SolidWorks三維軟件在凸輪調試中的運用

林振龍

摘要：三維軟件SolidWorks給凸輪運動模擬設計帶來極大的便利，調試前可充分利用軟件裝配功能進行計算機環境下的模擬調試。但在投入到實踐應用后，需注意彈簧回彈時間的延遲、滾輪與凸輪碰撞的振動等問題，進一步考慮凸輪曲線的修正。文章對SolidWorks三維軟件在凸輪調試中的運用進行了研究。

關鍵詞：SolidWorks；三維軟件；凸輪調試；運動模擬設計；凸輪曲線 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP311 文章編號：1009-2374（2015）15-0046-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.15.023

近年來，三維軟件SolidWorks推廣迅速，其極大的設計便捷性也受到廣大機械設計師的鐘愛。在復雜自動化機械運動計算中，通過三維軟件模擬機械運動成為非常好的方式。在設計自動化包裝機械的進料擺臂凸輪時，發現計算機模擬的凸輪運動只是理論情況，在投入實際運行中，發現一些不可避免的，例如彈簧回彈時間的延遲、滾輪與凸輪碰撞的振動等問題。在不斷修正凸輪輪廓曲線、重新模擬運動后，這種現象得以減輕，最終滿足了高速運轉的需要。

1 SolidWorks在機械設計領域的應用情況

目前在機械設計時用到最多的三維制圖軟件當屬SolidWorks，該軟件是第一個基于Windows開發的三維CAD系統，可以進行幾乎所有機械的零件、標準件的三維設計，同時也可以進行二維零件制造圖的繪制。在二維零件圖中可以輕松獲取三維零件的左視圖、俯視圖，甚至立體軸測圖，并可以自動進行尺寸標注。

為了增加便利性，該軟件可利用預設的插件來生成機械零件，簡單輸入相應參數即可生成齒輪、蝸桿、凸輪等特殊形狀的機械零件，以上幾種零件如果直接繪制會比較麻煩。有了插件后，例如想繪制齒輪，可以輸入模數、齒數等便可以準確生成；想繪制凸輪，輸入推程和角度即可準確生成。

另外，有些功能還開放給設計者編程，懂計算機編程的設計師可以編輯各種需要的命令按鈕，自動執行各種連續操作，例如可以將“打印-打印設置-關閉”三個命令合成一個按鈕。更強大的是，可以將分散的零件利用相切、平行、垂直等機械裝配配合規則進行裝配，還可以進行齒輪鏈輪的配合。除了手動模擬機械零件運動外，還可以直接設定模擬電機動力的參數進行自動轉動，并進行運動分析。

在凸輪運動設計時，傳統的CAD設計中，設計師只能繪制二維的凸輪圖紙，如果涉及的動作較復雜，則只能靠設計師繁瑣的計算來推算行程，然后利用輔助線繪制凸輪的行程位置，靠描繪極端的幾個行程位置來畫出預計設計的動作軌跡。這樣的方法難以全面考慮運動參數，計算的準確性有一定問題，畫出來的圖也是非常不清楚，如果不是設計者本人，可能無法直觀、快速地模擬出相應的動作。

在SolidWorks中，生成的凸輪可以經過描繪輪廓線，然后導入到裝配圖中，將滾子的外圓與輪廓線相切配合。隨后轉動凸輪，滾子與推桿便可以依據凸輪的外部輪廓進行運動。

2 SolidWorks在自動化包裝機械中的應用優勢

自動化包裝機械形式由于包裝體多樣（泡罩、袋裝、三邊封等）、需包裝的物體多樣（形狀不一的固體、液體、膏狀半流體等）以及包裝材質多樣（PVC、鋁薄、紙質、玻璃瓶等）的特點，每套不同適用范圍的自動化包裝機械都由不同組合形式的幾百個機械零件組成。如果將裝配圖繪制成傳統的二維圖非常不直觀，不利于設計，不利于調試。而三維軟件繪制的裝配圖能自由轉動，隨意解剖，能很好地看清機械構造并模擬運動，很好地解決了二維圖在裝配圖時遇到的問題。

在自動化的食品、藥品包裝機械中，涉及的機械部件很多，動作也都帶連鎖性，一環扣一環，需互相配合，設計的對象也都有不同，很難按繪制一套或幾套標準去套用，因此三維繪制零件并模擬動作在這方面使用變得非常便利。就算是比較業余的產品使用者，也可以清楚看懂機械的運動狀態和調試動作的要求，在后續的用戶體驗上有了非常大的提升。

3 SolidWorks模擬調試實際應用研究

在某自動化給袋子式包裝機械的上料機構的設計中就涉及了凸輪運動的三維設計及模擬。該套設備適用于袋裝食品的自動化包裝，適用于顆粒物體和醬料，由機械手臂抓取預制好的包裝袋，然后上袋到有大型轉盤的開袋進料封袋出袋的自動化包裝工序中。整臺機器出于成本需要，也為了動作連續，只安裝一臺電機，控制縱橫兩軸上近20個凸輪的轉動。通過凸輪的運動控制各個工序上的機構運動，各個機構的動作均需緊密配合，不能脫節。

該設備最關鍵的是其中有一套進料擺臂機構。該機構由三個凸輪分別控制上料大臂、上料小臂和吸料裝置的運動。上料大臂、上料小臂負責每次夾取一只袋子上到負責開袋、加料等后續工序的夾子上去；吸料裝置負責每次用氣嘴吸一只包裝袋，配合上料臂的動作來提供包裝袋。

為保持動作的連續性，控制上料大臂和上料小臂的兩個獨立的凸輪均安裝在一根傳動軸上。但如此一來有個弊病：電機帶動軸上的凸輪，在上料大、小臂完成上袋后，上料大臂開始回撤，帶動上料小臂也往后拉，并且在水平方向上還是往下降的，這樣會勾斷已經安裝好的袋子。因此在凸輪設計中要特別注意增加這時段的凸輪升程來抬高上料小臂，也就是說在上完袋子后，上料小臂要特意抬頭避開袋子再開始后撤。此點也是在三維模擬運動時發現的，如果是傳統的二維CAD設計，或許到調試時才能發現這一點。

增加這時段的凸輪升程如果在傳統計算中需充分考慮小鏈輪的角速度、推算線速度，從而推算小臂的擺動幅度，這使得計算量比較龐大，此時用三維軟件模擬三個凸輪推動幾個機構的運動來進行模擬調試會直觀得多，并且非?？煽?。因此設計者應在模擬調試成功后導出凸輪的圖紙進行下料制造。

投入到現場設備運轉時，若在極慢的速度下上料大、小臂完全符合軟件模擬情況，但在速度提高到40袋每分鐘時，上料臂的運動完全被打亂，是在混亂的震動中完成整套動作的。這原本在SolidWorks模擬中是非常平滑順利的機械動作，但凸輪制造完全符合圖紙，其余零件也沒有任何制造或配合錯誤問題，潤滑油也已經加到位。沒有制造安裝的問題，完全響應設計要求。

在多次試驗和調整后，發現可能是因為速度加快后，彈簧帶動滾子的速度跟不上凸輪轉動的速度，導致滾子不能連續與凸輪接觸的原因。此點就算在三維軟件模擬調試中也很難被發現。因為在軟件設置滾子和凸輪相切后，計算機會按程序設計的完全接觸來執行，無論速度多快都會接觸良好，目前還不能模擬出震動或彈簧回彈的速度。更好地反映實際情況，反映機械震動，摩擦和彈簧等拉力因素應該是三維軟件今后的發展

方向。

因此，為產品達到更快的運行速度，達到更好的生產效率，需要進行凸輪輪廓曲線的設計修正。在經過數十次不斷修正凸輪的停留時間，不斷修正凸輪的行程段與停留段的銜接，增加行程段的時間角度，修正突變的曲線直至比較飽滿的弧線后，提高至60袋每分鐘才沒有發生擺臂在高速下震動的情況。

4 結語

在三維軟件設計凸輪零件，特別是涉及到速度較快的復雜運動時，可以在設計完成后導入三維軟件進行模擬調試。在模擬成功運動動作的前提下，盡量修正凸輪弧度直至平滑，充分考慮彈簧回彈的延遲。這樣在下料時會減少試制的次數，減少錯誤凸輪生產的數量，減少調試成本的同時提高調試的成功率。

參考文獻

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（責任編輯：秦遜玉）endprint