基于Pro/ENGINEER的高精度盤形凸輪造型設計

肖蘇華

（廣州城市職業學院機電工程系，廣東廣州 510405）

基于Pro/ENGINEER的高精度盤形凸輪造型設計

肖蘇華

（廣州城市職業學院機電工程系，廣東廣州 510405）

凸輪是廣泛使用的傳動機構，傳動的圖解法不能精確描述凸輪輪廓曲線。選用Pro/E野火軟件，依據從動件運動規律，通過方程精確建立曲線和圖形基準，采用可變截面掃描指令和關系式，確定圖形基準函數和凸輪輪廓的對應關系，設計出三維的凸輪實體零件。實踐證明，該方法能實現凸輪的高效、高精設計，能廣泛應用于實際生產中。

凸輪；高精度；可變截面掃描；曲線

0 引言

凸輪機構是由凸輪、從動件和機架三個構件所組成的一種最常見的傳動機構之一。按照凸輪的形狀分類，盤形凸輪是最常用的凸輪之一。對于凸輪機構來說，凸輪輪廓曲線設計的精確度是凸輪機構能否滿足工作要求的關鍵[1-3]。凸輪輪廓曲線的設計方法主要有圖解法和解析法，圖解法簡單直觀，但由于作圖誤差較大，所以只適用于對推桿運動規律要求不太嚴格的地方[4]。實際上，隨著三維CAD/CAM軟件的成熟應用，凸輪的設計和制造已經普遍采用3D系統，相比于傳動的反轉法，在效率、精度方面有明顯提高。

本文基于解析法原理來設計高精度盤形凸輪，第一步，根據給出的從動件運動規律，在Pro/ENGINEER野火軟件（后統稱Pro/E）中創建曲線方程；第二步，依據曲線創建圖形模型基準特征；第三步，采用可變截面掃描特征，依據曲線輪廓圖形模型基準、關系式來建立凸輪的三維模型。

1 凸輪從動件運動規律

凸輪轉動和從動件位移示意圖如圖1所示。所示為一尖頂對心移動從動件盤形凸輪機構。凸輪的輪廓由AB、BC、CD及DA四段曲線組成，其中BC、DA兩段是以凸輪回轉軸心O為圓心的圓弧。凸輪回轉軸心O與輪廓上任意一點的連線稱為向徑，以O為圓心，以凸輪的最小向徑ro為半徑所作的圓稱為基圓，ro稱為基圓半徑。從動件與凸輪在A點接觸時，凸輪上A點的向徑最小，從動件處于最低位置。當凸輪以等角速度ω順時針轉動、從動件與凸輪在AB段接觸時，凸輪的向徑將由最小變為最大，從動件將由最低位置A被推到最高位置B，從動件的這一運動過程稱為推程，而相應的凸輪轉角δO稱為推程運動角。凸輪繼續轉動，當從動件與凸輪在BC段接觸時，由于凸輪的最大向徑保持不變，因此從動件將處于最高位置而靜止不動，這一過程稱為遠休止，與之相應的凸輪轉角δs稱為遠休止角。而后，當從動件與凸輪在CD段接觸時，凸輪的向徑由最大變為最小，從動件由最高位置又回到最低位置，從動件的這一運動過程稱為回程，相應的凸輪轉角δ'O稱為回程運動角。最后，當從動件與凸輪在DA段接觸時，由于DA段凸輪的最小向徑保持不變，因此從動件將處于最低位置而靜止不動，這一過程稱為近休止，與之相應的凸輪轉角δ's稱為近休止角。凸輪繼續轉動時，從動件又重復上述過程。從動件在推程或回程中移動的距離h稱為從動件的行程[5]。

圖1 凸輪轉動和從動件位移示意圖

2 采用Pro/ENGINEER曲線功能構建凸輪輪廓線

本文所構建的盤形凸輪從動件運動規律如表1所示。

表1 從動件運動規律

論文使用Pro/E構建三維高精度凸輪模型。在Pro/E新建的part零件文件中，插入基準曲線，從方程輸入，輸入以下方程：

方程中，h為從動件行程，a為中間變量，x，y為上升曲線坐標，t為Pro/E系統默認的變量，變量值為0～1，z=0表示平面的深度坐標?？梢钥闯?，x的變化范圍為0～120，即為凸輪的上升轉角值，y值簡諧運動規律上升的推程值。通過方程，確定了從動件的推程位移軌跡曲線，如圖2所示。

圖2 從動件推程位移軌跡曲線

插入圖形模型基準，在圖1的方程曲線基礎上，添加2段長度為60的線段，并進行鏡像。處理，如圖3所示，曲線即表示了當轉角整圈360°圓周時，凸輪從動件的位移軌跡曲線。圖3的角度和位移關系和表1相對應。

圖3 從動件位移軌跡和凸輪轉角關系圖

3 可變截面掃描構建三維凸輪模型

首先采用拉伸指令構建一個直徑為250，高度為32的圓柱體（軸線有通孔一個，直徑為50）。然后采用可變截面掃描（VSS）指令進行凸輪的構建。VSS是Pro/E野火軟件中功能非常強大的復雜曲面構建指令，所得到的實體或曲面特征，是以所選的原始軌跡作為截面的原點軌跡，以其他所選的軌跡鏈作為限制軌跡。在掃描時，沿著原始軌跡通過控制截面的方向、旋轉和幾何來添加或移除材料進行漸進掃描而得到的實體或曲面。本文中的原點軌跡為直徑50的內圓，軌跡鏈為直徑250的外圓。截面繪制一個矩形，矩形至內孔邊界的值為sd6。通過Pro/E關系式，指定了sd6和圖3的關系，如圖4所示。

圖4 可變界面掃描中關系式的應用

關 系 式 sd6=25+evalgraph("QUXIAN"，360*TRAJPAR)，evalgraph為圖形基準函數，TRAJPAR為0-1變化的內置系統變量，這樣，可以精密設計出凸輪的基圓和外部輪廓，如圖5所示。

通過采用拉伸裁剪等步驟，將凸輪進行后期處理，如圖6所示為最終的凸輪模型圖。

4 結論

當今，采用三維設計軟件進行凸輪的造型設計已經成為主流，本文選用Pro/E野火軟件，依據從動件運動規律，通過構建方程曲線、圖形基準，采用可變截面掃描指令和關系式，確定圖形基準函數和凸輪輪廓的對應關系。實踐證明，該方法能實現凸輪的高效、高精設計，能廣泛應用于實際生產中。

圖5 可變截面生成的凸輪效果圖

圖6 凸輪模型圖

［1］周昇，趙靈.基于Pro/E的凸輪設計和優化［J］.制造業信息化，2013（1）：28-29.

［2］張策.機械原理與機械設計［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［3］吳國軍.基于ADAMS與VC6.0的凸輪機構設計、仿真與自動編程［J］.機電工程技術，2013（7）：133-135.

［4］王東.基于Pro／E關系式的凸輪輪廓曲線精確設計［J］.機械設計，2010，27（8）：31-34.

［5］四川機電職業技術學院機械工程系.凸輪輪廓曲線的設計 ［EB/OL］.http：//www.scemi.com/jxky/gdf/zxxt?web/ch4-3.htm.

High Precision Disc Cam Design Based on Pro/ENGINEER

XIAO Su-hua
（Department of Mechanical and Electrical Engineering，Guangzhou City Polytechnic，Guangzhou510405，China）

The cam drive mechanism is widely used，but the drive can not accurately describ graphically cam profile.Optional software Pro/E wildfire，according to the movement of the follower，established by the equation curves and precise graphics benchmark，using a variable cross-section scanning instructions and relationship to determine the correspondence between the reference function and the cam profile graphics， design three-dimensional cam solid parts.Practice has proved that this method can achieve cam efficient，high-precision design，can be widely used in actual production.

cam；high precision；VSS；curve

TH122

：A

：1009－9492(2014)11－0062－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.017

肖蘇華，男，1976年生，湖南邵陽人，博士，副教授。研究領域：逆向工程與CAD/CAM。已發表論文20篇。

(編輯：向 飛)

2014－05－29