張自強， 王 麗， 王國君， 王立靖

（1.長春工業(yè)大學工程訓練中心，吉林長春 130012；2.吉林省石油集團有限責任公司供電公司，吉林松原 138000）

0 引 言

隨著機械設計與制造技術的不斷發(fā)展，凸輪機構作為控制機構在機械中有著重要的應用。另一方面，隨著計算機的發(fā)展，凸輪機構的計算機輔助設計和制造已被熟練地應用，不僅提高了設計速度和加工質(zhì)量，也為凸輪機構的進一步應用創(chuàng)造了條件。

文中基于SolidWorks2010三維設計軟件平臺，考慮產(chǎn)品總體設計需要，研究平面凸輪機構二次開發(fā)技術。以Visual Basic 6.0為開發(fā)工具設計操作界面，通過調(diào)用SolidWorks API接口［1］函數(shù)完成機構各組成元件的參數(shù)化設計。該系統(tǒng)開發(fā)的平面凸輪機構CAD系統(tǒng)［2］可以直接對三維設計軟件SolidWorks2010進行智能驅(qū)動，進而實現(xiàn)平面凸輪機構三維模型的整體設計。

該平面凸輪機構操作系統(tǒng)可以實現(xiàn)多種從動件類型及從動件不同運動規(guī)律的組合，例如：尖端從動件的直動和擺動、滾子從動件的直動和擺動等。根據(jù)相應參數(shù)進行計算，最終自動生成凸輪三維模型、凸輪運動曲線、凸輪輪廓曲線并顯示運動仿真結果。

1 平面凸輪機構設計思路及方法

1.1 平面凸輪機構的組成

凸輪機構是由凸輪、從動件和機架3部分組成，其結構形式主要取決于凸輪和從動件。凸輪機構可以將主動件凸輪的等速連續(xù)轉(zhuǎn)動變換為從動件的往復直線運動或繞某定點的擺動，并依靠凸輪輪廓曲線準確實現(xiàn)所要求的運動規(guī)律。

1.2 平面凸輪機構各參數(shù)

一對心直動尖頂推桿盤形凸輪機構如圖1所示。

圖中，以凸輪回轉(zhuǎn)中心為圓心，以最小半徑為半徑所作的圓稱為凸輪的基圓。凸輪的輪廓由AB，BC，CD及DA四段曲線組成。凸輪在運動過程中，經(jīng)過推程、遠休止、回程、近休止4個過程。與之相對應的凸輪轉(zhuǎn)角分別稱為推程運動角、遠休止角、回程運動角及近休止角。在運動過程中，推桿移動的距離h為推桿的行程。各參數(shù)符號見表1。

表1 凸輪各參數(shù)符號

2 系統(tǒng)方案設計

平面凸輪機構CAD系統(tǒng)主要是以平面凸輪機構的設計原理為基礎，以三維設計軟件Solid-Works2010作為整體系統(tǒng)的開發(fā)平臺，以Visual Basic［3］作為開發(fā)工具，將三者合為一體，實現(xiàn)平面凸輪機構的整體設計。

2.1 機構參數(shù)化設計

機構參數(shù)化設計［4］是基于機構各組成零件參數(shù)化設計，通過添加相應約束進行自動裝配。機構參數(shù)化設計主要分為以下3種方法：1）基于幾何約束的數(shù)學方法；2）基于幾何原理的人工智能方法；3）基于特征模型的造型方法。通常，凸輪機構參數(shù)化設計需要提供凸輪具體參數(shù)，根據(jù)用戶的需求設計參數(shù)，采用VB編程建立專用的凸輪設計計算模塊。對零件參數(shù)化設計的方式采用設計變量與計算參數(shù)相結合的方式，即以Solid－Works2010環(huán)境中建立的典型三維結構模型為基礎，用設計變量作為VB程序與三維模型的聯(lián)系紐帶。綜上所述，建立平面凸輪機構總體方案如圖2所示。

圖2 總體方案結構

2.2 系統(tǒng)界面設計

平面凸輪機構CAD系統(tǒng)界面設計［5］力求簡潔美觀、操作方便。按照該系統(tǒng)要求將其界面劃分為3個區(qū)域，其操作界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)界面

凸輪標準模型顯示區(qū)域：該模塊為VB編輯平臺上圖片顯示框，根據(jù)平面凸輪的從動件類型和凸輪的運動來確定凸輪系統(tǒng)的基本結構，并在該模塊中顯示相應的模型圖片。

凸輪機構基本參數(shù)輸入?yún)^(qū)域：該區(qū)域包含4個部分，分別為運動形式選擇部分、凸輪參數(shù)輸入部分、運行參數(shù)輸入部分、參數(shù)輸入校核部分。該模塊在系統(tǒng)操作界面上添加了下拉菜單按鈕、文本框、標簽等操作，來實現(xiàn)凸輪基本參數(shù)的選擇及輸入。

凸輪機構結果顯示區(qū)域：該模塊采用多頁選擇框的形式來對運算結果進行預覽，共計有5個分頁，分別為結構模型、運動曲線、輪廓曲線、3D模型和模擬仿真動畫。

2.3 SolidWorks API接口設計

SolidWorks的API應用程序接口［6］是一個基于ActiveX Automation的編程接口，其中包含數(shù)百個可從VB，VBA，C，C＋＋或SolidWorks宏文件調(diào)用的函數(shù)。為了提高SolidWorks的使用效率和滿足某些特殊功能，文中主要介紹采用支持ActiveX技術的編程語言VB對SolidWorks進行二次開發(fā)的基本原理和方法。

SolidWorks支持ActiveX Automation技術，在VB環(huán)境下建立的客戶程序可直接訪問Solid－Works中的對象。

VB和SolidWorks的接口程序如下：

3 凸輪模型的構建及仿真

3.1 凸輪基本參數(shù)輸入

應用平面凸輪機構CAD系統(tǒng)［7］建立凸輪的實際模型，根據(jù)凸輪機構的反轉(zhuǎn)法原理設定參數(shù)，在系統(tǒng)操作界面上對凸輪機構的基本參數(shù)進行設定，并將每個參數(shù)值賦給程序中設定好的參數(shù)變量。凸輪機構基本參數(shù)見表2。

表2 凸輪機構的基本參數(shù)

平面凸輪機構涉及到數(shù)據(jù)處理問題，必須根據(jù)傳統(tǒng)凸輪的計算方法、運算過程等，將所有的數(shù)據(jù)編寫成VB語言程序。這些數(shù)據(jù)包括設計數(shù)據(jù)、表格、線圖以及標準范圍等。其中設計數(shù)據(jù)通常是指設計時給定的已知條件和工作參數(shù)。表格、線圖及標準規(guī)范指在進行工程設計計算時需要檢索的有關圖表和數(shù)據(jù)，應將它們以恰當?shù)姆绞酱嫒胗嬎銠C。完成參數(shù)的輸入后，根據(jù)設定好的參數(shù)便可實現(xiàn)凸輪模型的構建。

3.2 凸輪從動件運動曲線繪制

在VB中繪制凸輪從動件運動曲線［8］，利用VB語言中自帶的繪圖功能在VB界面下進行繪制，將凸輪運動曲線的傳統(tǒng)算法用VB語言表達出來。凸輪運動曲線分為位移運動曲線、速度運動曲線、加速度運動曲線。在VB中采用描點法繪制，假設凸輪每轉(zhuǎn)一度視為一點，代入以轉(zhuǎn)角為自變量、位移為輸出變量的公式，記錄這一點的數(shù)值，則凸輪旋轉(zhuǎn)一周后輸出一個含有360個點數(shù)值的數(shù)組，應用VB自帶的繪圖工具并根據(jù)這個數(shù)組進行曲線的繪制。X軸表示轉(zhuǎn)過的角度，Y軸表示位移，進行描點繪制曲線，如圖4所示。

3.3 凸輪輪廓曲線繪制

凸輪輪廓曲線是應用VB繪圖功能在VB界面繪制出凸輪的輪廓線。以滾子直動從動件凸輪機構為例，根據(jù)從動件運動規(guī)律計算的凸輪輪廓曲線公式為：

式中：e——偏距；

δ——凸輪轉(zhuǎn)過角度；

由式（1）得出，一組關于X，Y坐標的數(shù)組，根據(jù)該數(shù)組，通過曲線擬合繪制凸輪的輪廓曲線，如圖5所示。

圖4 凸輪運動曲線圖

圖5 輪廓曲線圖

3.4 三維模型建立

平面凸輪機構三維模型的建立是應用Solid-Works API接口將VB程序數(shù)據(jù)傳輸給Solid－Works三維設計軟件中，通過尺寸驅(qū)動的方式來實現(xiàn)三維模型［9］建立。主要有以下6個步驟：

1）建立VB和SolidWorks通信接口，統(tǒng)一設置程序和模型的結構尺寸變量；

2）平面凸輪三維模型建立，應用SolidWorks三維軟件中宏設計功能將凸輪輪廓上對應點的坐標導入SolidWorks中，再生成凸輪模型；

3）在SolidWorks中建立凸輪從動件、鉸鏈、固定件的模型；

4）對模型的結構尺寸標注進行變量命名；

5）傳遞相關參數(shù)到SolidWorks中重建凸輪從動件模型；

6）應用edrawings在VB中進行模型預覽。

幾何造型必須滿足模型尺寸完全約束的要求，保證通過參數(shù)驅(qū)動模型重建時的準確性。初始幾何模型的建立需按照一定的規(guī)則進行處理，以符合參數(shù)化設計的要求。另外，在造型過程中，SolidWorks系統(tǒng)為標注的尺寸設置了默認的尺寸名稱，并且對于不同的特征尺寸可以重復，但特征名稱不同。

尺寸的主要值分為兩部分，一部分為該尺寸線的名稱，另一部分為尺寸的數(shù)值。尺寸驅(qū)動是將設計人員輸入的參數(shù)和計算出的參數(shù)賦給對應的尺寸，進而更新模型中的尺寸，如圖6所示。

圖6 滾子擺動擺桿

3.5 模型預覽

模型的預覽應用SolidWorks的第三方插件——edrawings［10］，并將edrawings的部分功能集成到VB界面上。通過edrawings在VB界面即可實現(xiàn)三維模型的預覽功能，并且可以使模型平移、局部、縮放、翻轉(zhuǎn)、全屏和復位等。在VB中引用edrawings類型庫后會在工具箱中出現(xiàn)一個edrawings的圖標，如圖7所示。

圖7 edrawings在工具欄里出現(xiàn)圖標

edrawings插入VB界面，如圖8所示。

圖8 VB操作界面

3.6 凸輪機構的仿真模擬

凸輪機構的仿真模擬包括其外形仿真、操作仿真、運動仿真［11］。文中利用VB技術，對Solid－Works進行二次開發(fā)，生成動態(tài)鏈接庫，在運行SolidWorks時加載動態(tài)鏈接庫，以上的裝配、運動等操作就會出現(xiàn)在SolidWorks菜單上。使用系統(tǒng)界面作為操控平臺，生成并保存三維凸輪模型，調(diào)試系統(tǒng)的應用程序并運行。

在系統(tǒng)中，給凸輪結構加上一定的約束條件，再給凸輪加上動力如電機，使其旋轉(zhuǎn)，模擬出凸輪機構真實的運動情況。仿真模擬［12］操作界面如圖9所示。

圖9 尖端直動凸輪仿真模擬操作界面

4 結 語

凸輪機構的輪廓曲線較為復雜，設計與加工均比較困難。文中基于SolidWorks軟件系統(tǒng)對平面凸輪機構進行參數(shù)化設計，并以Visual Basic 6.0為開發(fā)工具設計操作界面，其功能豐富，操作簡單，界面清晰簡潔，實現(xiàn)了人機對話、凸輪機構設計自動化、三維建模自動化，節(jié)省了在傳統(tǒng)凸輪設計中手工計算所需時間，其提供的精準輪廓曲線數(shù)據(jù)保證了設計質(zhì)量，對提高凸輪設計的效率具有重要意義。

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