基于SolidWorks和Excel的凸輪設計與運動仿真

肖思偉，張晉西，陳江洪，饒 貝，陳奕婷，李 洋，胡青松

(重慶理工大學 機械工程學院， 重慶 400054)

基于SolidWorks和Excel的凸輪設計與運動仿真

肖思偉，張晉西，陳江洪，饒 貝，陳奕婷，李 洋，胡青松

(重慶理工大學 機械工程學院， 重慶 400054)

采用Excel計算凸輪運動方程位移值，在SolidWorks環境中建立三維模型，運動仿真模塊Motion添加直線馬達和旋轉馬達，反轉法獲得凸輪輪廓曲線坐標點，得到盤形凸輪三維實體模型，并對該凸輪機構進行運動仿真，繪制出推桿運動規律曲線并加以驗證。

凸輪；反轉法；運動仿真；SolidWorks；Excle

凸輪機構是由凸輪、從動件和機架組成的高副機構，廣泛應用于各種機械特別是自動機械、自動控制裝置等。基于SolidWorks的盤形凸輪的建模方法很多，可“通過XYZ點的曲線”直接生成凸輪輪廓曲線[1]，也可通過Toolbox中的“凸輪”插件生成凸輪模型。但是這些都需要完全計算出凸輪的相關參數或點的坐標，人為計算有時難免會出現失誤。本文采用Excel工具生成推桿的位移運動規律，結合反轉法、 SolidWorks運動仿真模塊Motion分析直接生成凸輪輪廓曲線的點坐標[2]，通過凸輪點坐標創建凸輪三維模型，最后運動仿真驗證凸輪曲線的準確性。

1 原理及實現

1.1 設計實例

凸輪設計的一般步驟是：根據工作要求合理地選擇從動件運動規律，按照結構所允許的空間和具體要求，確定凸輪的基圓半徑，根據計算公式分段列出從動件位移s和凸輪角位移φ的函數關系[3]，最后畫出函數圖像。

設計一直動對心凸輪機構，基圓半徑80 mm，滾子半徑15 mm，凸輪轉動2π/3，推桿等加速等減速上升30 mm；凸輪轉動π/3，推桿靜止；最后等加速等減速各π/2回到最低位置。

1.2 Excel計算凸輪運動方程位移

1.2.1 列出從動件方程

根據已知條件列出從動件位移方程[3]：

(1)

式中：δ0為推桿等加速等減速上升凸輪轉過的角度，δ0=2π/3;δ1為推桿等加速等減速下降凸輪轉過的角度，δ1=π;h為推桿上升的高度，h=30 mm；δ為推桿上升或下降時凸輪轉過的角度。

1.2.2 確定凸輪的輪廓

確定凸輪的輪廓曲線，關鍵在于根據從動件位移方程(1)得出輪廓曲線上的離散點的位置。傳統的凸輪輪廓曲線是根據離散點位置，手工擬合或運用計算工具計算輪廓的坐標而成[4]，利用繪圖命令擬合出離散點，不是本文推薦的方法。

圖1 基于Excel推桿位移坐標計算

1.3 SolidWorks獲得凸輪三維模型

SolidWorks一般用其三維繪圖的功能較多，其實它的運動分析模塊Motion功能十分強大。通過Motion運動仿真和分析，可以有效地降低產品的制造成本和縮短產品開發周期，快速了解產品的可行性[5]。

在Excel計算出推桿運動坐標點后，利用SolidWorks Motion分析[2]，在SolidWorks環境中繪制和裝配凸輪廓線生成裝置，在基圓4側面上加載馬達。SoliWorks中的馬達類型有旋轉馬達(R)、線性馬達(L)和路徑配合馬達(p)。選擇旋轉馬達(R)，推桿1的邊線上加載線性馬達(L)，并把圖1推桿運動規律中的坐標點通過加載“數據點”導入，作為推桿的運動規律，相關參數設置完畢，點擊“計算運動算例”仿真。查看結果，選擇位移/速度/加速度里面的“跟蹤路徑”，并選中推桿與凸輪接觸的小輪中心和基圓外端面，得到凸輪廓線5，如圖2所示。

圖2 凸輪廓線生成裝置

右鍵單擊凸輪廓線5的圖解，選擇“在新零件中從路徑生成曲線”，將路徑生成新零件的輪廓，添加凸輪軸孔和軸孔鍵草圖，拉伸得到凸輪零件三維模型[6]，如圖3所示。為進一步說明生成的凸輪廓線，繪制了凸輪廓線圖(見圖4)，圖中外輪廓曲線為生成的理論廓線，內圓為基圓。對應本文中開始實例，DA段廓線為等加速等減速運動階段，AB段廓線為靜止階段，BD段廓線為等加速等減速回到最低位置。

圖3 凸輪基體三維模型

圖4 凸輪廓線圖

2 SolidWorks Motion運動仿真驗證

在SolidWorks軟件中建立好運動機構的模型后，可借助SolidWorks Motion實現計算機模擬機構的運動學仿真和動力學仿真[7]。

裝配凸輪機構，設置相關參數，得到仿真結果圖。與從動件位移方程(1)經過Excel推桿位移坐標計算得出的圖做對比，如圖5所示。比較發現：兩者的曲線走勢基本一致，曲線偏移是由于數據精度不夠引起的，凸輪旋轉角度與從動件上升高度基本一一對應，運動特性十分接近。從而可以看出，凸輪三維建模的精度完全滿足設計需要[8]。

Cam Design and Motion Simulation Based on SolidWorks and Excel

XIAO Siwei, ZHANG Jinxi, CHEN Jianghong, RAO Bei, CHEN Yiting, LI Yang, HU Qingsong

(College of Mechanical Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

Using Excel tool, it generates the steeple of the displacement law of motion, the inversion method, in environment of SolidWorks add linear motor and rotary motor motion analysis of cam contour curve coordinates, 3D modeling of disc cam matrix through the coordinates, the on cam mechanism for motion simulation to verify the accuracy of the cam profile curve. Through this method can simplify the cam design process, the cam profile curve data can be used for direct processing of CNC machine tools, CAM research and development and production automation is of great significance.Using the calculation of cam motion equation of displacement with Excel, it establishes the three-dimensional model in SolidWorks environment. It uses motion simulation module of Motion to add a straight line motor and rotary motor. Using coordinate cam contour curve inversion method, it gets the disc cam 3D solid model, and has motion simulation of the cam mechanism and draws rod motion curve and verifies it.

cam; inversion method; motion simulation; SolidWorks; Excel

圖5 從動推桿位移線對比

3 結論

2017-03-03 基金項目：重慶市基礎與前沿研究項目(csts2016jcyjA0444)

肖思偉(1991—)，男，碩士研究生，主要從事機械設計理論、方法及應用研究，E-mail：15111980348@163.com; 張晉西(1962—)，男，教授，主要從事機械運動仿真、計算機輔助設計研究，E-mail:zhangjinxi@cqut.edu.cn。

肖思偉，張晉西，陳江洪，等.基于SolidWorks和Excel的凸輪設計與運動仿真[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(8):73-75.

format：XIAO Siwei,ZHANG Jinxi, CHEN Jianghong, et al.Cam Design and Motion Simulation Based on SolidWorks and Excel[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(8):73-75.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.08.011

TH13

A

1674-8425(2017)08-0073-03