基于Auto LISP與Pro/E的凸輪機構建模與仿真

李雪軍 李 林

（衡陽財經工業職業技術學院，湖南 衡陽 421002）

引 言

Auto LISP是由Autodesk公司開發的一種LISP程序語言(LISP是List Processor的縮寫)。Auto LISP語言作為嵌入在AutoCAD內部的具有智能特點的編程語言，通過Auto LISP編程，可對AutoCAD進行二次開發，使得AutoCAD通常無法完成的或較為復雜的繪圖也變得簡單。

Pro/Engineer是美國參數技術公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數化著稱，是參數化技術的最早應用者，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位，Pro/Engineer作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業界的認可和推廣。是現今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內產品設計領域占據重要位置。本文利用Auto LISP編程功能，在AutoCAD可繪制出復雜的凸輪輪廓曲線，再把該曲線文件導入Pro/Engineer中，借助Pro/Engineer強大的三維建模功能和仿真模塊，仿真凸輪機構的運動狀態，對凸輪機構進行運動學分析，分析其位移、速度、加速度等運動參數并進行優化設計。

1 利用Auto LISP編程在AutoCAD中繪制簡諧運動規律凸輪輪廓曲線

1.1 Auto LISP編程

簡諧運動規律凸輪輪廓曲線比較復雜，AutoCAD中一般是繪制不出來的，必須利用 Auto LISP編程，然后在AutoCAD中裝載該程序，程序運行后并可自動獲得凸輪輪廓曲線。

簡諧運動規律（又余弦加速度運動）凸輪機構運動的特點是它的加速度正比于其位移，而方向相反。

S=(h/2)*(1-cosθ)

θ=π* (δ/δ0)

推程時推桿的運動方程為：

位移方程：S=(h/2)*[1-cos(π* (δ/δ0))]；

速度方程：v=(πhω/2δ0)*sin(π* (δ/δ0))；

加速度方程：а=(π2hω2/2δ02)*cos(π* (δ/δ0))；

回程時推桿的運動方程為：

位移方程：S=(h/2)*[1+cos(π* (δ/δˊ0))]；

速度方程： v=-(πhω/2δˊ0)*sin(π* (δ/δˊ0))；

加速度方程：а=-(π2hω2/2δ02)*cos(π* (δ/δˊ0))；

設 h=35, r=50, 0。～130。推程, 130。～190。遠程休止，190。～320。回程，320。～360。近程休止。

Auto LISP程序清單如下(用auto LISP繪制簡諧運動規律的凸輪輪廓線)：

在AutoCAD 2008中，打開菜單【工具】【/AutoLISP(I )】/【Visual LISP編輯器（V）】窗口，在Visual LISP編輯窗口中輸入Auto LISP源程序，然后檢查程序編寫的正確性，檢查無誤后保存文件，加載該程序，并在Visual LISP控制臺中輸入函數c：outline，再進入AutoCAD的命令窗口輸入outline,就可以在AutoCAD中畫出要畫的凸輪輪廓曲線，如圖1所示。并把僅把凸輪輪廓曲線保存為cam.dxf文件。

圖1

1.2 在Pro/E中創建凸輪的三維模型

（1）運行Pro/，在Pro/E中，打開【文件】/【新建】，在彈出的對話框中選擇【零件】、【實體】，在名稱欄內輸入cam,不選中使用缺省模板，在新文件選項中選用mns_part_solid為模板，單擊【確定】，進入Pro/E三維建模環境。接著再選擇菜單欄【插入】/【共享數據】/【自文件】，選擇在 AutoCAD中畫出并保存的 cam.dxf文件，再選擇Pro/E三維建模環境中的坐標系。結果如圖2所示。

（2）根據凸輪的幾何尺寸，利用 Pro/E強大的三維建模功能，創建好凸輪的三維模型，如圖3所示。

圖2

圖3

圖 4

2 凸輪機構運動仿真

2.1 凸輪機構的裝配

機構裝配是機構運動仿真的前提條件，裝配關系的正確與否直接影響著運動仿真的結果。在Pro/E中，打開【文件】/【新建】，在彈出的對話框中選擇【組件】、【設計】，在名稱欄內輸入asmcam,不選中使用缺省模板，在新文件選項中選用mns_asm_design為模板，單擊【確定】，進入Pro/E機構裝配環境。接著按照機構裝配法則和各構件間的運動副相應的約束規則，把各構件進行正確的連接，結果如圖4所示。

2.2 凸輪機構運動仿真

在凸輪機構裝配完成后就可以進行機構的運動仿真設置了。首先單擊【應用程序】/【機構】進入運動仿真設置環境，首先向模型中添加伺服電動機，單擊【伺服電動機】按鈕，打開【伺服電動機定義】對話框，在【類型】選項卡中【從動圖元】選擇【運動軸】，并選擇凸輪回轉中心線作為連接伺服電動機人軸；在【輪廓】選項卡中【規范】組框中選擇“速度”，【初始位置】選擇“當前”，【模】選擇“常數”，【A】框中輸入伺服電動機的轉速為36，【圖形】√選“位置”、“速度”、“加速度”和“在單獨圖形中”，對話框內容設置好后，單擊“確定”。接著就可以執行運動分析，單擊【機構分析】，打開【分析定義】對話框，在【名稱】欄內自動填寫（如AnalysisDefinition9），在【類型】欄內選擇“位置”，確定凸輪運動的開始時間為0，中止時間為10，初始位置選擇“當前”，其他選項默認系統設置，單擊【運行】按鈕，就可以看到凸輪機構的運動情形，單擊點拖動工具，就可以拍下機構在某個位置時的快照。對于運動仿真的過程，還可以進行回放，并制成多媒體動畫視頻文件，在其他視頻播放軟件中播放。

2.3 凸輪機構運動結果分析

選擇運動學分析類型，單擊運行按鈕可以觀察凸輪機構的運動情況。單擊【測量】按鈕，系統彈出【測量結果】對話框，在【圖形類型】欄內選擇“測量與時間”，在【測量】欄內新建三個測量 measure1、 measure2、measure3，分別對應“推桿頂點位移”、“推桿頂點速度”、“推桿頂點加速度”，并按【測量定義】對話框的要求一一設置好，這樣就可以得到分析結果了。下面圖5是推桿頂點位移曲線、圖6是速度曲線、圖7是加速度曲線，它們都與理論計算值一致，說明仿真正確。

圖 5

圖 6

圖 7

3 結論

本文使用Auto LISP與Pro/E軟件聯合建立了凸輪機構的三維模型，并應用 Pro/E軟件的機構模塊（Mechanics）完成了運動學分析和仿真。通過對凸輪機構的運動分析可以研究其上各點的軌跡、位移、速度、加速度等運動參數，不僅可以評價從動件的運動規律是否滿足工作要求，機構是否發生運動干涉，而且還可以通過仿真方案，修改凸輪的曲線參數來改變從動件的運動規律。通過改變更新裝配主模型達到對機構進行優化設計，為凸輪機構的研究、設計和生產提供一種全新而可靠的方法。

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