三維（PROE）環境下的凸輪設計方法分析

黃軼

摘 要：結合凸輪的特點，對三維（PROE）環境下的幾種常用的凸輪設計方法進行了簡單分析，并對根據已知從動件運動規律設計凸輪曲線的方法進行了重點闡述。

關鍵詞：三維環境 凸輪設計 PROE

中圖分類號：TH112 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）07（a）-0071-01

凸輪是一種具有曲線輪廓或凹槽的構件，有凸輪、從動件和機架三部分組成，可以作連續等速運動，可以實現幾乎所有的重復性機械動作，無論簡單還是復雜，因此，凸輪機構在各種自動化和半自動化機械裝置中得到了廣泛應用。凸輪機構的優點在于，只需要設計適當的凸輪輪廓，就可以使得從動件得到任意的預期運動，而且結構簡單、設計方便，但是相對而言，凸輪輪廓對于精度要求較高，而且易磨損，只適用于傳力不大的場合，傳統的設計方法存在著諸多問題，因此，本文結合PROE三維設計軟件，對三維環境下的凸輪設計進行了分析。

1 PROE概述

PROE是對Pro/Engineer的簡稱，是由美國PTC公司推出的三維CAD/CAM參數化軟件系統，具備強大而完美的功能，被廣泛應用于汽車、航空、機械、數控加工等多個領域，在當前的三維造型軟件領域，占據著十分重要的地位。

該軟件第一次提出了參數化設計的概念，采用單一數據庫來解決特征的相關性問題。一方面，PROE軟件的基于特征方式，可以將設計到生產的全過程進行集成，實現并行工程設計，可以在工作站和單機上進行應用；另一方面，PROE采用了模塊方式，具有草圖繪制、零件制作、裝配設計、加工處理等功能，用戶可以根據實際需要，對功能模塊進行選擇，十分方便。

2 基于PROE的凸輪設計方法

在三維環境下，利用PROE進行凸輪設計，主要包括以下三種方法。

（1）已知凸輪點的數據，輸入曲線點文件擬合曲線建模。這種方法一般用于反求建模，需要明確得到凸輪點的數據，很容易受到測量誤差的影響，數據點存在的離散誤差會在一定程度上影響設計結果。

（2）已知凸輪的位移變化曲線，結合相應的方程產生曲線，通過跟蹤曲線建模。這種方法在數值方面，具有良好的精準度，但是需要對位移曲線方程進行推導，專業性較強，對于設計人員要求較高。

（3）已知凸輪從動件的運動規律，對各構件尺寸進行測量后，可以采用運動仿真，產生相應的軌跡曲線，然后建模。

相比之下，第一種方法的關鍵，在于對數據點文件的制作，只要數據點文件符合要求，其他步驟與建立一個基本的拉伸特征相似，只要具備一定的PROE操作能力，都可以順利完成。第二種方法主要是利用了PROE中附帶的變截面掃描功能和圖形曲線特征，只需要推導出凸輪的位移變化曲線方程，就可以制作出符合相關精準度要求的零件模型，還可以對凸輪中的各項運動參數進行修改，操作流程也并不復雜。因此，這里主要針對第三種設計方法進行重點分析。

對于比較復雜的凸輪結構或者機械運動，采用前兩種方法進行設計時，不僅十分麻煩，有的根本不可能實現。針對這種情況，一般會采用第三種，也就是已知凸輪從動件運動規律的建模方法。在PROE環境下，采用這種方法對進行凸輪設計，主要包括以下三個基本步驟。

首先，通過相應的方法，計算出凸輪基圓半徑，并以此為依據，在PROE中建立一個圓盤類零件，命名Part1。然后，根據凸輪的結構，對從動件的結構進行確定，建立從動件簡化模型，命名Part2。進入軟件的部件裝配環境，將Part1和Part2以銷釘連接的方式裝入，之后進入機構運動模式，在兩個模型之間定義凸輪連接副，創建快照，然后刪除。

其次，對凸輪連接軸伺服電機模的速度值進行定義，結合凸輪設計期望，實現從動件運動規律定義從動件連接軸伺服電機的模。

最后，在PROE中，新建一個運動分析ansys1，按照從動件運動循環周期=時間長度×凸輪副速度模應的相互關系，對時間長度進行定義，然后加入兩個伺服電機，運行仿真。在“機構-軌跡曲線”中，選中Part1作為紙零件，選擇凸輪合成曲線，同時選擇Part2與凸輪接觸的曲線與ansys1，點擊確定，生成凸輪實際廓線。之后，在新窗口，對Part2進行編輯，將生成的凸輪廓線進行拉伸，形成相應的凸輪實體，凸輪建模完成。最終凸輪模型以及曲率分析圖（如圖1）。

需要注意的是，在對凸輪進行運動設計時，從動件的運動規律是多種多樣的，需要對一些重要的參數進行分析和優化，這些參數包括：最大速度、最大加速度、動載轉矩特性值、最大躍度、最大跳度等。

第三種方法主要是利用了仿真中系統可以自動生產任意點的運動軌跡線的特點，實現設計建模，與前兩種方法相比，操作簡單，可以對相關構件的位移曲線、速度曲線等進行測量，為設計模型的改進提供良好的數據支持，具有良好的實用價值。

3 結語

總而言之，凸輪機構憑借自身的優點，在許多機械設備中都有著廣泛的應用，但是傳統凸輪設計方法的落后性和繁瑣性，在很大程度上制約了凸輪的應用和發展。本文針對三維（PROE）環境下的凸輪設計方法進行了分析和談論，利用PROE程序強大的設計分析能力進行凸輪的設計，可以有效保證設計數據的精準性，同時操作便捷直觀，可以為設計人員節約大量的時間，在確保凸輪設計質量的同時，縮短了設計周期，取得了良好的效果。相關設計人員要充分重視起來，對凸輪設計的方法進行不斷改進和創新，促進凸輪結構的有效應用。

參考文獻

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