基于SolidWorks的盤形凸輪CAD/CAE/CAM一體化設計

謝良勝，寸立崗，柳彥虎

（蘭州交通大學 機電工程學院，蘭州 730070）

1 引言

隨著計算機技術的快速發(fā)展，CAD、CAE 和CAD/CAE/CAM 一體化在機械零部件的結(jié)構(gòu)設計、強度校核、性能分析和模擬仿真加工等方面得到了廣泛應用［1］。將CAD/CAE/CAM 一體化技術運用到凸輪的設計與制造過程中，不僅滿足了凸輪的使用要求，而且降低生產(chǎn)成本，縮短了開發(fā)周期。SolidWorks 軟件是一款優(yōu)秀的三維CAD/CAE/CAM 軟件，可以幫助設計師們更快、更準確、更有效地將創(chuàng)新轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌霎a(chǎn)品,實現(xiàn)產(chǎn)品的無圖紙化設計與制造，縮短了周期，節(jié)約了成本。

2 凸輪基本參數(shù)的確定

在對凸輪進行計算機輔助設計之前，需先確定凸輪運動規(guī)律、凸輪基圓半徑以及滾子半徑。

2.1 凸輪運動規(guī)律的確定

以某微動開關上的凸輪機構(gòu)為例，其工作場合為低速輕載，設計要求為凸輪以等角速度100r/min 逆時針方向轉(zhuǎn)動,在凸輪的一個運動周期里，要求滾子在凸輪轉(zhuǎn)動70°后等速上升10mm；凸輪轉(zhuǎn)到150°處，滾子靜止不動；凸輪轉(zhuǎn)動220°處，滾子等速下降10mm；凸輪再繼續(xù)轉(zhuǎn)到起點處時，滾子靜止不動。得凸輪的位移線圖如圖1 所示。

圖1中，δ為凸輪的轉(zhuǎn)角，h為滾子的行程。

圖1 凸輪的位移線圖

2.2 凸輪基圓半徑的選取以及滾子半徑的確定

為了使用方便，在工程上現(xiàn)已制備了根據(jù)推桿幾種常見規(guī)律確定許用壓力角和基圓半徑關系的諾模圖，供近似確定凸輪的基圓半徑或校核凸輪機構(gòu)最大壓力角時使用［2］，如圖2 所示。

圖2 凸輪設計諾模圖

圖中虛線所示：當凸輪轉(zhuǎn)角Φ=70°，最大壓力角αmax=30°時（對于直動推桿取許用壓力角［α］=30°）［2］，得到h/rb=0.75，由圖1 可知凸輪行程h=10mm，可得凸輪的基圓半徑rb≥13.33mm。再根據(jù)實際結(jié)構(gòu)尺寸取rb=15mm。采用滾子推桿時滾子半徑的選擇要考慮滾子結(jié)構(gòu)、強度以及凸輪輪廓曲線的形狀等方面的因素，通常取滾子半徑rr=（0.1～0.15）rb［2］，因此取滾子半徑rr=2mm。

3 凸輪CAD

圖3 凸輪的三維模型圖

圖4 凸輪機構(gòu)裝配簡圖

凸輪的傳統(tǒng)設計方法是作圖法和解析法。圖解法存在手工繪圖誤差大、加工精度差等缺點。解析法存在凸輪程序復雜，對編程人員的要求比較嚴格等缺點，所以，凸輪的傳統(tǒng)方法在滿足現(xiàn)代社會對凸輪的精度要求時受到了很大的限制［3］。SolidWorks 自帶的“Toolbox”插件是一種零件標準庫，使用十分方便。對于稍微熟悉SolidWorks的人員來說很快就能掌握。但是惟一的缺點就是其直接生成的凸輪輪廓曲線不是光滑連續(xù)的，運用到實際應用場合將會產(chǎn)生較大的沖擊和噪聲。文獻［4］中采用了對“Toolbox”插件直接生成的凸輪實體進行重新“編輯草圖”，然后再使用樣條曲線工具欄中的“套合樣條曲線”的方法使得凸輪輪廓線光滑連續(xù)，成功解決了這一問題。凸輪的生成過程主要是對話框中“設置”、“運動”以及“生成”三個標簽的參數(shù)的輸入。其大致步驟如下：“設置”主要用來定義凸輪、推桿的類型以及相應的尺寸；“運動”主要是設置凸輪的運動類型以及相應的結(jié)束半徑和凸輪轉(zhuǎn)角；“生成”主要用來定義凸輪造型的各個參數(shù)。

將上述標簽中分別輸入凸輪的相應的基本參數(shù)和要求，再利用文獻［4］中介紹的方法生成了輪廓連續(xù)的凸輪如圖3 所示。

4 凸輪運動仿真

COSMOS/Motion 作為SolidWorks 軟件平臺的一款插件，通過對凸輪機構(gòu)運動性能的仿真分析，得到凸輪曲線的動態(tài)性能指標從而判斷凸輪設計的優(yōu)劣以及是否滿足設計要求［5］。為了驗證推桿的運動規(guī)律是否符合要求，應該設計一個簡單的凸輪機構(gòu)對凸輪進行運動仿真。建立凸輪和滾子“凸輪配合”（SolidWorks 軟件配合選項卡里自帶）的機械配合關系并完成其他零部件的配合關系，建立如圖4 所示的凸輪機構(gòu)裝配體模型。

在凸輪機構(gòu)的裝配圖的基礎上，在凸輪軸處加一馬達，并設置轉(zhuǎn)速為100r/min，進行凸輪的運動仿真。為了驗證滾子推桿的運動性能是否滿足設計要求，我們選擇滾子為目標，輸出滾子在豎直方向上的位移、速度及加速度曲線，相應的輸出圖形如圖5 所示。

圖5 滾子的線性位移、速度、加速度圖

圖中均以凸輪的旋轉(zhuǎn)時間作為橫坐標，縱坐標分別反映了凸輪輪廓線的相應的線位移、速度及加速度性能。圖中的位移曲線比較平緩，與圖1 凸輪的位移線圖基本一致；速度曲線基本滿足了等速上升和等速下降的運動要求，證明凸輪的運動規(guī)律基本滿足了要求。加速度略有突變，但變化值較小，說明沖擊較小，符合等速直線運動常用在低速和輕載場合的原則。綜上可知，此處凸輪的輪廓曲線具有一定的合理性，滿足了設計要求。

5 凸輪CAE

計算機輔助工程CAE 指用計算機輔助求解分析復雜工程和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)力學性能，以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能等。我們有必要對凸輪在運動過程的運動載荷，尤其是在凸輪加速度突變的時候的載荷進行定量分析，以校核凸輪的強度是否足夠。Simulation 是與SolidWorks 無縫集成的有限元分析系統(tǒng)，它是作為一個插件供用戶選購。在COSMOSMotion 對凸輪的運動分析的基礎上，利用Simulation 插件分析就可以得到凸輪在運動過程中的運動載荷分布。由圖5中的加速度與時間的關系，在選擇時間步進行計算機有限元計算的時候，為了節(jié)約時間，在此選擇時間步為加速度突變發(fā)生的時間，設置時間為0.5～0.75s。設置凸輪材料為1203 碳鋼板（ss）進行有限元計算，分析結(jié)果如圖6 所示。

圖6 凸輪的應力分布云圖

由圖6 可知，凸輪在運動過程中的最大應力為9335Pa，可知凸輪在運動過程中當加速度有突變時的最大應力很小，遠小于凸輪材料的屈服強度283MPa，滿足使用條件。因此在低速輕載的情況下使用等速運動規(guī)律是合適的。

6 凸輪CAM

傳統(tǒng)的凸輪加工方法是劃線后采用銑床或用手工銼削而成，精度低，誤差大；或者運用手動編程進行數(shù)控加工，由于凸輪輪廓的復雜性，對編程人員的要求比較高，極大地增加了凸輪的加工周期。本文以SolidCAM為平臺進行凸輪的數(shù)控銑床的模擬仿真加工。SolidCAM 是完全關聯(lián)于SolidWorks 模型的計算機輔助制造（CAM）軟件。是內(nèi)置的SolidWorks中最完整的、最佳的加工解決方案，其高效的操作為CNC編程提供更多的價值。對于凸輪來說，其模擬加工過程如圖7 所示。

圖7 凸輪的模擬加工流程

開始：主要包括將SolidWorks 已經(jīng)建立好的凸輪的三維模型進行加載和啟動SolidCAM 軟件，并新建模擬數(shù)控銑床加工。

定義加工原點：SolidCAM 會自動定義加工坐標系和加工原點，Z 軸會自動垂直與我們要選取的加工平面。

定義毛坯和加工模型：SolidCAM 根據(jù)凸輪的形狀會自動形成毛坯的形狀，設定凸輪的輪廓面為加工模型的外形輪廓。

圖8 “模擬”對話框

零件的模擬：在完成以上的設定以后，單擊模擬按鈕，彈出如圖8 所示的“模擬”對話框，SolidCAM 會自動進行對凸輪的仿真模擬加工。模擬結(jié)果如圖8所示。

單擊“模擬”對話框中的任一項，如3D 實體模擬，就可查看凸輪的模擬仿真加工過程。其目的主要是檢驗自動生成的數(shù)控程序語法的正確性、加工過程中是否出現(xiàn)干涉或刀具軌跡不符的現(xiàn)象等，減少了設備、刀具和工件之間的損壞，也避免了凸輪傳統(tǒng)方法加工中試切試驗，節(jié)約了成本［6］。

輸出G 代碼：檢查模擬結(jié)果沒有問題的情況下，就可以生成G 代碼，G代碼是以文本的格式被保存，如圖9 所示，通過微機和數(shù)控裝置之間的RS232 串行通訊傳工具將G代碼傳送給數(shù)控機床，完成對凸輪的實體加工。減少了人工編程，提高了效率。

圖9 凸輪G 代碼

7 結(jié)語

本文以SolidWorks 軟件及其各種插件為平臺介紹了凸輪的CAD/CAE/CAM 一體化設計，實現(xiàn)了凸輪的從研發(fā)、設計到制造的無圖紙化生產(chǎn)，縮短了周期，極大地減少了成本。同時也對其他機械產(chǎn)品的生產(chǎn)有一定的借鑒意義。本文的不足之處就是只是對凸輪進行了模擬仿真加工，由于條件限制沒能進行實體加工，無法進一步驗證G 代碼的正確性。

［1］崔勝民，高旭宏.車輪CAD/CAE/CAM 一體化技術的研究［J］.機械設計與制造，2004（3）：36-38.

［2］孫桓，陳作模.機械原理［M］.北京：高等教育出版社，1996.

［3］林巨廣，程剛，劉凱，等.凸輪的新型精確設計及加工方法［J］.機械工程師，2012（3）：54-55.

［4］曹巖，趙汝嘉.SolidWorks 2007 精通篇［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2007.

［5］方芳，黃松，林剛.基于MatLab 和SolidWorks的凸輪輪廓設計及性能分析［J］.礦山機械，2010，38（6）：39-42.

［6］鄭小光，尹佑盛，梁錫昌.凸輪的計算機輔助設計與數(shù)控加工［J］.機械設計與制造，1999（6）：7-8.