基于ADAMS/View的負半徑滾子推桿盤形凸輪輪廓設計及運動仿真

高玉鴻　沈承楠

摘要：凸輪機構廣泛運用于各種機械，特別是自動機和自動控制裝置。傳統的凸輪設計方法有圖解法和解析法兩種。圖解法簡單、直觀，但設計的精度有限；解析法設計精度高，但計算量大，往往需要編寫復雜的計算機程序。利用ADAMS/View強大的分析仿真能力，以負半徑滾子推桿盤形凸輪機構為例，通過推桿的運動規律設計出凸輪的輪廓，最后進行運動仿真，驗證設計的正確性。

關鍵詞：凸輪輪廓；虛擬樣機；運動仿真

中圖分類號：G712 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）04-0096-02

凸輪機構廣泛運用于各種機械，特別是自動機和自動控制裝置。傳統的凸輪設計方法有圖解法和解析法兩種。圖解法簡單、直觀，但設計的精度有限；解析法設計精度高，但計算量大，往往需要編寫復雜的計算機程序。

負半徑滾子推桿盤形凸輪機構因凸輪、推桿呈凹-凸形態內接觸，顯著增加了綜合曲率半徑，降低接觸應力且易形成潤滑油膜；故其在承載、潤滑、減摩耐磨、傳動效率和使用壽命等諸多方面，較傳統凸輪機構皆具有顯著、大幅度的改善提高。許多學者對該類凸輪的設計運用做了系統的研究，得到許多卓有成效的成果。對輪廓設計而言，鑒于凸輪構型諸多，公式復雜，傳統解法難以滿足實際運用。借助ADAMS/View的強大分析仿真能力，依托傳統圖解法的思想，本文對該類新型凸輪機構的輪廓設計提出一種全新方法，具體以一例題詳盡展開。

一、設計實例

二、凸輪輪廓求解

傳統解析法求解凸輪輪廓曲線是根據運動規律曲線推導出凸輪輪廓線上點的坐標與凸輪轉角之間的關系方程，其關系方程復雜，計算量大，且需編程進行數據計算。現為簡化傳統數學建模方法及計算過程，提高設計效率，本文借鑒傳統圖解法思路，利用ADAMS/View中的建模功能，定義推桿的運動軌跡，應用ADAMS的Create Trace Spline功能快速準確地在凸輪板上自動生成凸輪輪廓曲線。

1.機構模型建立。依托ADAMS/View中的建模模塊，建立凸輪機構及凸輪板（用于生成凸輪輪廓曲線），如圖1所示。

2.添加約束。現為確定零件連接方式，凸輪板與大地之間設為轉動副（Revolute），推桿與大地設為移動副（Tranlate），如圖1所示。

3.添加驅動。添加轉動副驅動MOTION_R、移動副驅動MOTION_T，以確定零件間相對運動。其中轉動副驅動轉速為10°/s，移動副驅動用函數定義。

函數公式為：

式中，s1～s4分別指推程運動規律，遠休止段，回程運動規律，近休止段。

4.凸輪理論輪廓曲線生成。應用ADAMS的Create Trace Spline模塊，在凸輪板上生成軌跡曲線。鑒于可能會出現失真現象，借助ADAMS自動修改功能對凸輪的輪廓曲線進行一定的修改，修正步驟如下：

Spline→NewPart→Closed→Curve→SplinedPionts，得到凸輪軌跡曲線如圖2所示。

5.建立凸輪約束。得到凸輪曲線后，去除推桿驅動，建立凸輪與推桿之間的點接觸高副約束，并重新進行仿真驗證，凸輪輪廓線出現交叉，如圖3所示。依照經驗，增大滾子半徑，取R=340mm，重復上述步驟，得出滿足條件的凸輪輪廓。

6.導出凸輪輪廓數據。選中得到的凸輪輪廓曲線，并點擊鼠標右鍵，執行Modify→Values→Location Table→Write步驟，得到文本格式下的輪廓曲線數據，如圖4所示。

7.在PRO/E中生成凸輪。打開凸輪輪廓曲線數據，另存為ibl格式，并在文件開頭加入以下四行命令：Closed→Arclength→Begin Section→Begin Curve，導入PRO/E生成凸輪實體。

三、凸輪機構運動仿真

得到凸輪實體后，再次導入ADAMS/View中，建立凸輪與推桿的高副約束，并重新進行仿真驗證。在Adams/PostProcessor中，導出數據依次為：位移曲線、速度曲線、加速度曲線。

四、結論

基于ADAMS/View軟件平臺，以直動滾子從動件盤形凸輪機構為例進行凸輪機構設計。在凸輪理論輪廓曲線生成之后導出至Pro/E里進行編輯，得到凸輪的三維模型。再次導入ADAMS進行運動仿真。驗證了設計要求，若輪廓出現交叉失真，則仿真出錯，并得到凸輪的三維CAD模型。由于已得到凸輪的三維模型，故只須將其導入數控機床，就可生成凸輪零件，降低了設計與加工過程的人力成本，提高了生產效率。

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Abstracts：Cam mechanism is widely used in all kinds of mechanisms，especially in automatic machine and automatic control device.The traditional cam design method has two kinds of graphic method and analytic method.Graphic method is simple and intuitive，but the precision of the design is limited.The advantage of the analytical method is that the design precision is high，but the computation is large.So it is often required to write complex computer programs.Based on the powerful analysis and simulation function of ADAMS，taking roller translating follower disc cam mechanism for example，the cam contour is designed via the motion pattern of bar.Then simulation is carried out to verify the correctness of the design.

Key words：cam contour；virtual prototype；motion simulation