基于AutoCAD软件平台凸轮轮廓设计与绘制

马步智

摘 要：本文以AutoCAD为平台，以AutoLISP为二次开发软件程序语言，结合CAD/CAM技术，交互式设计与绘制凸轮轮廓曲线，具有更简单、高效、直观和精准的特点。本方法将凸轮机构的传力及运动特性与凸轮轮廓设计密切结合，即设计与校验无缝对接，大大缩短设计周期，节约成本，避免盲目性，它具有其他方法无法比拟的优势。

关键词：AutoCAD;凸轮轮廓曲线;AutoLISP;最大压力角;CAD/CAM

在工程实际中，传统设计凸轮机构的方法通常只有图解法和解析法两种。对于精度要求高的高速凸轮、靠模凸轮等，必须用解析法列出凸轮的轮廓曲线方程，用计算机辅助设计精确地设计凸轮机构。但这种方法需人工输入大量的坐标值，使得设计者花费大量时间。随着我国制造业水平的提高，目前，设计凸轮轮廓曲线较先进的技术有AutoCAD与Excel结合快速精确地绘制凸轮曲线，或者利用CAD/CAM技术对凸轮轮廓的设计。但以上两种方法对于凸轮轮廓，只是简单精确地绘制，或者只是快速准确地设计，并且需要设计者的业务水平极高。而本文详述的，基于AutoCAD软件平台，利用AutoLISP语言交互式设计、绘制凸轮轮廓，更直观、形象简单和高精度，它具有其他方法无法比拟的优势。

一、利用CAD结合传统方法设计凸轮轮廓

（一）AutoCAD与Excel结合快速精确地绘制凸轮曲线

AutoCAD是工程界流行最广泛的绘图软件，但对于曲线的绘制却相对较弱，且涉及到大量的坐标计算时更显得笨拙。而AutoCAD的绘图功能与Excel的列表功能结合起来，先通过Excel输入所需绘制的凸轮轮廓曲线公式，生成一系列坐标点，并通过复制粘贴的方法在AutoCAD中快速地进行坐标输入，自动地绘制出凸轮地轮廓曲线。这是目前工程界绘制凸轮轮廓最常用的方法。

此方法的确快速而准确，但设计过程无法实现快速自动化，大量的设计过程和繁冗的数据还需人工处理，只能通过人为地在Excel中编辑公式，输入坐标，得出曲线点坐标。另外，该方法没有校核环节，最终轮廓曲线的好坏得不到准确的验证和校核，即该方法只实现了轮廓曲线较简单而精確的绘制。

（二）利用CAD/CAM技术对凸轮轮廓的设计

目前，我国利用CAD/CAM技术设计凸轮轮廓还不成熟，仍处于发展阶段。大多数情况都是以Pro/Engineer为平台，利用二次开发工具Pro/Program和Pro/TOOLKIT及Visual C++6.0等，对凸轮机构进行了参数化设计研究与开发，实现了凸轮机构的自动建模。该方法看似将CAD与CAM技术结合，但“貌合神离”，而且设计与校验严重脱节，即使设计出符合原始条件参数的凸轮轮廓，但实际使用当中，可能还会出现传动效率与传力特性等问题，有一定的盲目性。

二、基于AutoCAD软件平台，利用AutoLISP语言交互式设计、绘制凸轮轮廓

（一）认识AutoLISP

AutoLISP是AutoCAD的最佳拍档，是强化AutoCAD最好、最直接的程序语言。AutoLISP易学、易用，即使不会程序设计的AutoCAD使用者，都能在最短的时间内，写出令人惊讶、赞叹的程序语句。它的语法简单，功能函数强大，撰写的环境不挑剔，只要是一般的文书编辑软件都适用。对于AutoLISP语言，除强化AutoCAD原有指令，更可以创造出有用的AutoCAD新指令。它简化了繁琐的环境设定或绘图步骤，可以处理参数式绘图。

（二）AutoCAD结合编程高效设计凸轮机构

与其他设计方法相比，该方法设计凸轮轮廓自动化程度更高，更形象直观，而且制造精度更高。我们知道，凸轮机构的压力角是衡量凸轮机构传力特性的一个重要参数，不仅影响凸轮的受力情况和工作效率，而且对凸轮机构的尺寸大小也有很大的影响。该设计方法除了快速设定不同参数对凸轮轮廓的影响之外，还将最大压力角与各参数结合，快速确定符合要求的轮廓曲线。

1.凸轮轮廓设计流程

2.编程原理

CAD平台设计凸轮轮廓都是利用“反转法”，将计算机的高效化运算和解析法设计凸轮轮廓相结合，以达到高效、高精度的理想效果。以滚子从动件盘形凸轮机构为例，根据反转法原理，用解析法设计凸轮轮廓曲线的实质是建立建立凸轮轮廓曲线的数学方程（1）和（2）

进而准确计算出凸轮轮廓线上各点的坐标值，再利用Autolisp编写程序，然后用spline命令将这些离散点光滑地连起来。

（1）凸轮轮廓曲线的程序化设计

凸轮轮廓的程序化设计主要有基本参数模块、从动件运动规律模块、生成与绘制凸轮轮廓模块、CAM参数模块及数控加工模块、压力角生成模块、运动模拟和生成运动曲线模块。下面对主要模块加以说明：

第一，基本参数模块：主要输入基圆半径、行程高度、运动转角及心距等基本参数。

第二，从动件运动规律模块：主要包括推程运动和回程运动规律中的等速、等加速等减速、简谐COS、摆线、五次多项式机组和运动形式。（1）（2）两模块的前台显示窗口如图：

第三，生成与绘制凸轮轮廓模块：当以上各参数设计好之后，便可自动生成凸轮轮廓，同时还可生成各阶段位移-角度曲线图。以尖顶从动件盘形凸轮机构为例，AutoCAD便可自动生成以下图形：

第四，CAM参数模块及数控加工模块：当轮廓设计完成后输入“V（加工轨迹）”后便可快速生成精确的轮廓曲线点坐标，如：

X and Y DATA for CAM Profile generated by CAM-Designer.

X      Y

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