基于SolidWorks的自動移料機構凸輪輪廓設計*

顧志剛，陳玉瑜

（常州紡織服裝職業技術學院，江蘇常州 213164）

0 引言

隨著社會生產力的不斷提高，工廠對自動化設備的需求量也越來越大。目前國內外的自動化設備控制主要采用氣動、電動及機械傳動相結合的控制方式，在設備中對于運作速度較高，運行質量可靠度要求較高的場合，采用凸輪機構作為傳動方式，是裝備設計的首選。通常設計出適當的凸輪輪廓，便可以使從動件實現預期運動規律[1-2]。然而凸輪機構設計過程繁雜，對設計人員要求較高，某些自動化設備開發公司感覺利用凸輪機構“不劃算”[3]，因此，尋找一種更加簡便、有效的凸輪設計方法，縮短設備開發周期，是解決當前對于凸輪機構設計過程的首要任務。

目前我國國內對凸輪的設計主要還是采用理論設計方法為主，賀煒[4]介紹了我國凸輪機構研究的回顧與展望，側重介紹了基于不同的解析公式和專用數表來進行單凸輪輪廓曲線的設計方法。金國光[5]采用有限元模型對高速凸輪機構進行了動力學分析。蔣金法[6]、吳云章[7]介紹了利用時序分析法設計單驅動多凸輪副機構的設計方法。韓慶紅[8]介紹了利用Solid-Works對灌裝機分瓶機凸輪輪廓曲線的設計過程。

本文首先利用SolidWorks 對需要設計的凸輪機構進行三維基礎建模，并通過添加“路徑配合”，使從動件在沒有凸輪驅動的情況下，滿足運動軌跡。然后利用motion 插件，對從動件的運動軌跡進行反向求解，得出主動件（轉軸）相對于從動件運動規律的路徑，從而直接得出凸輪理論輪廓曲線[9]。最后將理論輪廓曲線轉換為凸輪實際輪廓，再給凸輪添加轉動，來驅動從動件的運動，通過分析得出從動件的運動軌跡符合預期設計的要求，來驗證凸輪設計的準確性。整個設計過程省去了常規設計過程中建立理論輪廓曲線方程等諸多繁雜過程，為自動化設備的開發工作提供了思路，具有一定的參考意義。

1 自動移料三維建模及運動路徑規劃

該自動移料機構利用一個電機將旋轉運動傳遞給主軸，主軸上安裝有凸輪機構，通過凸輪以實現物料的拾取和放置工作。要求每分鐘進行180次的物料移位工作，同時要求X方向移動距離為55 mm，Y方向移動距離為25 mm。基于以上設計要求，首先利用SolidWorks對自動移料機構進行三維建模，使模型的行程能滿足設計要求，完成的建模圖如圖1所示。

圖1 自動移料機構三維圖

圖2 吸盤運動路徑規劃

建模完成后，可以通過鼠標拖動零部件來檢查各部件的運動是否符合行程設計需求。在部件運動滿足設計需求的情況下，通過配合設置好機構的初始位置，然后在草圖中畫出部件需要運動的路徑，并將吸盤的中心點與路徑之間添加路徑配合，如圖2所示。

2 自動移料機構凸輪輪廓設計

在完成路徑規劃后，將選項卡切換至運動算例，選擇motion分析，通過測量得知運動路徑的長度為96.43 mm。首先應該先模擬出一次完整的運動過程中，從動件在按照給定軌跡運動，主軸按照逆時針方向勻速旋轉情況下，X、Y方向擺臂上的凸輪隨動器的中心基于吸盤中心的運動軌跡。

為了達到追蹤結果，給吸盤添加路徑配合馬達，設定運動距離為96.43 mm，由于要求機構每分鐘進行180 次物料拾取，即每秒機構實現3個循環的往復運動，給吸盤添加運動方式為振蕩，運動頻率為3 Hz，如圖3所示；同時給主軸添加旋轉馬達，旋轉方向為逆時針，設置旋轉速度為180 r/min，如圖4 所示。為了使計算結果更加精確，設置動畫幀數為100幀/s，同時將結束鍵碼設置為0.333 s。然后點擊motion分析中的計算運動算例，觀察仿真結果。

圖3 路徑配合馬達相關參數設置

圖4 主軸旋轉馬達相關參數設置

在仿真求解沒有錯誤的情況下，單擊“計算和結果”按鈕，對X、Y擺臂上已建模完成的凸輪隨動器的中心參考主軸旋轉方向進行路徑追蹤，追蹤結果完成會顯示兩條曲線，如圖5所示。其中追蹤路徑1是從動件按照預定軌跡運動，主軸按照給定的速度運動逆時針轉動時，X方向擺臂上凸輪隨動器的中心相對于從動件運動X 方向的“相對位移”。反過來說，如果凸輪隨動器的中心能夠按照追蹤路徑1運動的話，吸盤必會完成給定路徑上X方向的移動；同理，追蹤路徑2則可以控制吸盤完成給定路徑上Y方向的移動。

鑒于以上分析得知，這兩條曲線就是機構運動所需的兩個凸輪的輪廓曲線，將這兩條輪廓曲線轉換成實體，就可以得到凸輪的實體了。展開“結果”文件夾，右擊“圖解1”、“圖解2”的曲線，并選擇“在參考零件中從路徑生成曲線”，可以將追蹤路徑復制到主軸零件中。完成后打開“主軸”零件，基于追蹤路線建立基準面，并在基準面上建立草圖。由于追蹤路徑是一條曲線，而非草圖實體，受到計算精度和動畫幀數的影響，追蹤路徑往往不一定是一條封閉的曲線，有時候會存在一部分自相交叉的情況，或者首尾沒有閉合的情況，直接轉換實體到草圖會出現失敗。所以在進行拉伸操作之前，首先利用“樣條曲線”工具，將追蹤路徑描出（描的點越多，凸輪外形越接近追蹤線），并轉換成“構造線”，如圖6所示。然后根據軸承隨動器的滾子半徑為12 mm，將曲線向內等距6 mm，得到凸輪的輪廓曲線。然后通過“拉伸凸臺”，建模得到凸輪，至此，凸輪輪廓設計完成。

圖5 路徑追蹤

圖6 追蹤結果

3 凸輪輪廓的驗證

凸輪輪廓設計是否準確，可以將生成的凸輪再進行自下而上的裝配，然后利用凸輪來驅動機構，反過來追蹤吸盤中心，觀察其運動軌跡是否符合預期設計目標，若符合，則表示設計準確。

首先重新進行裝配體的安裝，然后切換到“運動算例”選項卡，給“凸輪隨動器”和“凸輪”之間添加接觸，材料選擇為“steel（剛性）”，這里添加剛性主要是為了能正確模擬部件的材料性能。同時給主軸添加旋轉馬達，旋轉方向為逆時針，設置旋轉速度為180 r/min。這樣就完成了真實設備中，由電動機帶動主軸旋轉，凸輪跟隨主軸一起旋轉，并推動凸輪隨動器運動的條件添加，這樣就能模擬出真實情況下，從動件的運動路線。添加完成后進行運算，為使結果更精確，設定動畫的幀數為100幀/s，并追蹤吸盤中心點的運動軌跡。從追蹤結果分析可以看出，吸盤中心點與預先設定的路徑十分吻合，達到了預定運動軌跡的目的，如圖7所示。

圖7 模擬運行路徑

4 結束語

本文以自動移料機構為例，描述了一種利用SolidWorks路徑配合反求凸輪輪廓的設計方法，該方法較常規凸輪設計方法最大的不同在于從裝配體角度，通過自上而下的設計方法設計了凸輪輪廓，并驗證了設計符合預期目標效果。當凸輪設計完成后，可以進一步對機構進行力學分析，進行從動件速度、加速度，及機構的最大壓力角，最小曲率半徑等的校核工作。如果校核結果滿足設計參數，則可以將凸輪輪廓輸入CNC 數控加工程序中，對其進行加工，省去了常規凸輪設計過程中繁雜的部分，縮短了開發周期。鑒于以上分析，本文所描述的凸輪設計方法在類似的機構設計中具有一定的參考價值。