基于SolidWorks和Excel的凸轮设计与运动仿真

肖思伟，张晋西，陈江洪，饶 贝，陈奕婷，李 洋，胡青松

(重庆理工大学 机械工程学院， 重庆 400054)

基于SolidWorks和Excel的凸轮设计与运动仿真

肖思伟，张晋西，陈江洪，饶 贝，陈奕婷，李 洋，胡青松

(重庆理工大学 机械工程学院， 重庆 400054)

采用Excel计算凸轮运动方程位移值，在SolidWorks环境中建立三维模型，运动仿真模块Motion添加直线马达和旋转马达，反转法获得凸轮轮廓曲线坐标点，得到盘形凸轮三维实体模型，并对该凸轮机构进行运动仿真，绘制出推杆运动规律曲线并加以验证。

凸轮；反转法；运动仿真；SolidWorks；Excle

凸轮机构是由凸轮、从动件和机架组成的高副机构，广泛应用于各种机械特别是自动机械、自动控制装置等。基于SolidWorks的盘形凸轮的建模方法很多，可“通过XYZ点的曲线”直接生成凸轮轮廓曲线[1]，也可通过Toolbox中的“凸轮”插件生成凸轮模型。但是这些都需要完全计算出凸轮的相关参数或点的坐标，人为计算有时难免会出现失误。本文采用Excel工具生成推杆的位移运动规律，结合反转法、 SolidWorks运动仿真模块Motion分析直接生成凸轮轮廓曲线的点坐标[2]，通过凸轮点坐标创建凸轮三维模型，最后运动仿真验证凸轮曲线的准确性。

1 原理及实现

1.1 设计实例

凸轮设计的一般步骤是：根据工作要求合理地选择从动件运动规律，按照结构所允许的空间和具体要求，确定凸轮的基圆半径，根据计算公式分段列出从动件位移s和凸轮角位移φ的函数关系[3]，最后画出函数图像。

设计一直动对心凸轮机构，基圆半径80 mm，滚子半径15 mm，凸轮转动2π/3，推杆等加速等减速上升30 mm；凸轮转动π/3，推杆静止；最后等加速等减速各π/2回到最低位置。

1.2 Excel计算凸轮运动方程位移

1.2.1 列出从动件方程

根据已知条件列出从动件位移方程[3]：

(1)

式中：δ0为推杆等加速等减速上升凸轮转过的角度，δ0=2π/3;δ1为推杆等加速等减速下降凸轮转过的角度，δ1=π;h为推杆上升的高度，h=30 mm；δ为推杆上升或下降时凸轮转过的角度。

1.2.2 确定凸轮的轮廓

确定凸轮的轮廓曲线，关键在于根据从动件位移方程(1)得出轮廓曲线上的离散点的位置。传统的凸轮轮廓曲线是根据离散点位置，手工拟合或运用计算工具计算轮廓的坐标而成[4]，利用绘图命令拟合出离散点，不是本文推荐的方法。

图1 基于Excel推杆位移坐标计算

1.3 SolidWorks获得凸轮三维模型

SolidWorks一般用其三维绘图的功能较多，其实它的运动分析模块Motion功能十分强大。通过Motion运动仿真和分析，可以有效地降低产品的制造成本和缩短产品开发周期，快速了解产品的可行性[5]。

在Excel计算出推杆运动坐标点后，利用SolidWorks Motion分析[2]，在SolidWorks环境中绘制和装配凸轮廓线生成装置，在基圆4侧面上加载马达。SoliWorks中的马达类型有旋转马达(R)、线性马达(L)和路径配合马达(p)。选择旋转马达(R)，推杆1的边线上加载线性马达(L)，并把图1推杆运动规律中的坐标点通过加载“数据点”导入，作为推杆的运动规律，相关参数设置完毕，点击“计算运动算例”仿真。查看结果，选择位移/速度/加速度里面的“跟踪路径”，并选中推杆与凸轮接触的小轮中心和基圆外端面，得到凸轮廓线5，如图2所示。

图2 凸轮廓线生成装置

右键单击凸轮廓线5的图解，选择“在新零件中从路径生成曲线”，将路径生成新零件的轮廓，添加凸轮轴孔和轴孔键草图，拉伸得到凸轮零件三维模型[6]，如图3所示。为进一步说明生成的凸轮廓线，绘制了凸轮廓线图(见图4)，图中外轮廓曲线为生成的理论廓线，内圆为基圆。对应本文中开始实例，DA段廓线为等加速等减速运动阶段，AB段廓线为静止阶段，BD段廓线为等加速等减速回到最低位置。

图3 凸轮基体三维模型

图4 凸轮廓线图

2 SolidWorks Motion运动仿真验证

在SolidWorks软件中建立好运动机构的模型后，可借助SolidWorks Motion实现计算机模拟机构的运动学仿真和动力学仿真[7]。

装配凸轮机构，设置相关参数，得到仿真结果图。与从动件位移方程(1)经过Excel推杆位移坐标计算得出的图做对比，如图5所示。比较发现：两者的曲线走势基本一致，曲线偏移是由于数据精度不够引起的，凸轮旋转角度与从动件上升高度基本一一对应，运动特性十分接近。从而可以看出，凸轮三维建模的精度完全满足设计需要[8]。

Cam Design and Motion Simulation Based on SolidWorks and Excel

XIAO Siwei, ZHANG Jinxi, CHEN Jianghong, RAO Bei, CHEN Yiting, LI Yang, HU Qingsong

(College of Mechanical Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

Using Excel tool, it generates the steeple of the displacement law of motion, the inversion method, in environment of SolidWorks add linear motor and rotary motor motion analysis of cam contour curve coordinates, 3D modeling of disc cam matrix through the coordinates, the on cam mechanism for motion simulation to verify the accuracy of the cam profile curve. Through this method can simplify the cam design process, the cam profile curve data can be used for direct processing of CNC machine tools, CAM research and development and production automation is of great significance.Using the calculation of cam motion equation of displacement with Excel, it establishes the three-dimensional model in SolidWorks environment. It uses motion simulation module of Motion to add a straight line motor and rotary motor. Using coordinate cam contour curve inversion method, it gets the disc cam 3D solid model, and has motion simulation of the cam mechanism and draws rod motion curve and verifies it.

cam; inversion method; motion simulation; SolidWorks; Excel

图5 从动推杆位移线对比

3 结论

2017-03-03 基金项目：重庆市基础与前沿研究项目(csts2016jcyjA0444)

肖思伟(1991—)，男，硕士研究生，主要从事机械设计理论、方法及应用研究，E-mail：15111980348@163.com; 张晋西(1962—)，男，教授，主要从事机械运动仿真、计算机辅助设计研究，E-mail:zhangjinxi@cqut.edu.cn。

肖思伟，张晋西，陈江洪，等.基于SolidWorks和Excel的凸轮设计与运动仿真[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(8):73-75.

format：XIAO Siwei,ZHANG Jinxi, CHEN Jianghong, et al.Cam Design and Motion Simulation Based on SolidWorks and Excel[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(8):73-75.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.08.011

TH13

A

1674-8425(2017)08-0073-03