基于AutoCAD軟件平臺(tái)凸輪輪廓設(shè)計(jì)與繪制

馬步智

摘 要：本文以AutoCAD為平臺(tái)，以AutoLISP為二次開發(fā)軟件程序語言，結(jié)合CAD/CAM技術(shù)，交互式設(shè)計(jì)與繪制凸輪輪廓曲線，具有更簡(jiǎn)單、高效、直觀和精準(zhǔn)的特點(diǎn)。本方法將凸輪機(jī)構(gòu)的傳力及運(yùn)動(dòng)特性與凸輪輪廓設(shè)計(jì)密切結(jié)合，即設(shè)計(jì)與校驗(yàn)無縫對(duì)接，大大縮短設(shè)計(jì)周期，節(jié)約成本，避免盲目性，它具有其他方法無法比擬的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：AutoCAD;凸輪輪廓曲線;AutoLISP;最大壓力角;CAD/CAM

在工程實(shí)際中，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)的方法通常只有圖解法和解析法兩種。對(duì)于精度要求高的高速凸輪、靠模凸輪等，必須用解析法列出凸輪的輪廓曲線方程，用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)精確地設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)。但這種方法需人工輸入大量的坐標(biāo)值，使得設(shè)計(jì)者花費(fèi)大量時(shí)間。隨著我國(guó)制造業(yè)水平的提高，目前，設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線較先進(jìn)的技術(shù)有AutoCAD與Excel結(jié)合快速精確地繪制凸輪曲線，或者利用CAD/CAM技術(shù)對(duì)凸輪輪廓的設(shè)計(jì)。但以上兩種方法對(duì)于凸輪輪廓，只是簡(jiǎn)單精確地繪制，或者只是快速準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)，并且需要設(shè)計(jì)者的業(yè)務(wù)水平極高。而本文詳述的，基于AutoCAD軟件平臺(tái)，利用AutoLISP語言交互式設(shè)計(jì)、繪制凸輪輪廓，更直觀、形象簡(jiǎn)單和高精度，它具有其他方法無法比擬的優(yōu)勢(shì)。

一、利用CAD結(jié)合傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)凸輪輪廓

（一）AutoCAD與Excel結(jié)合快速精確地繪制凸輪曲線

AutoCAD是工程界流行最廣泛的繪圖軟件，但對(duì)于曲線的繪制卻相對(duì)較弱，且涉及到大量的坐標(biāo)計(jì)算時(shí)更顯得笨拙。而AutoCAD的繪圖功能與Excel的列表功能結(jié)合起來，先通過Excel輸入所需繪制的凸輪輪廓曲線公式，生成一系列坐標(biāo)點(diǎn)，并通過復(fù)制粘貼的方法在AutoCAD中快速地進(jìn)行坐標(biāo)輸入，自動(dòng)地繪制出凸輪地輪廓曲線。這是目前工程界繪制凸輪輪廓最常用的方法。

此方法的確快速而準(zhǔn)確，但設(shè)計(jì)過程無法實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)化，大量的設(shè)計(jì)過程和繁冗的數(shù)據(jù)還需人工處理，只能通過人為地在Excel中編輯公式，輸入坐標(biāo)，得出曲線點(diǎn)坐標(biāo)。另外，該方法沒有校核環(huán)節(jié)，最終輪廓曲線的好壞得不到準(zhǔn)確的驗(yàn)證和校核，即該方法只實(shí)現(xiàn)了輪廓曲線較簡(jiǎn)單而精確的繪制。

（二）利用CAD/CAM技術(shù)對(duì)凸輪輪廓的設(shè)計(jì)

目前，我國(guó)利用CAD/CAM技術(shù)設(shè)計(jì)凸輪輪廓還不成熟，仍處于發(fā)展階段。大多數(shù)情況都是以Pro/Engineer為平臺(tái)，利用二次開發(fā)工具Pro/Program和Pro/TOOLKIT及Visual C++6.0等，對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)研究與開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了凸輪機(jī)構(gòu)的自動(dòng)建模。該方法看似將CAD與CAM技術(shù)結(jié)合，但“貌合神離”，而且設(shè)計(jì)與校驗(yàn)嚴(yán)重脫節(jié)，即使設(shè)計(jì)出符合原始條件參數(shù)的凸輪輪廓，但實(shí)際使用當(dāng)中，可能還會(huì)出現(xiàn)傳動(dòng)效率與傳力特性等問題，有一定的盲目性。

二、基于AutoCAD軟件平臺(tái)，利用AutoLISP語言交互式設(shè)計(jì)、繪制凸輪輪廓

（一）認(rèn)識(shí)AutoLISP

AutoLISP是AutoCAD的最佳拍檔，是強(qiáng)化AutoCAD最好、最直接的程序語言。AutoLISP易學(xué)、易用，即使不會(huì)程序設(shè)計(jì)的AutoCAD使用者，都能在最短的時(shí)間內(nèi)，寫出令人驚訝、贊嘆的程序語句。它的語法簡(jiǎn)單，功能函數(shù)強(qiáng)大，撰寫的環(huán)境不挑剔，只要是一般的文書編輯軟件都適用。對(duì)于AutoLISP語言，除強(qiáng)化AutoCAD原有指令，更可以創(chuàng)造出有用的AutoCAD新指令。它簡(jiǎn)化了繁瑣的環(huán)境設(shè)定或繪圖步驟，可以處理參數(shù)式繪圖。

（二）AutoCAD結(jié)合編程高效設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)

與其他設(shè)計(jì)方法相比，該方法設(shè)計(jì)凸輪輪廓自動(dòng)化程度更高，更形象直觀，而且制造精度更高。我們知道，凸輪機(jī)構(gòu)的壓力角是衡量凸輪機(jī)構(gòu)傳力特性的一個(gè)重要參數(shù)，不僅影響凸輪的受力情況和工作效率，而且對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)的尺寸大小也有很大的影響。該設(shè)計(jì)方法除了快速設(shè)定不同參數(shù)對(duì)凸輪輪廓的影響之外，還將最大壓力角與各參數(shù)結(jié)合，快速確定符合要求的輪廓曲線。

1.凸輪輪廓設(shè)計(jì)流程

2.編程原理

CAD平臺(tái)設(shè)計(jì)凸輪輪廓都是利用“反轉(zhuǎn)法”，將計(jì)算機(jī)的高效化運(yùn)算和解析法設(shè)計(jì)凸輪輪廓相結(jié)合，以達(dá)到高效、高精度的理想效果。以滾子從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)為例，根據(jù)反轉(zhuǎn)法原理，用解析法設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線的實(shí)質(zhì)是建立建立凸輪輪廓曲線的數(shù)學(xué)方程（1）和（2）

進(jìn)而準(zhǔn)確計(jì)算出凸輪輪廓線上各點(diǎn)的坐標(biāo)值，再利用Autolisp編寫程序，然后用spline命令將這些離散點(diǎn)光滑地連起來。

（1）凸輪輪廓曲線的程序化設(shè)計(jì)

凸輪輪廓的程序化設(shè)計(jì)主要有基本參數(shù)模塊、從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律模塊、生成與繪制凸輪輪廓模塊、CAM參數(shù)模塊及數(shù)控加工模塊、壓力角生成模塊、運(yùn)動(dòng)模擬和生成運(yùn)動(dòng)曲線模塊。下面對(duì)主要模塊加以說明：

第一，基本參數(shù)模塊：主要輸入基圓半徑、行程高度、運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)角及心距等基本參數(shù)。

第二，從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律模塊：主要包括推程運(yùn)動(dòng)和回程運(yùn)動(dòng)規(guī)律中的等速、等加速等減速、簡(jiǎn)諧COS、擺線、五次多項(xiàng)式機(jī)組和運(yùn)動(dòng)形式。（1）（2）兩模塊的前臺(tái)顯示窗口如圖：

第三，生成與繪制凸輪輪廓模塊：當(dāng)以上各參數(shù)設(shè)計(jì)好之后，便可自動(dòng)生成凸輪輪廓，同時(shí)還可生成各階段位移-角度曲線圖。以尖頂從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)為例，AutoCAD便可自動(dòng)生成以下圖形：

第四，CAM參數(shù)模塊及數(shù)控加工模塊：當(dāng)輪廓設(shè)計(jì)完成后輸入“V（加工軌跡）”后便可快速生成精確的輪廓曲線點(diǎn)坐標(biāo)，如：

X and Y DATA for CAM Profile generated by CAM-Designer.

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