凸轮机构CAD系统的设计

摘 要:凸轮机构的CAD系统是目前凸轮机构设计的一个重要方法。本文通过对凸轮机构设计进行简要分析，基于解析法运用MATLAB语言平台编程,解算实例凸轮机构的轮廓线，并在Windows平台上设计开发凸轮机构CAD系统软件。

关键词:凸轮机构；CAD；界面设计

在现代机械行业迅速发展的趋势下，凸轮机构作为一种常见的传动机构，由于其独特的结构特性，决定了随着工作环境和运动形式的不同，就要求对凸轮进行重新设计计算，为了缩短产品的开发周期，提高市场竞争力，开发一种专业化的产品设计系统已经成为一种必然趋势。凸轮机构CAD软件系统的设计，有利于凸轮机构的传统设计方法的优化，通过设计和计算、建模与仿真、优化等CAD功能，极大拓展了凸轮机构设计软件的实用性。以下内容为对凸轮机构CAD系统的分析。

一、凸轮机构分析

凸轮轮廓曲线设计是凸轮机构设计的重要部分，是根据选定的从动件运动规律和其他设计数据，形成凸轮的实际和理论轮廓线或计算出轮廓线的坐标值。其设计过程如下：

（1）依照工艺需求，进行运动参数方面的设定。

（2）按照规格，确定凸轮机构的基本结构几何参数，包括偏心距、压力角、曲率半径等。

（3）根据运动参数和凸轮基本结构几何参数的设定确定凸轮轮廓曲线。

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（4）根据所求得的轮廓曲线验证其曲率半径的最小值及压力角的最大值，以此判断从动件的运动是否“失真”。当曲率半径、压力角或强度跟要求不相符合时，则要把几何参数进行修改，一直到其符合要求为止。

二、凸轮轮廓曲线程序设计

就从动件平面凸轮机构而言，其主要目标是确定凸轮基圆半径限制尺寸，以确保不会产生失真的从动件运动规律。平面凸轮轮廓参数的计算流程如图1所示。计算流程充分考虑到了人机交互环节中对轮廓线压力角及其他基本参数的修改和优化，便于用户根据实际需求对这些设计参数进行确定。必须要满足下列条件：从动件的运动规律不失真；机构的压力角绝对值要小于等于许用值。在运行程序过程中，假如不能通过检查环节，则可根据提示对原先设定的数值进行修改。直到把检查环节通过后，才可以把凸轮实际轮廓坐标求出来。

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图1凸轮轮廓曲线程序流程

基于上述凸轮机构的设计分析，结合一种具体的偏置滚子从动件盘形凸轮机构完成凸轮实际轮廓线的设计。从动件位于凸轮轴的右侧，偏心距e=23mm，基圆半径r0=55mm, 从动件半径rr=8mm。凸轮以等角速度ω=1200r/min沿顺时针方向回转，在凸轮转过角δ1=120°的过程中，从动件按正弦加速度规律上升h=50mm;凸轮再回转角度δ1=120°时，从动件又按正弦加速度运动规律下降至起始位置；凸轮转过一周的其余角度时，从动件保持静止不动。

根据凸轮廓线方程，在MATLAB环境下编写计算程序，通过计算可得到理论计算的凸轮实际轮廓曲线，图2所示。通过程序还可得到构成凸轮实际轮廓曲线的点的坐标值。

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图2 理论计算的凸轮实际轮廓曲线

三、凸轮机构CAD系统设计流程如图3所示。

图3 凸轮机构CAD系统程序流程

四、凸轮机构CAD系统界面设计

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基于前述的凸轮机构设计理论，通过集成类似的多种凸轮的轮廓设计程序，以Visual C++为编程工具，在Windows平台上设计开发凸轮机构CAD系统软件，使得软件界面美观，操作可靠,也有利于工程设计人员在凸轮设计时缩短设计周期、提高设计效率。

以滚子直动从动件盘形凸轮机构为例：已知凸轮推程运动角Φ=120。从动件作简谐运动，远休止角

Φs=30°；冲程h=30mm；回程运动角中Φ’=120°。当从动件作等减速和等加速运动时，近休止角Φs'=90°；a=l；回程许用压力角为45°；推程许用压力角为30°；远休止段许用压力角相等于回程段，近休

止段许用压力角相等于推程段。

1、从动件运动规律参数设置

在主界面对“新建”按钮进行单击时，出现运动规律子流程的界面，在此把各段的运动规律参数填写并输入分段数，如图4所示。

图4 从动件运动规律 图5 凸轮基本参数

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2、凸轮参数设置

从动件运动参数设置完毕，进行凸轮基本参数设置，在此可以选择凸轮的类型并填写凸轮的相关参数，如图5所示。

3、压力角、曲率半径校核

凸轮基本信息确定后，则进入压力角、曲率半径校核页面。如图6、7。若压力角合格则可继续进行下一步操作，还要进行曲率半径的校核，同样，曲率半径合格则可继续进行下一步操作，若二者不满足条件则需重新调整凸轮基本参数或调整压力角。

图6压力角校核 图7曲率半径校核

4、绘制曲线

上述条件若都满足要求，则进入绘制轮廓线页面，如图8所示。

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图8 绘制轮廓线

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