基于Solidworks motion的凸輪運動仿真

首云飛

摘要：本文利用Solidworks的motion運動仿真功能，完成了模切機清廢上框動力凸輪機構的運動仿真分析，得到運動從動件相應的線位移、速度、加速度、以及凸輪滾子和凸輪之間接觸力等運動曲線圖。從而可以快速、準確、直觀的分析判斷凸輪廓線曲線的性能。

關鍵詞：模切機 凸輪 Solidworks；Motion運動仿真 運動曲線

0引言

凸輪擺桿機構是一種很典型的常用機構，被大量使用在各種輕工設備上。例如印后模切設備中平壓清廢模切機的清廢機構，就是該機構應用的一個典型案例。

清廢模切機是一種自動化程度很高的印后設備之一。模切機的清廢機構是影響清廢效果和效率的關鍵機構。該機構是由一套凸輪連桿驅動，凸輪曲線設計的好壞將直接影響設備運行的速度和精度。本文將以該機構中清廢上框凸輪機構的結構模型做為研究對象，進行運動仿真分析。

隨著計算輔助設計功能的不斷完善，工程技術人員也越來越多采用三維計算機設計軟件進行結構設計和性能分析。本文所分析的凸輪機構就是基于Solidworks為建模基礎，完成虛擬的裝配，并應用Motion分析軟件進行運動仿真分析，得到各運動構件的性能曲線圖解。能夠快速幫助設計人員提供直觀、準確的分析結果，以判斷原凸輪機構設計的優劣。

1仿真模型

模切機清廢上框凸輪機構如圖1所示，該機構由擺動從動件盤形凸輪機構、四連桿機構、曲柄滑塊機構等組成。

該機構采用串聯組合的結構組成形式。其中，擺動從動件盤形凸輪機構為輸入構件，兩個四連桿機構實現運動的傳遞，曲柄滑塊機構作為輸出機構，由滑塊帶動負載實現預期的運動規律。

2分析目的

利用SolidWorks中Motion插件對該機構的凸輪機構進行運動仿真，得到該機構各構件的運動性能曲線，如位移、速度及加速度曲線等，進而得到凸輪曲線的動態性能指標，判斷凸輪曲線設計的優劣；

在運動分析中加載和實際負載相同的力，通過運動分析。得出一個運動周期內凸輪與滾子間的接觸力變化規律，根據凸輪滾子受力的性能指標，判斷凸輪曲線的優劣及反向驗證凸輪滾子的選型是否合理；

3分析步驟及方法

在Solidworks中建立一個凸輪機構的實體模型，定義機架零件為靜止零件、分別在凸輪與滾子、各連桿構件間添加凸輪運動副及同心配合。裝配關系定義完成后，手動轉動凸輪檢查各連桿及各輸出件運動位置，確保能夠正常運轉。單擊菜單“工具”——“插件”——“Solidworks motion”啟動motion仿真插件，并建立一個新的“運動算例”進入仿真模式。

設置“運動算例”相關參數。如圖3、圖4所示，在輸出構件上增加一個與清廢框的質量相同的重物（初定1500N），并在模型全局施加沿Y軸負向的引力，以模擬連桿的重力；

在凸輪上添加旋轉馬達，并按照實際工況設置轉速（按120RPM），完成運動仿真模型的建立，如圖5。

設置好以上參數后，運行該運動算例。可以播放出該機構的運動畫面，通過motion仿真可得到凸輪機構中各構件的運動規律在一個分度周期內的變化規律。可通過如圖6對話框，選擇需要分析構件輸出結構類型，生成相應的圖解。

4運動仿真結果的應用和分析

A：通過motion中圖解選項可繪制出輸出構件的運動規律曲線，如圖7所示。由此可作為判斷凸輪曲線的優劣的依據。

由仿真結果可知，該凸輪機構中，凸輪為單停歇凸輪。比較輸出構件位移、速度、加速度曲線與可以得出：該凸輪曲線在推稱和回程階段均采用了擺線運動規律。速度、加速度曲線較光滑無沖擊，能夠滿足中速凸輪機構中的要求。

但是當推程以及回程均采用擺線運動規律時，其加速度曲線在推程極值位置出現不連續情況，且躍度會有較大的突變（如圖8所示躍度變化曲線），使得從動件慣性力產生突變，在高速運行時會引起機構振動。所以該凸輪機構若要在適應更高速度的要求，為避免震動就需要采用凸輪整個運動周期加速度均連續的運動規律。

B：通過motion中圖解選項還可繪制出滾子與凸輪間作用力隨時間變化曲線，如圖9所示。由此可作為判斷凸輪滾子選型是否合適的依據。

如下圖示：當負載為1500N，轉速為120RPM時。滾子和凸輪之間的最大接觸力為5826N，同時可求出滾子接觸力的平均值。據此可判斷出所選凸輪滾使用壽命是否足夠。

5結束語

本文利用Solidworks的“motion”運動仿真功能，完成了模切機清廢上框動力凸輪機構的運動仿真分析，得到運動從動件相應的線位移、速度、加速度、躍度、以及凸輪滾子和凸輪之間接觸力曲線圖。可以很直觀的得知所設計凸輪的性能，以及反向驗證凸輪滾子選型是否滿足需求。可以快速判斷凸輪機構設計的好壞，大大降低研發成本；同時為進一步優化凸輪曲線提供了明確的方向和理論依據。

參考文獻：

[1]陳超祥，胡其登.Motion運動仿真教程..機械工業出版社.

[2]張軍，李憲華.基于COSMOSMotion的凸輪-推桿仿真[J].煤礦機械，2006（9）：103-105.

[3]孫恒，陳作模.機械原理.高等教育出版社.