基于Pro/ENGINEER的高精度盘形凸轮造型设计

肖苏华

（广州城市职业学院机电工程系，广东广州 510405）

基于Pro/ENGINEER的高精度盘形凸轮造型设计

肖苏华

（广州城市职业学院机电工程系，广东广州 510405）

凸轮是广泛使用的传动机构，传动的图解法不能精确描述凸轮轮廓曲线。选用Pro/E野火软件，依据从动件运动规律，通过方程精确建立曲线和图形基准，采用可变截面扫描指令和关系式，确定图形基准函数和凸轮轮廓的对应关系，设计出三维的凸轮实体零件。实践证明，该方法能实现凸轮的高效、高精设计，能广泛应用于实际生产中。

凸轮；高精度；可变截面扫描；曲线

0 引言

凸轮机构是由凸轮、从动件和机架三个构件所组成的一种最常见的传动机构之一。按照凸轮的形状分类，盘形凸轮是最常用的凸轮之一。对于凸轮机构来说，凸轮轮廓曲线设计的精确度是凸轮机构能否满足工作要求的关键[1-3]。凸轮轮廓曲线的设计方法主要有图解法和解析法，图解法简单直观，但由于作图误差较大，所以只适用于对推杆运动规律要求不太严格的地方[4]。实际上，随着三维CAD/CAM软件的成熟应用，凸轮的设计和制造已经普遍采用3D系统，相比于传动的反转法，在效率、精度方面有明显提高。

本文基于解析法原理来设计高精度盘形凸轮，第一步，根据给出的从动件运动规律，在Pro/ENGINEER野火软件（后统称Pro/E）中创建曲线方程；第二步，依据曲线创建图形模型基准特征；第三步，采用可变截面扫描特征，依据曲线轮廓图形模型基准、关系式来建立凸轮的三维模型。

1 凸轮从动件运动规律

凸轮转动和从动件位移示意图如图1所示。所示为一尖顶对心移动从动件盘形凸轮机构。凸轮的轮廓由AB、BC、CD及DA四段曲线组成，其中BC、DA两段是以凸轮回转轴心O为圆心的圆弧。凸轮回转轴心O与轮廓上任意一点的连线称为向径，以O为圆心，以凸轮的最小向径ro为半径所作的圆称为基圆，ro称为基圆半径。从动件与凸轮在A点接触时，凸轮上A点的向径最小，从动件处于最低位置。当凸轮以等角速度ω顺时针转动、从动件与凸轮在AB段接触时，凸轮的向径将由最小变为最大，从动件将由最低位置A被推到最高位置B，从动件的这一运动过程称为推程，而相应的凸轮转角δO称为推程运动角。凸轮继续转动，当从动件与凸轮在BC段接触时，由于凸轮的最大向径保持不变，因此从动件将处于最高位置而静止不动，这一过程称为远休止，与之相应的凸轮转角δs称为远休止角。而后，当从动件与凸轮在CD段接触时，凸轮的向径由最大变为最小，从动件由最高位置又回到最低位置，从动件的这一运动过程称为回程，相应的凸轮转角δ'O称为回程运动角。最后，当从动件与凸轮在DA段接触时，由于DA段凸轮的最小向径保持不变，因此从动件将处于最低位置而静止不动，这一过程称为近休止，与之相应的凸轮转角δ's称为近休止角。凸轮继续转动时，从动件又重复上述过程。从动件在推程或回程中移动的距离h称为从动件的行程[5]。

图1 凸轮转动和从动件位移示意图

2 采用Pro/ENGINEER曲线功能构建凸轮轮廓线

本文所构建的盘形凸轮从动件运动规律如表1所示。

表1 从动件运动规律

论文使用Pro/E构建三维高精度凸轮模型。在Pro/E新建的part零件文件中，插入基准曲线，从方程输入，输入以下方程：

方程中，h为从动件行程，a为中间变量，x，y为上升曲线坐标，t为Pro/E系统默认的变量，变量值为0～1，z=0表示平面的深度坐标。可以看出，x的变化范围为0～120，即为凸轮的上升转角值，y值简谐运动规律上升的推程值。通过方程，确定了从动件的推程位移轨迹曲线，如图2所示。

图2 从动件推程位移轨迹曲线

插入图形模型基准，在图1的方程曲线基础上，添加2段长度为60的线段，并进行镜像。处理，如图3所示，曲线即表示了当转角整圈360°圆周时，凸轮从动件的位移轨迹曲线。图3的角度和位移关系和表1相对应。

图3 从动件位移轨迹和凸轮转角关系图

3 可变截面扫描构建三维凸轮模型

首先采用拉伸指令构建一个直径为250，高度为32的圆柱体（轴线有通孔一个，直径为50）。然后采用可变截面扫描（VSS）指令进行凸轮的构建。VSS是Pro/E野火软件中功能非常强大的复杂曲面构建指令，所得到的实体或曲面特征，是以所选的原始轨迹作为截面的原点轨迹，以其他所选的轨迹链作为限制轨迹。在扫描时，沿着原始轨迹通过控制截面的方向、旋转和几何来添加或移除材料进行渐进扫描而得到的实体或曲面。本文中的原点轨迹为直径50的内圆，轨迹链为直径250的外圆。截面绘制一个矩形，矩形至内孔边界的值为sd6。通过Pro/E关系式，指定了sd6和图3的关系，如图4所示。

图4 可变界面扫描中关系式的应用

关 系 式 sd6=25+evalgraph("QUXIAN"，360*TRAJPAR)，evalgraph为图形基准函数，TRAJPAR为0-1变化的内置系统变量，这样，可以精密设计出凸轮的基圆和外部轮廓，如图5所示。

通过采用拉伸裁剪等步骤，将凸轮进行后期处理，如图6所示为最终的凸轮模型图。

4 结论

当今，采用三维设计软件进行凸轮的造型设计已经成为主流，本文选用Pro/E野火软件，依据从动件运动规律，通过构建方程曲线、图形基准，采用可变截面扫描指令和关系式，确定图形基准函数和凸轮轮廓的对应关系。实践证明，该方法能实现凸轮的高效、高精设计，能广泛应用于实际生产中。

图5 可变截面生成的凸轮效果图

图6 凸轮模型图

［1］周昇，赵灵.基于Pro/E的凸轮设计和优化［J］.制造业信息化，2013（1）：28-29.

［2］张策.机械原理与机械设计［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［3］吴国军.基于ADAMS与VC6.0的凸轮机构设计、仿真与自动编程［J］.机电工程技术，2013（7）：133-135.

［4］王东.基于Pro／E关系式的凸轮轮廓曲线精确设计［J］.机械设计，2010，27（8）：31-34.

［5］四川机电职业技术学院机械工程系.凸轮轮廓曲线的设计 ［EB/OL］.http：//www.scemi.com/jxky/gdf/zxxt⁃web/ch4-3.htm.

High Precision Disc Cam Design Based on Pro/ENGINEER

XIAO Su-hua
（Department of Mechanical and Electrical Engineering，Guangzhou City Polytechnic，Guangzhou510405，China）

The cam drive mechanism is widely used，but the drive can not accurately describ graphically cam profile.Optional software Pro/E wildfire，according to the movement of the follower，established by the equation curves and precise graphics benchmark，using a variable cross-section scanning instructions and relationship to determine the correspondence between the reference function and the cam profile graphics， design three-dimensional cam solid parts.Practice has proved that this method can achieve cam efficient，high-precision design，can be widely used in actual production.

cam；high precision；VSS；curve

TH122

：A

：1009－9492(2014)11－0062－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.017

肖苏华，男，1976年生，湖南邵阳人，博士，副教授。研究领域：逆向工程与CAD/CAM。已发表论文20篇。

(编辑：向 飞)

2014－05－29