吳 斌,鐘曉勤,侯懷書

(上海應(yīng)用技術(shù)學院 機械工程學院，上海 200235)

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基于Inventor運動仿真創(chuàng)建凸輪輪廓的方法

吳 斌,鐘曉勤,侯懷書

(上海應(yīng)用技術(shù)學院 機械工程學院，上海 200235)

以Inventor草圖為骨架裝配機構(gòu)，根據(jù)預(yù)定的從動件運動規(guī)律在Inventor運動仿真環(huán)境下創(chuàng)建出凸輪輪廓，并通過實例驗證了創(chuàng)建的凸輪機構(gòu)符合設(shè)計要求.該方法創(chuàng)建過程便捷、設(shè)計結(jié)果正確、創(chuàng)建方法適用性廣，為凸輪輪廓的設(shè)計提供了一種簡便可行的方法.

運動仿真；運動規(guī)律；凸輪輪廓

0 引 言

凸輪機構(gòu)在機械和半自動機械中應(yīng)用廣泛，通常凸輪作等速運動，驅(qū)動從動件按設(shè)定的運動規(guī)律作直線運動或擺動.在設(shè)計凸輪機構(gòu)時，一般都事先設(shè)定從動件的運動規(guī)律，再按從動件的運動規(guī)律設(shè)計出凸輪的輪廓.獲取凸輪輪廓的方法有圖解法和解析法兩種，兩種方法的基本原理一樣，都是采用反轉(zhuǎn)法原理.其中圖解法作圖過程繁瑣，且更換條件后需要重新作圖，優(yōu)點是作圖結(jié)果直觀形象；解析法需要建模編程，一次編程后可以在不同條件下使用.兩種方法共同的不足是不能對所獲得的凸輪輪廓進行驗算[1].

采用基于Inventor運動仿真創(chuàng)建凸輪輪廓相對來說也非常方便，且無需編程，利用Inventor尺寸驅(qū)動的功能可使創(chuàng)建的凸輪輪廓適應(yīng)不同的工作條件，最有利的一點是，可以對獲得的凸輪機構(gòu)進行運動仿真，生成從動件的運動規(guī)律，從而檢驗凸輪輪廓是否符合要求.

1 基于Inventor運動仿真創(chuàng)建凸輪輪廓

1.1 運動仿真的基本要求

案例1：某包裝機構(gòu)的下折紙運動采用了偏置直動滾子從動件盤形凸輪機構(gòu)來實現(xiàn)，如圖1所示，要求凸輪以200r/min逆時針作等速轉(zhuǎn)動，凸輪基圓半徑為80mm，偏距為20mm，直動滾子從動件行程為40mm，滾子半徑為10mm，從動件的運動規(guī)律如表1所示.

圖1 偏置直動滾子從動件盤形凸輪機構(gòu)

表1 從動件運動規(guī)律

1.2 仿真前準備工作

在Inventor運動仿真創(chuàng)建凸輪輪廓時，可以通過導(dǎo)入樣條曲線的方式獲取任意指定的從動件運動規(guī)律.根據(jù)案例要求，可以結(jié)合電子表格Excel生成所需的樣條曲線.電子表格中必須有兩列內(nèi)容，一列為時間系列，即凸輪以200r/min等速回轉(zhuǎn)相應(yīng)角度時所耗費的時間，其二是修正位移，即相應(yīng)時間所對應(yīng)的從動件相對凸輪轉(zhuǎn)動中心的垂直位移.選取時間和修正位移兩列數(shù)據(jù)，生成“.txt”文本文件待用.

1.3 運動仿真創(chuàng)建凸輪輪廓方法[2,4-5]

通過運動仿真創(chuàng)建凸輪輪廓步驟如下：

(1)分別創(chuàng)建四個零件圖，為從動推桿、機架、凸輪輪心和滾子，各零件圖均用概念草圖[3]表達.

(2)創(chuàng)建裝配圖，裝配四個零件，如圖2所示.

圖2 四個零件的裝配圖

(3)由“環(huán)境”菜單選擇“運動仿真”選項，在瀏覽器窗口找到“標準類型”中的“平移：(機架1，推桿1)”，激活其特性上的的自由度選項卡，啟用“位置”作為驅(qū)動條件，選擇“輸入圖示器對話框”，在下拉菜單中選擇“樣條曲線”，加載上述的“.txt”文本文件，生成推桿位移線圖，如圖3所示.

圖3 樣條曲線生成的推桿位移

(4)運動仿真，在輸出圖示器上選擇“軌跡”命令，在彈出框上，勾選數(shù)值和軌跡選項，軌跡原點選取推桿的尖頂點，參考系選取凸輪心.

(5)激活構(gòu)造模式，設(shè)定凸輪心旋轉(zhuǎn)運動的角速度為1200deg/s.再運行仿真，且設(shè)定仿真時間為0.3s.仿真后生成凸輪的理論輪廓如圖4所示.

圖4 生成凸輪輪廓

(6)在輸出圖示器的瀏覽器中選擇軌跡，單擊右鍵選擇“輸出到草圖”命令，在圖形窗口選定凸輪心，即可得到凸輪理論輪廓的零件圖.

(7)打開凸輪心的零件圖，可以見到該零件圖已作改變，多出了一條樣條曲線，該樣條曲線即為所求凸輪的理論輪廓曲線，即圖5中的樣條曲線.利用偏置功能，將理論輪廓曲線向內(nèi)偏置.從輪心向外作任一徑向線，通過兩曲線修剪得到一個線段，將線段長度定為滾子半徑，則偏置后的輪廓曲線自動調(diào)整為與理論輪廓法向等距為滾子半徑的實際輪廓曲線.

圖5 凸輪的輪廓曲線

2 運動仿真創(chuàng)建凸輪輪廓的優(yōu)勢

2.1 實時檢驗凸輪輪廓的正確性[2,4-5]

(1)新建裝配圖，分別載入上述的四個零件圖，其中零件凸輪心中新增出凸輪廓線.需要注意的是，凸輪和滾子的裝配必須在運動仿真窗口進行.

(2)轉(zhuǎn)入到Inventor運動仿真環(huán)境，在瀏覽器窗口中產(chǎn)生的標準聯(lián)接中沒有凸輪與從動件之間的運動約束聯(lián)接，需要通過“插入運動類型”，選擇插入“傳動：凸輪-滾子運動”，生成凸輪與滾子的運動副.

(3)“仿真”面板激活構(gòu)造模式，選擇凸輪心的旋轉(zhuǎn)運動，激活其特性上的自由度選項卡，啟用“速度”作為驅(qū)動條件，設(shè)定凸輪轉(zhuǎn)速為1200deg/s.

(4)對機構(gòu)進行運動仿真，錄制動畫.在輸出圖示器中，選擇輸出推桿的位移線圖，如圖6所示，其結(jié)果與要求的運動規(guī)律一致，說明通過仿真獲得的凸輪輪廓是正確的.

圖6 運動仿真生成的推桿位移線圖

2.2 運動仿真創(chuàng)建凸輪輪廓便捷、適用范圍廣

2.2.1 適用于擺動從動件

案例2：凸輪連桿機構(gòu)中，凸輪轉(zhuǎn)動后通過擺桿帶動滑塊左右移動，滑塊行程、各桿長和凸輪軸心位置已知，但凸輪輪廓未知，如圖7所示.現(xiàn)要求按滑塊的運動規(guī)律設(shè)計主動凸輪的輪廓曲線[1：習題6.11].

設(shè)計步驟如下：

(1)新建6個零件圖，分別為擺桿、機架、連桿、滑塊、滾子及凸輪心.

(2)新建裝配圖，將以上6個零件載入并裝配，得到如圖7所示的裝配圖.

圖7 創(chuàng)建擺動從動件輪廓裝配圖

(3)在Inventor運動仿真環(huán)境下，激活滑動直線運動的自由度選項卡，啟用位移驅(qū)動條件，并打開“輸入圖示器對話框”，載入代表滑塊位移的樣條曲線，如圖8所示.

圖8 滑塊的速度線圖

(4)運動仿真，在輸出圖示器上添加軌跡：原點選取滾子中心點，參考系選取凸輪心.

(5)激活構(gòu)造模式，設(shè)定凸輪心旋轉(zhuǎn)運動的角速度為常量后運行仿真，獲得所需的凸輪輪廓，結(jié)果顯示如圖9所示.

圖9 揮動從動件凸輪輪廓

2.2.2 利用尺寸驅(qū)動可快速獲得不同結(jié)果

案例3：在案例1中，若改變其運動條件，如凸輪基圓半徑為60mm，偏距為15mm，直動滾子從動件行程為60mm，滾子半徑為10mm，從動件的運動規(guī)律改為表2所示.

表2 改變后的從動件運動規(guī)律

通過三個步驟即可獲得新的結(jié)果：

(1)準備工作，在電子表格Excel中根據(jù)新的運動規(guī)律生成新的“.txt”文本文件；

(2)在機架零件圖中改變偏距；

(3)Inventor在載入裝配圖時，將根據(jù)最新保存的零件圖自動更新，之后，重新設(shè)置“平移：(機架1，推桿1)”，加載新的樣條曲線”.

在三個步驟之后，在圖形界面即可獲得新的凸輪輪廓.同樣，也可對新的凸輪輪廓進行驗證，圖10(a)為驗證凸輪輪廓的機構(gòu)裝配圖，圖10(b)為仿真后獲得的從動件運動規(guī)律，與要求一致.

圖10 改變條件后獲得的凸輪輪廓

3 結(jié)論

基于Inventor運動仿真創(chuàng)建凸輪輪廓的方法簡單、方便，創(chuàng)建過程中的圖形與機構(gòu)運動簡圖一致，在解釋機構(gòu)的運動原理方面具有很大的優(yōu)點.利

用Inventor尺寸驅(qū)動的功能改變某些尺寸可以得到不同的凸輪廓線，如改變基圓半徑、改變偏距、改變運動規(guī)律等.并且，可以對獲得的凸輪機構(gòu)進行運動仿真，直觀地檢驗凸輪機構(gòu)是否符合要求.

基于Inventor運動仿真創(chuàng)建凸輪輪廓適用范圍較廣，除適用于不同的從動件運動形式外，還可用于移動凸輪等情況.生成的凸輪輪廓座標點可直接用于凸輪的數(shù)控加工.因此，基于Inventor運動仿真創(chuàng)建凸輪輪廓具有較好的推廣應(yīng)用價值.

[1] 朱 理．機械原理[M]．北京：高等教育出版社，2010.

[2] 唐湘民．Autodesk Inventor有限元分析和運動仿真詳解[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[3] 吳 斌．基于Inventor概念草圖仿真在機械原理中的應(yīng)用[J].上海應(yīng)用技術(shù)學院學報，2014(1)：54-56.

[4] Autodesk.Inc．Autodesk Inventor 2011高級培訓教程[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[5] 胡仁喜,董永進,鄭 娟,等.Inventor10中文版機 械設(shè)計高級應(yīng)用實例(第2版)[M].北京：機械工業(yè)出版社,2006.

Method of Creating Cam Profile Based on Inventormotion Simulation

WU Bin,ZHONG Xiao-qin,HOU Huai-shu

(School ofmechanical Engineering,Shanghai Institute of Technology,Shanghai 200235,China)

The cam profile is created in the Inventormotion simulation environment based on the Inventor sketch as the skeleton assemblymechanism.And an example is given to verify the creation of cammechanism,which tomeets the requirements of the design.The process is convenient; the design is correct and themethod is suitable for wide application.It provides a simple and feasiblemethod for the design of cam profile.

simulation;motion law; cam profile

2015-11-12基金項目：上海市教育委員會重點課程資助項目(10210M151008).作者簡介：吳 斌(1971-)，男，副教授，研究方向：機械設(shè)計、機電控制.

TP391.72

A

1671-119X(2016)02-0029-04