基于UG的凸輪機構運動分析仿真

夏雨露

摘要：本文介紹了以UG軟件為設計平臺建立一個凸輪機構模型，同時對其進行運動仿真分析，闡述了運動仿真的實現過程，展示凸輪機構真實的運動狀態，其運動的結果用圖表直觀的反映出來， 從這些圖表中可以分析出凸輪設計的合理性，為凸輪機構的改進設計提供一些參考。

Abstract： This paper introduces a model of cam mechanism based on UG software， analyzes its movement simulation， describes the realization process of motion simulation and shows the real motion of cam mechanism. The results of the motion are directly reflected in the chart. From these charts， we can analyze the rationality of cam design to provides some references for the improvement of cam mechanism.

關鍵詞：UG；凸輪機構；運動仿真

Key words：UG；cam mechanism；movement simulation

中圖分類號：TP391.7 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）09-0143-02

0 引言

UG（Unigraphics NX）是西門子公司的一款三維設計軟件，其運動仿真的功能也相當強大，運動仿真模塊是UG重要組成部分，它可以直接應用模型的裝配文件來建立不同條件下的運動仿真而不會干擾主模型的裝配。

凸輪機構由凸輪、從動件和底座組成。其特點是結構簡單、工作可靠。傳統的凸輪機構的運動分析方法有圖解法、解析法，雖然直觀但作圖復雜，而且建立的數學關系式比較復雜；本文通過UG模塊建立凸輪機構的裝配模型，對凸輪機構進行運動仿真分析，可以直觀的看到凸輪的運動過程，同時從分析的結果中可以看到其機構存在的不足，以便設計人員及時進行改進設計。

1 凸輪輪廓線的繪制

下面以偏心直動尖點的凸輪機構作為例子，分別介紹用作圖法、解析法和利用UG軟件進行凸輪機構設計和運動仿真分析的方法，先定義凸輪各參數：凸輪基圓半徑r0=50mm；偏心距e=10mm；從動件行程s=26mm。

1.1 作圖法繪制偏心直動尖點凸輪輪廓線

以O點為圓心，以r0作為半徑，作凸輪的基圓，同樣以O為圓心，以e為半徑，作一個圓，根據位移圖分別在基圓上找到點1、2、3、……15，其中1到8為120°，8到9為60°，9到15為90°，分別過這些點作偏距圓的切 線，然后根據位移圖，分別找到點1'、2'、3'、……15'，用光滑的曲線將這些點連接起來，就形成了凸輪的輪廓曲線，其中1'到8'為推程，8'到9'為遠休程，9'到15'為回程，15'到0為近休程。如圖1所示。

1.2 解析法設計凸輪輪廓線

根據工作的需要，選定從動件的運動規律，確定凸輪的基圓半徑，偏距，滾子半徑等，如圖2所示，然后用解析法來設計凸輪輪廓曲線，在進行凸輪輪廓線設計時，求出凸輪輪廓線的方程式：x=f（δ），y=f（δ），δ為凸輪轉角，滾子中心在初始位置B處，坐標為：（e，s0）。由圖可知：s02=r02-e2則可得s0=（r02-e2）1/2，當滾子中心到達B0點時，凸輪轉過δ，推桿產生位移s，理論上輪廓線上B0點的坐標為：X=（s0+s）sinδ+e cosδ；

Y=（s0+s）cosδ-sinδ，此式即為凸輪輪廓線方程，其中s0為從動桿尖點初始位置到凸輪中心O的位移。由圖可知：tgθ=-dx/dy=（dx/dδ）/（-dy/dδ）=sinθ/cosθ，經過推導可以得到凸輪輪廓B0`的坐標為：

x`=x±rr cosθ，y`=y±rr sinθ。

2 用UG進行凸輪機構運動仿真和運動分析

2.1 創建連桿及運動副

進入UG建模環境，繪制凸輪輪廓曲線，建立凸輪模型，然后建立從動件和機架模型并且進行裝配，進入運動仿真環境，新建一個運動分析方案。在UG運動仿真中，先將凸輪、從動桿及框架定義成為連桿，才能在裝配模型中添加運動副。連桿定義完成后，為各個組件定義運動副，連桿和運動副必須是同時存在的，否則無法進行運動仿真。在本凸輪機構運動仿真中，建立三個連桿，分別為L001（機架），L002（頂尖從動桿），L003（凸輪）；建立四個運動副，分別為機架固定副（J001），凸輪與機架之間的旋轉副（J002），頂尖從動桿與機架之間的滑動副（J003），頂尖在凸輪輪廓線上的點在線上副（J004），如圖3所示。

2.2 定義運動驅動

在UG運動仿真中，為了使機構運動起來，除了定義連桿及運動副，需要添加“驅動”來使機構進行運動。驅動通常添加在組件的運動副上，用驅動可以讓機構以某種規律進行運轉。驅動主要有以下幾種類型：①無驅動；②恒定驅動；③簡諧運動驅動；④運動函數；⑤關節運動驅動。在此凸輪機構運動中，將旋轉副J002設為驅動，驅動形式選擇恒定驅動，并設定初速度參數為60，使凸輪以60°/s的速度勻速轉動。

2.3 創建解算方案

創建解算方案時就是要定義方案類型、步數、時間等參數。在一個機構中，可以定義多種解算方案，不同的解算方案可以定義不同的分析條件。定義此凸輪機構的解算方案為：常規驅動，分析類型為：運動學/動力學，時間設為18秒，步數為300步，選擇“通過按確定進行解算”復選框。確定后啟動解算器，進行運動分析，運動分析完成后如果存在冗余的約束，系統會自動彈出對話框進行提示。

2.4 運動仿真

解算方案計算完成后，點擊運動分析工具條上的“動畫按鈕”，當點擊播放按鈕時，凸輪機構就根據所設定的參數及運動規律進行運動，如圖4所示，播放可以是一次播放，循環播放和往返播放三種模式。同時，點擊“導出至電影”按鈕，則可以將此仿真動畫輸出為AVI電影格式。除了可以使用“動畫”工具輸出機構運動視頻外，其分析結果還可以圖表的方式輸出。點擊“作圖”按鈕，在彈出的圖表對話框中選擇頂尖滑動副J003為圖表對象，單擊添加按鈕將位移曲線加到定義曲線列表中，點擊確定按鈕，即可輸出時間-位移曲線，用同樣的方法，可以輸出時間-速度曲線、時間-加速度曲線、時間-力曲線，如圖5所示。

3 結論

利用 UG 作為三維設計軟件，在建模環境中建立凸輪機構的模型，在仿真模塊中進行凸輪機構的運動仿真分析，通過模擬凸輪機構實際運動狀況及輸出的時間-位移曲線、時間-速度曲線、時間-加速度曲線、時間-力曲線等，可以分析出所設計的凸輪機構的干涉情況及是否滿足當前工作要求。相比傳統的作圖法及解析法來設計凸輪機構，使用三維軟件進行凸輪機構的設計，不僅可以直觀地觀察到機構實際的運動狀態，還可以通過分析的結果來指導設計人員進行機構的優化設計，同時避免了用傳統的方法而進行的大量而又復雜的設計計算，大大減輕了設計人員的工作強度。

參考文獻：

[1]宋曉華，方坤禮.基于UG的凸輪機構設計和運動仿真 機械研究與應用，2005（18）.

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[3]北京兆迪科技有限公司.UG NX 8.5運動分析教程[M].機械工業出版社，2014.