三維（PROE）環(huán)境下的凸輪設(shè)計(jì)方法分析

王 維（廣東省地質(zhì)裝備中心,廣州 510510）

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三維（PROE）環(huán)境下的凸輪設(shè)計(jì)方法分析

王 維
（廣東省地質(zhì)裝備中心,廣州 510510）

摘 要：信息時(shí)代的到來為各行業(yè)領(lǐng)域發(fā)展注入新鮮的活力，以凸輪在三維環(huán)境下的設(shè)計(jì)為典型代表，其能夠依托于動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律完成凸輪設(shè)計(jì)過程，這樣凸輪在設(shè)計(jì)效率以及設(shè)計(jì)質(zhì)量等各方面都可得到保障。對(duì)此，本文將對(duì)三維環(huán)境與凸輪的相關(guān)概述、三維環(huán)境下凸輪設(shè)計(jì)的主要方法以及具體設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行探析。

關(guān)鍵詞：三維環(huán)境；凸輪；設(shè)計(jì)方法；設(shè)計(jì)步驟

0 前言

近年來許多行業(yè)領(lǐng)域中的機(jī)械設(shè)備，其都將凸輪機(jī)構(gòu)引入其中，使機(jī)械設(shè)備整體性能得以提高。然而凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)際設(shè)計(jì)中卻存在一定的問題，更多設(shè)計(jì)人員受成本與技術(shù)應(yīng)用能力限制，所選用的設(shè)計(jì)方式極為繁瑣，而且無法保證凸輪機(jī)構(gòu)的適用性。這種背景下，便提出凸輪在三維環(huán)境下的設(shè)計(jì)方式，對(duì)解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式的弊端可起到明顯的效果。因此，如何以三維環(huán)境為依托進(jìn)行設(shè)計(jì)成為當(dāng)前凸輪設(shè)計(jì)需考慮的重要內(nèi)容。

1 PROE與凸輪的相關(guān)概述

關(guān)于PROE，其作為較為成熟的軟件系統(tǒng)，主要由PTC公司以三維CAM、三維CAD為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，功能較為全面，能夠適用于許多行業(yè)領(lǐng)域包括數(shù)控加工、機(jī)械加工、航空制造以及汽車制造等。在PROE設(shè)計(jì)中，其區(qū)別于其他軟件系統(tǒng)，能夠直接引入?yún)?shù)化設(shè)計(jì)概念，且對(duì)其中相關(guān)性問題可通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行解決。PROE應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)主要在于，其在功能模塊設(shè)計(jì)上能夠滿足用戶需求，如加工處理功能、構(gòu)件制作、圖形繪制以及其他設(shè)計(jì)等模塊都可為用戶所使用，同時(shí)從整個(gè)生產(chǎn)中也可發(fā)現(xiàn)，PROE具有一定的集成特征，既可在單機(jī)中可靠運(yùn)行，而且能夠?yàn)楣ぷ髡咎峁┓?wù)。

而在凸輪方面，以往凸輪機(jī)構(gòu)在應(yīng)用中因其表層接觸面積較大，存在的受損、脫落以及侵蝕等問題極為常見，使凸輪生命周期由此縮短。這種情況下便需考慮將其磨損控制在最低程度，可直接在混合潤滑模式下運(yùn)行。因此實(shí)際進(jìn)行凸輪設(shè)計(jì)過程中應(yīng)以摩擦學(xué)理論為依據(jù)，傳動(dòng)設(shè)計(jì)中圍繞潤滑條件進(jìn)行，保證設(shè)計(jì)尺寸合理，這樣才可使摩擦問題得以解決。事實(shí)上，凸輪實(shí)質(zhì)為具有曲線輪廓特征的構(gòu)件，其能夠用于各行業(yè)領(lǐng)域機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)，主要?dú)w因于凸輪在設(shè)計(jì)上較為容易且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行過程中只要做好輪廓控制便可保證從動(dòng)件合理運(yùn)動(dòng)。但需注意的是，由于其易出現(xiàn)磨損問題，而且多局限在傳出力較小的環(huán)境內(nèi)，所以設(shè)計(jì)中應(yīng)保證具有較高的精確性。若單純依托于以往繁瑣的設(shè)計(jì)工序，磨損問題無法解決，而且其他被侵蝕或脫落等問題發(fā)生概率較高，因此要求從三維模式角度出發(fā)完成整個(gè)設(shè)計(jì)過程。

2 凸輪在三維環(huán)境下的設(shè)計(jì)方法研究

凸輪在三維環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在：第一，設(shè)計(jì)過程中首先做好凸輪點(diǎn)數(shù)據(jù)參數(shù)的明確，在此基礎(chǔ)上再與曲線點(diǎn)相結(jié)合完成建模過程。該種設(shè)計(jì)方式通常在反求建模方面較為適用。但應(yīng)用中也存在一定的弊端，如其中引入的凸輪點(diǎn)數(shù)據(jù)，其主要來源于測(cè)量計(jì)算過程中，若測(cè)量或計(jì)算存在較大誤差，凸輪點(diǎn)數(shù)據(jù)也會(huì)出現(xiàn)離散情況，這樣設(shè)計(jì)結(jié)果的精確性將無法得到保障。第二，設(shè)計(jì)中以凸輪位移變化為依據(jù)，根據(jù)其變化曲線完成建模。該種方式在應(yīng)用中可使設(shè)計(jì)精準(zhǔn)性得到提高，但由于在設(shè)計(jì)中需對(duì)位移變化曲線進(jìn)行分析且要求引入具體的曲線方程，要求設(shè)計(jì)人員具備較強(qiáng)的專業(yè)能力。第三，以從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)情況為依據(jù)，在設(shè)計(jì)中直接測(cè)量構(gòu)件尺寸，得到具體數(shù)據(jù)參數(shù)后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，能夠得到具體的軌跡曲線，根據(jù)曲線完成建模。

三種設(shè)計(jì)方式應(yīng)用中都存在一定的優(yōu)勢(shì)與不足。如第一種設(shè)計(jì)方法在實(shí)際操作中需要制作相應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)文件，該文件與凸輪實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)參數(shù)相吻合的情況下，才可開展其他設(shè)計(jì)工序，保證PROE操作能力得以發(fā)揮，便可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。相比之下，第二種設(shè)計(jì)方法在應(yīng)用中更側(cè)重于PROE的變截面掃描，根據(jù)相應(yīng)的曲線分析凸輪位移變化規(guī)律，這樣所設(shè)計(jì)的零件模型在精準(zhǔn)度上會(huì)得到很大程度的提高。而且該種設(shè)計(jì)方式下，對(duì)于凸輪中的相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)也可利用PROE中的功能模塊完成修改，整個(gè)過程較為簡(jiǎn)單。另外，在第三種設(shè)計(jì)方式下，其主要適用于較為繁瑣的設(shè)計(jì)工序，為滿足不同行業(yè)領(lǐng)域需求，凸輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，若采用第一種或第二種設(shè)計(jì)方式，很難使復(fù)雜凸輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到相關(guān)要求，因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)注重以從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律為基礎(chǔ)，使凸輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加合理。

3 凸輪在三維環(huán)境下的的具體設(shè)計(jì)步驟

三維環(huán)境中進(jìn)行凸輪的設(shè)計(jì)，本文主要以第三種設(shè)計(jì)方式為例，對(duì)其具體設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行研究。首先，PROE環(huán)境下，需對(duì)凸輪基圓半徑進(jìn)行計(jì)算，保證數(shù)據(jù)無誤的情況下構(gòu)建名為Part1的圓盤類零件。同時(shí)，由于該種設(shè)計(jì)方式主要以從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律為依托，所以需了解凸輪中的從動(dòng)件結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)模型的構(gòu)建，將該模型稱之為Part2。在具體裝配過程中應(yīng)保證Part1與Part2保持連接，然后對(duì)凸輪連接副進(jìn)行定義，完成快照的創(chuàng)建過程。其次，做好軸伺服電機(jī)、從動(dòng)件二者連接的定義，該步驟主要以從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)。最后，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析ansysl在三維環(huán)境中的構(gòu)建。需在時(shí)間長度被定義的基礎(chǔ)上，將伺服電機(jī)引入其中，能夠模擬凸輪的實(shí)際運(yùn)行。同時(shí)進(jìn)行ansysl、Part1曲線以及凸輪與Part2連接的曲線確定，可推出凸輪曲線輪廓。對(duì)該輪廓線進(jìn)行相應(yīng)的拉伸調(diào)整，便可完成凸輪模型的構(gòu)建。實(shí)際設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)并非局限在同一規(guī)律中，許多設(shè)計(jì)參數(shù)都可能出現(xiàn)一定變化，需做好優(yōu)化與分析工作，如最大跳度、速度以及動(dòng)載轉(zhuǎn)矩等。綜合來看，第三種設(shè)計(jì)方式應(yīng)用下能夠?qū)⑺羞\(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真，相比前兩種方式極為簡(jiǎn)單，且測(cè)量精度等能夠得到保障。

4 結(jié)論

現(xiàn)代極多設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域都需將凸輪機(jī)構(gòu)作為主要構(gòu)件，要求凸輪在整體性能上得以提供高。實(shí)際設(shè)計(jì)過程中應(yīng)正確認(rèn)識(shí)凸輪的整體結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理，引入PROE團(tuán)建系統(tǒng)，合理選擇設(shè)計(jì)方法。通過文中比較發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行大多復(fù)雜凸輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需以從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律著手，在仿真過程中使凸輪的設(shè)計(jì)更為合理。

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DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.181