1、第 38 卷 2010 年第 6 期通 用本栏目编辑 陆秋云39基于 MatLab和SolidWorks 的凸轮轮廓设计及性能分析方 芳*黄松和 林 刚西南交通大学机械工程学院 四川成都 610031摘要： 通过对凸轮从动件运动规律的分析，在 MatLab 中利用已有的理论曲线函数编制程序，生成平面凸轮轮廓数据点。将数据导入 SolidWorks，生成具有封闭连续轮廓曲线的凸轮，再利用 SolidWorks 中的 COSMOS/Motion 插件进行凸轮运行仿真，生成相应的位移、速度及加速度曲线图，即可判断凸轮轮廓曲线性能的优劣性。从而为凸轮轮廓设计及性能分析提供了一种简便有效的方法。关键词：
2、 MatLab；SolidWorks；凸轮轮廓；运动仿真中图分类号 ： TD94 文献标识码 ：A 论文编号：1001-3954(2010)06-0039-04Design and performance analysis of the cam profi le based on MatLab and SolidWorksFANG Fang HUANG Songhe LIN GangSchool of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031, Sichuan, ChinaAbstract： Thr
3、ough the analysis of the cam-follower movement, data points of the planar cam profi le are got-ten by the compiled programs with the existing theoretical curve function in MatLab. The data is inputted into SolidWorks and generates the cam with the continuous closed curve. Then, the cam simulation is
4、 carried out by COSMOS/Motion and acquires the corresponding curves of displacement, speed and acceleration to assess the curve property of the cam profi le. So, this provides design and performance analysis of the cam profi le with an easy and effective method.Keywords： MatLab; SolidWorks; cam prof
5、i le; motion simulation在 众多三维 CAD 软件中， SolidWorks 软件以其功能强大、操作简捷成为众多设计人员的首选软件。但是 SolidWorks 软件不具有函数生成自由曲线的功能，要在 SolidWorks 中绘制凸轮模型，可以使用已有的 SolidWorks 插件 ToolBox 所生成的凸轮轮廓线，但该曲线却不是连续光滑曲线，若运用到高速重载场合，将会产生较大的噪声和冲击，因此不具有实用性及广泛性。若要得到满足要求的凸轮，就需要重新计算设计曲线轮廓。一般的轮廓曲线都可以用函数进行描述，若已知曲线函数，可利用具有强大数据计算处理能力 MatLab 编程生成
6、数据点。将所得数据点导入 SolidWorks，生成连续凸轮曲线，由此得到平面凸轮模型。由得到的凸轮模型轮廓，可利用 Solid-Works 里的运动分析软件 ( COSMOS/ Motion) 进行动态仿真，输出位移、速度及加速度曲线，由此分析凸*作者简介：方 芳，女，1985年生，硕士研究生，研究方向为机械设计及理论。2 闰成华，周 余，都思丹基于嵌入式 Linux 的 RS485 通信协议J计算机工程，2008，34(11)：278-280.3 白 洁在 Windows 下 PC 机作为半双工 RS-485 网络主机通信程序的设计J核电子学与探测技术，2004，24(1)：84-86，6
7、1.4 丁继东基于 ARM 处理器的串行通信与以太网协议的研究与应用D上海：华东师范大学，2005.5 范 炜基于 ARM 的嵌入式多串口网络服务器的设计与实现D北京：北京交通大学，2007.6 陈莉君 Linux 内核设计与实现M北京：机械工业出版社，2006.7 李卓恒Linux 网络编程M北京：机械工业出版社，2000. (收稿日期：2009-08-12)(修改稿日期：2009-12-25)GFGFGFGFGFGFGFGFGFGFGFGFGFGFGFGFGFGFGFGFGFGFGFGF第 38 卷 2010 年第 6 期本栏目编辑 陆秋云通 用40轮曲线动态性能。1 曲线函数的选择在选择
8、和设计凸轮轮廓线时，主要有以下两个目的： 使从动件的加速度最小 (因而作用在从动件上的动载荷最小)； 消除由轮廓线的高阶谐量引起的从动件的过大振动响应。由凸轮从动件的常用运动规律可知，凸轮曲线类型包括等速运动规律、等加速运动规律、简谐运动规律及摆线运动规律等。这些基本对称的曲线由于结构简单、易于分析，所以使用起来较方便。随着凸轮机构的进一步发展，对于要求有特定的速度、中间位移、中间加速度和上升与下降不对称的运动场合，这些简单曲线已不能满足要求，为此常使用改进型和组合型的运动规律，其目的是使凸轮从动件的最大加速度最小，且具有跃度为有限值的光滑加速度曲线。所以采用修正梯形曲线、不对称的改进梯形曲线
9、、修正正弦曲线、修正摆线曲线、以及非简单曲线的组合等曲线类型，这些曲线的规律类型能满足不同机构的运转要求，提供了良好的动力响应特性。对于给定从动件运动要求的凸轮，根据凸轮的不同用途类型特点，选择相应的曲线运动规律曲线。对某些关键点处有特定速度和加速度的情况，可选择不对称的修正梯形曲线；而对于大质量的转塔，由于有大的输出转矩，则选择修正正弦曲线较为有利。2 曲线数据点的生成根据凸轮的用途和工况，选择不同的曲线类型。在 MatLab 中利用相应的曲线函数方程，编制程序，获取曲线点。笔者以修正正弦曲线为例进行研究。修正正弦曲线是由占不同工作区段的摆线和 1 / 4 谐波曲线组合而成的，力矩在 0.4
10、2 升程处由正值转变为负值，这对大质量转盘或转塔的定位极为有利。修正正弦曲线的位移方程 (曲线函数参考1) 为ShSh=+=+4144408244()sin , lessthanorequalangledlessthanorequalangled+=+44433878444()sin ,lessthanorequalangledlessthanorequalangledSh +144478()sin , lessthanorequalangledlessthanorequalangled(1)将函数方程转化为程序，部分源程序如下：function val = FsinU (psim，phi1，
11、xita) /psim 为升程 phi1 为升程段凸轮转角 xita 为当前凸轮转角phi1 = phi1*pi/ 180； phi18 = phi1/ 8； phi78 = phi1*7/ 8； pi4 = psim/ (4+pi)；phi = xita*pi/ 180； c0 = phi/ phi1；if phi = phi18c1 = 4*pi*c0；psi = pi*c0-0.25*sin(c1)； psi = pi4*psi；end val = psi；此函数返回修正正弦曲线的函数值，若选择其他类型的曲线，方法类似，此处不详细描述。获得修正正弦曲线的函数值后，可进一步获取凸轮轮廓数据
12、点。源程序如下：function APoint = PlotSinU(xita1, xita2, R, psim)phi1 = (xita2-xita1)；n = fix(xita2-xita1)；dxita = (xita2-xita1)/n；i = 0；while i = nang = xita1+i*dxita；ang = ang*pi/ 180xita = i*dxita；Ri = R+FsinU(psim，phi1，xita)x = Ri*cos(ang)； /将极坐标转化为直角坐标y = Ri*sin (ang)；APoint(i+1，1) = x；APoint(i+1，2) =
13、y；APoint(i+1，3) = 0；i = i+1；end输入各段凸轮曲线参数，生成完整凸轮轮廓曲线点，将点数据存入文件save e：/Plot.txt APoint1 /存储数据plot(APoint1(: , 1)，APoint1(: , 2)，r. /绘制凸轮轮廓曲线点。3 凸轮的生成将所得直角坐标系数据点，导入 SolidWorks 中，即可生成光滑连续的凸轮轮廓曲线。在 SolidWorks 的新建模型中，点击插入菜单栏 “插入”“曲线”。第 38 卷 2010 年第 6 期通 用本栏目编辑 陆秋云41“通过 XYZ 的曲线”，将已有的数据导 入，此处需要注意的是，若要使得曲线闭
14、合，需要将数据点首尾重合。点击“确定”后，生成连续的凸轮曲线，如图 2 所示。但该曲线不能直接进行拉伸，还需将其转换为实体线方可进行拉伸。选择曲线所在平面，点击“新建草图” 选中曲线 选择草图工具栏的“转换实体引用” 确定，如图 3、4 所示，凸轮曲线转换为完全定义的黑色实线，再进行拉伸，得到凸轮模型。4 凸轮轮廓线性能仿真分析利用 SolidWorks 的 COSMOS / Motion 可以对凸轮机构进行仿真，输出运动件的运动性能曲线，如位移、速度及加速度曲线等，进而得到凸轮曲线的动态性能指标，判断其优劣性。在 SolidWorks 中建立一个简易的凸轮摆臂滚子机构。单击菜单“工具”“插件
15、” COSMOS/Motion，即可添加 COSMOS/Motion 仿真插件，在特征设计树顶端出现图标 ，点击它则进入仿真模式。设置零件运动状态，单击零件，点击右键，设置零件为运动零部件或静止零部件。此处，设置摆臂轴以及安装轴承座为静止零部件，其余为运动零部件。添加碰撞类型，点击“碰撞”，右键，选择“添加曲线 / 曲线碰撞”，进入“插入曲线 / 曲线碰撞”设置对话框，在“定义”栏中，将第 1 个部件选择为要仿真的凸轮，第 2 个部件选择为凸轮滚子零部件，图 2 导入数据点生成曲线Fig 2 Generated curves after inputting data图 3 将导入曲线转换为实体
16、曲线 Fig 3 Process changing input curves into solid couves图 4 曲线拉伸所得凸轮Fig 4 Cam formed by curve stretch图 1 MatLab 凸轮轮廓曲线点Fig 1 Curve points on the cam profi le in MatLab图 5 凸轮摆臂滚子机构Fig 5 Oscillating-arm roller gear with cam第 38 卷 2010 年第 6 期本栏目编辑 陆秋云通 用42图 7 滚子位移曲线Fig 7 Curve of the roller displacemen
17、t图 8 滚子速度曲线Fig 8 Curve of the roller speed图 9 滚子加速度曲线Fig 9 Curve of the roller acceleration“选择第 1 个部件的曲线的边或面”为凸轮的一条轮廓边线，将其“每曲线的点数”设置为 720。此处要保证所选轮廓曲线为连续光滑的，否则，所选边线为不完整的凸轮轮廓线，不能进行一个完整的周期仿真。“选择第 2 个部件的曲线的边或面”为滚子一条轮廓边线，曲线点数设置为 20，单击“应用”。设置“运动模型”的“系统默认值”，弹出“COSMOS / Motion 选项”对话框，依次对各项参数进行设置，其中，“仿真”项的“持
18、续时间”设为 2.5，“帧的数目”设为 600。单击“运行仿真”。仿真结束后，对结果栏里的各项参数进行设置，跟踪滚子中心点，以静止零部件安装轴承座为参照，获得滚子上轨迹点的线位移、速度及加速度等参数，输出曲线图。滚子上轨迹点的线位移、速度及加速度如图 79 所示。滚子上轨迹点的线位移、速度及加速度反映了凸轮轮廓线的相应的线位移、速度及加速度性能。由图 79 可知，位移、速度曲线都较为平缓，只有加速度略有突变，但变化值较小，冲击较小，说明此处选用的曲线组合具有一定的合理性，可以在速度较大的场合使用。5 结语利用已有的理论曲线函数编程生成数据点，导入 SolidWork s，生成具有封闭连续轮廓线
19、的凸轮，再利用 SolidWorks 的 COSMOS / Motion 插件进行凸轮运行仿真，生成相应的从动件位移、速度及加速度曲线图，形象直观地得到凸轮轮廓曲线性能的优劣性。此方法计算简便，效果良好，且具有较强的实用性。参 考 文 献1 邹慧君，董师予凸轮机构的现代设计M上海：上海交通大学出版社，1991.2 高会生，李新叶，胡智奇，等译(美) Edward B. Magrab, Mat-Lab 原理与工程应用M北京：电子工业出版社，2002. (收稿日期：2009-12-22)(修改稿日期：2010-01-09)图 6 添加碰撞类型对话框Fig 6 Dialogue to add collision types
