一、背景概述

凸輪機構最大的有點就是：只要適當的設計出凸輪的輪廓曲線，就可以使推杆得到各種預期的運動規律，而且機構簡單緊湊。基於凸輪的上述有點，凸輪機構被廣泛的應用。然而使用傳統的方法計算凸輪的輪廓費時費力。那麼如何快速並且精確的得到凸輪的輪廓呢？我們可以借助SOLIDWORKS Motion來幫助我們快速完成凸輪的設計。

SOLIDWORKS Motion是一個虛擬原型機仿真工具，借助在工業動態仿真分析軟件領域占主導地位達25年之久的ADAMS的強力支持，SOLIDWORKS Motion能夠幫助設計人員在設計前期判斷設計是否能達到預期目標

本文以SOLIDWORKS2015作為平台，使用SOLIDWORKS Motion完成凸輪的設計。

二、凸輪設計

1.凸輪設計的模型准備

使用SOLIDWORKS完成如下圖所示裝配體的建模，並添加恰當的配合。(建模過程省略)

圖1

2.從動件運動數據點的准備

新建一個excel，並按下圖填入數據。並將其另存為CSV格式。

圖2

3.運動條件分析

該機構中凸輪為其核心零件，但是現在它的設計還沒有完成。現在已知從動件需要按照圖2所示的數據點進行運動，循環時間為3秒。將數據點用圖表表示如下圖3所示。

圖3

4.運動分析邊界條件設定

a.啟動SOLIDWORKS Motion插件

如圖4通過選項——>插件——>勾選SOLIDWORKS Motion或者工具——>插件——>勾選SOLIDWORKS  Motion啟動運動仿真分析

如圖5切換到Motion study視圖，並將分析模式切換到Motion分析。

在視項和相機視圖中右鍵並單擊禁用觀閱鍵碼播放。

圖4

b.我們已知從動件的運動需要符合數據點的規律。為了能滿足此要求，我們需要設置一個線性馬達來驅動從動件。如圖6馬達的位置選擇從動件的頂面，方向向下，運動的模式切換到數據點模式以打開函數編制程序對話框。在此對話框中設置值為位移，自變量為時間，插值類型選擇Akima樣條曲線。接著點擊輸入數據，找到我們在第3步創建的EXCEL表格並打開。在函數編制對話框中確定，在馬達編輯中確定。

 
圖5

 
圖6

c.由於從動件的運動周期是3秒，為了保持同步。拖動時間欄的關鍵幀到3秒，將仿真的周期設置為3秒，如圖7。

 
圖7

d.給凸輪添加旋轉馬達，使凸輪在從動件的一個運動周期中旋轉一圈。如圖8，旋轉馬達的位置選擇傳動軸的邊線。運動類型設置為等速，每分鐘20圈，確定。

 
圖8

e.添加重力，如圖9，方向沿Y軸負方向。

   
圖9   圖10

f.設置運動算例屬性

為了使獲取的凸輪的輪廓精度更高，我們需要提高每秒幀數到100，並選擇精確接觸。如圖10。

g.如圖11，單擊計算，運行運動仿真。

此時我們會看到預期的運動，凸輪轉動一圈，從動件同時完成一個周期的運動。

 
圖11

5.獲取凸輪輪廓

為了獲取凸輪的輪廓，我們只需找到從動件上與凸輪接觸的一點相對於凸輪的跟蹤路徑。此跟蹤路徑即為凸輪的輪廓。

如圖12和13，14所示，單擊結果和圖解，選擇位移/速度/加速度——>跟蹤路徑。在要測量的實體中選擇從動件的頂點及凸輪的圓柱面。確定之後即獲得一個跟蹤路徑，此路徑即為凸輪的輪廓。

 
圖12

      
圖13     圖14

6.將跟蹤路徑轉化為曲線輸入到凸輪中。

我們現在已經生成了從動件頂點相對於凸輪的跟蹤路徑，並且也知道這個跟蹤路徑即為凸輪的輪廓。為了在凸輪中使用這個跟蹤路徑，我們需要將其轉化為曲線並輸入到凸輪中。如圖15，在結果圖解1上右鍵——>從跟蹤路徑生成曲線——>在參考零件中從路徑生成曲線。

 
圖15

打開凸輪，在設計樹中將有一個曲線，在前視基准面上繪制草圖，並用轉換實體引用命令，將此曲線引用，接著對草圖進行拉伸。如圖16

 
圖16

切換到裝配體中，重建模型。這是凸輪的設計已經完成了。接下來需要驗證凸輪的輪廓是否正確。

7.驗證凸輪機構

凸輪的輪廓已經設計完成，接下來我們要驗證其是否正確。在當前的仿真中，從動件是依靠線性馬達驅動的。在實際凸輪機構中應當是依靠凸輪的輪廓保證從動件的運動。因此在驗證的時候我們需要將加在從動件上的線性馬達去掉，並在從動件和凸輪之間添加接觸。

將時間調整到0秒的位置，壓縮線性馬達，如圖17。在從動件和凸輪之間添加接觸。如圖18。

    
圖17 圖18

再次運行計算。我們發現從動件基本按照預期進行運動，但是在如圖19的地方發生了跳躍，這是因為從動件只有在重力的作用下保證和凸輪的接觸。在實際凸輪機構中，從動件上會受到向下的壓力，因此我們可以忽略這一點。

 
圖19

三、查看從動件在Y方向上的線性位移

如圖20，點擊圖解，選擇位移/速度/加速度——>線性位移——>Y分量。選擇從動件的一個面，確定。其在Y方向的線性位移如圖21.

  
圖20    圖21

對比圖3與圖21，我們不難看出，從動件是符合我們所規定的運動規律的。說明凸輪輪廓的設計是合乎設計要求的。

四、結束語

本文利用SOLIDWORKS Motion運動仿真功能來完成凸輪機構的運動仿真，從而快速直觀的獲得凸輪輪廓。可以大大的降低研發成本，得到很好的使用效果。