基于Solidworks的平面凸輪機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)

張自強(qiáng)， 王 麗， 王國君， 王立靖

（1.長春工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心，吉林長春 130012；2.吉林省石油集團(tuán)有限責(zé)任公司供電公司，吉林松原 138000）

0 引 言

隨著機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的不斷發(fā)展，凸輪機(jī)構(gòu)作為控制機(jī)構(gòu)在機(jī)械中有著重要的應(yīng)用。另一方面，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，凸輪機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造已被熟練地應(yīng)用，不僅提高了設(shè)計(jì)速度和加工質(zhì)量，也為凸輪機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

文中基于SolidWorks2010三維設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)，考慮產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)需要，研究平面凸輪機(jī)構(gòu)二次開發(fā)技術(shù)。以Visual Basic 6.0為開發(fā)工具設(shè)計(jì)操作界面，通過調(diào)用SolidWorks API接口［1］函數(shù)完成機(jī)構(gòu)各組成元件的參數(shù)化設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)開發(fā)的平面凸輪機(jī)構(gòu)CAD系統(tǒng)［2］可以直接對(duì)三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks2010進(jìn)行智能驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)平面凸輪機(jī)構(gòu)三維模型的整體設(shè)計(jì)。

該平面凸輪機(jī)構(gòu)操作系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種從動(dòng)件類型及從動(dòng)件不同運(yùn)動(dòng)規(guī)律的組合，例如：尖端從動(dòng)件的直動(dòng)和擺動(dòng)、滾子從動(dòng)件的直動(dòng)和擺動(dòng)等。根據(jù)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，最終自動(dòng)生成凸輪三維模型、凸輪運(yùn)動(dòng)曲線、凸輪輪廓曲線并顯示運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果。

1 平面凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思路及方法

1.1 平面凸輪機(jī)構(gòu)的組成

凸輪機(jī)構(gòu)是由凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架3部分組成，其結(jié)構(gòu)形式主要取決于凸輪和從動(dòng)件。凸輪機(jī)構(gòu)可以將主動(dòng)件凸輪的等速連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)變換為從動(dòng)件的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)或繞某定點(diǎn)的擺動(dòng)，并依靠凸輪輪廓曲線準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)所要求的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

1.2 平面凸輪機(jī)構(gòu)各參數(shù)

一對(duì)心直動(dòng)尖頂推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖中，以凸輪回轉(zhuǎn)中心為圓心，以最小半徑為半徑所作的圓稱為凸輪的基圓。凸輪的輪廓由AB，BC，CD及DA四段曲線組成。凸輪在運(yùn)動(dòng)過程中，經(jīng)過推程、遠(yuǎn)休止、回程、近休止4個(gè)過程。與之相對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角分別稱為推程運(yùn)動(dòng)角、遠(yuǎn)休止角、回程運(yùn)動(dòng)角及近休止角。在運(yùn)動(dòng)過程中，推桿移動(dòng)的距離h為推桿的行程。各參數(shù)符號(hào)見表1。

表1 凸輪各參數(shù)符號(hào)

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

平面凸輪機(jī)構(gòu)CAD系統(tǒng)主要是以平面凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理為基礎(chǔ)，以三維設(shè)計(jì)軟件Solid-Works2010作為整體系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)，以Visual Basic［3］作為開發(fā)工具，將三者合為一體，實(shí)現(xiàn)平面凸輪機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)。

2.1 機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)

機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)［4］是基于機(jī)構(gòu)各組成零件參數(shù)化設(shè)計(jì)，通過添加相應(yīng)約束進(jìn)行自動(dòng)裝配。機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)主要分為以下3種方法：1）基于幾何約束的數(shù)學(xué)方法；2）基于幾何原理的人工智能方法；3）基于特征模型的造型方法。通常，凸輪機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)需要提供凸輪具體參數(shù)，根據(jù)用戶的需求設(shè)計(jì)參數(shù)，采用VB編程建立專用的凸輪設(shè)計(jì)計(jì)算模塊。對(duì)零件參數(shù)化設(shè)計(jì)的方式采用設(shè)計(jì)變量與計(jì)算參數(shù)相結(jié)合的方式，即以Solid－Works2010環(huán)境中建立的典型三維結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ)，用設(shè)計(jì)變量作為VB程序與三維模型的聯(lián)系紐帶。綜上所述，建立平面凸輪機(jī)構(gòu)總體方案如圖2所示。

圖2 總體方案結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

平面凸輪機(jī)構(gòu)CAD系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)［5］力求簡潔美觀、操作方便。按照該系統(tǒng)要求將其界面劃分為3個(gè)區(qū)域，其操作界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)界面

凸輪標(biāo)準(zhǔn)模型顯示區(qū)域：該模塊為VB編輯平臺(tái)上圖片顯示框，根據(jù)平面凸輪的從動(dòng)件類型和凸輪的運(yùn)動(dòng)來確定凸輪系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，并在該模塊中顯示相應(yīng)的模型圖片。

凸輪機(jī)構(gòu)基本參數(shù)輸入?yún)^(qū)域：該區(qū)域包含4個(gè)部分，分別為運(yùn)動(dòng)形式選擇部分、凸輪參數(shù)輸入部分、運(yùn)行參數(shù)輸入部分、參數(shù)輸入校核部分。該模塊在系統(tǒng)操作界面上添加了下拉菜單按鈕、文本框、標(biāo)簽等操作，來實(shí)現(xiàn)凸輪基本參數(shù)的選擇及輸入。

凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)果顯示區(qū)域：該模塊采用多頁選擇框的形式來對(duì)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行預(yù)覽，共計(jì)有5個(gè)分頁，分別為結(jié)構(gòu)模型、運(yùn)動(dòng)曲線、輪廓曲線、3D模型和模擬仿真動(dòng)畫。

2.3 SolidWorks API接口設(shè)計(jì)

SolidWorks的API應(yīng)用程序接口［6］是一個(gè)基于ActiveX Automation的編程接口，其中包含數(shù)百個(gè)可從VB，VBA，C，C＋＋或SolidWorks宏文件調(diào)用的函數(shù)。為了提高SolidWorks的使用效率和滿足某些特殊功能，文中主要介紹采用支持ActiveX技術(shù)的編程語言VB對(duì)SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā)的基本原理和方法。

SolidWorks支持ActiveX Automation技術(shù)，在VB環(huán)境下建立的客戶程序可直接訪問Solid－Works中的對(duì)象。

VB和SolidWorks的接口程序如下：

3 凸輪模型的構(gòu)建及仿真

3.1 凸輪基本參數(shù)輸入

應(yīng)用平面凸輪機(jī)構(gòu)CAD系統(tǒng)［7］建立凸輪的實(shí)際模型，根據(jù)凸輪機(jī)構(gòu)的反轉(zhuǎn)法原理設(shè)定參數(shù)，在系統(tǒng)操作界面上對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并將每個(gè)參數(shù)值賦給程序中設(shè)定好的參數(shù)變量。凸輪機(jī)構(gòu)基本參數(shù)見表2。

表2 凸輪機(jī)構(gòu)的基本參數(shù)

平面凸輪機(jī)構(gòu)涉及到數(shù)據(jù)處理問題，必須根據(jù)傳統(tǒng)凸輪的計(jì)算方法、運(yùn)算過程等，將所有的數(shù)據(jù)編寫成VB語言程序。這些數(shù)據(jù)包括設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、表格、線圖以及標(biāo)準(zhǔn)范圍等。其中設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通常是指設(shè)計(jì)時(shí)給定的已知條件和工作參數(shù)。表格、線圖及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范指在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需要檢索的有關(guān)圖表和數(shù)據(jù)，應(yīng)將它們以恰當(dāng)?shù)姆绞酱嫒胗?jì)算機(jī)。完成參數(shù)的輸入后，根據(jù)設(shè)定好的參數(shù)便可實(shí)現(xiàn)凸輪模型的構(gòu)建。

3.2 凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)曲線繪制

在VB中繪制凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)曲線［8］，利用VB語言中自帶的繪圖功能在VB界面下進(jìn)行繪制，將凸輪運(yùn)動(dòng)曲線的傳統(tǒng)算法用VB語言表達(dá)出來。凸輪運(yùn)動(dòng)曲線分為位移運(yùn)動(dòng)曲線、速度運(yùn)動(dòng)曲線、加速度運(yùn)動(dòng)曲線。在VB中采用描點(diǎn)法繪制，假設(shè)凸輪每轉(zhuǎn)一度視為一點(diǎn)，代入以轉(zhuǎn)角為自變量、位移為輸出變量的公式，記錄這一點(diǎn)的數(shù)值，則凸輪旋轉(zhuǎn)一周后輸出一個(gè)含有360個(gè)點(diǎn)數(shù)值的數(shù)組，應(yīng)用VB自帶的繪圖工具并根據(jù)這個(gè)數(shù)組進(jìn)行曲線的繪制。X軸表示轉(zhuǎn)過的角度，Y軸表示位移，進(jìn)行描點(diǎn)繪制曲線，如圖4所示。

3.3 凸輪輪廓曲線繪制

凸輪輪廓曲線是應(yīng)用VB繪圖功能在VB界面繪制出凸輪的輪廓線。以滾子直動(dòng)從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)為例，根據(jù)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律計(jì)算的凸輪輪廓曲線公式為：

式中：e——偏距；

δ——凸輪轉(zhuǎn)過角度；

由式（1）得出，一組關(guān)于X，Y坐標(biāo)的數(shù)組，根據(jù)該數(shù)組，通過曲線擬合繪制凸輪的輪廓曲線，如圖5所示。

圖4 凸輪運(yùn)動(dòng)曲線圖

圖5 輪廓曲線圖

3.4 三維模型建立

平面凸輪機(jī)構(gòu)三維模型的建立是應(yīng)用Solid-Works API接口將VB程序數(shù)據(jù)傳輸給Solid－Works三維設(shè)計(jì)軟件中，通過尺寸驅(qū)動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn)三維模型［9］建立。主要有以下6個(gè)步驟：

1）建立VB和SolidWorks通信接口，統(tǒng)一設(shè)置程序和模型的結(jié)構(gòu)尺寸變量；

2）平面凸輪三維模型建立，應(yīng)用SolidWorks三維軟件中宏設(shè)計(jì)功能將凸輪輪廓上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)導(dǎo)入SolidWorks中，再生成凸輪模型；

3）在SolidWorks中建立凸輪從動(dòng)件、鉸鏈、固定件的模型；

4）對(duì)模型的結(jié)構(gòu)尺寸標(biāo)注進(jìn)行變量命名；

5）傳遞相關(guān)參數(shù)到SolidWorks中重建凸輪從動(dòng)件模型；

6）應(yīng)用edrawings在VB中進(jìn)行模型預(yù)覽。

幾何造型必須滿足模型尺寸完全約束的要求，保證通過參數(shù)驅(qū)動(dòng)模型重建時(shí)的準(zhǔn)確性。初始幾何模型的建立需按照一定的規(guī)則進(jìn)行處理，以符合參數(shù)化設(shè)計(jì)的要求。另外，在造型過程中，SolidWorks系統(tǒng)為標(biāo)注的尺寸設(shè)置了默認(rèn)的尺寸名稱，并且對(duì)于不同的特征尺寸可以重復(fù)，但特征名稱不同。

尺寸的主要值分為兩部分，一部分為該尺寸線的名稱，另一部分為尺寸的數(shù)值。尺寸驅(qū)動(dòng)是將設(shè)計(jì)人員輸入的參數(shù)和計(jì)算出的參數(shù)賦給對(duì)應(yīng)的尺寸，進(jìn)而更新模型中的尺寸，如圖6所示。

圖6 滾子擺動(dòng)擺桿

3.5 模型預(yù)覽

模型的預(yù)覽應(yīng)用SolidWorks的第三方插件——edrawings［10］，并將edrawings的部分功能集成到VB界面上。通過edrawings在VB界面即可實(shí)現(xiàn)三維模型的預(yù)覽功能，并且可以使模型平移、局部、縮放、翻轉(zhuǎn)、全屏和復(fù)位等。在VB中引用edrawings類型庫后會(huì)在工具箱中出現(xiàn)一個(gè)edrawings的圖標(biāo)，如圖7所示。

圖7 edrawings在工具欄里出現(xiàn)圖標(biāo)

edrawings插入VB界面，如圖8所示。

圖8 VB操作界面

3.6 凸輪機(jī)構(gòu)的仿真模擬

凸輪機(jī)構(gòu)的仿真模擬包括其外形仿真、操作仿真、運(yùn)動(dòng)仿真［11］。文中利用VB技術(shù)，對(duì)Solid－Works進(jìn)行二次開發(fā)，生成動(dòng)態(tài)鏈接庫，在運(yùn)行SolidWorks時(shí)加載動(dòng)態(tài)鏈接庫，以上的裝配、運(yùn)動(dòng)等操作就會(huì)出現(xiàn)在SolidWorks菜單上。使用系統(tǒng)界面作為操控平臺(tái)，生成并保存三維凸輪模型，調(diào)試系統(tǒng)的應(yīng)用程序并運(yùn)行。

在系統(tǒng)中，給凸輪結(jié)構(gòu)加上一定的約束條件，再給凸輪加上動(dòng)力如電機(jī)，使其旋轉(zhuǎn)，模擬出凸輪機(jī)構(gòu)真實(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。仿真模擬［12］操作界面如圖9所示。

圖9 尖端直動(dòng)凸輪仿真模擬操作界面

4 結(jié) 語

凸輪機(jī)構(gòu)的輪廓曲線較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)與加工均比較困難。文中基于SolidWorks軟件系統(tǒng)對(duì)平面凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，并以Visual Basic 6.0為開發(fā)工具設(shè)計(jì)操作界面，其功能豐富，操作簡單，界面清晰簡潔，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對(duì)話、凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)自動(dòng)化、三維建模自動(dòng)化，節(jié)省了在傳統(tǒng)凸輪設(shè)計(jì)中手工計(jì)算所需時(shí)間，其提供的精準(zhǔn)輪廓曲線數(shù)據(jù)保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量，對(duì)提高凸輪設(shè)計(jì)的效率具有重要意義。

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