冀晓红

(沈阳理工大学，沈阳 辽宁 110159)

1 引言

随着社会发展和科技进步，对各种机械的效率、精度、自动化程度要求越来越严格。为适应这种发展形势，作为自动机械常用部件的凸轮机构必须具有特性优良的凸轮曲线和高速、高精度性能。随着凸轮CAD/CAM软件技术的发展和数控技术的日益普及，为高速高精度凸轮机构的设计、制造和检测提供了有利条件。笔者采用Visual Basic 6.0和UG 6.0将设计界面可视化，完成凸轮机构的繁杂计算、图形绘制、机构运动分析、编制数控加工程序等功能。

2 数学模型建立

以直动平底从动件盘形凸轮机构的设计为例，进行设计分析描述［1］。图1为直动平底从动件盘形凸轮。

图1 直动平底从动件盘形凸轮

已知基圆半径R0、偏距e和从动件运动规律s=s(φ)。选取直角坐标系原点与凸轮回转中心O重合，y轴与从动件推程方向一致。

机构运动开始时推杆平底与凸轮轮廓线切与起始点B0。根据“反转法”原理，从动件随导路反转φ角后产生位移s，凸轮与从动件平底的接触点到达B点。此过程可以看作从动件平底与凸轮轮廓线接触点B0点绕O点反转φ角，到达基圆上B'点，再沿导路方向移动到B″点，然后再沿平底方向移动到B点，可用下述坐标旋转和平移变换来描述B点和B0点之间的关系［2］:

则从动件平底与凸轮轮廓切点B(x，y)的坐标可表达为:

式中:xBO=0，yBO=0，ss=s sinηφ，。代入式(2)并整理得平底直动从动件盘形凸轮机构凸轮廓线方程为:

3 Visual Basic和UG软件设计窗体

此软件建立的界面需由多个窗体组成，故采用多重窗体程序设计［3］。

3.1 设计过程流程图

软件实现其设计功能的结构流程如图2所示。

图2 设计结构流程图

3.2 建立列表窗体

点击进入VB 6.0的工作界面，选择新建窗体命令，完成窗体的建立，然后在窗体内添加需要的控件，完成凸轮机构的类型选择界面列表窗体的建立。如图3所示。

图3 凸轮机构的类型选择界面

3.3 建立设计窗体

(1)设计窗体分别为:直动滚子从动件盘形凸轮机构设计界面、直动平底从动件盘形凸轮机构设计界面、直动尖底从动件盘形凸轮机构设计界面、摆动滚子(尖顶)从动件盘形凸轮机构。点击进入相应类型的凸轮设计。

(2)编辑VB流程图，并根据流程图编写对象响应事件的程序代码［3］。如图4所示。

图4 VB 6.0内部程序流程图

(3)保存工程。

(4)测试应用程序(包括运行数据、结果和仿真程度)，找到并排除错误。

(5)创建可执行程序［4］。

(6)将VB中的数据导入UG中，在UG环境下对凸轮机构进行三维建模、运动仿真［5］。

4 设计示例及功能展示

已知:从动件的升距h=20 mm，导路偏距e=+10 mm，推程角φ1=120°，远休止角φ2=60°，回程角φ3=90°，近休止角φ4=90°。推程和回程都为五次多项式运动规律，基圆半径r0=30mm。

(1)双击tljg程序开始按钮，显示凸轮机构类型选择窗体，如图3所示。

(2)进入到图3所示界面后，单击所需设计的凸轮种类图标，即可进入主设计界面。点击直动尖顶从动件盘形凸轮机构设计界面，显示盘形凸轮机构设计窗体，如图5所示。设计界面中有凸轮的各种设计参数、输出参数以及各种控制按键。

图5 直动尖顶从动件盘形凸轮机构设计界面

(3)在参数区内输入已知参数，选择从动件运动规律，单击运行按钮，显示不同偏置系数的最大压力角αmax，并生成凸轮轮廓曲线的数据点集，为下面凸轮的三维建模做好数据准备。如图6所示。

图6 直动尖顶从动件盘形凸轮机构运动数据分析界面

(4)运动仿真。单击运动仿真图标，启动运动仿真分析过程。运动学分析是按输入的时间和步数进行分析，如时间设为120s，步数为360步。启动ADAMS解算器进行运动分析。运动分析完成后，运动仿真对话框自动弹出，选择播放或单步来进行运动仿真，输出凸轮机构运动曲线图。如图7所示。

图7 直动尖顶从动件盘形凸轮机构运动曲线分析界面

(5)把VB 6.0中的点文件导入到UG 6.0中。首先对文件进行格式调整，使用记事本打开dat文件，采用空格符代替原有的“，”，具体操作如图8所示。

图8 点集的格式修改操作界面

(6)进入UG 6.0后，新建文件，单击开始，进入建模环境。单击“插入-曲线-样条”命令，之后选择“通过点-文件中的点-并选择文件”。对已经连接完成的封闭曲线进行拉伸操作完成三维模型的建立:在工具条中单击拉伸命令，在弹出窗口内输入需要拉伸的距离，并在选择意图窗口内选择已连接曲线，全部完成后点击应用命令，完成拉伸操作。

(7)在UG环境下，完成凸轮机构各个部件的三维建模及各个部件间的运动副连接，完成装配及约束的创建，三维建模完成。如图9所示。

图9 凸轮机构三维模型建立

(8)在工具条中，用鼠标单击动画命令，选择静力/动力分析，时间为10，步数为1000步，单击应用命令，完成运动模拟仿真。如图10所示。

图10 凸轮机构三维运动仿真

5 结论

(1)本设计运用VB 6.0编程，软件可以生成可视化界面，动态输入凸轮设计参数，进行凸轮廓线设计、运动分析和运动仿真。得到的数据可存储，使结果运行可行性加强，为在以后的加工或生产提供有效的数据参数和设计思路。

(2)利用UG进行运动仿真，输入和输出的信息在图形区域显示出来，不仅可以直观考察凸轮机构是否满足设计要求，而且可在界面上修改设计参数来满足设计要求。

(3)此软件具有参数优化功能。当动力结果不满足设计要求时，例如，当最大压力角αmax≥［α］时，系统会自动增大基圆半径，重新设计凸轮廓线和运动仿真。

［1］ 申永胜.机械原理教程［M］.北京:清华大学出版社，1999.

［2］ 孙 桓，陈作模，葛文杰.机械原理［M］.第七版.北京:高等教育出版社，2006.

［3］ 杨 晶.VB6.0程序设计教程与实训［M］.北京:科学出版社，2006.

［4］ 李学志.Visual LISP程序设计［M］.北京:清华大学出版社，2006.

［5］ 张黎骅.UG NX6.0计算机辅助设计与制造实用教程［M］.北京:北京大学出版社，2009.