基于CREO的對心盤形凸輪機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)與仿真

黃偉

(四川機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，四川攀枝花 617000)

基于CREO的對心盤形凸輪機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)與仿真

黃偉

(四川機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，四川攀枝花 617000)

用作圖法設(shè)計(jì)凸輪輪廓是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，三維軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)中的運(yùn)用為凸輪設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)方法。基于CREO軟件，實(shí)現(xiàn)凸輪的幾何尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)化和從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的選擇程序化。運(yùn)用CREO仿真功能，對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和不同運(yùn)動(dòng)規(guī)律的凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真并測量凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，得到優(yōu)化的凸輪輪廓。為凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種方法。

CREO軟件；凸輪機(jī)構(gòu);參數(shù)化設(shè)計(jì);仿真

0 引言

凸輪機(jī)構(gòu)在各類機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中有著廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是一種靜態(tài)的、低精度的設(shè)計(jì)方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，出現(xiàn)了大量的三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件。CREO軟件是PTC公司的產(chǎn)品，是集CAD/CAE/CAM于一體的大型三維設(shè)計(jì)軟件。CREO提供了出色的建模功能、仿真功能和分析功能。根據(jù)凸輪輪廓的構(gòu)成特點(diǎn)，利用CREO軟件的三維實(shí)體建模功能建立凸輪的參數(shù)化幾何模型，實(shí)現(xiàn)升程、回程、遠(yuǎn)休止、近休止的轉(zhuǎn)角大小，基圓半徑、升程的大小，凸輪寬度等尺寸的參數(shù)化，實(shí)現(xiàn)升程、回程的運(yùn)動(dòng)規(guī)律選擇的程序化。利用CREO環(huán)境的仿真功能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，測量從動(dòng)件位移、速度、加速度、凸輪不同位置的曲率及壓力角的變化情況，并以圖形的形式輸出。通過改變凸輪的尺寸參數(shù)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，修改凸輪模型的幾何尺寸和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得到優(yōu)化的設(shè)計(jì)模型，同時(shí)也提高了設(shè)計(jì)效率。

1 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

在凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中通常把從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)分成4段，即推程、遠(yuǎn)休止、回程、近休止，如圖1所示。

圖1 凸輪輪廓形狀的構(gòu)成

2 基于CREO的凸輪機(jī)構(gòu)模型的創(chuàng)建

2.1 基本思路

例如，設(shè)計(jì)一對心尖頂直動(dòng)滾子從動(dòng)件盤形凸輪。已知凸輪基圓半徑rb=30 mm,凸輪逆時(shí)針回轉(zhuǎn)，從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律如下:簡諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律上升30 mm，推程運(yùn)動(dòng)角為150°，遠(yuǎn)休止角為30°，擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律下降30 mm,回程運(yùn)動(dòng)角120°，近休止角60°。分析從動(dòng)件的速度變化、加速度變化及凸輪輪廓曲線的曲率和壓力角的變化。這個(gè)問題在三維軟件環(huán)境下可通過建立一個(gè)凸輪模型再仿真能得到解決。如果把這個(gè)問題擴(kuò)展為一類問題又該如何解決呢？凸輪基圓半徑、從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律、各個(gè)運(yùn)動(dòng)角、升程等參數(shù)都可以變化，這需要設(shè)計(jì)一個(gè)參數(shù)化的模型。在機(jī)器設(shè)計(jì)中，如需要用對心盤形凸輪機(jī)構(gòu)的方案來解決機(jī)械傳動(dòng)的問題，參數(shù)如何選擇和優(yōu)化？設(shè)置一系列的參數(shù)，根據(jù)需要輸入新的參數(shù)，使凸輪的輪廓按設(shè)計(jì)參數(shù)生成，再對機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，得出一些凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的圖表或曲線，通過對這些參數(shù)曲線進(jìn)行分析，修改機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，最后得到優(yōu)化的凸輪機(jī)構(gòu)模型，完成凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2.2 設(shè)置參數(shù)及在程序中添加輸入項(xiàng)

首先在CREO環(huán)境下新建一個(gè)模型，在【工具】菜單下選擇【參數(shù)】選項(xiàng)。設(shè)置推程運(yùn)動(dòng)角FS、遠(yuǎn)休止角FY、近休止角FJ、回程運(yùn)動(dòng)角FH、基圓半徑RB、升程位移H、凸輪寬度S，它們都是實(shí)數(shù)型參數(shù)；設(shè)置推程運(yùn)動(dòng)規(guī)律TCYD、回程運(yùn)動(dòng)規(guī)律 HCYD，它們都是字符串型參數(shù)，如圖2所示。在【工具】菜單下選擇【程序】選項(xiàng)，在INPUT和END INPUT之間添加輸入項(xiàng)，如圖3所示。

圖2 設(shè)置參數(shù)

圖3 程序中的輸入項(xiàng)

2.3 繪制四段掃描軌跡線

在這里用CROE軟件中的掃描方式生成凸輪輪廓。由于這里的凸輪是由推程、遠(yuǎn)休止、回程、近休止4段輪廓構(gòu)成，因此先生成掃描軌跡線。4段圓弧軌跡線的半徑是基圓半徑，每段圓弧對應(yīng)的圓心角即是推程、遠(yuǎn)休止、回程、近休止對應(yīng)的運(yùn)動(dòng)角，如圖4—7所示。基圓半徑和各運(yùn)動(dòng)角都由參數(shù)驅(qū)動(dòng)，其關(guān)系式如圖8所示。

圖4 推程軌跡線 圖5 遠(yuǎn)休止軌跡線 圖6 回程軌跡線 圖7 近休止軌跡線

圖8 參數(shù)關(guān)系式

2.4 繪制4段凸輪輪廓

以推程軌跡線作為原始軌跡線，選擇掃描方向?yàn)轫槙r(shí)針，并選擇掃描為曲面選項(xiàng)。在通過軌跡線圓弧圓心的方向上繪制一條線段作為截面要素，其長度sd3受程序控制，掃描生成凸輪推程段輪廓，如圖9、10所示。作為截面要素的線段的長度變化規(guī)律完全由從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律確定。文中給出了等速運(yùn)動(dòng)、簡諧運(yùn)動(dòng)、擺線運(yùn)動(dòng)、五次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)，對于其他運(yùn)動(dòng)規(guī)律，只要有運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式都能寫入到程序中。程序中的trajpar是軟件內(nèi)置的變化范圍為0～1的變量。其中遠(yuǎn)休止和近休止段輪廓是圓弧，無須編程，回程段輪廓繪制也如推程段，只是運(yùn)動(dòng)規(guī)律的表達(dá)式和推程運(yùn)動(dòng)有區(qū)別，在此也給出了等速運(yùn)動(dòng)、簡諧運(yùn)動(dòng)、擺線運(yùn)動(dòng)、五次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)的程序。最后繪制出完整的凸輪輪廓，如圖11—13所示。

圖9 推程段輪廓的掃描

圖10 控制截面長度的程序

圖11 遠(yuǎn)休止段輪廓的掃描

圖12 回程段輪廓的掃描 圖13 完整輪廓

2.5 三維參數(shù)化凸輪輪廓的形成

把4塊曲面進(jìn)行合并形成一塊曲面，再對曲面加厚，并將加厚的尺寸參數(shù)化就得到參數(shù)化凸輪模型。重新生成模型按程序提示輸入相應(yīng)的各個(gè)運(yùn)動(dòng)角數(shù)值、運(yùn)動(dòng)規(guī)律的字母代碼、基圓半徑數(shù)值、凸輪寬度數(shù)值就可生成需要的凸輪，如圖14所示。

圖14 形成參數(shù)化凸輪模型

3 基于CREO的凸輪機(jī)構(gòu)模型仿真

3.1 凸輪及機(jī)構(gòu)的裝配

凸輪機(jī)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)量少，構(gòu)件間的運(yùn)動(dòng)副簡單。機(jī)架的約束方式選擇【默認(rèn)】，從動(dòng)件與機(jī)架之間的運(yùn)動(dòng)副是移動(dòng)副，在軟件中選擇約束方式為“圓柱”。凸輪與機(jī)架的約束方式選擇為“銷”。進(jìn)入【應(yīng)用程序】菜單，選擇“連接-凸輪”，進(jìn)行凸輪與從動(dòng)件之間的運(yùn)動(dòng)連接，如圖15所示。

圖15 凸輪機(jī)構(gòu)的裝配及運(yùn)動(dòng)連接

3.2 創(chuàng)建凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

裝配好凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模型后才能進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真。由于凸輪機(jī)構(gòu)中凸輪是主動(dòng)構(gòu)建，伺服電動(dòng)機(jī)添加到凸輪上，點(diǎn)擊【伺服電動(dòng)機(jī)】菜單，打開如圖16所示【伺服電動(dòng)機(jī)定義對話框】，按圖示設(shè)置相應(yīng)選項(xiàng)。在【A】選項(xiàng)中輸入驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)速為10，即凸輪每秒轉(zhuǎn)過10°。

圖16 伺服電動(dòng)機(jī)定義

3.3 運(yùn)動(dòng)結(jié)果分析

接下來對凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)測量。首先進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,點(diǎn)擊【機(jī)構(gòu)分析】，選擇運(yùn)動(dòng)學(xué)分析類型為【運(yùn)動(dòng)學(xué)】，考慮到前面設(shè)置的凸輪轉(zhuǎn)速是10 (°)/s，在這里設(shè)置開始時(shí)間為0，中止時(shí)間為36 s，正好滿足凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)360°。其他選項(xiàng)默認(rèn)系統(tǒng)設(shè)置，單擊【運(yùn)行】按鈕，可以看到凸輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)一周的仿真運(yùn)動(dòng)情況。對于該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的仿真過程，可制作成多媒體動(dòng)畫文件。接下來進(jìn)行參數(shù)測量。點(diǎn)擊【測量】菜單，在【測量結(jié)果】對話框，在結(jié)果集選擇框中選擇前面已進(jìn)行過的運(yùn)動(dòng)分析。在測量中創(chuàng)建新測量，在【類型】組框中可以選擇如速度、加速度、凸輪輪廓曲率、凸輪壓力角等進(jìn)行分析，如圖17所示。

圖17 測量結(jié)果設(shè)置

需要說明的是：在這里選擇從動(dòng)件推桿末點(diǎn)作為測量對象，接受系統(tǒng)的【每個(gè)時(shí)間步長】的評估方法，參數(shù)定義之后就可以得到分析結(jié)果，可單獨(dú)繪制測量結(jié)果圖形。改變結(jié)構(gòu)參數(shù)和選擇不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，比較它們對運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的影響，修改結(jié)構(gòu)參數(shù)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律可獲得優(yōu)化的設(shè)計(jì)參數(shù)。如將前面的算例一改為算例二：凸輪基圓半徑Rb=50 mm，五次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律上升30 mm，推程運(yùn)動(dòng)角為150°，遠(yuǎn)休止角為30°，等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律下降30 mm,回程運(yùn)動(dòng)角120°，近休止角60°。不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律對凸輪形狀、輪廓曲率及壓力角有影響，在這里列舉前面兩個(gè)例子的凸輪的形狀、曲率、壓力角的變化情況，如圖18—20所示。

圖18 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律對凸輪形狀的影響

圖19 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律對凸輪輪廓曲率的影響

其他如速度、加速度、位移等都可以用圖形和表格列出供設(shè)計(jì)分析。凸輪曲率對滾子半徑的選擇提供參考，輪廓的壓力角為機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率提供依據(jù)。

4 結(jié)論

為了解決對心尖頂盤形凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的幾何參數(shù)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的優(yōu)化選擇問題，基于CREO，建立一個(gè)參數(shù)化的凸輪機(jī)構(gòu)模型，設(shè)置了影響機(jī)構(gòu)形狀尺寸的參數(shù)，編制了不同運(yùn)動(dòng)規(guī)律的凸輪輪廓程序，在設(shè)計(jì)中根據(jù)機(jī)器工作的需要，輸入?yún)?shù)和選擇選項(xiàng)，使凸輪的模型按設(shè)計(jì)參數(shù)生成，再對機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，得出一些凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的參數(shù)曲線，通過對這些參數(shù)曲線進(jìn)行分析判斷多次修改機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得到優(yōu)化的凸輪模型，同時(shí)也提高了設(shè)計(jì)效率。文中的研究為凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了一種新的方法。

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Parametric Design and Simulation of the Disc Cam Mechanism Based on CREO

HUANG Wei

(Department of Mechanical Engineering,Sichuan Electromechanical Institute of Vocation and Technology, Panzhihua Sichuan 617000,China)

Graph design is a traditional design method for cam profile, and the application of three-dimensional(3D) software in mechanical design provides a new design method for cam design. Based on CREO software,the geometric dimensions of the cam were designed and parameterized, and the selection of the motion rule of the follower was programmed. By using the CREO simulation function,the cam mechanism with different structural parameters and different motion laws were simulated and the motion parameters of the cam mechanism were measured.Then optimized cam profile was obtained. It provides a method for the optimization design of cam mechanism.

CREO software; Disc-cam mechanism；Parametric design；Simulation

2016-12-14

黃偉(1968—)，男，工學(xué)碩士，副教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)、CAD/CAM方向的教學(xué)與研究工作。E-mail:hw253@126.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.04.011

U461.1

A

1674-1986(2017)04-042-06