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1、 产品设计与虚拟样机 2013-11-26尖端摆动从动件凸轮机构设计北京航空航天大学 机械工程及自动化学院 （北京 100191）摘 要摆动从动件凸轮机构的设计通常采用的方法为反转法。在ADAMS中对凸轮机构的设计，需要对从动件添加运动规律函数，通过从动件与凸轮接触点位移曲线求解出凸轮轮廓曲线，再拉伸得到凸轮；而对于摆动件凸轮，若摆杆采用直杆，在仿真过程中，摆杆会与凸轮相交，因此摆杆设计为曲形，这样保证摆杆与凸轮接触基本是同一点接触且不会存在相交干涉，若依旧采用直杆作为摆杆，由于接触点是变动的，接触点曲线法不能得出凸轮的正确轮廓，应该在从动件上添加一条标志曲线，通过运动过程中标志曲线的包络线来
2、得到凸轮轮廓，然后再获得凸轮。关键词： 摆动从动件凸轮机构；ADAMS；接触点；凸轮轮廓曲线；标志曲线目录1 摆动从动件凸轮机构设计要求11.1 题目设计要求11.2 题目分析12 建立虚拟样机模型22.1 设置工作空间及网格参数22.2 创建摆杆模型22.2.1 创建R100mm及R200圆曲线22.2.2 Boolean减运算得到摆杆32.3 创建凸轮模型42.4 创建凸轮副及驱动角速度42.4.1 创建Marker点42.4.2 创建凸轮副52.4.3 添加驱动角速度62.5 检查模型63 仿真与后处理73.1 仿真模型73.2 测试与后处理73.3 结果分析114 结束语12参考文献:
3、131 摆动从动件凸轮机构设计要求1.1 题目设计要求试设计如图0.1所示的尖端摆动从动件凸轮机构。已知摆杆在起始位置时垂直于，凸轮以等角速度逆时针转动。摆动从动件的运动规律为式中，表示时间。AOr0B图1 斜面机构1.2 仿真思路对于摆动杆凸轮的设计，由于接触点随着凸轮运动而在摆杆上变动位置，采用直动杆凸轮的设计时的接触点曲线法得到的凸轮轮廓就不准确。这时应该采用接触线包络线法，在摆杆上添加接触线，通过运动过程中接触线的包络曲线，得到凸轮轮廓曲线。这样的凸轮才能满足摆杆的实际运动特点，即摆杆与凸轮轮廓相切。2 建立虚拟样机模型2.1 初始参数设置2.1.1 工作空间及网格设置根据题目数据条件
4、，可直接采用系统预设的工作空间及网格设置，操作步骤如下图所示。abcd图2 工作空间及网格设定过程及结果2.1.2 单位设置根据题目数据要求，采用合适的单位，单位设置过程如下所示：abcd图3 单位设置过程及结果2.2 创建摆杆凸轮模型在（80,40）位置创建Mark点，操作过程如下图所示：ab图4 Mark点创建创建长为80mm摆杆，操作过程如下所示abc图5 摆杆的创建添加转动副，操作过程如下图所示：abcd图6 转动副的添加创建凸轮的板，如下图所示，ab图7 创建凸轮板同时如图6所示的方法加上转动副，结果图如下图8 凸轮板添加旋转副2.3 添加运动规律函数对凸轮板转动副添加驱动角速度，其
5、值为。则摆杆运动的时间范围分别为(0，6)s、(6，11)s、(11，12)s，时间节点为6s和11s。abc图9 凸轮板角速度的添加对摆杆转动副添加驱动角速度，添加过程和图9一样，对角速度值使用IF函数。由于IF函数只能表示一个时间节点下的运动规律，而本题中摆杆的摆角规律有2个时间节点，经过思考，我发现可以用IF函数嵌套来实现多个节点的IF函数表达。将凸轮等角速度的值带入公式，可以得出摆杆转动副的驱动规律可表达为IF(time-11:IF(time-6:-30d*(time/6-sin(60*time)/(2*180),-30d,-30d*(11-time)/5+sin(72*time-12
6、*36)/(2*180),0,0)具体过程如下图所示：abcedgf图10 从动件驱动值的修改2.4 建立凸轮（从动件为无干涉曲杆）对创建好的模型进行运动仿真，仿真时间为12s，步长设定为500。仿真完成后依次选择工具栏选项Review-Create Trace Spline，并选中摆杆接触点和凸轮板，得到轮廓曲线。凸轮的轮廓线如下图所示图11 凸轮轮廓线图将轮廓线拉伸成凸轮实体，同时删除之前的凸轮板。abcdef图12 拉伸凸轮过程图13 凸轮板删除过程删除凸轮板和摆杆驱动规律。在摆杆和凸轮之间添加凸轮副，得到凸轮机构的模型。abcd图14 凸轮副添加过程建立测量曲线，测量从动杆随凸轮运动的
7、摆角曲线，得到如下结果。图15 从动杆摆角曲线从上图中可以看出，摆杆运动的角度符合题目中给定的要求。但是在运动过程中，发现摆杆为直杆情况下，接触点始终与凸轮轮廓保持接触，这就导致摆杆在运动过程中出现与凸轮体相交的情况。因此，对于摆动件凸轮，若摆杆采用直杆，在仿真过程中，摆杆会与凸轮相交，摆杆设计为曲形，这样保证摆杆与凸轮接触基本是同一点接触且不会存在相交干涉；若依旧采用直杆作为摆杆，由于接触点是变动的，接触点曲线法不能得出凸轮的正确轮廓，应该在从动件上添加一条标志曲线，通过运动过程中标志曲线的包络线来得到凸轮轮廓，然后再获得凸轮。2.5 检查模型完成建模后，进行如下图所示的操作。图中显示建模成功。图12 检查模型过程图通过图12可以看出，该模型具有2个固定件，1个运动副,6个自由度。这是因为球体与斜面之间的接触副只起到限制球体运动方向的作用，并不能约束球体的自由度，因此该模型仍有6个自由度。球体在垂直屏幕方向不受其他作用力，仅在平行屏幕方向上进行运动，因此模型检查成功。11参考文献:【1】 郭卫东. 虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程 M . 北京:北京航空航天大学出版社, 2009年2月.
