虚拟样机Adams作业尖端摆动从动件凸轮机构设计.
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《产品设计与虚拟样机》
2013-11-26
尖端摆动从动件凸轮机构设计
北京航空航天大学机械工程及自动化学院（北京100191）
摘要
摆动从动件凸轮机构的设计通常采用的方法为反转法。
在ADAMS中对凸轮机构的设计，需要对从动件添加运动规律函数，通过从动件与凸轮接触点位移曲线求解出凸轮轮廓曲线，再拉伸得到凸轮；而对于摆动件凸轮，若摆杆采用直杆，在仿真过程中，摆杆会与凸轮相交，因此摆杆设计为曲形，这样保证摆杆与凸轮接触基本是同一点接触且不会存在相交干涉，若依旧采用直杆作为摆杆，由于接触点是变动的，接触点曲线法不能得出凸轮的正确轮廓，应该在从动件上添加一条标志曲线，通过运动过程中标志曲线的包络线来得到凸轮轮廓，然后再获得凸轮。
关键词：摆动从动件凸轮机构；ADAMS；接触点；凸轮轮廓曲线；标志曲线
目录
1 摆动从动件凸轮机构设计要求 (1)
1.1 题目设计要求 (1)
1.2 题目分析........................................................................ 错误！未定义书签。
2 建立虚拟样机模型 (2)
2.1 设置工作空间及网格参数 (2)
2.2 创建摆杆模型 (3)
2.2.1 创建R100mm及R200圆曲线............................ 错误！未定义书签。
2.2.2 Boolean减运算得到摆杆................................. 错误！未定义书签。
2.3 创建凸轮模型............................................................... 错误！未定义书签。
2.4 创建凸轮副及驱动角速度........................................... 错误！未定义书签。
2.4.1 创建Marker点.................................................. 错误！未定义书签。
2.4.2 创建凸轮副........................................................ 错误！未定义书签。
2.4.3 添加驱动角速度................................................ 错误！未定义书签。
2.5 检查模型....................................................................... 错误！未定义书签。
3 仿真与后处理.......................................................................... 错误！未定义书签。
3.1 仿真模型....................................................................... 错误！未定义书签。
3.2 测试与后处理............................................................... 错误！未定义书签。
3.3 结果分析....................................................................... 错误！未定义书签。
4 结束语...................................................................................... 错误！未定义书签。
参考文献: .. (12)
1 摆动从动件凸轮机构设计要求
1.1 题目设计要求
试设计如图0.1所示的尖端摆动从动件凸轮机构。
已知摆杆AB 在起始位置时垂直于OB ，mm l r OB O 40==，mm l AB 80=，凸轮以等角速度ω逆时针转动。
摆动从动件的运动规律为
()()()()
⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧≤≤≤≤⎥⎦⎤⎢⎣⎡-Φ+Φ--≤≤⎪⎭⎫ ⎝⎛Φ-Φ=
36033003301801802sin 21180118002sin 21''max max ϕϕϕππϕψϕϕππϕψψ 式中， 30max =ψ， 180=Φ， 150'=Φ，t ωϕ=，t 表示时间。
图1 斜面机构
1.2 仿真思路
对于摆动杆凸轮的设计，由于接触点随着凸轮运动而在摆杆上变动位置，采用直动杆凸轮的设计时的接触点曲线法得到的凸轮轮廓就不准确。
这时应该采用接触线包络线法，在摆杆上添加接触线，通过运动过程中接触线的包络曲线，得到凸轮轮廓曲线。
这样的凸轮才能满足摆杆的实际运动特点，即摆杆与凸轮轮廓
ψ A
ω
O
r 0 B
相切。
2 建立虚拟样机模型
2.1 初始参数设置
2.1.1 工作空间及网格设置
根据题目数据条件，可直接采用系统预设的工作空间及网格设置，操作步骤如下图所示。
a
b
c
d
图2 工作空间及网格设定过程及结果
2.1.2 单位设置
根据题目数据要求，采用合适的单位，单位设置过程如下所示：
a
b
c
d
图3 单位设置过程及结果
2.2 创建摆杆凸轮模型
在（80,40）位置创建Mark点，操作过程如下图所示：a
b
图4 Mark点创建
创建长为80mm摆杆，操作过程如下所示
a
c
b
图5 摆杆的创建
添加转动副，操作过程如下图所示：
a
b
d
c
图6 转动副的添加
创建凸轮的板，如下图所示，
图7 创建凸轮板
同时如图6所示的方法加上转动副，结果图如下
图8 凸轮板添加旋转副
2.3 添加运动规律函数
对凸轮板转动副添加驱动角速度，其值为s /30 。
则摆杆运动的时间范围分别为(0，6)s 、(6，11)s 、(11，12)s ，时间节点为6s 和11s 。
a
b
图9 凸轮板角速度的添加
对摆杆转动副添加驱动角速度，添加过程和图9一样，对角速度值使用IF 函数。
由于IF 函数只能表示一个时间节点下的运动规律，而本题中摆杆的摆角规律有2个时间节点，经过思考，我发现可以用IF 函数嵌套来实现多个节点的IF 函数表达。
将凸轮等角速度ω的值s /30 带入公式，可以得出摆杆转动副的驱动规律可表达为
IF(time-11:IF(time-6:-30d*(time/6-sin(60*time)/(2*180)),-30d,-30d*((11-time)/5+sin(72*time-12*36)/(2*180))),0,0)
具体过程如下图所示： a
b
c
图10 从动件驱动值的修改
2.4 建立凸轮（从动件为无干涉曲杆）
对创建好的模型进行运动仿真，仿真时间为12s ，步长设定为500。
仿真完成后依次选择工具栏选项Review->Create Trace Spline ，并选中摆杆接触点和凸轮板，得到轮廓曲线。
凸轮的轮廓线如下图所示
a b c
e d
g f
图11 凸轮轮廓线图
将轮廓线拉伸成凸轮实体，同时删除之前的凸轮板。
图12 拉伸凸轮过程 a
b
c
d e
f
图13 凸轮板删除过程
删除凸轮板和摆杆驱动规律。
在摆杆和凸轮之间添加凸轮副，得到凸轮机构的模型。
图14 凸轮副添加过程
建立测量曲线，测量从动杆随凸轮运动的摆角曲线，得到如下结果。
a
b
c
d
图15 从动杆摆角曲线
从上图中可以看出，摆杆运动的角度符合题目中给定的要求。
但是在运动过程中，发现摆杆为直杆情况下，接触点始终与凸轮轮廓保持接触，这就导致摆杆在运动过程中出现与凸轮体相交的情况。
因此，对于摆动件凸轮，若摆杆采用直杆，在仿真过程中，摆杆会与凸轮相交，摆杆设计为曲形，这样保证摆杆与凸轮接触基本是同一点接触且不会存在相交干涉；若依旧采用直杆作为摆杆，由于接触点是变动的，接触点曲线法不能得出凸轮的正确轮廓，应该在从动件上添加一条标志曲线，通过运动过程中标志曲线的包络线来得到凸轮轮廓，然后再获得凸轮。
2.5 检查模型
完成建模后，进行如下图所示的操作。
图中显示建模成功。
图12 检查模型过程图
通过图12可以看出，该模型具有2个固定件，1个运动副,6个自由度。
这
是因为球体与斜面之间的接触副只起到限制球体运动方向的作用，并不能约束球体的自由度，因此该模型仍有6个自由度。
球体在垂直屏幕方向不受其他作用力，仅在平行屏幕方向上进行运动，因此模型检查成功。
参考文献:
【1】郭卫东. 虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程 [ M ]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2009年2月.。
