(gòu)，通過(guò)凸輪以實(shí)現(xiàn)物料的拾取和放置工作。要求每分鐘進(jìn)行180次的物料移位工作，同時(shí)要求X方向移動(dòng)距離為55 mm，Y方向移動(dòng)距離為25 mm?；谝陨显O(shè)計(jì)要求，首先利用SolidWorks對(duì)自動(dòng)移料機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，使模型的行程能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，完成的建模圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)移料機(jī)構(gòu)三維圖

圖2 吸盤(pán)運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃

建模完成后，可以通過(guò)鼠標(biāo)拖動(dòng)零部件來(lái)檢查各部件的運(yùn)動(dòng)是否符合行程設(shè)計(jì)需求。在部件運(yùn)動(dòng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求的情況下，通過(guò)配合設(shè)置好機(jī)構(gòu)的初始位置，然后在草圖中畫(huà)出部件需要運(yùn)動(dòng)的路徑，并將吸盤(pán)的中心點(diǎn)與路徑之間添加路徑配合，如圖2所示。

2 自動(dòng)移料機(jī)構(gòu)凸輪輪廓設(shè)計(jì)

在完成路徑規(guī)劃后，將選項(xiàng)卡切換至運(yùn)動(dòng)算例，選擇motion分析，通過(guò)測(cè)量得知運(yùn)動(dòng)路徑的長(zhǎng)度為96.43 mm。首先應(yīng)該先模擬出一次完整的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，從動(dòng)件在按照給定軌跡運(yùn)動(dòng)，主軸按照逆時(shí)針?lè)较騽蛩傩D(zhuǎn)情況下，X、Y方向擺臂上的凸輪隨動(dòng)器的中心基于吸盤(pán)中心的運(yùn)動(dòng)軌跡。

為了達(dá)到追蹤結(jié)果，給吸盤(pán)添加路徑配合馬達(dá)，設(shè)定運(yùn)動(dòng)距離為96.43 mm，由于要求機(jī)構(gòu)每分鐘進(jìn)行180 次物料拾取，即每秒機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)3個(gè)循環(huán)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，給吸盤(pán)添加運(yùn)動(dòng)方式為振蕩，運(yùn)動(dòng)頻率為3 Hz，如圖3所示；同時(shí)給主軸添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針，設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度為180 r/min，如圖4 所示。為了使計(jì)算結(jié)果更加精確，設(shè)置動(dòng)畫(huà)幀數(shù)為100幀/s，同時(shí)將結(jié)束鍵碼設(shè)置為0.333 s。然后點(diǎn)擊motion分析中的計(jì)算運(yùn)動(dòng)算例，觀(guān)察仿真結(jié)果。

圖3 路徑配合馬達(dá)相關(guān)參數(shù)設(shè)置

圖4 主軸旋轉(zhuǎn)馬達(dá)相關(guān)參數(shù)設(shè)置

在仿真求解沒(méi)有錯(cuò)誤的情況下，單擊“計(jì)算和結(jié)果”按鈕，對(duì)X、Y擺臂上已建模完成的凸輪隨動(dòng)器的中心參考主軸旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行路徑追蹤，追蹤結(jié)果完成會(huì)顯示兩條曲線(xiàn)，如圖5所示。其中追蹤路徑1是從動(dòng)件按照預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)，主軸按照給定的速度運(yùn)動(dòng)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，X方向擺臂上凸輪隨動(dòng)器的中心相對(duì)于從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)X 方向的“相對(duì)位移”。反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果凸輪隨動(dòng)器的中心能夠按照追蹤路徑1運(yùn)動(dòng)的話(huà)，吸盤(pán)必會(huì)完成給定路徑上X方向的移動(dòng)；同理，追蹤路徑2則可以控制吸盤(pán)完成給定路徑上Y方向的移動(dòng)。

鑒于以上分析得知，這兩條曲線(xiàn)就是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)所需的兩個(gè)凸輪的輪廓曲線(xiàn)，將這兩條輪廓曲線(xiàn)轉(zhuǎn)換成實(shí)體，就可以得到凸輪的實(shí)體了。展開(kāi)“結(jié)果”文件夾，右擊“圖解1”、“圖解2”的曲線(xiàn)，并選擇“在參考零件中從路徑生成曲線(xiàn)”，可以將追蹤路徑復(fù)制到主軸零件中。完成后打開(kāi)“主軸”零件，基于追蹤路線(xiàn)建立基準(zhǔn)面，并在基準(zhǔn)面上建立草圖。由于追蹤路徑是一條曲線(xiàn)，而非草圖實(shí)體，受到計(jì)算精度和動(dòng)畫(huà)幀數(shù)的影響，追蹤路徑往往不一定是一條封閉的曲線(xiàn)，有時(shí)候會(huì)存在一部分自相交叉的情況，或者首尾沒(méi)有閉合的情況，直接轉(zhuǎn)換實(shí)體到草圖會(huì)出現(xiàn)失敗。所以在進(jìn)行拉伸操作之前，首先利用“樣條曲線(xiàn)”工具，將追蹤路徑描出（描的點(diǎn)越多，凸輪外形越接近追蹤線(xiàn)），并轉(zhuǎn)換成“構(gòu)造線(xiàn)”，如圖6所示。然后根據(jù)軸承隨動(dòng)器的滾子半徑為12 mm，將曲線(xiàn)向內(nèi)等距6 mm，得到凸輪的輪廓曲線(xiàn)。然后通過(guò)“拉伸凸臺(tái)”，建模得到凸輪，至此，凸輪輪廓設(shè)計(jì)完成。

圖5 路徑追蹤

圖6 追蹤結(jié)果

3 凸輪輪廓的驗(yàn)證

凸輪輪廓設(shè)計(jì)是否準(zhǔn)確，可以將生成的凸輪再進(jìn)行自下而上的裝配，然后利用凸輪來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，反過(guò)來(lái)追蹤吸盤(pán)中心，觀(guān)察其運(yùn)動(dòng)軌跡是否符合預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，若符合，則表示設(shè)計(jì)準(zhǔn)確。

首先重新進(jìn)行裝配體的安裝，然后切換到“運(yùn)動(dòng)算例”選項(xiàng)卡，給“凸輪隨動(dòng)器”和“凸輪”之間添加接觸，材料選擇為“steel（剛性）”，這里添加剛性主要是為了能正確模擬部件的材料性能。同時(shí)給主軸添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針，設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度為180 r/min。這樣就完成了真實(shí)設(shè)備中，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，凸輪跟隨主軸一起旋轉(zhuǎn)，并推動(dòng)凸輪隨動(dòng)器運(yùn)動(dòng)的條件添加，這樣就能模擬出真實(shí)情況下，從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)路線(xiàn)。添加完成后進(jìn)行運(yùn)算，為使結(jié)果更精確，設(shè)定動(dòng)畫(huà)的幀數(shù)為100幀/s，并追蹤吸盤(pán)中心點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。從追蹤結(jié)果分析可以看出，吸盤(pán)中心點(diǎn)與預(yù)先設(shè)定的路徑十分吻合，達(dá)到了預(yù)定運(yùn)動(dòng)軌跡的目的，如圖7所示。

圖7 模擬運(yùn)行路徑

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以自動(dòng)移料機(jī)構(gòu)為例，描述了一種利用SolidWorks路徑配合反求凸輪輪廓的設(shè)計(jì)方法，該方法較常規(guī)凸輪設(shè)計(jì)方法最大的不同在于從裝配體角度，通過(guò)自上而下的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了凸輪輪廓，并驗(yàn)證了設(shè)計(jì)符合預(yù)期目標(biāo)效果。當(dāng)凸輪設(shè)計(jì)完成后，可以進(jìn)一步對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，進(jìn)行從動(dòng)件速度、加速度，及機(jī)構(gòu)的最大壓力角，最小曲率半徑等的校核工作。如果校核結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)參數(shù)，則可以將凸輪輪廓輸入CNC 數(shù)控加工程序中，對(duì)其進(jìn)行加工，省去了常規(guī)凸輪設(shè)計(jì)過(guò)程中繁雜的部分，縮短了開(kāi)發(fā)周期。鑒于以上分析，本文所描述的凸輪設(shè)計(jì)方法在類(lèi)似的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有一定的參考價(jià)值。