基于ADAMS/View的負(fù)半徑滾子推桿盤形凸輪輪廓設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真

高玉鴻　沈承楠

摘要：凸輪機(jī)構(gòu)廣泛運(yùn)用于各種機(jī)械，特別是自動(dòng)機(jī)和自動(dòng)控制裝置。傳統(tǒng)的凸輪設(shè)計(jì)方法有圖解法和解析法兩種。圖解法簡(jiǎn)單、直觀，但設(shè)計(jì)的精度有限；解析法設(shè)計(jì)精度高，但計(jì)算量大，往往需要編寫復(fù)雜的計(jì)算機(jī)程序。利用ADAMS/View強(qiáng)大的分析仿真能力，以負(fù)半徑滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)為例，通過(guò)推桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)出凸輪的輪廓，最后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。

關(guān)鍵詞：凸輪輪廓；虛擬樣機(jī)；運(yùn)動(dòng)仿真

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）04-0096-02

凸輪機(jī)構(gòu)廣泛運(yùn)用于各種機(jī)械，特別是自動(dòng)機(jī)和自動(dòng)控制裝置。傳統(tǒng)的凸輪設(shè)計(jì)方法有圖解法和解析法兩種。圖解法簡(jiǎn)單、直觀，但設(shè)計(jì)的精度有限；解析法設(shè)計(jì)精度高，但計(jì)算量大，往往需要編寫復(fù)雜的計(jì)算機(jī)程序。

負(fù)半徑滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)因凸輪、推桿呈凹-凸形態(tài)內(nèi)接觸，顯著增加了綜合曲率半徑，降低接觸應(yīng)力且易形成潤(rùn)滑油膜；故其在承載、潤(rùn)滑、減摩耐磨、傳動(dòng)效率和使用壽命等諸多方面，較傳統(tǒng)凸輪機(jī)構(gòu)皆具有顯著、大幅度的改善提高。許多學(xué)者對(duì)該類凸輪的設(shè)計(jì)運(yùn)用做了系統(tǒng)的研究，得到許多卓有成效的成果。對(duì)輪廓設(shè)計(jì)而言，鑒于凸輪構(gòu)型諸多，公式復(fù)雜，傳統(tǒng)解法難以滿足實(shí)際運(yùn)用。借助ADAMS/View的強(qiáng)大分析仿真能力，依托傳統(tǒng)圖解法的思想，本文對(duì)該類新型凸輪機(jī)構(gòu)的輪廓設(shè)計(jì)提出一種全新方法，具體以一例題詳盡展開(kāi)。

一、設(shè)計(jì)實(shí)例

二、凸輪輪廓求解

傳統(tǒng)解析法求解凸輪輪廓曲線是根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線推導(dǎo)出凸輪輪廓線上點(diǎn)的坐標(biāo)與凸輪轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系方程，其關(guān)系方程復(fù)雜，計(jì)算量大，且需編程進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算?，F(xiàn)為簡(jiǎn)化傳統(tǒng)數(shù)學(xué)建模方法及計(jì)算過(guò)程，提高設(shè)計(jì)效率，本文借鑒傳統(tǒng)圖解法思路，利用ADAMS/View中的建模功能，定義推桿的運(yùn)動(dòng)軌跡，應(yīng)用ADAMS的Create Trace Spline功能快速準(zhǔn)確地在凸輪板上自動(dòng)生成凸輪輪廓曲線。

1.機(jī)構(gòu)模型建立。依托ADAMS/View中的建模模塊，建立凸輪機(jī)構(gòu)及凸輪板（用于生成凸輪輪廓曲線），如圖1所示。

2.添加約束?，F(xiàn)為確定零件連接方式，凸輪板與大地之間設(shè)為轉(zhuǎn)動(dòng)副（Revolute），推桿與大地設(shè)為移動(dòng)副（Tranlate），如圖1所示。

3.添加驅(qū)動(dòng)。添加轉(zhuǎn)動(dòng)副驅(qū)動(dòng)MOTION_R、移動(dòng)副驅(qū)動(dòng)MOTION_T，以確定零件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)。其中轉(zhuǎn)動(dòng)副驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速為10°/s，移動(dòng)副驅(qū)動(dòng)用函數(shù)定義。

函數(shù)公式為：

式中，s1～s4分別指推程運(yùn)動(dòng)規(guī)律，遠(yuǎn)休止段，回程運(yùn)動(dòng)規(guī)律，近休止段。

4.凸輪理論輪廓曲線生成。應(yīng)用ADAMS的Create Trace Spline模塊，在凸輪板上生成軌跡曲線。鑒于可能會(huì)出現(xiàn)失真現(xiàn)象，借助ADAMS自動(dòng)修改功能對(duì)凸輪的輪廓曲線進(jìn)行一定的修改，修正步驟如下：

Spline→NewPart→Closed→Curve→SplinedPionts，得到凸輪軌跡曲線如圖2所示。

5.建立凸輪約束。得到凸輪曲線后，去除推桿驅(qū)動(dòng)，建立凸輪與推桿之間的點(diǎn)接觸高副約束，并重新進(jìn)行仿真驗(yàn)證，凸輪輪廓線出現(xiàn)交叉，如圖3所示。依照經(jīng)驗(yàn)，增大滾子半徑，取R=340mm，重復(fù)上述步驟，得出滿足條件的凸輪輪廓。

6.導(dǎo)出凸輪輪廓數(shù)據(jù)。選中得到的凸輪輪廓曲線，并點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，執(zhí)行Modify→Values→Location Table→Write步驟，得到文本格式下的輪廓曲線數(shù)據(jù)，如圖4所示。

7.在PRO/E中生成凸輪。打開(kāi)凸輪輪廓曲線數(shù)據(jù)，另存為ibl格式，并在文件開(kāi)頭加入以下四行命令：Closed→Arclength→Begin Section→Begin Curve，導(dǎo)入PRO/E生成凸輪實(shí)體。

三、凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

得到凸輪實(shí)體后，再次導(dǎo)入ADAMS/View中，建立凸輪與推桿的高副約束，并重新進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在Adams/PostProcessor中，導(dǎo)出數(shù)據(jù)依次為：位移曲線、速度曲線、加速度曲線。

四、結(jié)論

基于ADAMS/View軟件平臺(tái)，以直動(dòng)滾子從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。在凸輪理論輪廓曲線生成之后導(dǎo)出至Pro/E里進(jìn)行編輯，得到凸輪的三維模型。再次導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。驗(yàn)證了設(shè)計(jì)要求，若輪廓出現(xiàn)交叉失真，則仿真出錯(cuò)，并得到凸輪的三維CAD模型。由于已得到凸輪的三維模型，故只須將其導(dǎo)入數(shù)控機(jī)床，就可生成凸輪零件，降低了設(shè)計(jì)與加工過(guò)程的人力成本，提高了生產(chǎn)效率。

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Abstracts：Cam mechanism is widely used in all kinds of mechanisms，especially in automatic machine and automatic control device.The traditional cam design method has two kinds of graphic method and analytic method.Graphic method is simple and intuitive，but the precision of the design is limited.The advantage of the analytical method is that the design precision is high，but the computation is large.So it is often required to write complex computer programs.Based on the powerful analysis and simulation function of ADAMS，taking roller translating follower disc cam mechanism for example，the cam contour is designed via the motion pattern of bar.Then simulation is carried out to verify the correctness of the design.

Key words：cam contour；virtual prototype；motion simulation