基于Inventor的凸轮轮廓参数化设计及性能分析

金兴伟，石存秀，侯玉荣

（十堰职业技术学院机电工程系，湖北十堰442000）

凸轮机构结构简单、紧凑，只需设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到任意的预期运动，因此在自动机床、轻工机械、纺织机械、印刷机械、食品机械、包装机械和机电一体化产品中得到广泛应用。其设计方法主要有图解法和解析法。图解法简便、直观，但作图误差较大，难以获得凸轮轮廓曲线上各点的精确坐标，故按图解法所得的凸轮轮廓在加工方面比较困难。解析法精度高，能够精确计算出凸轮轮廓曲线和刀具运动轨迹上各点的坐标值，方便在数控机床上加工，但计算繁杂［1］。利用Inventor软件的参数化设计功能，则可将上述两种方法进行优化组合，从而实现既简单又精确的目标，同时输出位移、速度及加速度曲线，由此分析凸轮轮廓曲线动态性能。凸轮轮廓设计完成之后可以导出设计所得的数据，方便数控加工。本文将通过Inventor软件介绍按从动件的运动规律设计盘形凸轮轮廓的方法。

1 盘形凸轮机构的设计条件及要求

表1 凸轮机构设计参数表

从动件在推程过程中作等加速等减速运动，在回程过程中作简谐运动，凸轮转向为逆时针方向，设计参数见表1。

2 参数化设计过程

参数化设计就是以其强有力的尺寸驱动修改模型，为初始产品设计、产品建模和修改系列产品设计提供有效手段，同时可满足设计具有相同或相近几何拓扑结构的工程系列产品及相关工艺装备的需要［2］。

2.1 基本参数的输入

打开Inventor软件，新建零部件后进入“设计”界面，选择“盘形凸轮生成器”，在相应的对话框中输入凸轮设计的基本参数，如图1所示。

图1 凸轮基本参数输入对话框

最终凸轮轮廓曲线的精确度取决于生成曲线数据点的个数，同时高精度的凸轮轮廓曲线对后续的有限元分析和数控加工都有重要的意义。如果对精确度要求比较高的凸轮可以选择较多的数据点，相反则可以选择较少的数据点个数，设置如图2所示。此外，还可以设置计算点数，选择凸轮方向，凸轮轮廓相对于从动件的路径类型等。

图2 凸轮轮廓曲线分割点数设置

2.2 位移线图的创建

根据从动件的运动规律创建位移线图，本实例中实际行程段有4段，在运动功能处添加设计要求的运动规律，对话框如图3所示，创建完成后位移线图如图4所示。

图3 从动件运动规律添加对话框

图4 图4从动件位移线图（粗实线表示位移线图）

2.3 性能分析

为了使设计出来的凸轮与实际情况相符，必须添加实际的从动件载荷，给定凸轮的转速以及选用材料，在设计的同时进行计算校核。在计算结果栏中有速度、加速度、压力角、接触应力等信息，当选用材料的许用应力小于凸轮与滚子间的最大接触应力时，计算结果就会报警并显示红色，提醒设计失败，此时设计者就要考虑更换材料，使许用应力大于最大接触应力，设计与校核相互结合，交替使用，最终达到设计要求。

当计算校核完成之后，我们可以打开从动件的速度、加速度曲线图，如图5所示。由加速度线图可知，从动件由等加速过渡到等减速的瞬时，加速度出现有限值的突然变化，这将产生有限惯性力的突变从而引起冲击，所以由上述条件设计的凸轮不适用于高速场合，仅用于中低速的情况。

图5 从动件速度、加速度曲线图。

为使凸轮机构有较好的性能，常将基本运动规律加以改进，或将它们组合起来使用。组合时，所选运动规律应在有关区间内连续，在拼接点两运动规律的位移和速度对应相等。在选择从动件运动规律时，除考虑刚性冲击和柔性冲击外，还应注意各种运动规律的Vmax和amax的影响，Vmax愈大，则动量mv愈大，当大质量的从动件突然被阻止时，将出现很大的冲击力；amax愈大，则惯性力愈大，引起较大的动压力，对机构的强度和磨损都有较大的影响，对于高速凸轮机构，从动件的最大加速度不宜太大［3］。

为此将从动件的运动规律进行改进，将推程和回程段用七次多项式进行拟合，得到的位移、速度以及加速度曲线图如图6所示，图中速度和加速度曲线连续没有突变，理论上不存在冲击或冲击极小，说明此处选用的曲线组合具有一定的合理性，可以用于高速传动中。

图6 改进后的从动件速度、加速度曲线图

2.4 凸轮模型生成及工程图创建

通过调整改进后，显示计算正确，设计成功后，点击“确定”按钮即可生成凸轮的三维实体模型，如图8所示，凸轮轮廓曲线上的数据点即为图2中设置的模型点个数。

图7 凸轮三维实体模型

目前凸轮机构的设计一直沿用以二维工程图来表示三维物体的方法，该方法致命的缺点是：一个零件尺寸的修改不能自动反映到相关的零件及模型上［4］［5］。以Inventor为平台，三维模型和二维工程图相互关联，模型尺寸的改变可以驱动工程图的变化，利用此功能对凸轮机构中最复杂的凸轮轮廓进行参数化设计时就显得方便、快捷。由三维模型生成的工程图和几何数据（位移、速度、加速度、压力角、转矩）如图8所示，这些数据能够直接用于后续数控加工和有限元分析中。

图8 工程图几何数据

3 结束语

用Inventor软件设计加速器模块可快速准确求得凸轮轮廓曲线，避免了图解法的较大误差和解析法的繁杂。生成相应的从动件位移、速度及加速度曲线图，能形象直观地得到凸轮轮廓曲线，因此具有较强的实用性。这种设计方法适用于从动件做各种复杂运动规律的凸轮，只需改变凸轮机构的相应参数或者从动件运动规律，就可以得到新的凸轮机构。当某些特殊场合只能测得从动件运动离散数据点时，可通过“反求设计”得到凸轮轮廓，在Inventor的运动仿真模块中导入离散点合成曲线，进行凸轮轮廓设计。

［1］郑文纬，吴克坚.机械原理：第七版［M］.北京：高等教育出版社，1997：108－148.

［2］邓劲莲.凸轮轮廓参数化三维设计方法探讨［J］.轻工机械，2007（5）：45－47.

［3］邓昭铭，张 莹.机械设计基础［M］.北京：高等教育出版社，2000：41－58.

［4］王致坚.凸轮机构的参数化设计及运动仿真［J］.机械研究与应用，2006（5）：114－116.

［5］徐 键，汪列隆.基于VBA软件的凸轮机构二维参数化设计研究［J］.轻工机械，2007（2）：51－53.