基于Inventor的凸輪輪廓參數(shù)化設(shè)計及性能分析

金興偉，石存秀，侯玉榮

（十堰職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，湖北十堰442000）

凸輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，只需設(shè)計適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，便可使從動件得到任意的預(yù)期運動，因此在自動機床、輕工機械、紡織機械、印刷機械、食品機械、包裝機械和機電一體化產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。其設(shè)計方法主要有圖解法和解析法。圖解法簡便、直觀，但作圖誤差較大，難以獲得凸輪輪廓曲線上各點的精確坐標(biāo)，故按圖解法所得的凸輪輪廓在加工方面比較困難。解析法精度高，能夠精確計算出凸輪輪廓曲線和刀具運動軌跡上各點的坐標(biāo)值，方便在數(shù)控機床上加工，但計算繁雜［1］。利用Inventor軟件的參數(shù)化設(shè)計功能，則可將上述兩種方法進行優(yōu)化組合，從而實現(xiàn)既簡單又精確的目標(biāo)，同時輸出位移、速度及加速度曲線，由此分析凸輪輪廓曲線動態(tài)性能。凸輪輪廓設(shè)計完成之后可以導(dǎo)出設(shè)計所得的數(shù)據(jù)，方便數(shù)控加工。本文將通過Inventor軟件介紹按從動件的運動規(guī)律設(shè)計盤形凸輪輪廓的方法。

1 盤形凸輪機構(gòu)的設(shè)計條件及要求

表1 凸輪機構(gòu)設(shè)計參數(shù)表

從動件在推程過程中作等加速等減速運動，在回程過程中作簡諧運動，凸輪轉(zhuǎn)向為逆時針方向，設(shè)計參數(shù)見表1。

2 參數(shù)化設(shè)計過程

參數(shù)化設(shè)計就是以其強有力的尺寸驅(qū)動修改模型，為初始產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品建模和修改系列產(chǎn)品設(shè)計提供有效手段，同時可滿足設(shè)計具有相同或相近幾何拓撲結(jié)構(gòu)的工程系列產(chǎn)品及相關(guān)工藝裝備的需要［2］。

2.1 基本參數(shù)的輸入

打開Inventor軟件，新建零部件后進入“設(shè)計”界面，選擇“盤形凸輪生成器”，在相應(yīng)的對話框中輸入凸輪設(shè)計的基本參數(shù)，如圖1所示。

圖1 凸輪基本參數(shù)輸入對話框

最終凸輪輪廓曲線的精確度取決于生成曲線數(shù)據(jù)點的個數(shù)，同時高精度的凸輪輪廓曲線對后續(xù)的有限元分析和數(shù)控加工都有重要的意義。如果對精確度要求比較高的凸輪可以選擇較多的數(shù)據(jù)點，相反則可以選擇較少的數(shù)據(jù)點個數(shù)，設(shè)置如圖2所示。此外，還可以設(shè)置計算點數(shù)，選擇凸輪方向，凸輪輪廓相對于從動件的路徑類型等。

圖2 凸輪輪廓曲線分割點數(shù)設(shè)置

2.2 位移線圖的創(chuàng)建

根據(jù)從動件的運動規(guī)律創(chuàng)建位移線圖，本實例中實際行程段有4段，在運動功能處添加設(shè)計要求的運動規(guī)律，對話框如圖3所示，創(chuàng)建完成后位移線圖如圖4所示。

圖3 從動件運動規(guī)律添加對話框

圖4 圖4從動件位移線圖（粗實線表示位移線圖）

2.3 性能分析

為了使設(shè)計出來的凸輪與實際情況相符，必須添加實際的從動件載荷，給定凸輪的轉(zhuǎn)速以及選用材料，在設(shè)計的同時進行計算校核。在計算結(jié)果欄中有速度、加速度、壓力角、接觸應(yīng)力等信息，當(dāng)選用材料的許用應(yīng)力小于凸輪與滾子間的最大接觸應(yīng)力時，計算結(jié)果就會報警并顯示紅色，提醒設(shè)計失敗，此時設(shè)計者就要考慮更換材料，使許用應(yīng)力大于最大接觸應(yīng)力，設(shè)計與校核相互結(jié)合，交替使用，最終達到設(shè)計要求。

當(dāng)計算校核完成之后，我們可以打開從動件的速度、加速度曲線圖，如圖5所示。由加速度線圖可知，從動件由等加速過渡到等減速的瞬時，加速度出現(xiàn)有限值的突然變化，這將產(chǎn)生有限慣性力的突變從而引起沖擊，所以由上述條件設(shè)計的凸輪不適用于高速場合，僅用于中低速的情況。

圖5 從動件速度、加速度曲線圖。

為使凸輪機構(gòu)有較好的性能，常將基本運動規(guī)律加以改進，或?qū)⑺鼈兘M合起來使用。組合時，所選運動規(guī)律應(yīng)在有關(guān)區(qū)間內(nèi)連續(xù)，在拼接點兩運動規(guī)律的位移和速度對應(yīng)相等。在選擇從動件運動規(guī)律時，除考慮剛性沖擊和柔性沖擊外，還應(yīng)注意各種運動規(guī)律的Vmax和amax的影響，Vmax愈大，則動量mv愈大，當(dāng)大質(zhì)量的從動件突然被阻止時，將出現(xiàn)很大的沖擊力；amax愈大，則慣性力愈大，引起較大的動壓力，對機構(gòu)的強度和磨損都有較大的影響，對于高速凸輪機構(gòu)，從動件的最大加速度不宜太大［3］。

為此將從動件的運動規(guī)律進行改進，將推程和回程段用七次多項式進行擬合，得到的位移、速度以及加速度曲線圖如圖6所示，圖中速度和加速度曲線連續(xù)沒有突變，理論上不存在沖擊或沖擊極小，說明此處選用的曲線組合具有一定的合理性，可以用于高速傳動中。

圖6 改進后的從動件速度、加速度曲線圖

2.4 凸輪模型生成及工程圖創(chuàng)建

通過調(diào)整改進后，顯示計算正確，設(shè)計成功后，點擊“確定”按鈕即可生成凸輪的三維實體模型，如圖8所示，凸輪輪廓曲線上的數(shù)據(jù)點即為圖2中設(shè)置的模型點個數(shù)。

圖7 凸輪三維實體模型

目前凸輪機構(gòu)的設(shè)計一直沿用以二維工程圖來表示三維物體的方法，該方法致命的缺點是：一個零件尺寸的修改不能自動反映到相關(guān)的零件及模型上［4］［5］。以Inventor為平臺，三維模型和二維工程圖相互關(guān)聯(lián)，模型尺寸的改變可以驅(qū)動工程圖的變化，利用此功能對凸輪機構(gòu)中最復(fù)雜的凸輪輪廓進行參數(shù)化設(shè)計時就顯得方便、快捷。由三維模型生成的工程圖和幾何數(shù)據(jù)（位移、速度、加速度、壓力角、轉(zhuǎn)矩）如圖8所示，這些數(shù)據(jù)能夠直接用于后續(xù)數(shù)控加工和有限元分析中。

圖8 工程圖幾何數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語

用Inventor軟件設(shè)計加速器模塊可快速準(zhǔn)確求得凸輪輪廓曲線，避免了圖解法的較大誤差和解析法的繁雜。生成相應(yīng)的從動件位移、速度及加速度曲線圖，能形象直觀地得到凸輪輪廓曲線，因此具有較強的實用性。這種設(shè)計方法適用于從動件做各種復(fù)雜運動規(guī)律的凸輪，只需改變凸輪機構(gòu)的相應(yīng)參數(shù)或者從動件運動規(guī)律，就可以得到新的凸輪機構(gòu)。當(dāng)某些特殊場合只能測得從動件運動離散數(shù)據(jù)點時，可通過“反求設(shè)計”得到凸輪輪廓，在Inventor的運動仿真模塊中導(dǎo)入離散點合成曲線，進行凸輪輪廓設(shè)計。

［1］鄭文緯，吳克堅.機械原理：第七版［M］.北京：高等教育出版社，1997：108－148.

［2］鄧勁蓮.凸輪輪廓參數(shù)化三維設(shè)計方法探討［J］.輕工機械，2007（5）：45－47.

［3］鄧昭銘，張 瑩.機械設(shè)計基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2000：41－58.

［4］王致堅.凸輪機構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計及運動仿真［J］.機械研究與應(yīng)用，2006（5）：114－116.

［5］徐 鍵，汪列隆.基于VBA軟件的凸輪機構(gòu)二維參數(shù)化設(shè)計研究［J］.輕工機械，2007（2）：51－53.