基于EXCEL和SolidWorks设计凸轮轮廓及运动学分析

0 引言

    中的COSMOS/Motion插件是一个虚拟原型机仿真工具，能够帮助设计人员在设计前期判断设计是否能达到预期目标，可以根据表格数据或输入诸如STEP等函数的方式来创建凸轮轮廓。可以通过运动驱动从动件，利用反向的操作，由从动件的运动生成凸轮轮廓。本文中将以对心尖顶直动从动件盘形凸轮为载体，根据输入从动件的一组位移数据来生成凸轮的轮廓。为了生成这个凸轮，研究解决3个关键问题:定义从动件的运动;生成跟踪路径;将曲线作为草图输出并生成实体造型。由得到的凸轮轮廓，利用进行运行仿真，输出运动轮廓位移曲线，将得到位移曲线和EXCEL中生成位移曲线进行对比，由此分析为凸轮轮廓设计另辟蹊径。

1 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。设计一个对心顶尖推动盘形凸轮的实际轮廓线。凸轮的轮廓形状决定了从动件的运动轨迹，反之，从动件的不同运动轨迹也要求凸轮具有不同形状的轮廓。当从动件运动过程分为“升-停-升- 降-停-降”，在实际生产加工中，往往不知道精确的凸轮轮廓线方程，只能得到一些离散点。为了得到满足运动规律的数据点，可以运用Akima插值法获得离散点，关于数据点获得本文将不做赘述。

    在Excel中获取曲线点，文件名为“tlsr.xls”。在Excel中，定义了从动件3s内位移变化趋势，以0.03s为时间间隔，可以看到一个101行，2列的数据，其中A、B列中的数据分别就是对应凸轮轮廓线时间、位移值。也就是定义了凸轮从动件直角坐标系中的Z 坐标及F 坐标，Excel中的数据格式如图1所示。再利用EXCEL强大数据处理功能生成从动件运动曲线，如图2所示。

    图1 Excel中的数据格式

2 凸轮轮廓曲线的绘制

    在中打开绘制完成的凸轮的部件及一个从动件，当凸轮部件旋转360°时，从动件的运动由路径轮廓指定，以便生成凸轮轮廓。首先添加一个旋转马达来驱动凸轮轴，给定速度为120°/s。这将保证每3 s转动凸轮一次；接下来定义一个驱动从动件的马达，在从动件的顶面定义一个线性马达，确保定义的方向如图3所示，选择【数据点】打开【函数编制程序】对话框。在【值(y)】中选择【位移】，在【自变量(X)】中选择【时间】，在【插值类型】中选择【Akima样条曲线】。

    单击【输入数据】选择文件“tlsr.csv”。这里要完成认可数据格式转换。添加引力，点击“引力”，选择“引力/Y轴负方向”。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“持续时间”设为3，“每秒帧数”设为100。单击“运行仿真”。仿真结束后，生成用于定义凸轮轮廓的跟踪路径，单击【结果和图解】，选择【位移/速度/加速度】和【跟踪路径】，跟踪从动件的的顶点，以凸轮部件上的曲面为参考零部件，显示跟踪路径。