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1、基于Solidworks的凸轮设计与装配基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 1 页 共 31 页 基于Solidworks的凸轮设计与装配 摘 要：凸轮在工业上应用广泛，当根据使用要求确定了凸轮机构的类型、基本参数以及从动件运动规律后，既可进行凸轮轮廓曲线的设计，传统的凸轮设计方法，由于设计过程复杂，设计精度较低，而且设计结果不能直接应用于凸轮的数控加工等原因，已经越来越不能适应当前对凸轮设计快速、精确及满足数控加工的基本要求；采用Solidworks技术方法来代替传统的凸轮设计方法可以大大缩短设计周期、提高设计质量，满足凸轮数控加工的客观实际需要，是凸轮设计方法的发展趋势。 本文介
2、绍一种利用Excel工具生成凸轮理论轮廓点的数据，在SolidWorks环境中直接利用三维点数据将凸轮理论轮廓曲线用样条曲线绘制出来，并通过相关命令输入推杆滚子半径，将曲线转换成草图曲线，得到凸轮实际轮廓曲线，再通过拉伸特征完成盘形凸轮基体的三维建模。 关键词： 凸轮 理论轮廓曲线 三维建模 Solidworks 装配 1 引言 凸轮机构是具有曲线轮廓的构件，是利用凸轮转动带动从动件实现预期运动规律的一种高副机构，广泛的应用于各种机械，特别是自动机械、自动控制装置等。盘形凸轮因为其形状简单，被广泛应用。基于SolidWorks的盘形凸轮的建模方法有很多，可以通过VB、VC等程序设计语言利用So
3、lidWorks的API程序接口，生成凸轮轮廓，也可以通过Toolbox中的凸轮插件生成凸轮模型。但是采用程序设计方法对用户的编程水平要求较高，采用Toolbox中的凸轮插件也属于SolidWorks中的高级操作，一般用户也不太熟悉。本文在Excel环境中生成凸轮理论轮廓的点坐标信息，存成文本格式，在SolidWorks环境中利用通过XYZ点的曲线直接生成凸轮理论轮廓曲线。 2 SolidWorks简介 创新的、易学易用的而且价格平宜的SolidWorks是Windows原创的三维设计软件。其易用和友好的界面，能够在整个产品设计的工作中，SolidWorks完全自动捕捉设计意图和引导设计修改。
4、在SolidWorks的装配设计中可以直接参照已有的零件生成新的零件。不论设计用自顶而下方法还是自底而上的方法进行装配设计，SolidWorks都将以其易用的操作大幅度地提高设计的效率。基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 2 页 共 31 页 SolidWorks有全面的零件实体建模功能，其丰富程度有时会出乎设计者的期望。用SolidWorks的标注和细节绘制工具，能快捷地生成完整的、符合实际产品表示的工程图纸。 SolidWorks具有全相关的钣金设计能力。钣金件的设计即可以先设计立体的产品也可以先按平面展开图进行设计。SolidWorks软件提供完整的、免费的开发工具(API)，
5、用户可以用微软的Visual Basic、Visual C+或其它支持OLE的编程语言建立自己的应用方案。通过数据转换接口，SolidWorks可以很容易地将目前市场几乎所有的机械CAD软件集成到现在的设计环境中来。 为比较评价不同的设计方案，减少设计错误，提高产量，SolidWorks强劲的实体建模能力和易用友好的Windows界面形成了三维产品设计的标准。机械工程师不论有无CAD的使用经验，都能用SolidWorks提高工作效率，使企业以较低的成本、更好的质量更快将产品投放市场。而最有意义的是，用于SolidWorks的投资是容易承受的，这使得参加工程设计的所有人员都能在他们桌面上的计算机
6、进行三维设计。 2.1 用户界面 SolidWorks软件在用户界面方面的方便程度是世界公认的，但SolidWorks公司还是努力地改进软件的用户界面，使得设计工作更加自动化。Solidworks去掉了一些多余的对话框，而以隐含的右键菜单所代替，最明显的是能够将特征管理器沿水平拆分。这使得进行某些特殊命令操作时，如检查装配关系，而不会迷失在特征树的位置。这对于大型装配体和复杂零件的操作也非常重要，因为零件复杂以后，特征管理树会很长，有时很难同时观察特征树的最上端和特征树的最下端。有了特征管理器的拆分功能，这一切都成为可能。 2.2 草图设计 SolidWorks软件所有的零件都是建立在草图基础
7、上的，草图功能的提高会直接影响到对零件的可编辑能力的提高。在Solidworks中，增加了样条编辑控制功能，当样条处于编辑状态时，一个小三角箭头会出现在样条曲线上。当小符号沿着样条曲线拖动时，箭头的方向会不断改变，以表示各点不同的曲率。当沿着箭头拖动时，样条的曲率会实时改变。这一功能的增加，使得SolidWorks的用户更加方便地控制零件的形状。 由于三维样条曲线的引入使得三维草图功能显著地提高。用户可以直接控制三维空间的任何一点，以达到控制三维样条的目的，从而直接控制草图的形状。这对于创建绕线电缆和管路设计的用户是非常方便的。 2.3 曲面建模 也许是因为SolidWorks以前在实体和参数
8、化设计方面太出色，人们可能会忽略其在曲面建模方面的强大功能。在Solidworks中，曲面建立后，可以以很基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 3 页 共 31 页 多方式对曲面进行延伸。你可以将曲面延伸到某个已有的曲面，与其缝合或延伸到指定的实体表面，或者输入固定的延伸长度，或者直接拖动其红色箭头手柄，实时地将边界拖到想要的位置。 另外，现在的可以对曲面进行修剪，可以用实体修剪，也可以用另一个复杂的曲面进行修剪。首先，选取特定的曲面做为剪切工具，以绿色表示；然后，选取要保留的那一部分曲面，以淡绿色表示；没有选取的那部分曲面，以灰色表示，就会立刻被切除。你还可以将两个曲面或一个曲面一个
9、实体进行弯曲操作，SolidWorks软件将保持其相关性，即当其中一个发生改变时，其他另一个会同时相应改变。 2.4 新特征 SolidWorks对导圆角的处理添加了新的特征，使得倒角的功能更加强大。在原有特征阵列的基础上，也增添了新的特征。用XY坐标值系列直接生成表格驱动阵列。草图驱动阵列所用到的草图可以做为新阵列的模板。 对于设计塑胶件的工程师，使用Solidworks会更加方便。Solidworks对薄壁塑胶件的设计本身就是就考虑到一个面是开放的，用户不必单独手工指定某个面是开放的。筋的建立更加方便，你可以在任何视图上创建筋的轮廓，先进行预览再生成加强筋。对于模具设计师来讲，还可以利用X
10、YZ缩放因子直接生成模腔。 另外，新增加的打孔向导给人留下了深刻的印象，用户可以直接点取螺栓的尺寸，所有相关的数据都可以在电子版的机械零件手册中自动查到。 2.5 大型装配 用户不仅用SolidWorks软件来解决一般的零部件设计问题，越来越多的用户开始用SolidWorks软件处理系统级的大型装配设计，对大型装配体上载的速度也是要求越来越高。面对用户的需要，SolidWorks公司的研发部门设法从不同的角度对大型装配体的上载的速度进行了改进，包括分布式数据的处理和图形压缩技术的运用，使得大型装配体的性能提高了几十倍。 在新版中，还增加了智能装配功能，能够在装配过程中自动捕捉装配关系，而无须用
11、户另行指定。在装配过程中，还新增加了球面的配合关系和圆锥面的配合关系，这就使得将球插到孔里的操作变得更加容易。 2.6 工程图和电子工程图 在Solidworks的工程制图中引入了一个崭新的快速制图功能(即RapidDraft)，它能迅速生成与三维零件和装配体暂时脱开的二维工程图，但依然保持与三维的全相关性。这样的功能使得从三维到二维的瓶颈问题得以彻底的解决。 Solidworks是一个非常优秀的软件产品。SolidWorks公司在技术上的投入基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 4 页 共 31 页 和技术的先进性不断保持SolidWorks软件在机械三维设计领域的领先地位。 3 利
12、用Excel生成凸轮理论轮廓线坐标 根据工作要求合理地选择从动件运动规律后，可以按照结构所允许的空间和具体要求，逐步确定凸轮的基圆半径，然后绘制凸轮的轮廓。凸轮轮廓的绘制一般采用反转法绘制。 本文实例中的盘形凸轮机构运动要求如下：试设计一对心滚子直动推杆盘形凸轮机构。已知凸轮以等角速度逆时针方向转动。在凸轮的一个运动周期2时间里，要求推杆在1s内等速上升10mm，05s内静止不动，05s内等速上升6mm，2s内静止不动，2s内等速下降16mm。其基圆半径为20mm。 根据已知条件，可以确定处推杆的位移线图，它直接反映了推杆在工作过程中的位移特征，如图l所示。欲确定凸轮的理论轮廓曲线，关键在于根
13、据推杆的位移线图得出理论轮廓曲线上的离散点的位置(坐标)。传统的凸轮轮廓图解法的原理就是根据上述的离散点位置，手工拟合而成。这种做法存在加大的精度误差，而且由于是手工取点，所确定的点的个数往往不够多，从而限制了凸轮轮廓的准确性。 图1推杆的位移线图 如果想要提高凸轮理论轮廓曲线的精度，我们只要合理得大量确定离散点的位置即可，在计算机工具的帮助下，计算理论轮廓点的坐标，利用绘图命令直接拟合离散点即可。如图2所示，根据已知条件分析盘形凸轮理论轮廓点的位置坐基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 5 页 共 31 页 标。根据反转法绘图原理，对于理论轮廓上的任意一点P，该点的轴坐标可由下式计算
14、得出： X=OP*sin() (1) Y=OP*cos() (2) 其中，OP的长度就是基圆的半径与在相应时刻的推杆位移线图点的位移量之和。 图2 盘形凸轮理论轮廓上点的位置坐标分析 如图1所示，0A、BC、DE段的位移变化均为等速变化，三段直线的方程可以根据特殊点的位置直接确定出来： 0A的方程：Y=30*X BC的方程：Y=36*X8 24 DE的方程：Y=*X+48 基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 6 页 共 31 页 这样我们可以根据实际精度需要，确定足够多的离散点，在位移线图直线方程的帮助下确定相应点的坐标。 在Excel环境中，将凸轮回转一个周期分为36份，即每10取
15、1个点，并且将对应的度数转化为弧度的值，如图3中的B、C栏。 图3 对应的度数转化为弧度的值 根据推杆的位移线图中OA、BC、DE、AB、CD段的直线方程。可以计算出在一个周期内的每转过l0时对应点的OP的长度。 基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 7 页 共 31 页 在D1单元格中输入公式：30/3.1415926*C1+A1，如图4; 图4 D1单元格中输入公式 在D10单元格中输入公式：36/3.1415926*C10+12，如图5; 图5 D10单元格中输入公式 在D25单元格中输入公式：24/3.1415926*C25+68，如图6; 图6 D25单元格中输入公式 然后将
16、D1的公式复制到D2D6，在D7D9中均输入30，D10的公式复制到D11D12，在D13D24中均输入36，D25的公式复制到D26D36，最后结果如图7；最后根据(1)与(2)计算出相应点的XY轴坐标值，如图7中的E、F栏。 基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 8 页 共 31 页 图7 基于Excel的凸轮理论轮廓线坐标点计算 根据建模需要，可以在Z=0的平面内绘制凸轮理论轮廓，在计算出凸轮理论轮廓的36个离散点位置坐标后，可将X、Y、Z轴的坐标值保存为纯文本格式，SolidWorks打开数据文件时，软件会自动将前三列的数值作为X、Y、Z轴的坐标值，如图8所示： 基于Solid
17、works的凸轮设计与装配 第 9 页 共 31 页 图8 凸轮理论轮廓线坐标值的文本格式 4 凸轮三维实体造型 4.1 生成理论轮廓线 在SolidWorks环境中，曲线的绘制方式有多种，其中有一个命令是通过XYZ点的曲线，见插入-曲线-通过XYZ点的曲线，在出现的对话框中单击按钮，在下拉列表框中选择Text Files类型文件，如图9所示。找到“凸轮理论轮廓线坐标.txt”文件，单击按钮，坐标数据在表中显基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 10 页 共 31 页 示出来，如图10所示。 图9 凸轮理论轮廓线坐标文本文件 单击按钮，在图中将凸轮理论轮廓线曲线用样条曲线绘制出来，如图
18、11所示。 图10 通过凸轮理论轮廓点坐标生成理论轮廓曲线 基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 11 页 共 31 页 图11 凸轮理论轮廓曲线 4.2 绘制实际廓线 选择/命令，选择/命令，输入推杆滚子半径，将曲线装换成草图曲线12所示。 基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 12 页 共 31 页 图12 凸轮实际轮廓曲线 得到凸轮实际轮廓曲线，在原点处绘制凸轮轴孔，如图13所示。 基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 13 页 共 31 页 图13 凸轮轴孔绘制 4.3 凸轮三维实体造型 以距离5mm双向拉伸草图轮廓，得到凸轮三维实体，如图14所示。 图14凸轮
19、三维实体造型 单击【确定按钮，然后右键单击特征管理器中的拉伸特征，左键单击打开特征属性对话框，单击按钮打开实体属性对话框，单击按基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 14 页 共 31 页 钮，选择相应的颜色后，单击按钮即可，如图15所示。 图15凸轮三维实体 5 滚子、推杆、支架和底座造型 5.1 滚子三维实体造型 滚子半径Rg=5mm，材质设置为“普通碳钢”，滚子草图如图16所示。以距离2mm双向拉伸草图轮廓，得到滚子三维实体，如图17所示。最后将滚子的颜色设置为红色，如图18所示。 基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 15 页 共 31 页 图16 滚子草图 图17 滚
20、子三维实体造型 基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 16 页 共 31 页 图18 滚子三维实体 5.2 推杆三维实体造型 推杆的材质设置为“普通碳钢”，三维实体造型过程如图19-1图19-9所示。最后通过设置特征属性将实体颜色改为青色。 图19-1 推杆草图1 基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 17 页 共 31 页 图19-2推杆拉伸1 图19-3 推杆草图2 基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 18 页 共 31 页 图19-4推杆拉伸2 图19-5 推杆草图3 基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 19 页 共 31 页 图19-6 推杆拉伸3
21、图19-7 推杆草图4 基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 20 页 共 31 页 图19-8 推杆拉伸4 图19-9 推杆三维实体 基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 21 页 共 31 页 5.3 底座三维实体造型 底座的材质设置为“普通碳钢”，实体颜色设置为蓝色。底座三维实体如图20所示。底座的轴孔半径与凸轮的轴孔半径相等7.5mm，同时注意镜向特征时基准面1的插入。 图20 底座三维实体 基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 22 页 共 31 页 图21 基准面1的插入 5.4 支架三维实体造型 支架的材质设置为“普通碳钢”，三维实体造型过程如图22-1图
22、22-9所示。最后通过设置特征属性将实体颜色改为绿色。 图22-1 支架草图1 基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 23 页 共 31 页 图22-2 支架拉伸1 图22-3 支架草图2 基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 24 页 共 31 页 图22-4 支架拉伸2 图22-5 支架草图3 基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 25 页 共 31 页 图22-6 支架拉伸3 图22-7 支架草图4 基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 26 页 共 31 页 图22-8 支架拉伸4 图22-9 支架实体造型 基于Solidworks的凸轮设计与装配 第
23、27 页 共 31 页 6 装配体 6.1 装配体绘制与干涉检查 装配体是由若干个零件所组成的部件，它表达部件的工作原理和装配关系，在进行设计、装配、调整、检验、安装、实用和维修过程中都是非常重要的。在Solidworks中可以在零件与零件之间、零件与子装配之间、同轴配合、垂直配合、平行配合、距离配合、角度配合等。本设计的装配体如图23所示。 图23 凸轮机构的装配体图 基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 28 页 共 31 页 零件装配好以后，要进行装配体的干涉检查，以便确定装配体中各零件之间是否存在实体边界冲突、冲突发生在何处，进而为消除冲突做好准备。选择/菜单，可以打开“干涉检
24、查”属性面板。在“所选零部件”列表中系统默认是窗口内的整个装配体。单击“计算”按钮，进行干涉检查，如图24所示。 图24 “干涉检查”属性面板 基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 29 页 共 31 页 6.2 装配体的爆炸视图 装配体的爆炸视图可以分离其中的零部件以便查看这个装配体。装配体爆炸后，不能给装配体添加配合。一个爆炸视图包括一个或多个爆炸步骤。每一个爆炸视图保存在所生成的装配体配置中。每一个配置都可以有一个爆炸视图。选择/菜单，则出现“爆炸”属性面板。进行相应的操作，可得装配体爆炸结果，如图25所示。 图25装配体爆炸结果 基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 3
25、0 页 共 31 页 结 论 本次毕业设计综合了大学里所学的知识，是理论与实践相结合的一个成果。由于专业知识有限，在设计过程中遇到的问题主要通过老师的讲解，同学们的讨论以及查阅资料来解决。通过毕业设计，我对课本理论知识有了更深刻的理解，同时，我的看书绘图能力也有了较大的提高。这为我以后的工作打下了良好的基础。 致 谢 本次设计是在指导老师的大力帮助下完成的，非常感谢老师的督促和耐心指导，通过这段时间与朱老师的悉心交流我在思想上也得到了升华，看到了朱老师对很多事物十分独特的见地，这些都使我受益匪浅，在此，感激之情不言于表却铭记在心。 同时，我也深深感谢大学四年教我们课的所有专业课老师，也正是他们
26、的思维方式以及做学问的态度使我受到了巨大的熏陶，在此向他们表示衷心的感谢！ 再次感谢老师们的教育与帮助！ 参 考 文 献 1 张晋西，郭学琴.SolidWorks及COSMOSMotion机械仿真设计.第1版.北京：清华大学出版社，2007 2 李启炎，李光耀，郑风，杨丽，杨勇生，夏燕.SolidWorks三维设计教程.第1版.上海：同济大学出版社，2005 3 博嘉科技，隆飞，李珺.SolidWorks设计与应用.北京:电子工业出版社，2004 4 东南大学机械学学科组，郑文纬，吴克坚.机械原理.北京:高等教育出版社，2007 5 Ease of Use Hallmark of Solidw
27、orks 2000. 作者：L.K. 刊名：基于Solidworks的凸轮设计与装配 第 31 页 共 31 页 Welding Design & Fabrication 出版日期：2000 期号：No.10 卷号：Vol.73 6 CAMWorks 2001 released in the UK 刊名：Metalworking Production 出版日期：2001 期号：NO.9 卷号：Vol.145 7 Midrange CAM assists advanced machining 作者：Alan Christman 刊名：Machine Design 出版日期：2005 期号：NO.
28、20 卷号：Vol.77 Title The Design and Assembly of Cam Based on Solidworks Abstract Cam is widely used in industry. As the requirements of usage is determined under the type of cam mechanism,the basic parameters and the follower motion, we can strike for the design of cam profile. Because the process of
29、design is complex, the design is less precise, and the design results can not be directly applied to the cam machining, the traditional methods of cam design (mainly mapping and analysis Law), have become increasingly unable to meet the current fast and accurate design of the cam and meet the basic
30、requirements of NC; using Solidworks technical methods to replace the traditional cam design can greatly shorten the design cycle, improve design quality and meet the objective need of cam machining. So it is a cam design trend. This paper presents a theory of using Excel tool to generate the data o
31、f the theoretical contour points of cam, in the environment of Solidworks directly using of 3D point data to contour out cam theoretical curve with spline drawing, next by the relevant commands obtaining cam curve, and then completing the three-dimensional modeling of the matrix cam by the tensile characteristics. Keywords Solidworks Cam Theoretical contour Three-dimensional modeling Assembly
