三維（PROE）環(huán)境下的凸輪設(shè)計(jì)方法分析

黃軼

摘 要：結(jié)合凸輪的特點(diǎn)，對(duì)三維（PROE）環(huán)境下的幾種常用的凸輪設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了簡單分析，并對(duì)根據(jù)已知從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)凸輪曲線的方法進(jìn)行了重點(diǎn)闡述。

關(guān)鍵詞：三維環(huán)境 凸輪設(shè)計(jì) PROE

中圖分類號(hào)：TH112 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）07（a）-0071-01

凸輪是一種具有曲線輪廓或凹槽的構(gòu)件，有凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架三部分組成，可以作連續(xù)等速運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)幾乎所有的重復(fù)性機(jī)械動(dòng)作，無論簡單還是復(fù)雜，因此，凸輪機(jī)構(gòu)在各種自動(dòng)化和半自動(dòng)化機(jī)械裝置中得到了廣泛應(yīng)用。凸輪機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，只需要設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，就可以使得從?dòng)件得到任意的預(yù)期運(yùn)動(dòng)，而且結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)方便，但是相對(duì)而言，凸輪輪廓對(duì)于精度要求較高，而且易磨損，只適用于傳力不大的場合，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法存在著諸多問題，因此，本文結(jié)合PROE三維設(shè)計(jì)軟件，對(duì)三維環(huán)境下的凸輪設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。

1 PROE概述

PROE是對(duì)Pro/Engineer的簡稱，是由美國PTC公司推出的三維CAD/CAM參數(shù)化軟件系統(tǒng)，具備強(qiáng)大而完美的功能，被廣泛應(yīng)用于汽車、航空、機(jī)械、數(shù)控加工等多個(gè)領(lǐng)域，在當(dāng)前的三維造型軟件領(lǐng)域，占據(jù)著十分重要的地位。

該軟件第一次提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念，采用單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關(guān)性問題。一方面，PROE軟件的基于特征方式，可以將設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的全過程進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)并行工程設(shè)計(jì)，可以在工作站和單機(jī)上進(jìn)行應(yīng)用；另一方面，PROE采用了模塊方式，具有草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)、加工處理等功能，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)功能模塊進(jìn)行選擇，十分方便。

2 基于PROE的凸輪設(shè)計(jì)方法

在三維環(huán)境下，利用PROE進(jìn)行凸輪設(shè)計(jì)，主要包括以下三種方法。

（1）已知凸輪點(diǎn)的數(shù)據(jù)，輸入曲線點(diǎn)文件擬合曲線建模。這種方法一般用于反求建模，需要明確得到凸輪點(diǎn)的數(shù)據(jù)，很容易受到測量誤差的影響，數(shù)據(jù)點(diǎn)存在的離散誤差會(huì)在一定程度上影響設(shè)計(jì)結(jié)果。

（2）已知凸輪的位移變化曲線，結(jié)合相應(yīng)的方程產(chǎn)生曲線，通過跟蹤曲線建模。這種方法在數(shù)值方面，具有良好的精準(zhǔn)度，但是需要對(duì)位移曲線方程進(jìn)行推導(dǎo)，專業(yè)性較強(qiáng)，對(duì)于設(shè)計(jì)人員要求較高。

（3）已知凸輪從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)各構(gòu)件尺寸進(jìn)行測量后，可以采用運(yùn)動(dòng)仿真，產(chǎn)生相應(yīng)的軌跡曲線，然后建模。

相比之下，第一種方法的關(guān)鍵，在于對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)文件的制作，只要數(shù)據(jù)點(diǎn)文件符合要求，其他步驟與建立一個(gè)基本的拉伸特征相似，只要具備一定的PROE操作能力，都可以順利完成。第二種方法主要是利用了PROE中附帶的變截面掃描功能和圖形曲線特征，只需要推導(dǎo)出凸輪的位移變化曲線方程，就可以制作出符合相關(guān)精準(zhǔn)度要求的零件模型，還可以對(duì)凸輪中的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行修改，操作流程也并不復(fù)雜。因此，這里主要針對(duì)第三種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行重點(diǎn)分析。

對(duì)于比較復(fù)雜的凸輪結(jié)構(gòu)或者機(jī)械運(yùn)動(dòng)，采用前兩種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不僅十分麻煩，有的根本不可能實(shí)現(xiàn)。針對(duì)這種情況，一般會(huì)采用第三種，也就是已知凸輪從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的建模方法。在PROE環(huán)境下，采用這種方法對(duì)進(jìn)行凸輪設(shè)計(jì)，主要包括以下三個(gè)基本步驟。

首先，通過相應(yīng)的方法，計(jì)算出凸輪基圓半徑，并以此為依據(jù)，在PROE中建立一個(gè)圓盤類零件，命名Part1。然后，根據(jù)凸輪的結(jié)構(gòu)，對(duì)從動(dòng)件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定，建立從動(dòng)件簡化模型，命名Part2。進(jìn)入軟件的部件裝配環(huán)境，將Part1和Part2以銷釘連接的方式裝入，之后進(jìn)入機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模式，在兩個(gè)模型之間定義凸輪連接副，創(chuàng)建快照，然后刪除。

其次，對(duì)凸輪連接軸伺服電機(jī)模的速度值進(jìn)行定義，結(jié)合凸輪設(shè)計(jì)期望，實(shí)現(xiàn)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律定義從動(dòng)件連接軸伺服電機(jī)的模。

最后，在PROE中，新建一個(gè)運(yùn)動(dòng)分析ansys1，按照從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)循環(huán)周期=時(shí)間長度×凸輪副速度模應(yīng)的相互關(guān)系，對(duì)時(shí)間長度進(jìn)行定義，然后加入兩個(gè)伺服電機(jī)，運(yùn)行仿真。在“機(jī)構(gòu)-軌跡曲線”中，選中Part1作為紙零件，選擇凸輪合成曲線，同時(shí)選擇Part2與凸輪接觸的曲線與ansys1，點(diǎn)擊確定，生成凸輪實(shí)際廓線。之后，在新窗口，對(duì)Part2進(jìn)行編輯，將生成的凸輪廓線進(jìn)行拉伸，形成相應(yīng)的凸輪實(shí)體，凸輪建模完成。最終凸輪模型以及曲率分析圖（如圖1）。

需要注意的是，在對(duì)凸輪進(jìn)行運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是多種多樣的，需要對(duì)一些重要的參數(shù)進(jìn)行分析和優(yōu)化，這些參數(shù)包括：最大速度、最大加速度、動(dòng)載轉(zhuǎn)矩特性值、最大躍度、最大跳度等。

第三種方法主要是利用了仿真中系統(tǒng)可以自動(dòng)生產(chǎn)任意點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡線的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)建模，與前兩種方法相比，操作簡單，可以對(duì)相關(guān)構(gòu)件的位移曲線、速度曲線等進(jìn)行測量，為設(shè)計(jì)模型的改進(jìn)提供良好的數(shù)據(jù)支持，具有良好的實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)語

總而言之，凸輪機(jī)構(gòu)憑借自身的優(yōu)點(diǎn)，在許多機(jī)械設(shè)備中都有著廣泛的應(yīng)用，但是傳統(tǒng)凸輪設(shè)計(jì)方法的落后性和繁瑣性，在很大程度上制約了凸輪的應(yīng)用和發(fā)展。本文針對(duì)三維（PROE）環(huán)境下的凸輪設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了分析和談?wù)?，利用PROE程序強(qiáng)大的設(shè)計(jì)分析能力進(jìn)行凸輪的設(shè)計(jì)，可以有效保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，同時(shí)操作便捷直觀，可以為設(shè)計(jì)人員節(jié)約大量的時(shí)間，在確保凸輪設(shè)計(jì)質(zhì)量的同時(shí)，縮短了設(shè)計(jì)周期，取得了良好的效果。相關(guān)設(shè)計(jì)人員要充分重視起來，對(duì)凸輪設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，促進(jìn)凸輪結(jié)構(gòu)的有效應(yīng)用。

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