基于NX8.0盤形凸輪輪廓曲線的參數化設計及運動仿真

張恩光，王麗，黃冠元，惠帥

(1.吉林大學珠海學院，廣東 珠海519041；2.廣東工業大學，廣東廣州510006)

0 引言

凸輪機構是實現機械自動化和半自動化中應用比較廣的一種機構，凸輪機構突出的優點是適當的確定凸輪輪廓線就可以實現比較復雜的運動規律［1］。從動件的運動規律與特性會直接影響到整個凸輪機構的運動學、動力學等特性［1］。因此采用高精度的設計和加工方法已經非常必要。隨著計算機輔助設計、分析的技術的飛速發展，凸輪輪廓曲線的計算機輔助設計方法逐漸豐富起來［1］，同時越來越多的制造業信息化軟件可以實現凸輪輪廓線的設計及凸輪機構的運動仿真。NX8.0是集CAD/CAE/CAM為一體的功能強大的三維參數化軟件，它的功能覆蓋了產品的全生命周期過程［1］。現以NX8.0為平臺，介紹了盤形凸輪輪廓曲線的參數化設計方法，對凸輪輪廓曲線做了曲線連續性分析，并通過運動分析對仿真結果和理論設計結果的一致性做了驗證，同時對凸輪的參數化驅動做了驗證。

1 凸輪的理論輪廓線

某直動從動件盤形凸輪機構，從動件行程h=50mm，推程和回程均采用擺線運動規律，擺線運動規律的從動件加速度沒有突變，可以避免柔性沖擊和剛性沖擊［1］。偏距e=0，并且推程運動角Φ=120°、遠休止角Φs=45°、回程運動角Φ＇=100°、近休止角=95°，基圓半徑 r0=110mm。

凸輪輪廓線方程:

從動件在不同階段的位移方程:

于是得到輪廓曲線分別在x、y的方程:

2 基于NX的凸輪輪廓線建立

使用建模模塊的“表達式”及“規律曲線”創建凸輪的輪廓曲線。

2.1 創建表達式

新建NX文件cam.prt，單位:mm。進入NX建模模塊后，根據方程(3)、(4)創建以下表達式:

t=1//變量在0～1之間變化

h=50//行程

r=110//基圓半徑

p=pi()//圓周率

a1=120*t//

a2=120+45*t//

a3=165+100*t//

a4=265+95*t//

x1=(r+h*a1/120-h*sin(2*180*a1/120)/(2*p))*sin(a1)//推程階段x參數方程

x2=(r+h)*sin(a2)//遠休止階段x參數方程

x3=(r+h-h*(a3-165)/100+h*sin(2*180*(a3-165)/100)/(2*p))*sin(a3)//回程階段x參數方程

x4=r*sin(a4)///近休止階段x參數方程

y1=(r+h*a1/120-h*sin(2*180*a1/120)/(2*p))*cos(a1)//推程階段y參數方程

y2=(r+h)*cos(a2)//回程階段y參數方程

y3=(r+h-h*(a3-165)/100+h*sin(2*180*(a3-165)/100)/(2*p))*cos(a3)//近休止階段y參數方程

y4=r*cos(a4)//回程階段y參數方程

zt=0//

以上表達式可以從NX中導出一個.exp文件，可以使用記事本編輯，該文件可以導入到NX文件中［1］。

2.2 使用“規律曲線”創建凸輪輪廓線

點擊“規律曲線”，使用“根據方程”依次創建出凸輪輪廓的四段曲線。具體的創建過程可參閱［3］。然后使用“圓弧/圓”命令創建基圓，半徑為表達式r，再使用直線命令以第一段規律曲線的起點為端點建立豎直向上沿YC方向，長度為100mm的直線來代表從動件，以上曲線和直線都為特征。此時圖形窗口如圖1所示。

圖1 凸輪的輪廓曲線

2.3 曲線連續性分析

使用“形狀分析”工具條的“曲線連續性分析”命令對凸輪的四段輪廓曲線在彼此的交點處的曲線連續性進行分析，結果顯示所有相鄰曲線都是相切連續，驗證了設計的精度。

3 凸輪的運動仿真

NX8.0的運動仿真模塊和建模模塊無縫連接，可以在不建立實體、不裝配的情況下進行機構的運動規律分析，還可以做零件間的干涉分析、跟蹤零件的運動軌跡、分析零件在不同參考系的位移、速度、加速度、力和扭矩等。NX8.0的運動仿真模塊可以使用Adams或RecurDyn解算器進行解算。

3.1 創建連桿、運動副、添加驅動及解算

選擇主菜單“開始”—“運動仿真”，進入運動仿真模塊，此時可以在運動仿真導航器最頂部的節點上單擊右鍵，選擇“新建仿真”建立一個新的仿真方案，運動環境設置為“運動學”。

單擊“運動”工具條上的“連桿”命令，選擇凸輪的5條曲線(包括基圓)，“確定”創建連桿L001。以同樣的方法選擇直線創建出連桿L002。

單擊“運動”工具條上“運動副”命令選擇連桿L001的基圓添加旋轉副，單擊運動副的“驅動”標簽，為運動副添加“恒定”驅動，初速度為360。單擊“運動”工具條上“運動副”命令，設置“類型”為“滑動副”，選擇連桿L002，無驅動。以上兩個運動副均接地。

單擊“運動”工具條上“點在曲線上”命令約束連桿運動，在“指定點”選項中選擇直線的下端點，在“選擇曲線”選項中依次選擇凸輪的4條輪廓曲線(不包含基圓)，確定完成添加。

單擊“運動”工具條上“解算方案”命令添加解算方案，時間為1秒，步數為500步。在運動導航器的Solution_1節點處單擊右鍵“解算”。此時運動導航器和圖形窗口如圖2所示

圖2 凸輪的運動分析

3.2 生成運動曲線

使用“動畫控制”工具條的“播放”命令可以觀看凸輪機構的運動仿真動畫。

使用“運動”工具條的“作圖”命令，可以生成從動件相對絕對坐標系原點的位移和速度曲線。此時出現“圖表”對話框。

添加從動件位移曲線:選擇運動副J002，其它選項依次是“位移”、“Y”、“絕對”。

添加從動件速度曲線:選擇運動副J002，其它選項依次是“速度”、“Y”、“絕對”。

單擊“確定”生成圖表如圖3所示從動件的速度曲線和位移曲線，運動分析結果符合理論設計結果。

4 驗證凸輪設計的參數化驅動

返回主模型文件cam.prt，將表達式 h=50，r=110。更改為h=40，r=80，此時模型更新，重新解算并生成從動件的位移和速度曲線。如圖4所示。更改表達式后的運動分析結果充分驗證了凸輪輪廓線參數化設計的合理性。整個凸輪的推程、回程運動角也都可以參數化更新，這里不再驗證。

圖3 從動件速度曲線和位移曲線

圖4 更新后的從動件速度曲線和位移曲線

5 結語

相對于傳統的作圖法，基于NX8的盤形凸輪的參數化設計方法能夠充分保證設計精度，針對關鍵變量的參數化，大大提高了模型可編輯性與重用性。而NX8的運動仿真模塊可以直觀的展示機構的運動過程，分析運動規律，并且與NX建模模塊無縫連接，確保了設計過程中的CAD和CAE一體化。

［1］秦榮榮，崔可維.機械原理［M］.長春:吉林科學技術出版社，2000:72-73.

［2］張春林.機械原理［M］.北京:高等教育出版社，2006:243.

［3］金秀慧.平行分度凸輪工作曲線CAD參數化軟件設計［J］.機械制造與自動化，2009，38(6):35-36，58.

［4］張恩光，王麗.基于UG NX7.5圓柱凸輪的參數化設計及運動分析［J］.煤礦機械，2013，34(4):259-261.

［5］李繼慶，李育錫.機械設計基礎［M］.北京:高等教育出版社，2006:94.