基于Solidworks motion的凸輪運動仿真

首云飛

摘要：本文利用Solidworks的motion運動仿真功能，完成了模切機清廢上框動力凸輪機構(gòu)的運動仿真分析，得到運動從動件相應(yīng)的線位移、速度、加速度、以及凸輪滾子和凸輪之間接觸力等運動曲線圖。從而可以快速、準(zhǔn)確、直觀的分析判斷凸輪廓線曲線的性能。

關(guān)鍵詞：模切機 凸輪 Solidworks；Motion運動仿真 運動曲線

0引言

凸輪擺桿機構(gòu)是一種很典型的常用機構(gòu)，被大量使用在各種輕工設(shè)備上。例如印后模切設(shè)備中平壓清廢模切機的清廢機構(gòu)，就是該機構(gòu)應(yīng)用的一個典型案例。

清廢模切機是一種自動化程度很高的印后設(shè)備之一。模切機的清廢機構(gòu)是影響清廢效果和效率的關(guān)鍵機構(gòu)。該機構(gòu)是由一套凸輪連桿驅(qū)動，凸輪曲線設(shè)計的好壞將直接影響設(shè)備運行的速度和精度。本文將以該機構(gòu)中清廢上框凸輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型做為研究對象，進行運動仿真分析。

隨著計算輔助設(shè)計功能的不斷完善，工程技術(shù)人員也越來越多采用三維計算機設(shè)計軟件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能分析。本文所分析的凸輪機構(gòu)就是基于Solidworks為建?；A(chǔ)，完成虛擬的裝配，并應(yīng)用Motion分析軟件進行運動仿真分析，得到各運動構(gòu)件的性能曲線圖解。能夠快速幫助設(shè)計人員提供直觀、準(zhǔn)確的分析結(jié)果，以判斷原凸輪機構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣。

1仿真模型

模切機清廢上框凸輪機構(gòu)如圖1所示，該機構(gòu)由擺動從動件盤形凸輪機構(gòu)、四連桿機構(gòu)、曲柄滑塊機構(gòu)等組成。

該機構(gòu)采用串聯(lián)組合的結(jié)構(gòu)組成形式。其中，擺動從動件盤形凸輪機構(gòu)為輸入構(gòu)件，兩個四連桿機構(gòu)實現(xiàn)運動的傳遞，曲柄滑塊機構(gòu)作為輸出機構(gòu)，由滑塊帶動負載實現(xiàn)預(yù)期的運動規(guī)律。

2分析目的

利用SolidWorks中Motion插件對該機構(gòu)的凸輪機構(gòu)進行運動仿真，得到該機構(gòu)各構(gòu)件的運動性能曲線，如位移、速度及加速度曲線等，進而得到凸輪曲線的動態(tài)性能指標(biāo)，判斷凸輪曲線設(shè)計的優(yōu)劣；

在運動分析中加載和實際負載相同的力，通過運動分析。得出一個運動周期內(nèi)凸輪與滾子間的接觸力變化規(guī)律，根據(jù)凸輪滾子受力的性能指標(biāo)，判斷凸輪曲線的優(yōu)劣及反向驗證凸輪滾子的選型是否合理；

3分析步驟及方法

在Solidworks中建立一個凸輪機構(gòu)的實體模型，定義機架零件為靜止零件、分別在凸輪與滾子、各連桿構(gòu)件間添加凸輪運動副及同心配合。裝配關(guān)系定義完成后，手動轉(zhuǎn)動凸輪檢查各連桿及各輸出件運動位置，確保能夠正常運轉(zhuǎn)。單擊菜單“工具”——“插件”——“Solidworks motion”啟動motion仿真插件，并建立一個新的“運動算例”進入仿真模式。

設(shè)置“運動算例”相關(guān)參數(shù)。如圖3、圖4所示，在輸出構(gòu)件上增加一個與清廢框的質(zhì)量相同的重物（初定1500N），并在模型全局施加沿Y軸負向的引力，以模擬連桿的重力；

在凸輪上添加旋轉(zhuǎn)馬達，并按照實際工況設(shè)置轉(zhuǎn)速（按120RPM），完成運動仿真模型的建立，如圖5。

設(shè)置好以上參數(shù)后，運行該運動算例?？梢圆シ懦鲈摍C構(gòu)的運動畫面，通過motion仿真可得到凸輪機構(gòu)中各構(gòu)件的運動規(guī)律在一個分度周期內(nèi)的變化規(guī)律?？赏ㄟ^如圖6對話框，選擇需要分析構(gòu)件輸出結(jié)構(gòu)類型，生成相應(yīng)的圖解。

4運動仿真結(jié)果的應(yīng)用和分析

A：通過motion中圖解選項可繪制出輸出構(gòu)件的運動規(guī)律曲線，如圖7所示。由此可作為判斷凸輪曲線的優(yōu)劣的依據(jù)。

由仿真結(jié)果可知，該凸輪機構(gòu)中，凸輪為單停歇凸輪。比較輸出構(gòu)件位移、速度、加速度曲線與可以得出：該凸輪曲線在推稱和回程階段均采用了擺線運動規(guī)律。速度、加速度曲線較光滑無沖擊，能夠滿足中速凸輪機構(gòu)中的要求。

但是當(dāng)推程以及回程均采用擺線運動規(guī)律時，其加速度曲線在推程極值位置出現(xiàn)不連續(xù)情況，且躍度會有較大的突變（如圖8所示躍度變化曲線），使得從動件慣性力產(chǎn)生突變，在高速運行時會引起機構(gòu)振動。所以該凸輪機構(gòu)若要在適應(yīng)更高速度的要求，為避免震動就需要采用凸輪整個運動周期加速度均連續(xù)的運動規(guī)律。

B：通過motion中圖解選項還可繪制出滾子與凸輪間作用力隨時間變化曲線，如圖9所示。由此可作為判斷凸輪滾子選型是否合適的依據(jù)。

如下圖示：當(dāng)負載為1500N，轉(zhuǎn)速為120RPM時。滾子和凸輪之間的最大接觸力為5826N，同時可求出滾子接觸力的平均值。據(jù)此可判斷出所選凸輪滾使用壽命是否足夠。

5結(jié)束語

本文利用Solidworks的“motion”運動仿真功能，完成了模切機清廢上框動力凸輪機構(gòu)的運動仿真分析，得到運動從動件相應(yīng)的線位移、速度、加速度、躍度、以及凸輪滾子和凸輪之間接觸力曲線圖。可以很直觀的得知所設(shè)計凸輪的性能，以及反向驗證凸輪滾子選型是否滿足需求?？梢钥焖倥袛嗤馆啓C構(gòu)設(shè)計的好壞，大大降低研發(fā)成本；同時為進一步優(yōu)化凸輪曲線提供了明確的方向和理論依據(jù)。

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