基于Auto LISP与Pro/E的凸轮机构建模与仿真

李雪军 李 林

（衡阳财经工业职业技术学院，湖南 衡阳 421002）

引 言

Auto LISP是由Autodesk公司开发的一种LISP程序语言(LISP是List Processor的缩写)。Auto LISP语言作为嵌入在AutoCAD内部的具有智能特点的编程语言，通过Auto LISP编程，可对AutoCAD进行二次开发，使得AutoCAD通常无法完成的或较为复杂的绘图也变得简单。

Pro/Engineer是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。本文利用Auto LISP编程功能，在AutoCAD可绘制出复杂的凸轮轮廓曲线，再把该曲线文件导入Pro/Engineer中，借助Pro/Engineer强大的三维建模功能和仿真模块，仿真凸轮机构的运动状态，对凸轮机构进行运动学分析，分析其位移、速度、加速度等运动参数并进行优化设计。

1 利用Auto LISP编程在AutoCAD中绘制简谐运动规律凸轮轮廓曲线

1.1 Auto LISP编程

简谐运动规律凸轮轮廓曲线比较复杂，AutoCAD中一般是绘制不出来的，必须利用 Auto LISP编程，然后在AutoCAD中装载该程序，程序运行后并可自动获得凸轮轮廓曲线。

简谐运动规律（又余弦加速度运动）凸轮机构运动的特点是它的加速度正比于其位移，而方向相反。

S=(h/2)*(1-cosθ)

θ=π* (δ/δ0)

推程时推杆的运动方程为：

位移方程：S=(h/2)*[1-cos(π* (δ/δ0))]；

速度方程：v=(πhω/2δ0)*sin(π* (δ/δ0))；

加速度方程：а=(π2hω2/2δ02)*cos(π* (δ/δ0))；

回程时推杆的运动方程为：

位移方程：S=(h/2)*[1+cos(π* (δ/δˊ0))]；

速度方程： v=-(πhω/2δˊ0)*sin(π* (δ/δˊ0))；

加速度方程：а=-(π2hω2/2δ02)*cos(π* (δ/δˊ0))；

设 h=35, r=50, 0。～130。推程, 130。～190。远程休止，190。～320。回程，320。～360。近程休止。

Auto LISP程序清单如下(用auto LISP绘制简谐运动规律的凸轮轮廓线)：

在AutoCAD 2008中，打开菜单【工具】【/AutoLISP(I )】/【Visual LISP编辑器（V）】窗口，在Visual LISP编辑窗口中输入Auto LISP源程序，然后检查程序编写的正确性，检查无误后保存文件，加载该程序，并在Visual LISP控制台中输入函数c：outline，再进入AutoCAD的命令窗口输入outline,就可以在AutoCAD中画出要画的凸轮轮廓曲线，如图1所示。并把仅把凸轮轮廓曲线保存为cam.dxf文件。

图1

1.2 在Pro/E中创建凸轮的三维模型

（1）运行Pro/，在Pro/E中，打开【文件】/【新建】，在弹出的对话框中选择【零件】、【实体】，在名称栏内输入cam,不选中使用缺省模板，在新文件选项中选用mns_part_solid为模板，单击【确定】，进入Pro/E三维建模环境。接着再选择菜单栏【插入】/【共享数据】/【自文件】，选择在 AutoCAD中画出并保存的 cam.dxf文件，再选择Pro/E三维建模环境中的坐标系。结果如图2所示。

（2）根据凸轮的几何尺寸，利用 Pro/E强大的三维建模功能，创建好凸轮的三维模型，如图3所示。

图2

图3

图 4

2 凸轮机构运动仿真

2.1 凸轮机构的装配

机构装配是机构运动仿真的前提条件，装配关系的正确与否直接影响着运动仿真的结果。在Pro/E中，打开【文件】/【新建】，在弹出的对话框中选择【组件】、【设计】，在名称栏内输入asmcam,不选中使用缺省模板，在新文件选项中选用mns_asm_design为模板，单击【确定】，进入Pro/E机构装配环境。接着按照机构装配法则和各构件间的运动副相应的约束规则，把各构件进行正确的连接，结果如图4所示。

2.2 凸轮机构运动仿真

在凸轮机构装配完成后就可以进行机构的运动仿真设置了。首先单击【应用程序】/【机构】进入运动仿真设置环境，首先向模型中添加伺服电动机，单击【伺服电动机】按钮，打开【伺服电动机定义】对话框，在【类型】选项卡中【从动图元】选择【运动轴】，并选择凸轮回转中心线作为连接伺服电动机人轴；在【轮廓】选项卡中【规范】组框中选择“速度”，【初始位置】选择“当前”，【模】选择“常数”，【A】框中输入伺服电动机的转速为36，【图形】√选“位置”、“速度”、“加速度”和“在单独图形中”，对话框内容设置好后，单击“确定”。接着就可以执行运动分析，单击【机构分析】，打开【分析定义】对话框，在【名称】栏内自动填写（如AnalysisDefinition9），在【类型】栏内选择“位置”，确定凸轮运动的开始时间为0，中止时间为10，初始位置选择“当前”，其他选项默认系统设置，单击【运行】按钮，就可以看到凸轮机构的运动情形，单击点拖动工具，就可以拍下机构在某个位置时的快照。对于运动仿真的过程，还可以进行回放，并制成多媒体动画视频文件，在其他视频播放软件中播放。

2.3 凸轮机构运动结果分析

选择运动学分析类型，单击运行按钮可以观察凸轮机构的运动情况。单击【测量】按钮，系统弹出【测量结果】对话框，在【图形类型】栏内选择“测量与时间”，在【测量】栏内新建三个测量 measure1、 measure2、measure3，分别对应“推杆顶点位移”、“推杆顶点速度”、“推杆顶点加速度”，并按【测量定义】对话框的要求一一设置好，这样就可以得到分析结果了。下面图5是推杆顶点位移曲线、图6是速度曲线、图7是加速度曲线，它们都与理论计算值一致，说明仿真正确。

图 5

图 6

图 7

3 结论

本文使用Auto LISP与Pro/E软件联合建立了凸轮机构的三维模型，并应用 Pro/E软件的机构模块（Mechanics）完成了运动学分析和仿真。通过对凸轮机构的运动分析可以研究其上各点的轨迹、位移、速度、加速度等运动参数，不仅可以评价从动件的运动规律是否满足工作要求，机构是否发生运动干涉，而且还可以通过仿真方案，修改凸轮的曲线参数来改变从动件的运动规律。通过改变更新装配主模型达到对机构进行优化设计，为凸轮机构的研究、设计和生产提供一种全新而可靠的方法。

[1]郭剑峰,陈杉,王宁.用 Visual Lisp 开发AutoCAD 2000 应用程序[M].北京：人民邮电出版社,2000.

[2]曹云鹏.基于Pro/E二次开发技术的凸轮零件设计[D].北京：华北电力大学,2006.

[3]代明,张文信.凸轮机构的运动仿真设计[J].机电产品开发与创新,2006,(1)：75-76.

[4]闫向彤..基于Pro/E的凸轮机构的三维建模和运动仿真[J].组合机床与自动化加工技术,2009,(7)：11-15.

[5]陈云召,王豪.基于Pro/E的凸轮机构的设计仿真及运动分析[J],机械工程师,2010,(9)：33-34.

[6]白秀娟,叶蓓蓓.基于Pro/E的凸轮机构的运动仿真设计[J],机械工程自动化,2009,(6)：184-185.

[7]肖乾,周新建.基于Pro/E的凸轮机构的设计与运动仿真分析[J],煤矿机械,2006,(8)：76-78.

[8]林清安.Pro/E零件设计高级篇(下)[M].北京：北京大学出版社,2000.