王仲勛，蒲潔濤，婁紅杰，崔玉芝，滕磊

（1.煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，山東 煙臺(tái) 264670；2.山東景芝建設(shè)股份有限公司，山東 濰坊 262100；3.山東樂普韋爾自動(dòng)化技術(shù)有限公司，濟(jì)南 250002）

0 引言

凸輪機(jī)構(gòu)是機(jī)械裝置中常用的高副機(jī)構(gòu)[1]，由凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便。凸輪機(jī)構(gòu)可將凸輪連續(xù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為從動(dòng)件往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)，從動(dòng)件往復(fù)運(yùn)動(dòng)位移、速度及加速度等運(yùn)動(dòng)規(guī)律決定于凸輪的輪廓曲線。在各種自動(dòng)化程度較高設(shè)備及其操縱和控制裝置中，大量需要從動(dòng)件間歇運(yùn)動(dòng)而原動(dòng)件作連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，凸輪機(jī)構(gòu)應(yīng)用相當(dāng)廣泛。目前，作為凸輪輪廓設(shè)計(jì)的兩種主要方法，作圖法和解析法[2]各有特點(diǎn)。作圖法將凸輪運(yùn)動(dòng)一周期轉(zhuǎn)角平分為若干份，根據(jù)凸輪不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的從動(dòng)件位移量，以基圓半徑為基礎(chǔ)手工或者軟件輔助作圖形成獨(dú)立點(diǎn)，光順擬合形成凸輪輪廓，受到轉(zhuǎn)角平分份數(shù)限制，形成凸輪輪廓一般精度較低。對(duì)于精度要求較高的凸輪，必須采用解析法給出凸輪輪廓曲線的表達(dá)式，采用計(jì)算軟件計(jì)算機(jī)編程或機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)輪廓精確設(shè)計(jì)。SolidWorks軟件功能強(qiáng)大[3]，組件繁多，可實(shí)現(xiàn)零件建模、裝配、工程圖、運(yùn)動(dòng)仿真、管道排布、有限元分析、流體分析等，操作簡(jiǎn)單方便、易學(xué)易用，受到工程技術(shù)人員好評(píng)。應(yīng)用領(lǐng)域涉及航空航天、機(jī)車、食品、機(jī)械、國防、交通、模具、電子通訊、醫(yī)療器械、離散制造等。SolidWorks軟件中可以實(shí)現(xiàn)圓形、線性凸輪，從動(dòng)件類型平移、左等距、右等距、左擺動(dòng)、右擺動(dòng)等的凸輪設(shè)計(jì)。本文基于SolidWorks軟件，根據(jù)給定的凸輪機(jī)構(gòu)一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)從動(dòng)件位移規(guī)律給出凸輪輪廓，并通過運(yùn)動(dòng)仿真反求從動(dòng)件位移規(guī)律，驗(yàn)證SolidWorks軟件應(yīng)用于凸輪輪廓設(shè)計(jì)的可行性。

問題描述：設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)，盤形凸輪、尖頂從動(dòng)件、對(duì)心直動(dòng)，參數(shù)如下：基圓半徑r0=20 mm，從動(dòng)件升程h=10 mm，從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖1所示，推程采用等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，推程運(yùn)動(dòng)角φ=90°；遠(yuǎn)休止角φs=90°；回程采用等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，回程運(yùn)動(dòng)角φ＇=90°；近休止角φs＇=90°。

圖1 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律

1 凸輪設(shè)計(jì)

在SolidWorks軟件中，新建文件→點(diǎn)擊“選項(xiàng)”→“插件”，選 中“SolidWorks Toolbox”、“SolidWorks Toobox Browser”、“SolidWorks Motion”。菜單欄中出現(xiàn)“Toolbox”，點(diǎn)擊“Toolbox”→“凸輪”，在“設(shè)置”中設(shè)定單位公制，凸輪類型圓形，推桿類型平移，推桿直徑為2 mm，開始半徑為20 mm，開始角度0°，旋轉(zhuǎn)方向順時(shí)針，如圖2所示。

圖2 Toolbox設(shè)定

在“運(yùn)動(dòng)”中分別添加4 個(gè)運(yùn)動(dòng)階段如圖3?？紤]到基圓半徑為20 mm，從動(dòng)件升程為10 mm，凸輪運(yùn)行過程中，推程運(yùn)動(dòng)角、遠(yuǎn)休止角、回程運(yùn)動(dòng)角、近休止角均分運(yùn)動(dòng)周期，參數(shù)設(shè)定如表1 所示。在“生成”中設(shè)定生成方法為生成新的移除了軌道的零件，坯件外徑和厚度分別為300 mm和10 mm，近轂直徑和長度為5 mm 和20 mm，坯件圓角半徑和倒角不計(jì)，如圖4所示。點(diǎn)擊“生成”→“完成”得到凸輪?！肮ぞ摺薄皹訔l曲線工具”→“套合樣條曲線”，參數(shù)選中“約束”，公差調(diào)至盡量小，套合效果如圖5所示，凸輪實(shí)體如圖6所示。

圖3 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)定

圖4 凸輪參數(shù)設(shè)定

圖5 凸輪樣條曲線

圖6 凸輪實(shí)體圖

表1 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律參數(shù)表

2 裝配和運(yùn)動(dòng)仿真

在SolidWorks裝配體中，可實(shí)現(xiàn)基于多個(gè)零部件的復(fù)雜裝配體，這些零部件可以是零件或者其他裝配體[4]。添加零部件到裝配體，在裝配體和零部件之間定義連接，把各個(gè)零部件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)配合、高級(jí)配合及機(jī)械配合等約束以限定其自由度，并同時(shí)完成產(chǎn)品的組裝過程。若某零部件發(fā)生變化，再次打開裝配體時(shí)，SolidWorks會(huì)提示自動(dòng)更新。凸輪機(jī)構(gòu)裝配時(shí)，新建一裝配體文件，將支座、凸輪、從動(dòng)件插入。定義凸輪軸線與支座孔同心且軸端面與支座端面重合，從動(dòng)件與支座底孔同心，凸輪表面與從動(dòng)件頂點(diǎn)重合，裝配體效果如圖7所示。

圖7 凸輪機(jī)構(gòu)裝配體

SolidWorks Motion可以精確模擬并分析裝配體的運(yùn)動(dòng)[5]，在運(yùn)動(dòng)算例中，裝配體零部件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可在運(yùn)動(dòng)學(xué)解算器中求解，與約束配合關(guān)系、材料屬性、質(zhì)量、零部件接觸等結(jié)合，同時(shí)合成運(yùn)動(dòng)算例單元的效果（包括力、彈簧、阻尼及摩擦等）。凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真中，進(jìn)入運(yùn)動(dòng)算例，選擇“旋轉(zhuǎn)馬達(dá)”，馬達(dá)位置選擇凸輪軸，運(yùn)動(dòng)選擇“等速運(yùn)動(dòng)”，速度為，默認(rèn)運(yùn)動(dòng)時(shí)間為5 s。“算例類型”中選擇“motion分析”，點(diǎn)擊“計(jì)算運(yùn)動(dòng)算例”進(jìn)行運(yùn)動(dòng)計(jì)算。結(jié)果和圖解中顯示從動(dòng)件各方向受力、速度、加速度、位移等。本例類別選擇從動(dòng)件Y方向位移，圖解結(jié)果相對(duì)于時(shí)間進(jìn)行顯示，得從動(dòng)件Y軸方向位移量隨時(shí)間的變化曲線如圖8所示。

圖8 從動(dòng)件Y方向位移變化曲線

3 結(jié)果分析

對(duì)位移曲線進(jìn)行觀察，與圖1給出的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律基本符合。在位移變化曲線圖表中右擊可輸出CSV(E)，從動(dòng)件隨時(shí)間變化沿Y軸位移量以0.04 s為周期有詳細(xì)記錄。選取升程和回程過程中凸輪機(jī)構(gòu)在0.06、0.14、0.22、0.30、0.78、0.86、0.94、1.02 s從動(dòng)件理論和仿真位移對(duì)比如圖9所示，以上不同時(shí)刻凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件理論和仿真位移誤差如圖10所示。

結(jié)合圖9和圖10中凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中從動(dòng)件理論位移和仿真位移值對(duì)比和誤差分析，從動(dòng)件升程和回程8個(gè)時(shí)刻最大誤差不超過±4%，在一般工程誤差允許±5%范圍之內(nèi)。由此，我們認(rèn)為采用本方法對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真的結(jié)果符合工程實(shí)踐的需求。

圖9 理論與仿真位移對(duì)比圖

圖10 理論與仿真位移誤差