基于SolidWorks的盤形凸輪CAD/CAE/CAM一體化設計

謝良勝，寸立崗，柳彥虎

（蘭州交通大學 機電工程學院，蘭州 730070）

1 引言

隨著計算機技術的快速發展，CAD、CAE 和CAD/CAE/CAM 一體化在機械零部件的結構設計、強度校核、性能分析和模擬仿真加工等方面得到了廣泛應用［1］。將CAD/CAE/CAM 一體化技術運用到凸輪的設計與制造過程中，不僅滿足了凸輪的使用要求，而且降低生產成本，縮短了開發周期。SolidWorks 軟件是一款優秀的三維CAD/CAE/CAM 軟件，可以幫助設計師們更快、更準確、更有效地將創新轉變為市場產品,實現產品的無圖紙化設計與制造，縮短了周期，節約了成本。

2 凸輪基本參數的確定

在對凸輪進行計算機輔助設計之前，需先確定凸輪運動規律、凸輪基圓半徑以及滾子半徑。

2.1 凸輪運動規律的確定

以某微動開關上的凸輪機構為例，其工作場合為低速輕載，設計要求為凸輪以等角速度100r/min 逆時針方向轉動,在凸輪的一個運動周期里，要求滾子在凸輪轉動70°后等速上升10mm；凸輪轉到150°處，滾子靜止不動；凸輪轉動220°處，滾子等速下降10mm；凸輪再繼續轉到起點處時，滾子靜止不動。得凸輪的位移線圖如圖1 所示。

圖1中，δ為凸輪的轉角，h為滾子的行程。

圖1 凸輪的位移線圖

2.2 凸輪基圓半徑的選取以及滾子半徑的確定

為了使用方便，在工程上現已制備了根據推桿幾種常見規律確定許用壓力角和基圓半徑關系的諾模圖，供近似確定凸輪的基圓半徑或校核凸輪機構最大壓力角時使用［2］，如圖2 所示。

圖2 凸輪設計諾模圖

圖中虛線所示：當凸輪轉角Φ=70°，最大壓力角αmax=30°時（對于直動推桿取許用壓力角［α］=30°）［2］，得到h/rb=0.75，由圖1 可知凸輪行程h=10mm，可得凸輪的基圓半徑rb≥13.33mm。再根據實際結構尺寸取rb=15mm。采用滾子推桿時滾子半徑的選擇要考慮滾子結構、強度以及凸輪輪廓曲線的形狀等方面的因素，通常取滾子半徑rr=（0.1～0.15）rb［2］，因此取滾子半徑rr=2mm。

3 凸輪CAD

圖3 凸輪的三維模型圖

圖4 凸輪機構裝配簡圖

凸輪的傳統設計方法是作圖法和解析法。圖解法存在手工繪圖誤差大、加工精度差等缺點。解析法存在凸輪程序復雜，對編程人員的要求比較嚴格等缺點，所以，凸輪的傳統方法在滿足現代社會對凸輪的精度要求時受到了很大的限制［3］。SolidWorks 自帶的“Toolbox”插件是一種零件標準庫，使用十分方便。對于稍微熟悉SolidWorks的人員來說很快就能掌握。但是惟一的缺點就是其直接生成的凸輪輪廓曲線不是光滑連續的，運用到實際應用場合將會產生較大的沖擊和噪聲。文獻［4］中采用了對“Toolbox”插件直接生成的凸輪實體進行重新“編輯草圖”，然后再使用樣條曲線工具欄中的“套合樣條曲線”的方法使得凸輪輪廓線光滑連續，成功解決了這一問題。凸輪的生成過程主要是對話框中“設置”、“運動”以及“生成”三個標簽的參數的輸入。其大致步驟如下：“設置”主要用來定義凸輪、推桿的類型以及相應的尺寸；“運動”主要是設置凸輪的運動類型以及相應的結束半徑和凸輪轉角；“生成”主要用來定義凸輪造型的各個參數。

將上述標簽中分別輸入凸輪的相應的基本參數和要求，再利用文獻［4］中介紹的方法生成了輪廓連續的凸輪如圖3 所示。

4 凸輪運動仿真

COSMOS/Motion 作為SolidWorks 軟件平臺的一款插件，通過對凸輪機構運動性能的仿真分析，得到凸輪曲線的動態性能指標從而判斷凸輪設計的優劣以及是否滿足設計要求［5］。為了驗證推桿的運動規律是否符合要求，應該設計一個簡單的凸輪機構對凸輪進行運動仿真。建立凸輪和滾子“凸輪配合”（SolidWorks 軟件配合選項卡里自帶）的機械配合關系并完成其他零部件的配合關系，建立如圖4 所示的凸輪機構裝配體模型。

在凸輪機構的裝配圖的基礎上，在凸輪軸處加一馬達，并設置轉速為100r/min，進行凸輪的運動仿真。為了驗證滾子推桿的運動性能是否滿足設計要求，我們選擇滾子為目標，輸出滾子在豎直方向上的位移、速度及加速度曲線，相應的輸出圖形如圖5 所示。

圖5 滾子的線性位移、速度、加速度圖

圖中均以凸輪的旋轉時間作為橫坐標，縱坐標分別反映了凸輪輪廓線的相應的線位移、速度及加速度性能。圖中的位移曲線比較平緩，與圖1 凸輪的位移線圖基本一致；速度曲線基本滿足了等速上升和等速下降的運動要求，證明凸輪的運動規律基本滿足了要求。加速度略有突變，但變化值較小，說明沖擊較小，符合等速直線運動常用在低速和輕載場合的原則。綜上可知，此處凸輪的輪廓曲線具有一定的合理性，滿足了設計要求。

5 凸輪CAE

計算機輔助工程CAE 指用計算機輔助求解分析復雜工程和產品的結構力學性能，以及優化結構性能等。我們有必要對凸輪在運動過程的運動載荷，尤其是在凸輪加速度突變的時候的載荷進行定量分析，以校核凸輪的強度是否足夠。Simulation 是與SolidWorks 無縫集成的有限元分析系統，它是作為一個插件供用戶選購。在COSMOSMotion 對凸輪的運動分析的基礎上，利用Simulation 插件分析就可以得到凸輪在運動過程中的運動載荷分布。由圖5中的加速度與時間的關系，在選擇時間步進行計算機有限元計算的時候，為了節約時間，在此選擇時間步為加速度突變發生的時間，設置時間為0.5～0.75s。設置凸輪材料為1203 碳鋼板（ss）進行有限元計算，分析結果如圖6 所示。

圖6 凸輪的應力分布云圖

由圖6 可知，凸輪在運動過程中的最大應力為9335Pa，可知凸輪在運動過程中當加速度有突變時的最大應力很小，遠小于凸輪材料的屈服強度283MPa，滿足使用條件。因此在低速輕載的情況下使用等速運動規律是合適的。

6 凸輪CAM

傳統的凸輪加工方法是劃線后采用銑床或用手工銼削而成，精度低，誤差大；或者運用手動編程進行數控加工，由于凸輪輪廓的復雜性，對編程人員的要求比較高，極大地增加了凸輪的加工周期。本文以SolidCAM為平臺進行凸輪的數控銑床的模擬仿真加工。SolidCAM 是完全關聯于SolidWorks 模型的計算機輔助制造（CAM）軟件。是內置的SolidWorks中最完整的、最佳的加工解決方案，其高效的操作為CNC編程提供更多的價值。對于凸輪來說，其模擬加工過程如圖7 所示。

圖7 凸輪的模擬加工流程

開始：主要包括將SolidWorks 已經建立好的凸輪的三維模型進行加載和啟動SolidCAM 軟件，并新建模擬數控銑床加工。

定義加工原點：SolidCAM 會自動定義加工坐標系和加工原點，Z 軸會自動垂直與我們要選取的加工平面。

定義毛坯和加工模型：SolidCAM 根據凸輪的形狀會自動形成毛坯的形狀，設定凸輪的輪廓面為加工模型的外形輪廓。

圖8 “模擬”對話框

零件的模擬：在完成以上的設定以后，單擊模擬按鈕，彈出如圖8 所示的“模擬”對話框，SolidCAM 會自動進行對凸輪的仿真模擬加工。模擬結果如圖8所示。

單擊“模擬”對話框中的任一項，如3D 實體模擬，就可查看凸輪的模擬仿真加工過程。其目的主要是檢驗自動生成的數控程序語法的正確性、加工過程中是否出現干涉或刀具軌跡不符的現象等，減少了設備、刀具和工件之間的損壞，也避免了凸輪傳統方法加工中試切試驗，節約了成本［6］。

輸出G 代碼：檢查模擬結果沒有問題的情況下，就可以生成G 代碼，G代碼是以文本的格式被保存，如圖9 所示，通過微機和數控裝置之間的RS232 串行通訊傳工具將G代碼傳送給數控機床，完成對凸輪的實體加工。減少了人工編程，提高了效率。

圖9 凸輪G 代碼

7 結語

本文以SolidWorks 軟件及其各種插件為平臺介紹了凸輪的CAD/CAE/CAM 一體化設計，實現了凸輪的從研發、設計到制造的無圖紙化生產，縮短了周期，極大地減少了成本。同時也對其他機械產品的生產有一定的借鑒意義。本文的不足之處就是只是對凸輪進行了模擬仿真加工，由于條件限制沒能進行實體加工，無法進一步驗證G 代碼的正確性。

［1］崔勝民，高旭宏.車輪CAD/CAE/CAM 一體化技術的研究［J］.機械設計與制造，2004（3）：36-38.

［2］孫桓，陳作模.機械原理［M］.北京：高等教育出版社，1996.

［3］林巨廣，程剛，劉凱，等.凸輪的新型精確設計及加工方法［J］.機械工程師，2012（3）：54-55.

［4］曹巖，趙汝嘉.SolidWorks 2007 精通篇［M］.北京：化學工業出版社，2007.

［5］方芳，黃松，林剛.基于MatLab 和SolidWorks的凸輪輪廓設計及性能分析［J］.礦山機械，2010，38（6）：39-42.

［6］鄭小光，尹佑盛，梁錫昌.凸輪的計算機輔助設計與數控加工［J］.機械設計與制造，1999（6）：7-8.