基于VB 6.0和UG 6.0的盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)CAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

冀曉紅

(沈陽(yáng)理工大學(xué)，沈陽(yáng) 遼寧 110159)

1 引言

隨著社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步，對(duì)各種機(jī)械的效率、精度、自動(dòng)化程度要求越來(lái)越嚴(yán)格。為適應(yīng)這種發(fā)展形勢(shì)，作為自動(dòng)機(jī)械常用部件的凸輪機(jī)構(gòu)必須具有特性優(yōu)良的凸輪曲線和高速、高精度性能。隨著凸輪CAD/CAM軟件技術(shù)的發(fā)展和數(shù)控技術(shù)的日益普及，為高速高精度凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造和檢測(cè)提供了有利條件。筆者采用Visual Basic 6.0和UG 6.0將設(shè)計(jì)界面可視化，完成凸輪機(jī)構(gòu)的繁雜計(jì)算、圖形繪制、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析、編制數(shù)控加工程序等功能。

2 數(shù)學(xué)模型建立

以直動(dòng)平底從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)為例，進(jìn)行設(shè)計(jì)分析描述［1］。圖1為直動(dòng)平底從動(dòng)件盤(pán)形凸輪。

圖1 直動(dòng)平底從動(dòng)件盤(pán)形凸輪

已知基圓半徑R0、偏距e和從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律s=s(φ)。選取直角坐標(biāo)系原點(diǎn)與凸輪回轉(zhuǎn)中心O重合，y軸與從動(dòng)件推程方向一致。

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)推桿平底與凸輪輪廓線切與起始點(diǎn)B0。根據(jù)“反轉(zhuǎn)法”原理，從動(dòng)件隨導(dǎo)路反轉(zhuǎn)φ角后產(chǎn)生位移s，凸輪與從動(dòng)件平底的接觸點(diǎn)到達(dá)B點(diǎn)。此過(guò)程可以看作從動(dòng)件平底與凸輪輪廓線接觸點(diǎn)B0點(diǎn)繞O點(diǎn)反轉(zhuǎn)φ角，到達(dá)基圓上B'點(diǎn)，再沿導(dǎo)路方向移動(dòng)到B″點(diǎn)，然后再沿平底方向移動(dòng)到B點(diǎn)，可用下述坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和平移變換來(lái)描述B點(diǎn)和B0點(diǎn)之間的關(guān)系［2］:

則從動(dòng)件平底與凸輪輪廓切點(diǎn)B(x，y)的坐標(biāo)可表達(dá)為:

式中:xBO=0，yBO=0，ss=s sinηφ，。代入式(2)并整理得平底直動(dòng)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)凸輪廓線方程為:

3 Visual Basic和UG軟件設(shè)計(jì)窗體

此軟件建立的界面需由多個(gè)窗體組成，故采用多重窗體程序設(shè)計(jì)［3］。

3.1 設(shè)計(jì)過(guò)程流程圖

軟件實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)功能的結(jié)構(gòu)流程如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)流程圖

3.2 建立列表窗體

點(diǎn)擊進(jìn)入VB 6.0的工作界面，選擇新建窗體命令，完成窗體的建立，然后在窗體內(nèi)添加需要的控件，完成凸輪機(jī)構(gòu)的類型選擇界面列表窗體的建立。如圖3所示。

圖3 凸輪機(jī)構(gòu)的類型選擇界面

3.3 建立設(shè)計(jì)窗體

(1)設(shè)計(jì)窗體分別為:直動(dòng)滾子從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)界面、直動(dòng)平底從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)界面、直動(dòng)尖底從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)界面、擺動(dòng)滾子(尖頂)從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)。點(diǎn)擊進(jìn)入相應(yīng)類型的凸輪設(shè)計(jì)。

(2)編輯VB流程圖，并根據(jù)流程圖編寫(xiě)對(duì)象響應(yīng)事件的程序代碼［3］。如圖4所示。

圖4 VB 6.0內(nèi)部程序流程圖

(3)保存工程。

(4)測(cè)試應(yīng)用程序(包括運(yùn)行數(shù)據(jù)、結(jié)果和仿真程度)，找到并排除錯(cuò)誤。

(5)創(chuàng)建可執(zhí)行程序［4］。

(6)將VB中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入U(xiǎn)G中，在UG環(huán)境下對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模、運(yùn)動(dòng)仿真［5］。

4 設(shè)計(jì)示例及功能展示

已知:從動(dòng)件的升距h=20 mm，導(dǎo)路偏距e=+10 mm，推程角φ1=120°，遠(yuǎn)休止角φ2=60°，回程角φ3=90°，近休止角φ4=90°。推程和回程都為五次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律，基圓半徑r0=30mm。

(1)雙擊tljg程序開(kāi)始按鈕，顯示凸輪機(jī)構(gòu)類型選擇窗體，如圖3所示。

(2)進(jìn)入到圖3所示界面后，單擊所需設(shè)計(jì)的凸輪種類圖標(biāo)，即可進(jìn)入主設(shè)計(jì)界面。點(diǎn)擊直動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)界面，顯示盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)窗體，如圖5所示。設(shè)計(jì)界面中有凸輪的各種設(shè)計(jì)參數(shù)、輸出參數(shù)以及各種控制按鍵。

圖5 直動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)界面

(3)在參數(shù)區(qū)內(nèi)輸入已知參數(shù)，選擇從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律，單擊運(yùn)行按鈕，顯示不同偏置系數(shù)的最大壓力角αmax，并生成凸輪輪廓曲線的數(shù)據(jù)點(diǎn)集，為下面凸輪的三維建模做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。如圖6所示。

圖6 直動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分析界面

(4)運(yùn)動(dòng)仿真。單擊運(yùn)動(dòng)仿真圖標(biāo)，啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)仿真分析過(guò)程。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是按輸入的時(shí)間和步數(shù)進(jìn)行分析，如時(shí)間設(shè)為120s，步數(shù)為360步。啟動(dòng)ADAMS解算器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。運(yùn)動(dòng)分析完成后，運(yùn)動(dòng)仿真對(duì)話框自動(dòng)彈出，選擇播放或單步來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，輸出凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)曲線圖。如圖7所示。

圖7 直動(dòng)尖頂從動(dòng)件盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)曲線分析界面

(5)把VB 6.0中的點(diǎn)文件導(dǎo)入到UG 6.0中。首先對(duì)文件進(jìn)行格式調(diào)整，使用記事本打開(kāi)dat文件，采用空格符代替原有的“，”，具體操作如圖8所示。

圖8 點(diǎn)集的格式修改操作界面

(6)進(jìn)入U(xiǎn)G 6.0后，新建文件，單擊開(kāi)始，進(jìn)入建模環(huán)境。單擊“插入-曲線-樣條”命令，之后選擇“通過(guò)點(diǎn)-文件中的點(diǎn)-并選擇文件”。對(duì)已經(jīng)連接完成的封閉曲線進(jìn)行拉伸操作完成三維模型的建立:在工具條中單擊拉伸命令，在彈出窗口內(nèi)輸入需要拉伸的距離，并在選擇意圖窗口內(nèi)選擇已連接曲線，全部完成后點(diǎn)擊應(yīng)用命令，完成拉伸操作。

(7)在UG環(huán)境下，完成凸輪機(jī)構(gòu)各個(gè)部件的三維建模及各個(gè)部件間的運(yùn)動(dòng)副連接，完成裝配及約束的創(chuàng)建，三維建模完成。如圖9所示。

圖9 凸輪機(jī)構(gòu)三維模型建立

(8)在工具條中，用鼠標(biāo)單擊動(dòng)畫(huà)命令，選擇靜力/動(dòng)力分析，時(shí)間為10，步數(shù)為1000步，單擊應(yīng)用命令，完成運(yùn)動(dòng)模擬仿真。如圖10所示。

圖10 凸輪機(jī)構(gòu)三維運(yùn)動(dòng)仿真

5 結(jié)論

(1)本設(shè)計(jì)運(yùn)用VB 6.0編程，軟件可以生成可視化界面，動(dòng)態(tài)輸入凸輪設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行凸輪廓線設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)分析和運(yùn)動(dòng)仿真。得到的數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)，使結(jié)果運(yùn)行可行性加強(qiáng)，為在以后的加工或生產(chǎn)提供有效的數(shù)據(jù)參數(shù)和設(shè)計(jì)思路。

(2)利用UG進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，輸入和輸出的信息在圖形區(qū)域顯示出來(lái)，不僅可以直觀考察凸輪機(jī)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)要求，而且可在界面上修改設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)此軟件具有參數(shù)優(yōu)化功能。當(dāng)動(dòng)力結(jié)果不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，例如，當(dāng)最大壓力角αmax≥［α］時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)增大基圓半徑，重新設(shè)計(jì)凸輪廓線和運(yùn)動(dòng)仿真。

［1］ 申永勝.機(jī)械原理教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1999.

［2］ 孫 桓，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理［M］.第七版.北京:高等教育出版社，2006.

［3］ 楊 晶.VB6.0程序設(shè)計(jì)教程與實(shí)訓(xùn)［M］.北京:科學(xué)出版社，2006.

［4］ 李學(xué)志.Visual LISP程序設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

［5］ 張黎驊.UG NX6.0計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造實(shí)用教程［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2009.