基于AutodeskInventor的共轭凸轮设计与运动仿真

基于AutodeskInvento的共轭凸轮设计与运动仿真笔者结合工作中的实际案例 一位使用Inventor产品多年的印刷机械设备用户， 困惑案例，介绍了借助一、设计要求用户设计某胶订机，构在垂直方向运动，动，机构简图如图连接在滑块上，沿结，凸轮1和凸轮于如何借助案例，介绍了借助一、设计要求用户设计某胶订机，构在垂直方向运动，动，机构简图如图连接在滑块上，沿结，凸轮1和凸轮AutodeskInventor设计共轭凸轮的方法及思路。其中一台设备使用到一对共轭凸轮， 其中一个凸轮是顶升凸轮，带动机另一个凸轮带动一个连杆机构，连杆机构的末端带动一个滑块做水平运1。T形结构FF'E,端点E与凸轮1的从动件连结，连杆AB的端点AFF平面做水平往复运动，连杆BCD绕C点转动，D点与凸轮2从动件连2绕同一根轴旋转。1•凸轮1（垂直运动）盘式顶升凸轮（沟槽）做垂直方向往复运动。凸轮基圆半径为 50mm,凸轮升程为30mm,带动T形结构做垂直方向运动，其在一个周期内的运动规律如表所示。运劫tt</DsgHfii'ETirn0-0SOI602•凸轮2（水平运动）凸轮驱动连杆机构运动，连杆机构的末端连结到一个滑块， 滑块的设计要求为一个往复行程为400mm，为配合机构的运动要求，其速度按照如图 2所示规律运动。本文重点在于说明设计的思路， 对于机构的具体尺寸以及系统转速等不做说明， 上述的设计参数也仅作示意，不代表实际设计数值。二、设计分析常见的凸轮形式，包括线性凸轮、盘式凸轮及圆柱凸轮三大类，很多 CAD软件没有直接提供凸轮设计工具，需要用户去创建凸轮的轮廓线 （通过创建公式曲线，以数据点拟合样条曲线），而轮廓的几何外形仅仅表达了凸轮的位移变化，还无法满足对凸轮性能分析的需求（速度曲线、加速度曲线和压力角变化等）的分析，造成用户设计效率低下，凸轮优化困难。Inventor凸轮设计模块集凸轮设计、 计算校验于一身，支持上述三种凸轮，其自带了多达13种拟合函数，最高支持七阶多项式，无需用户推导解析函数，即能生成高质量的凸轮轮廓。凸轮1是一个简单的盘式顶升凸轮，根据表1的设计要求，借助Inventor的凸轮设计工具，我们可以快速设计出其外形轮廓，同时其速度、加速度运动曲线， 压力角、曲率半径变化曲线一目了然，而且对运动过程中的力、扭矩及接触应力也自动计算，大大提高了设计的准确性和设计效率。图31nventor盘式凸轮设计对于凸轮2,由于无法直接描述其运动规律 （位移或速度、加速度），因此无法直接借助Inventor的凸轮设计功能来进行设置。在一些案例中，往往根据连杆机构的机械原理，建立凸轮 2、连杆机构、滑块之间的运动解析方程，借助Matlab求解出凸轮2上的运动轨迹点，从而得到凸轮 2的轮廓。这种方法，对设计人员的要求高，适合院校研究，但很难在企业中应用推广。因此，设计凸轮 2的凸轮轮廓是整个产品设计的最大难点。三、设计思路Inventor的Professional版本中，提供了运动仿真（DynamicSimulation）模块，通过定义构件之间的运动副（连接类型），定义构件的运动特性（力、力矩、位移、速度、加速度以及刚度、阻尼等），将几何关系模型转换为具有运动关系的模型，从而让几何模型按照给定的要求运动，达到动态模拟、仿真机构运动的目的。基于上面的分析，尽管凸轮2的运动规律我们很难描述， 但是由其驱动连杆机构而产生水平运动的滑块，其设计运动规律是整个系统设计的性能要求， 我们可以视为滑块的运动规律，从而反向推导（模拟）连杆机构的端点D的运动轨迹，也就是我们所要设计的凸轮 2的外形轮廓。1•建立几何模型几何模型的准备，重点在于清晰表达出构件之间的几何位置关系，模型可以基于 2D草图，或者基于3D模型，甚至也可以2D/3D混合建模，这为设计人员在设计前期做方案设计及验证提供了很大的便利性。图4是创建的概念几何模型，其中凸轮 1是采用Inventor的凸轮设计工具完成的 3D模型，连杆机构仅用2D草图表达出其几何关系。2•建立运动仿真模型Inventor的运动仿真模块集成于产品内，能够很好地将几何模型的几何约束 （装配约束）转换为运动副（运动关系）。Inventor运动仿真模块具有丰富的运动副定义，节省了用户耗费在模型准备和运动副定义上的时间。 在本文中，定义仿真运动模型时我们使用了以下几类运动副（图5）。◎滑块与T形结构上平面的水平运动；◎凸轮1与T形结构顶端圆弧面的接触；◎连杆机构的各杆件之间的转动关系 ；◎T形结构只能在平面内上下运动。3•定义驱动条件参考图2，设计要求中对滑块的速度及位移相应的要求。按照这些要求，定义出滑块的运动规律，作为机构的驱动条件，如图 6所示。4•执行运动仿真在完成前面的定义之后，输入模拟仿真的时间 （时间幸轮周期时间）及模拟步数，定义输出连杆的端点D的运动轨迹，执行仿真分析，凸轮 2的运动轨迹即可生成，如图7所示。5•设计调整仔细观察滑块的运动轨迹，和设计要求不太吻合，主要反映在凸轮2带动滑块做匀速运动的时间段，凸轮1带动的T形结构不在最上端位置时， 分析其原因是由于没有调整好凸轮1与凸轮2的相位差。从Inventor的运动仿真结果中，我们可以很容易查看到滑块的运动位置及相应的运动时间，从而可以计算出凸轮1需要调整的相位值，和需要调整的角度值 （角度=时间＞凸轮转动角速度）。根据计算结果修订凸轮1的初始位置，如图8所示。

调整后再次执行运动仿真，模拟输出的运动轨迹如图9所