基于Solidworks的平面凸轮机构参数化设计

张自强， 王 丽， 王国君， 王立靖

（1.长春工业大学工程训练中心，吉林长春 130012；2.吉林省石油集团有限责任公司供电公司，吉林松原 138000）

0 引 言

随着机械设计与制造技术的不断发展，凸轮机构作为控制机构在机械中有着重要的应用。另一方面，随着计算机的发展，凸轮机构的计算机辅助设计和制造已被熟练地应用，不仅提高了设计速度和加工质量，也为凸轮机构的进一步应用创造了条件。

文中基于SolidWorks2010三维设计软件平台，考虑产品总体设计需要，研究平面凸轮机构二次开发技术。以Visual Basic 6.0为开发工具设计操作界面，通过调用SolidWorks API接口［1］函数完成机构各组成元件的参数化设计。该系统开发的平面凸轮机构CAD系统［2］可以直接对三维设计软件SolidWorks2010进行智能驱动，进而实现平面凸轮机构三维模型的整体设计。

该平面凸轮机构操作系统可以实现多种从动件类型及从动件不同运动规律的组合，例如：尖端从动件的直动和摆动、滚子从动件的直动和摆动等。根据相应参数进行计算，最终自动生成凸轮三维模型、凸轮运动曲线、凸轮轮廓曲线并显示运动仿真结果。

1 平面凸轮机构设计思路及方法

1.1 平面凸轮机构的组成

凸轮机构是由凸轮、从动件和机架3部分组成，其结构形式主要取决于凸轮和从动件。凸轮机构可以将主动件凸轮的等速连续转动变换为从动件的往复直线运动或绕某定点的摆动，并依靠凸轮轮廓曲线准确实现所要求的运动规律。

1.2 平面凸轮机构各参数

一对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构如图1所示。

图中，以凸轮回转中心为圆心，以最小半径为半径所作的圆称为凸轮的基圆。凸轮的轮廓由AB，BC，CD及DA四段曲线组成。凸轮在运动过程中，经过推程、远休止、回程、近休止4个过程。与之相对应的凸轮转角分别称为推程运动角、远休止角、回程运动角及近休止角。在运动过程中，推杆移动的距离h为推杆的行程。各参数符号见表1。

表1 凸轮各参数符号

2 系统方案设计

平面凸轮机构CAD系统主要是以平面凸轮机构的设计原理为基础，以三维设计软件Solid-Works2010作为整体系统的开发平台，以Visual Basic［3］作为开发工具，将三者合为一体，实现平面凸轮机构的整体设计。

2.1 机构参数化设计

机构参数化设计［4］是基于机构各组成零件参数化设计，通过添加相应约束进行自动装配。机构参数化设计主要分为以下3种方法：1）基于几何约束的数学方法；2）基于几何原理的人工智能方法；3）基于特征模型的造型方法。通常，凸轮机构参数化设计需要提供凸轮具体参数，根据用户的需求设计参数，采用VB编程建立专用的凸轮设计计算模块。对零件参数化设计的方式采用设计变量与计算参数相结合的方式，即以Solid－Works2010环境中建立的典型三维结构模型为基础，用设计变量作为VB程序与三维模型的联系纽带。综上所述，建立平面凸轮机构总体方案如图2所示。

图2 总体方案结构

2.2 系统界面设计

平面凸轮机构CAD系统界面设计［5］力求简洁美观、操作方便。按照该系统要求将其界面划分为3个区域，其操作界面如图3所示。

图3 系统界面

凸轮标准模型显示区域：该模块为VB编辑平台上图片显示框，根据平面凸轮的从动件类型和凸轮的运动来确定凸轮系统的基本结构，并在该模块中显示相应的模型图片。

凸轮机构基本参数输入区域：该区域包含4个部分，分别为运动形式选择部分、凸轮参数输入部分、运行参数输入部分、参数输入校核部分。该模块在系统操作界面上添加了下拉菜单按钮、文本框、标签等操作，来实现凸轮基本参数的选择及输入。

凸轮机构结果显示区域：该模块采用多页选择框的形式来对运算结果进行预览，共计有5个分页，分别为结构模型、运动曲线、轮廓曲线、3D模型和模拟仿真动画。

2.3 SolidWorks API接口设计

SolidWorks的API应用程序接口［6］是一个基于ActiveX Automation的编程接口，其中包含数百个可从VB，VBA，C，C＋＋或SolidWorks宏文件调用的函数。为了提高SolidWorks的使用效率和满足某些特殊功能，文中主要介绍采用支持ActiveX技术的编程语言VB对SolidWorks进行二次开发的基本原理和方法。

SolidWorks支持ActiveX Automation技术，在VB环境下建立的客户程序可直接访问Solid－Works中的对象。

VB和SolidWorks的接口程序如下：

3 凸轮模型的构建及仿真

3.1 凸轮基本参数输入

应用平面凸轮机构CAD系统［7］建立凸轮的实际模型，根据凸轮机构的反转法原理设定参数，在系统操作界面上对凸轮机构的基本参数进行设定，并将每个参数值赋给程序中设定好的参数变量。凸轮机构基本参数见表2。

表2 凸轮机构的基本参数

平面凸轮机构涉及到数据处理问题，必须根据传统凸轮的计算方法、运算过程等，将所有的数据编写成VB语言程序。这些数据包括设计数据、表格、线图以及标准范围等。其中设计数据通常是指设计时给定的已知条件和工作参数。表格、线图及标准规范指在进行工程设计计算时需要检索的有关图表和数据，应将它们以恰当的方式存入计算机。完成参数的输入后，根据设定好的参数便可实现凸轮模型的构建。

3.2 凸轮从动件运动曲线绘制

在VB中绘制凸轮从动件运动曲线［8］，利用VB语言中自带的绘图功能在VB界面下进行绘制，将凸轮运动曲线的传统算法用VB语言表达出来。凸轮运动曲线分为位移运动曲线、速度运动曲线、加速度运动曲线。在VB中采用描点法绘制，假设凸轮每转一度视为一点，代入以转角为自变量、位移为输出变量的公式，记录这一点的数值，则凸轮旋转一周后输出一个含有360个点数值的数组，应用VB自带的绘图工具并根据这个数组进行曲线的绘制。X轴表示转过的角度，Y轴表示位移，进行描点绘制曲线，如图4所示。

3.3 凸轮轮廓曲线绘制

凸轮轮廓曲线是应用VB绘图功能在VB界面绘制出凸轮的轮廓线。以滚子直动从动件凸轮机构为例，根据从动件运动规律计算的凸轮轮廓曲线公式为：

式中：e——偏距；

δ——凸轮转过角度；

由式（1）得出，一组关于X，Y坐标的数组，根据该数组，通过曲线拟合绘制凸轮的轮廓曲线，如图5所示。

图4 凸轮运动曲线图

图5 轮廓曲线图

3.4 三维模型建立

平面凸轮机构三维模型的建立是应用Solid-Works API接口将VB程序数据传输给Solid－Works三维设计软件中，通过尺寸驱动的方式来实现三维模型［9］建立。主要有以下6个步骤：

1）建立VB和SolidWorks通信接口，统一设置程序和模型的结构尺寸变量；

2）平面凸轮三维模型建立，应用SolidWorks三维软件中宏设计功能将凸轮轮廓上对应点的坐标导入SolidWorks中，再生成凸轮模型；

3）在SolidWorks中建立凸轮从动件、铰链、固定件的模型；

4）对模型的结构尺寸标注进行变量命名；

5）传递相关参数到SolidWorks中重建凸轮从动件模型；

6）应用edrawings在VB中进行模型预览。

几何造型必须满足模型尺寸完全约束的要求，保证通过参数驱动模型重建时的准确性。初始几何模型的建立需按照一定的规则进行处理，以符合参数化设计的要求。另外，在造型过程中，SolidWorks系统为标注的尺寸设置了默认的尺寸名称，并且对于不同的特征尺寸可以重复，但特征名称不同。

尺寸的主要值分为两部分，一部分为该尺寸线的名称，另一部分为尺寸的数值。尺寸驱动是将设计人员输入的参数和计算出的参数赋给对应的尺寸，进而更新模型中的尺寸，如图6所示。

图6 滚子摆动摆杆

3.5 模型预览

模型的预览应用SolidWorks的第三方插件——edrawings［10］，并将edrawings的部分功能集成到VB界面上。通过edrawings在VB界面即可实现三维模型的预览功能，并且可以使模型平移、局部、缩放、翻转、全屏和复位等。在VB中引用edrawings类型库后会在工具箱中出现一个edrawings的图标，如图7所示。

图7 edrawings在工具栏里出现图标

edrawings插入VB界面，如图8所示。

图8 VB操作界面

3.6 凸轮机构的仿真模拟

凸轮机构的仿真模拟包括其外形仿真、操作仿真、运动仿真［11］。文中利用VB技术，对Solid－Works进行二次开发，生成动态链接库，在运行SolidWorks时加载动态链接库，以上的装配、运动等操作就会出现在SolidWorks菜单上。使用系统界面作为操控平台，生成并保存三维凸轮模型，调试系统的应用程序并运行。

在系统中，给凸轮结构加上一定的约束条件，再给凸轮加上动力如电机，使其旋转，模拟出凸轮机构真实的运动情况。仿真模拟［12］操作界面如图9所示。

图9 尖端直动凸轮仿真模拟操作界面

4 结 语

凸轮机构的轮廓曲线较为复杂，设计与加工均比较困难。文中基于SolidWorks软件系统对平面凸轮机构进行参数化设计，并以Visual Basic 6.0为开发工具设计操作界面，其功能丰富，操作简单，界面清晰简洁，实现了人机对话、凸轮机构设计自动化、三维建模自动化，节省了在传统凸轮设计中手工计算所需时间，其提供的精准轮廓曲线数据保证了设计质量，对提高凸轮设计的效率具有重要意义。

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