凸轮廓线精确设计及虚拟样机建模与仿真

1 引言

    凸轮机构是由凸轮、从动件和机架组成的高幅机构，可以实现各种复杂的运动要求，并且结构简单、紧凑，在自动机械和自动控制装置中广泛应用，它的最太优点是只要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运动规律。

    凸轮轮廓的设计方法主要有图解法和解析法。图解法设计凸轮廓线原理简单、直观易行，但绘图误差较大，难以得出轮廓线上各点的精确坐标值，只能用于低速或者精度要求不高的场合；对于高速凸轮或精度要求较高的凸轮，需要用解-析法，并借助于CAD软件精确地计算出凸轮廓线上各点的坐标值，得到具有精确廓线的凸轮机构。在此提出一种在环境下结合Excel，方便、快速、高精度地设计尖端推杆盘形凸轮机构的新方法。

2 虚拟样机技术和ADAMS软件概述

    虚拟样机技术(Virtual Prototype Technology)是当前设计制造领域的一门新技术，涉及多体系统动力学、运动学，计算方法与软件工程等学科。它通过计算机软件建立机械系统的三维实体模型和力学模型，分析和评估系统的性能，从而为物理样机的设计和制造提供合理的参数依据。这种方法使设计人员能在计算机上快速试验多种设计方案，直至得到最优化结果，从而免去了传统设计方法中物理样机的试制，从而大幅度缩短了开发周期，减少了开发成本，提高了产品质量。

    ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)软件是由美国MSC公司开发研制的集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件，它最主要的模块为ADAMS/View(用户界面模块)和ADAMS/Solver(求解器)。通过这两个模块，可以对大部分的机械系统进行仿真。进行仿真分析的模型既可以在ADAMS环境下直接建模，也可以从其它CAD软件中导入，然后在模型上施加一定的运动约束副、力或力矩的运动激励，就可以进行运动仿真分析。

3 凸轮机构设计实例分析

    3.1 从动件的运动规律

    已知从动件的运动规律为：当凸轮转过90°时，推杆等加速等减速上升40ram；凸轮继续转过90°时，推杆停止不动；凸轮再继续转过60°时，推杆等加速等减速下降40mm；最后凸轮转过120°时，推杆又停止不动，凸轮回到原点完成一个工作循环。设凸轮理论廓线基圆半径r0=45mm，设计满足该运动规律的凸轮廓线。

    3.2 对心尖端推杆盘形凸轮机构的数学建模

    在图1所示的偏心尖端推杆盘形凸轮机构中，选取图1所示的极坐标系，B点为凸轮理论廓线的起点。当凸轮转过角δ时，推杆相应地产生位移So根据反转法原理，此时尖顶位于B点，则凸轮理论轮廓线的直角坐标的参数方程为：