馮立艷，劉迎娟，謝文志，周 雪

（河北聯(lián)合大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，唐山 063009）

0 引言

凸輪機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、設(shè)計(jì)方便和易實(shí)現(xiàn)預(yù)期運(yùn)動(dòng)等特點(diǎn)，因而在各種自動(dòng)機(jī)械中都有著廣泛的應(yīng)用。

凸輪可分為盤形凸輪（溝槽式和平板式）、移動(dòng)凸輪、圓柱或圓錐凸輪（溝槽式和端面式）等幾種常見(jiàn)類型，從動(dòng)件有直動(dòng)和擺動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)形式，從動(dòng)件的端部結(jié)構(gòu)有尖頂、滾子、平底、球面等。從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)過(guò)程一般包括推程、遠(yuǎn)休止、回程和近休止四個(gè)階段，從動(dòng)件在推程、回程常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有等速運(yùn)動(dòng)、等加速等減速運(yùn)動(dòng)、擺線運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、五次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)等。從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律決定了凸輪的廓線形狀，利用三維設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)凸輪時(shí)，既要考慮從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，又要考慮各基本參數(shù)對(duì)凸輪輪廓的影響，這正是凸輪參數(shù)化三維建模的意義所在。

雖然Pro/E中的program能實(shí)現(xiàn)凸輪參數(shù)化三維建模，但整個(gè)建模過(guò)程不能脫離Pro/E軟件，給操作帶來(lái)諸多不便，故本文利用VB開(kāi)發(fā)獨(dú)立的程序界面，將輸入值賦給AGW，再由AGW驅(qū)動(dòng)Pro/E的自變量參數(shù)，即可生成新凸輪模型；將凸輪機(jī)構(gòu)中的各參數(shù)和機(jī)構(gòu)中零件的對(duì)應(yīng)參數(shù)關(guān)聯(lián)起來(lái)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)尺寸驅(qū)動(dòng)，生成新凸輪機(jī)構(gòu)的三維模型。這種方法操作簡(jiǎn)便，效率高?；赩B和Pro/E的凸輪機(jī)構(gòu)三維參數(shù)化建模和運(yùn)動(dòng)仿真分析的過(guò)程如圖1所示。

圖1 凸輪機(jī)構(gòu)三維參數(shù)化建模和運(yùn)動(dòng)仿真分析流程

1 凸輪的三維參數(shù)化建模

不同種類的凸輪需要的基本參數(shù)不同，現(xiàn)以偏置直動(dòng)滾子從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)為例，說(shuō)明建模過(guò)程。

1.1 三維基礎(chǔ)模型的建立

1.1.1 基本參數(shù)的設(shè)置

啟動(dòng)Pro/E環(huán)境，選擇【工具/程序】命令，在INPUT和END INPUT語(yǔ)句中間輸入圖2所示的語(yǔ)句，存盤后，輸入各參數(shù)初值?；緟?shù)及程序中對(duì)應(yīng)的變量代號(hào)如表1所列，其中的初始值任意給定，但要保證推程角、遠(yuǎn)休角、回程角、近休角之和為360°。

表1 凸輪機(jī)構(gòu)基本參數(shù)的名稱、變量及初始值

圖2 自變量的名稱及類型

圖3 凸輪廓線數(shù)學(xué)表達(dá)式的輸入

1.1.2 凸輪廓線的創(chuàng)建

選擇【插入/模型基準(zhǔn)曲線】命令，選取【從方程】選項(xiàng)后，再單擊【完成】選項(xiàng)，選擇系統(tǒng)默認(rèn)坐標(biāo)系PRT-CSYS-DEF，選擇坐標(biāo)類型為圓柱坐標(biāo)（r,theat,z)，單擊【確定】則系統(tǒng)自動(dòng)彈出圖3所示記事本應(yīng)用程序，在其下面輸入推程段凸輪理論廓線的數(shù)學(xué)表達(dá)式，如式(1)，然后保存，退出記事本應(yīng)用程序，就完成了推程段凸輪廓線如圖4所示。

theta1=TCJ×t

r0=sqrt(JYBJ×JYBJ-PJ×PJ)

r1=r0+S1 (1)

theta=theta1+atan(PJ/r0)

r=sqrt(PJ×PJ+r1×r1)

z=0

圖4 推程段凸輪廓線

式（1）中的S1是推程的位移，若從動(dòng)件推程為正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律，則其推程運(yùn)動(dòng)方程為：S1=H×(t-sin(360×t)/2/pi)

改變式（1）中的theta1和S1（如遠(yuǎn)休止時(shí)theta1=TCJ+YXJ×t ，S1=H），其余不變，即可繪制凸輪其他三段（遠(yuǎn)休止、回程、近休止）的輪廓曲線，曲線繪制完成后凸輪的理論廓線如圖5所示。

圖5 凸輪的理論廓線

1.1.3 三維基礎(chǔ)模型的生成

單擊工具欄中的拉伸按鈕，按凸輪的厚度拉伸理論廓線，就完成了凸輪理論廓線的實(shí)體建模；掃描一個(gè)與凸輪理論廓線相距為滾子半徑的曲線，并向外拉伸，得到凸輪的實(shí)際輪廓曲面；點(diǎn)擊拉伸，點(diǎn)擊去除材料創(chuàng)建凸輪中心孔，完成與表1中的各初始值相對(duì)應(yīng)的三維凸輪基礎(chǔ)模型，如圖6所示。

圖6 凸輪的三維基礎(chǔ)模型

1.2 新三維模型的生成

改變參數(shù)即可生成對(duì)應(yīng)參數(shù)的凸輪三維模型。

如圖7所示，運(yùn)行VB程序，輸入各參數(shù)，點(diǎn)擊“確定參數(shù)”按鈕，即可把輸入的值通過(guò)AGW賦給Pro/E基礎(chǔ)模型中的各變量，實(shí)現(xiàn)VB和Pro/E的連接，VB源程序如下：

Public gateway1 As New GWayAX ；'在VB的通用中添加

Dim JYBJ,H,TCJ,YXJ,HCJ,JXJ,GZBJ,KJ,PJ,HD As Single

Private Sub Command1_Click() '單擊“確定參數(shù)”按鈕對(duì)應(yīng)的程序代碼

Dim newwindow As EnumBool

modelName =" "& App.Path & " gbcs.asm"

newwindow = YES

gateway1.ModelRetrieve (modelName)

fb = gateway1.SessionSetCurrentModel(modelN ame, newwindow)

JYBJ = gateway1.ParamSetValue("JYBJ",Form1.Text1.Text)

H = gateway1.ParamSetValue("H", Form1.Text2.Text)

TCJ = gateway1.ParamSetValue("TCJ", Form1.Text3.Text)

YXJ = gateway1.ParamSetValue("YXJ", Form1.Text4.Text)

HCJ = gateway1.ParamSetValue("HCJ", Form1.Text5.Text)

JXJ = gateway1.ParamSetValue("JXJ", Form1.Text6.Text)

GZBJ = gateway1.ParamSetValue("GZBJ",Form1.Text7.Text)

KJ = gateway1.ParamSetValue("KJ", Form1.Text8.Text)

PJ = gateway1.ParamSetValue("PJ", Form1.Text9.Text)

HD = gateway1.ParamSetValue("HD", Form1.Text10.Text)

gateway1.ModelRegenerate '模型再生

End Sub

改變輸入?yún)?shù)，立即生成凸輪的三維模型，生成的新凸輪如圖8所示。

圖8 與圖7中參數(shù)對(duì)應(yīng)的再生凸輪

2 凸輪機(jī)構(gòu)的三維參數(shù)化建模方法

凸輪機(jī)構(gòu)的參數(shù)化建模是將凸輪機(jī)構(gòu)中各零件分別建立三維參數(shù)化模型，并使其相關(guān)參數(shù)關(guān)聯(lián)起來(lái)，用參數(shù)化尺寸驅(qū)動(dòng)整個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)。除了上述凸輪外，再分別建立滾子直動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)的機(jī)架、推桿、滾子、聯(lián)接用銷釘?shù)娜S參數(shù)化模型，分別調(diào)入各零件模型，將它們裝配成凸輪機(jī)構(gòu)tulunjigou.asm。

設(shè)置tulunjigou.asm的各參數(shù)，在RELATION和END RELATION之間輸入如下語(yǔ)句：

EXECUTE PART GUNZI；

GZBJ = GZBJ

HD = HD

END EXECUTE

退出并保存，即完成了裝配圖中的參數(shù)與零件名稱為GUNZI的滾子半徑（GZBJ）和厚度(HD)的尺寸關(guān)聯(lián)，逐一添加凸輪機(jī)構(gòu)與機(jī)架、推桿、凸輪、銷釘?shù)母鞒叽鐓?shù)的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)的參數(shù)化，與圖7參數(shù)對(duì)應(yīng)的凸輪機(jī)構(gòu)如圖9所示。

3 凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真及運(yùn)動(dòng)分析

圖9 凸輪機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)仿真

圖10 一個(gè)周期內(nèi)位移、速度、加速度與時(shí)間的關(guān)系曲線

利用Pro/E應(yīng)用程序中的機(jī)構(gòu)模塊對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和分析，設(shè)置凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為50度/秒。分別點(diǎn)擊圖7的“動(dòng)態(tài)仿真”、“位移分析”、“速度分析”、“加速度分析”按鈕，得到動(dòng)態(tài)仿真過(guò)程，如圖9所示，運(yùn)轉(zhuǎn)一周（12秒）的位移、速度、加速度分析結(jié)果如圖10所示。圖中，從動(dòng)件推程作等加速等減速運(yùn)動(dòng)，回程作等速運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用AGW實(shí)現(xiàn)了Pro／E和VB的數(shù)據(jù)傳遞，相比于使用Pro/E中的program更改參數(shù)，可操作性更強(qiáng)，設(shè)計(jì)者不必熟悉Pro/E軟件即可完成凸輪的設(shè)計(jì)計(jì)算、三維實(shí)體建模、運(yùn)動(dòng)仿真及運(yùn)動(dòng)分析，大大地提高了設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。設(shè)計(jì)出的凸輪三維實(shí)體模型，可用于凸輪的設(shè)計(jì)、分析、數(shù)控加工等。本文的設(shè)計(jì)方法完全適應(yīng)于其他類型的凸輪及凸輪機(jī)構(gòu)。

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