利用Pro／ENGINEER进行凸轮设计与运动分析研究.pdf

1 8 煤 矿 机 械 文章 编 号 1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 4 1 0 ． 0 0 1 8 0 2 2 0 0 4年 第 1 0期 利用 P r o ／ E N G I N E E R进行凸轮设计与运动分析研究 曾祥光 西南 交通 大学 峨眉 校 区 ，四川 峨眉 6 1 4 2 0 2 摘 要 结合一 凸轮设计 实例 ， 介绍 了在 P r o ／ E N G I N E E R中利 用基 准曲线特征通过 关 系方程设 计 凸轮轮 廓 曲线 ， 并在 此基础上设计 凸轮及 利用 M e c h a n i s m进行 凸轮机 构运动分析 的方法 ． 使 用该 方法设计 凸轮 简单 易行 ， 所设计 凸轮轮廓 准确 ， 为工程设计人 员高质 量的进行 凸轮设计提供 了一种 新 的 思路 。 关 键 词 P ro／ E N G I N E E R； 凸轮 ；基 准 曲 线 ；运 动 分 析 中图 号 T P 3 9 文 献 标 识 码 A 1 前 言 凸轮机 构是一 种应 用十分 广泛 的传动 机构 ． 设 计 凸轮机构时经常需要按 给定 的从 动件运 动规律求 凸轮廓线来设计 凸轮 ， 其 方 法 主要有 图解法 和解析 法 。图解法 直观 、 简单 ， 但 精度 不高 ， 而传统 的解 析 法虽 然精度高 ， 但计算 量大 ， 并且 因凸轮廓线 往往是 不规则 曲线 ， 用 A u t o C A D等软件绘制凸轮 十分不便 ， 影 响了设计效率 。而利用本 文介 绍的方法 不仅使 凸 轮设计简单 易行 ， 而且 还可 以对 凸轮传 动机 构作 运 动和动力 学分析 以判 断凸轮设 计 是否 符合要 求 ． 极 大地 提高 了设计效率 和设计 精度。 2 P ro／ E n g i n e e r 中凸轮设计及 运动分析基本 方法 凸轮的解析法设计 一般 是根据 从动件 的运动规 律求 凸轮 廓线方 程 ， 因此可 根据 凸轮 廓线方 程利 用 P r o ／ E n gi n e e r 中基准 曲线特征 来绘 制凸轮 廓线 ， 进 而 利用 E x t r u d e特 征来设 计 凸轮。至 于运 动分 析可 以 利用 Me c h a n i s m来 实现o 、 1 基准 曲线 一D a t u m C u r v e特征 基准 曲线特 征 是 P ro／ E n g i n e e r中一 种 十分 重要 的特 征 ， 它 在 曲 面 造 型 、 B l e n d 、 S w e e p及 A d v a n c e d B l e n d 、 S w e e p等 特 征 造 型 方 法 中 经 常用 到 ． 而 生 成 C u rve 方法 中有一种很重 要 的方法 F r o m E q u a t i o n ． 即 用表 征曲线 上 点 的位 置关 系的 参数 方 程来 绘 制 曲 线 ， 大家很少使 用 ， 而事 实上它 在诸 如齿 轮设计 、 凸 轮设计 中是一个十分关键 的方法 。 比如在设计渐 开 线齿轮 时 ， 齿轮渐 开线 用描 点等 方法来 设计 是很 困 难且不准 确 的 ， 但使 用 曲线 特 征 中 的 F rom E q u a t i o n 方法则 十分方 便准确 。因此如能利用该方法设计 出 凸轮廓线 ， 将使 凸轮的设计 变成轻而易举 的事情 。 2 机构运动分析 一M e c h a n i s m 在装 配 A s s e m b l y中 ， Me c h ani s m功能专 门用来 处 理组件间 的运 动仿真 ， 它主 要是通 过在装 配 时利用 C o n n e c t i o n s 对 存在相对运动 的组件 设置适 当联结 关 系 ， 然后 给 主动 件 施 加一 定 的驱 动器 来 实现 的， 在 Me c h ani s m中不仅可 以直 观观察机构的运 动 ． 还可 以 进一步就设计 中感 兴趣 的某一组件 的某一运 动参数 进行 分析 。 3凸轮 设计实例 本实例 使 用 C u rve特 征 创 建 凸轮 廓 线 设 计 凸 轮 ， 并 利用 Me c h ani s m作 运 动分 析 。凸轮 机构 运 动 要求及基本参数如表 1 所示 。 表 1 凸轮机构 运 动要 求及 参数 Tab． 1 Th e c al n me c ha ni s m mo on r e que s t a nd par ame t er s 凸轮旋转 角度， 。 推 杆运 动状态 0 1 8 0 1 8 02 5 5 2 5 53 3 0 3 3 0～3 6 0 正加速 度上摆 3 0 * 等 加速 度 ， 等减 速度 规律下 摆到初 始位 置 静 止不 动 注 z 口8 0 mil l ， z 0 4 0 m i ll ， 滚 子半 径 r1 0 mi ll ， 初 始位 置 A 曰 垂直于 D 曰 1 用解析法设计 凸轮理论廓线 根据 该 凸轮 机构运 动要求 ， 可确 定从 动件 的运 动规律 为 3 0 [ 一 s i n 2 0 。 ≤ ≤1 8 0 。 3 0 2 l x u 3 0 一 1 8 0 1 8 0 。 ≤2 5 5 。 2 1 x 5 0 3 2 01 - l 5 0 一 一1 8 o ] 2 5 5 。 3 3 0 。 0 3 3 0。 ≤ 3 6 0 。 ． 1 建立 图 1所示坐标 系 X O Y， 分 析计 算可 知 凸轮 理论廓线应满足如下方程 [ s in ～d I [ fo- 2 其 中 。 a rc tan 等 arc tan 2 6 ．5 7 。 ●』月 u u 由式 2 及从动件 的运动规律 可知 ， 凸轮理论 轮 廓 曲线 由 4段曲线构成 。 图 1 凸轮 运 动分 析简 图 F i g． 1 T h e mo d e l 0 f锄mo ti o n An a l y s i s d i c e- a m 维普资讯 2 0 0 4年第 l 0期 利用 P r o ／ E N G I N E E R进行凸轮设计与运动分析研究曾祥光 l 9 2 在 P ro／ E n g i n e e r 中设 汁凸轮 ①首 先在 P ro／ t ,n g ， i n e e r 中建立 图 l 所 示坐标 系 X O Y， 并命名为 C S O ； ② 在 F r o n t 绘 图平 面内分别绘 制 4条基 准曲线 ， 这 4条 基准曲线构成 了所设计 凸轮 的理论廓线 。方 法 是 依 次 执 行 I n s e r t -- D a t u m --C u r v e --S k e t c h -- F r o m E q u a t i o n命令 ， 选 择坐标 系 C S 0 ， 坐标 类型 为笛卡 儿 坐标 系。绘制 在 0～1 8 0 。 变化时 凸轮理论 廓 线第 l 段 的程序 如下 ， 类似方 法可设计 出其 他 3段 曲线 ， 由于 凸轮 实际廓 线 是理论 廓线 的等 距线 ， 其 间相差 一 滚子半 径的距离 ， 因此 由理论 廓线可 方便 地获得 凸轮实际廓线 ， 设计出的 凸轮廓线如 图 2所示 ； 图 2凸 轮 廓 线 Fi g． 2 The c a m pr o f l l e ③利 用特征 工具及前面设计 出的凸轮廓线设计 凸轮 ， 方 法 是 F e a t u r e -- C r e a t e --P rot r u s i o n -- E x t r u d e ， 选择 F ron t 绘 图平面 ， 利 用 S k e t c h功能 中的 U s e E d g e 复制前 面所作 曲线拉伸 出要求厚度 即可。 4利用 Me c h a n i s m对所设计 凸轮机构作 运动分析 1 在 P ro ／ E n g i n e e r A s s e m b l y模块 中装配 构成 凸 轮传动机构 为验 证所设 计 凸轮是 否满足要求 ， 可对其作 运 动分析加 以验证 。在 P ro／ E n g i n e e r中作运 动分析 ， 存 在相对运动 的各 组件 必须装 配构 成机 构 ， 所使用 的 方法 主要 是存 在相对运动 的各组件 间在装配时使用 联结 C o n n e c t i o n s 来 使组 件 间形成 一定 的相对 运 动 ， 这些联结 主要有销 联结 、 滑 动联结 、 轴 承 连接 、 球联 结等 ， 在设计时使 用何 种联 结关 系主要 取决 于存在 相对运 动 的组 件 间 的运 动 形 式。 如在 此 凸轮 机构 中 ， 凸轮绕轴作 旋转运动 ， 推杆 也是绕一定轴作旋转 运动 ， 因此推杆 与机架 ， 凸轮与轴都 是通过 P i n即销 联结 的方式来构成 。 2 用 Me c h a n i s m作 凸轮传动机构运动仿真 定义好 该 凸 轮机 构 后 ， 即可 使 用 Me c h a n i s m来 对该 凸轮机构 进行 运动分析 ， 在 机构运 动分析中 ， 可 以选择机构 中关 键 的运 动对象 来加 以分析 ， 看 其运 动是否符合设 计要求 。如对 于本文所设计 的凸轮传 动机构 ，推杆 的运动规律是 否达到设计要求则是考 察凸轮设计 是否成功 的重 点 ， 因此 在运 动分 析时 可 以选择 推杆 转动角度 作为 分析 对象 ， 分 别考 察 凸轮 转动过程中推杆 位置 、 摆 动角 速度 及角 加 速度是 否 达到设计要求 ， 限于篇幅的关 系 ， 文 中只给出了推杆 转角 位置运 动分析 ， 结果 如 图 3所 示 。从 分析结 果 来 看 ， 凸轮逆时针转动一周时 ， 推杆 转角的位置与设 计要求是 吻合 的 ， 凸轮廓线的设计是正确 的。 图 3凸轮转 速 3 6 。 ／ s 时推 杆转 角位 置 图 F i g ． 3 Th e d i s p l a c e me n t d i a g r a m o f p u s h r o d ∞3 6 。 ／ s 5 结 语 在机构设计 中 ， 凸轮 的设 计是一个重点 ， 也是一 个难点 。图解法设 计 凸轮不仅 精度 低 、 制造 也极 为 不便 ； 而采用传统 的解析法设计 ， 虽然 可以根据从 动 件的运动规律列 出凸轮轮廓 线方 程 ， 但是将 其转 化 成 图纸却存在一定难度。但 是利用本文讨论 的方法 来设计凸轮及其传 动机构不 仅 简单方便 ， 同时 由于 此处直 接设 计 出 了 凸轮 的精 确 轮 廓 形 状 ， 可 以在 P m／ E n B e e r 的制 造模 块 中直 接 针 对 所设 计 凸轮设 计 数控 加工程序 ， 从 而为高质量、 高效率 的制造 出所 需凸轮创造 了极 为有利 的条件 。 参考 文献 [ 1 ] 黄圣杰 ， 张益 三 ． P r o ／ E N G I N E E R 2 0 0 1高级 开 发实 例 [ M]． 北 京 电 子工业 出版社 ． 2 0 0 2 ． [ 2 ] 和青芳 ． 徐 征 ． P r o ／ E N G I N E E R WI L D F I R E产 品设 计 与 机构 动 力学 分析 [ M] ． 北京 机械工业 出版 社 ． 2 0 0 4 ． [ 3 ] 孙恒 ． 陈作模 ． 机械原理[ M ] ． 北京 高等教育出版社 ． 1 9 9 7 ． f 4 ] 林 清安 ． P r o ／ E N G I N E E R 零 件 组 合 [ M] ． 北 京 北 京 大 学 出 版社 ， 作者 简介 曾祥光 1 9 7 3一 ， 四川峨 眉 山人 ． 研 究生 在读 ． 讲 师 ． 1 9 9 5年 毕业于 西南交 通大学 机械 电子工 程 专业 ， 现 为 西南 交通 大 学 峨眉校 区机械 系教 师 ． 主 要从 事 C A D 、 数 控 等 课 程 教 学 ． T e l 0 8 3 3 5 1 9 8 7 0 0 ． Ema i l s w j t u z h e n g 1 6 3 ． c o rn． 收稿 日期 2 0 0 4 0 6 1 8 Re s e a r c h on t h e de s i g n a n d mo t i o n a n a l y s i s o f c a m b y u s i n g P r o ／ ENGI NEER ZENG Xi a ng g ua ng S o u t h w e s t T r a ff i c Un i v e r s i t yE me i ，E me i 6 1 4 2 0 2 ， C h i n a Abs t r a c t T he p a p e r i S t o i n t rod u c e a n a p p r o a c h o f d e s i g n a b o u t c a m c o mb i n i n g a n i n s t a nc e wh i c h c o n t o ur c u rve i s d e 。 s i gne d t h rou g h _e l a t i o n b v u s i n g t h e d a t c u rve f e a t u r e a n d m a k i n g u s e o f t h e me c h a n i s m f o r i t s mo t i o n a n a l y s i s i n P ro／ En g i n e e r． Us i n g t h i s me t h o d I t h e d e s i gn o f c a m i s v e r y e a s y a n d t h e c a m c o n t o u r i S v e r y a c c u r a t e， S O t h e p a p e r p rov i de s a n n e w me t h o d o f d e s i g n a b o u t c a m wi t h h i g h q ua l i t y for e n g i n e e r ． Ke y wo r dsP ro／ ENGI NEER ；c a m ；d a t u m c u rve；mo t i o n a n a l y s i s 维普资讯