基于虚拟样机技术的凸轮机构设计与仿真研究

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凸轮机构是机械中-种常用的机构 ，它结构简单紧凑，工作可靠，设计方便，在现代机械中得到越来越广泛的应用，只需适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各种预期的规律运动，同时它兼有传动、导向及控制机构的各种功能等优点，而且响应快速，机构简单紧凑.传统的凸轮设计方法主要是采用作图法和解析法.作图法虽然直观、简便，但是手工作图选取的等分数有限，误差较大，不能用于高速和重要的诚.解析法虽然解决了凸轮设计的精度问题，但若想要得到凸轮实际完整的轮廓曲线，需要建立复杂的数学关系式，编制复杂的程序，编程和计算工作量大1.为此，提出-种在虚拟样机环境下，利用ADAMS/VIEW软件的建模工具和强大的运动学、动力学分析功能，设计凸轮机构的新方法，为凸轮机构更广泛地应用创造了条件。

1 虚拟样机技术介绍虚拟样机技术是国际上2O世纪8O年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的-项计算机辅助工程(CAE)技术2.工程师在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析和测试，找出和发现潜在的问题，然后改进样机设计方案，再用数字化样机代替传统的物理样机进行实验，直至获得最优设计方案后，做出物理样机.这样，使用虚拟样机代替物理样机进行产品设计，可以对设计阶段的产品进行虚拟性能测试，达到提高设计性能、降低设计成本、减少产品开发周期，获得最优化和创新的设计产品.应用虚拟样机技术，可以缩短产品开发周期的40%～70%，有时只要投入传统方式10%的费用，就可以达到传统设计90%的目标，这样不仅节省时间和金钱，还可以大幅度地提高设计质量[31。

ADAMS软件是由美国MSC公司开发研制的集建模、求解、可视化技术于-体的虚拟样机软件.以计算机多体系统动力学(Computational Dynamics of Muhibody Systems)为基础，包含多个专业拈和专业领域的虚拟样机开发系统软件，利用它可以建立起复杂机械系统的运动学和动力学模型.如果在产品的概念设计阶段就采用ADAMS进行辅助分析，可以在建造真实的物理样机之前，对产品进行各种性能涣0试，达到缩短开发周期、降低开发成本的目的。

2 凸轮机构设计实例分析已知尖端偏置移动从动件盘形凸轮机构基圆半径ro100mm，偏距e20mm，凸轮沿逆时针方向以匀收稿 日期：2012-1I-05通讯作者：王彦军(1977-)，男，讲师.E-mail：wyj2004716###163.corn· 70· 宁德师范学院学报(自然科学版) 2013年 2月角速度w30。/s转动，从动件行程h100mm，从动件的位移运动规律如图l所示.由图1可知，从动件推程、回程分别采用等速和余弦加速度运动规律.根据机械原理知识，凸轮机构各阶段运动规律如下：(1)从动件推程运动方程-s知u ：皂∞ (0。 6 180。) (1)OtaO图 1 从动件运动规律式中：s为从动件位移； 为速度；曲 加速度；09为角速度；6为转角； 为推程运动角。

(2)从动件回程运动方程Js h× 1cos[蒉( 80)- ×sin[云 l8 0)] (180 o。)-等×co o)]式中： 为回程运动角。

3 凸轮机构虚拟样机模型分析3.1 凸轮轮廓曲线的建立凸轮轮廓曲线的创建采用反转法”，在从动件的运动规律和确定凸轮机构基本尺寸(基圆半径和偏距)的前提下，采用反转法原理设计凸轮轮廓曲线.在ADAMS/View中，根据已知凸轮数据，创建凸轮基圆和尖端偏置移动从动件，分别给建立好的凸轮基圆和从动件添加-个转动副和移动副，然后给转动副和移动副分别施加旋转驱动和移动驱动，根据已知的从动件运动规律，修改移动驱动为函数，表达式为：IF(time-6：100/180 30 time，1001180 30 time，50 (1cos((pill80)(30time-180))))。

选择ADAMS/View中的仿真按钮，让从动件运行-个周期，同时让凸轮基圆也运行-个周期，然后，使用creat stract spline"命令，选择从动件与凸轮的交点，然后选凸轮基圆，就可以得到所要的凸轮轮廓曲线，如图2所示然后删除凸轮基圆，在Main Toolbox中选择Extrusion工具按钮通过拉伸建立凸轮几何体。

3.2 系统约束条件的施加凸轮机构在工作过程中，尖顶从动件与凸轮之间的接触始终为点线接触，在尖顶从动件和凸轮之间创建凸轮副，在凸轮上添加-个旋转副，尖顶从动件添加移动副就可以得到需要的运动。

凸轮机构要正常工作，还需-个驱动力，使凸轮产生旋转运动.这样才能使尖顶从动件按设计要求作往复直线运动，在ADAMS/View驱动库中选择旋转驱动(Rotational Joint Motion)命令 ，对凸轮创建旋转驱动，并输入相应参数，Speed值为30(30表示旋转驱动逆时钟旋转30。/s)，如图3所示.为创建完成后的凸轮机构的虚拟样机模型。

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图 2 凸轮的轮廓曲线图 3 凸轮机构虚拟样机模型第 1期 王彦军等：基于虚拟样机技术的凸轮机构设计与仿真研究 ·71·3.3 仿真分析凸轮机构的虚拟样机模型建立后 ，进行仿真，分别输出尖顶从动件顶端相对凸轮转动中心(坐标原点)的位移、速度和加速度特性，如图4、图5、图6所示。

从图中可以看出，从动件在凸轮的带动下，完全按照设计要求的运动规律在运动.从仿真结果可以看出，该设计与凸轮的实际工作情况相符的，满足实际要求.另外，还可以利用ADAMS的处理模块得到更多的运动特性曲线 ，通过对凸轮机构仿真结果的分析，可以对其运动规律和几何参数进行修改和优化，直到得到满意的结果。

4 结论应用ADAMS软件建立了凸轮机构的虚拟样机模型，为凸轮机构的设计和改进提供理论依据，充分显示出虚拟样机技术在凸轮机构设计领域的强大优势和巨大潜力.在无实际的物理样机的条件下，虚拟样机仿真可提供大量的运动学和动力学参数结果.这些结果可用于分析凸轮机构的运动特性，也为今后做进-步的分析和预测奠定基础.在凸轮机构的开发中，虚拟样机技术不但能提高设计质量，缩短开发周期 ，还可以降低开发成本。

；.0 10.0 15.0 20.O 25.0t/s图 4 从动件质心的位移曲线) 1O.0 15.0 2O.0 25.0t/s图 5 从动件质心的速度曲线.O 10.0 15.0 20.0 25.0ds图 6 从动件质心的加速度曲线