盘形凸轮的四种设计方法

盘形凸轮的四种设计方法

深圳市百特兴科技有限公司 周杰平

摘要：详细介绍运用SolidWorks 绘制盘形凸轮的不同方法，包括插件法、解析法、折弯法及仿真法。

关键词：盘形凸轮，插件法，解析法，折弯法，仿真法，余弦加速度， SolidWorks，EXCEL。

凸轮/连杆机构以其快速、稳定的特点，在很多的场合尤其是传统的制程设备中得以运用。但其缺点也很明显：适应性较差，结构相对比较复杂，开发周期长，凸轮加工精确要求比较高等,非标设备大多由伺服马达/步进马达、丝杆/同步带、气缸/油缸等替代。近年来，由于对设备产能要求越来也高，传统的凸轮/连杆机构又受到用户青睐。以动力电池制造设备中塑封制程为例。进口设备核心机构采用凸轮/连杆机构，产能在140件/分钟以上，国产设备采用伺服/丝杆驱动，产能则在50件/分钟左右。更为重要的是前者用于制程的有效时间更长，确保了品质的可靠性。凸轮的设计将成为机构设计工程是不可缺少的技能。

本文以盘形凸轮为研究对象，分别介绍几种不同的设计方法。 一、 基本参数 1.1、 凸轮基本参数

项目 基圆直径 凸轮厚度 辊子直径 升程

代号 D W d h

参数值 150 15 25 50

表1

1.2、 从动杆运动规律

动作 推程 远休止角 回程 近休止角

运动角度数

(Φ) 120 30 90 120

起始角度位置

0 120 150 240

终止角度位置

120 150 240 360

结束半径 125 125 75 75

运动规律 余弦加速度

余弦加速度

表2

注：余弦加速度(简谐运动)方程： S=h*[1-cos(πφ/Φ)]/2

图1

二、SolidWorks 插件法

2.1、如图2，打开SolidWorks，新建零件，关闭草图。菜单栏Toolbox -> 凸轮 如菜单栏无

Toolbox，先加入插件。

图2 图3

2.2、设置。如图3

凸轮类型为圆形，推杆类型为平移，如果是偏心的，可作相应的选择；开始半径为基圆半径，开始角度根据填写；旋转方向为顺时针 2.3、 运动 如图4

图4

运动部分，根据，进行设置，运动的类型为谐波； 2.4、 生成 如图

5

图5

生成部分：坯件的外径要满足：>(D+d)/2；近毂和远榖分别为凸轮两侧的圆柱状台阶，要大于孔的直径，厚度自行定义，但需要大于圆角半径和倒角大小；本例子缺省。 结果如图6

图6

至此，采用SolidWorks 自带插件的方法设计完成了满足表1、表2要求的凸轮。将文件保存为凸轮（插件）1。 三、解析法

3.1、数学模型建立。

3.1.1、辊子中心运动轨迹

图7

X1=S * COS(θ) Y1=S * SIN(θ)

S=D/2+h* (1- COS(θ))/2（升程） ；Z1=D/2 +h-h * (1- COS(θ))/2（回程）

；

θ=πφ/Φ ---角度转换

其中：D - 凸轮基圆直径；S – 向径；h - 为升程；φ - 为凸轮转动的角度（弧度值）

3.2、EXCEL自动计算

3.2.1、打开EXCEL，依次将相关参数及公式输入到表中。

3.2.2、采用下拉复制，相关参数即可自动计算并显示在表中。如图

8。

图8（部分截图）

3.2.3、 按图9整理，加入Z值。（便于SolidWorks导入）

X1 Y1 Z1

75

74.99714 74.98855 74.97418 74.95392 74.92767 74.89525 74.85647 74.8111 74.75887 0

1.30908 2.618658 3.92923 5.241289 6.555321 7.871808 9.191219 10.51401 11.84064 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

图9（部分截图）

3.2.4、复制图9中参数黏贴到TXT文件中，保存为jx1.txt。

θ=πφ/Φ ---角度转换

其中：D - 凸轮基圆直径；S – 向径；h - 为升程；φ - 为凸轮转动的角度（弧度值）

3.2、EXCEL自动计算

3.2.1、打开EXCEL，依次将相关参数及公式输入到表中。

3.2.2、采用下拉复制，相关参数即可自动计算并显示在表中。如图

8。

图8（部分截图）

3.2.3、 按图9整理，加入Z值。（便于SolidWorks导入） X1 Y1 Z1

75

74.99714

74.98855

74.97418

74.95392

74.92767

74.89525

74.85647

74.8111

74.75887 0 1.30908 2.618658 3.92923 5.241289 6.555321 7.871808 9.191219 10.51401 11.84064 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

图9（部分截图）

3.2.4、复制图9中参数黏贴到TXT文件中，保存为jx1.txt。

3.3、在SolidWorks中绘制凸轮

3.3.1、打开SolidWorks零件绘制环境，关闭草图

3.3.2、插入曲线，如图

10

图10 图11

3.3.3、按图11点击浏览，找到参数文件jx1.txt存放位置。

注意:文件类型要切换到 *.txt文件类型.

插入后的结果如图

12。

图12 图12

3.3.4、利用等距实体命令绘制凸轮轮廓草图，如图13。

偏移距离为辊子半径.

3.3.5、草图拉伸 15，如图18。绘制中心孔，如图19.

图18 图19

四、折弯法

4. 1、数学模型建立

图20 （图中凸轮曲线可为任意，便于分析即可）

展开前的凸轮轮廓线曲线

X1=S * COS(θ)

Y1=S * SIN(θ)

S=D/2+h* (1- COS(θ))/2（升程） ；S =D/2 +h–h * (1- COS(θ))/2（回程）； θ=πφ/Φ –角度转换

其中：D - 凸轮基圆直径；S – 向径；h - 为升程；φ - 为凸轮转动的角度（弧度值）

展开后，展开长度与向径之间的关系

以直径D’=100为展开圆

S’=S- D’/2= S-50 --D’为展开圆直径

S=D/2+h*(1-COS(θ))/2 （细节需作补偿？）

4. 2、EXCEL自动计算

4.2.1、打开EXCEL，依次将相关参数及公式输入到表中。

4.2.2、采用下拉复制，相关参数即可自动计算并显示在表中。图21

为计算表部分截图。

图21

按图9整理，加入Z值。（便于SolidWorks导入）

4.2.4、复制图9中参数黏贴到TXT文件中，保存为jx1.txt。

4.3、在SolidWorks中绘制凸轮

4.3.1、打开SolidWorks零件绘制环境，关闭草图

4.3.2、插入曲线(参考

3.3.2)

图

22

4.3. 3、绘制凸轮展开后草图、利用等距实体命令绘制凸轮轮廓线及其它边界线。如图

图23

4.3.4、拉伸，厚度15，插入坐标原点如图24，注意坐标轴方向（弯曲时绕X轴），如图

26

图24 图25

4.3.5、插入弯曲特征。选取实体-点选折弯--折弯角度为360度--选取坐标系（上一步建立）如图26，勾选确定，得到特征，如图27

图26 图27

4.3.5、完善设计如图

28。保存文件名为凸轮(弯曲)

图28

五、仿真法 5.1、凸轮设计的模型准备

使用SOLIDWORKS完成如图29所示装配体的建模，并添加恰当的配合。(建模过程省略)

图29 图30 5.2、从动件运动数据点的准备

建立从动件位移与时间的关系。

设定凸轮转动一周的时间为3秒。则

时间与转动角度的关系：t=φ*3/（2π） ； --φ为凸轮转动角度

S= -h* (1- COS(θ))/2（升程） ；S = -h+h * (1- COS(θ))/2（回程）；

θ=πφ/Φ –角度转换

其中： S --从动件位移；h --为升程；φ-- 为凸轮转动的角度（相对角度）

注：1)、从动件位移以基圆为起始点；

2)、离开凸轮中心为负，反之为正。（与后续仿真设计设置有关）

5.3、EXCEL自动计算

5.3.1、打开EXCEL，依次将相关参数及公式输入到表中。

5.3.2、采用下拉复制，相关参数即可自动计算并显示在表中。图31为计算表部分截图。

图31

5.3.2、选取表格t、S ,插入图表如图32，可得到图

33，从动件位移与时间的关系。

图

32

图33

5.3.2、选取表格t、S，复制黏贴（选择性黏贴-值）到新开启的EXCEL表中，另存为CSV格式，文件名fz1。

5.4、运动分析边界条件设定

5.4.1、启动SOLIDWORKS Motion插件

如图34开启新的运动算例，并将分析模式切换到Motion分析。

在视项和相机视图中右键并单击禁用观阅键码播放。（在此之前视图摆放到合适的位置，从动件的顶点设置为与圆盘表面接触装配关系，在仿真运动之前解除装配关系）

图34

5.4.2、我们已知从动件的运动需要符合数据点的规律。为了能满足此要求，我们需要设置一个线性马达来驱动从动件。

如图35马达的位置选择从动件的顶面，方向向下，运动的模式切换到数据点模式以打开函数编制程序对话框。

在此对话框中设置值为位移，自变量为时间，插值类型选择Akima样条曲线。如图36，点击输入数据，找到文件名fz1并打开。在函数编制对话框中确定，在马达编辑中确定。

图35 图36

5.4.3、前面我们设定凸轮转动一周的时间是3秒，为了保持同步。拖动时间栏的关键帧到3秒，将仿真的周期设置为3秒，如图37。

图37

5.4.4、给凸轮添加旋转马达，使凸轮在从动件的一个运动周期中旋转一圈。如图38，旋转马达的位置选择传动轴的边线。运动类型设置为等速，每分钟20圈（注：3秒一圈），确定。

5.3.4、添加重力，如图39，方向沿Y轴负方向。

图38 图39

5.4.5、添加接触，如图40，选择凸轮和从动杆。

图40 图41

5.4.6、设置运动算例属性

为了使获取的凸轮的轮廓精度更高，每秒帧数设置为100，并选择精确接触，如图41。

5.4.7、如图42，单击计算，运行运动仿真。

此时可以看到预期的运动，凸轮转动一圈，从动件同时完成一个周期的运动。

图42

5.4.8、获取凸轮轮廓

为了获取凸轮的轮廓，我们只需找到从动件上与凸轮接触的一点相对于凸轮的跟踪路径。此跟踪路径即为凸轮的轮廓。

如图42和43，44所示，单击结果和图解，选择位移/速度/加速度——>跟踪路径。在要测量的实体中选择从动件的顶点及凸轮的圆柱面。确定之后即获得一个跟踪路径，此路径即为凸轮的轮廓。

图42

图43 图44

5.4.9、将跟踪路径转化为曲线输入到凸轮中。

5.4.10、将其转化为曲线并输入到凸轮中，如图45。

5.4.11、在结果图解1上右键——>从跟踪路径生成曲线——>在参考零件中从路径生成曲线。

图45

5.4.12、打开凸轮，在设计树中将有一个曲线，在前视基准面上绘制草图，并用转换实体引用命令，将此曲线引用，接着对草图进行拉伸。如图46

图46 图47

5.4.13、将零件图另存为文件名为凸轮FZ1。

六、仿真验证分析

以仿真法绘制凸轮为例轮廓是否正确。

6.1、打开文件FZ1，在当前的仿真中，从动件是依靠线性马达驱动的。在实际凸轮机构中应当是依靠凸轮的轮廓保证从动件的运动。因此在验证的时候我们需要将加在从动件上的线性马达去掉，并在从动件和凸轮之间添加接触。

6.2、将时间调整到0秒的位置，压缩线性马达，如图48。在从动件和凸轮之间添加接触。如图49。

图48

图49

6.3、查看从动件在Y方向上的线性位移

如图50，点击图解，选择位移/速度/加速度——>线性位移——>Y分量。选择从动件的一个面，确定。其在Y方向的线性位移如图51.

图50 图51

对比图33与图50，可以看出，从动件是符合所设定的运动规律的。

七、几种设计方法的比较

7.1、插件法是运用SolidWorks自带的插件，优点是按照操作提示逐步操作，填写完对话框的参数生成即可。缺点是其绘制过程太过“自动化”，无法深入理解凸轮的真正的绘制过程，精度没法设定。

7.2、解析法通过建立数学模型，建立凸轮转角与凸轮轮廓线上点的位置关系。运用EXCEL公式自动计算，在SolidWorks中绘制出凸轮轮廓线，最后绘制出完整的凸轮。过程相对比较复杂，对工程师要求相对较高。但设计过程“可控”,设计精度可根据需要进行调整。设计3D模型可直接用于加工。

7.3、折弯法则是利用SolidWorks的弯曲命令，先建立圆周长度与表面（或从动件行程）之间的数学模型，利用EXCEL公式自动计算，在SolidWorks中绘制出凸轮的展开特征，再利用弯曲命令得到最终的凸轮。重点是数学模型建立及弯曲命令的相关设置。设计精度可根据需要进行调整。

7.4、仿真法是利用SolidWorks自带的仿真分析插件，在装配图中，运用路径跟踪来得到凸轮的轮廓线，再绘制出凸轮。其重点是首先建立时间与冲动件运动之间的关系，按照步骤设置参数。其显著优点是很直观，而且可以很方便进行仿真分析进行比较。

八、结束语

综合运用SolidWorks的各种方法绘制凸轮，充分了解凸轮的结构特点，数学模型的建立过程，Excel在设计中的运用。这些方法可运用到其它很多的机构设计中，对提升设计效率，提升设计水平有极大的帮助作用。