预定轨迹反求凸轮轮廓

在机械设计中，常会涉及到预定轨迹运动的设计。一般来说常用的方法有：1.联动凸轮组合机构。2.凸轮-连杆机构。3.曲柄摇杆机构。其中凸轮-连杆机构应用广泛，通过合理的组合可以实现多种复杂预定的运动规律和运动轨迹。但设计凸轮轮廓计算复杂，让人望而却步。本文介绍一种简单的凸轮-连杆机构的设计方法，基于Solidworks Motion的轨迹追踪。利用反求法得到凸轮的理论轮廓线及实际轮廓线，并通过仿真验证凸轮连杆组合机构的实际运动轨迹。此外本文还介绍了Solidworks中路径追踪、根据曲线生成草图、沿路径配合、套合样条曲线和复杂轮廓的接触设置等重要功能的实际应用。

一、问题描述
凸轮-连杆组合机构简图如图1.1所示，凸轮1固定，原动件曲柄2均匀转动，带动连杆2运动，此时固定凸轮约束着与连杆端点B通过铰链结合的滚子4 ，使连杆的端点C沿着预定的轨迹5运动，从而达到该机构的工作要求。
设计参数：预定轨迹5尺寸：长400mm，宽300mm，圆角R=100mm；各杆长 度：l_OA=150mm，l_AB=80mm，l_AC=150mm；滚子半径Rg=10mm，曲柄OA转速n=60r/min。


图1 凸轮-连杆机构简图
二、求解思路及步骤
1.根据几何参数，绘制三维零件图。
2.装配零件，C点与轨迹5以路径配合的方式装配。
3.路径追踪得到B点运动轨迹，以此曲线建立凸轮轮廓。
4.添加滚子，仿真验证轨迹是否一致。
三、创建零件，装配体及仿真
3.1 创建零件
在Solidworks中，分别以图3.1-3.3所示草图创建凸台拉伸，拉伸距离为10mm。以图3.4所示草图创建旋转凸台。分别命名为机架、曲柄、连杆、滚子。材质设为“普通碳钢”。

图3.1 机架草图




图3.2 曲柄草图

图3.3 连杆草图



图3.4 滚子草图
为实现之后装配体的配合，点击：插入-参考几何体-点，为连杆添加参考点C，如图3.5所示。

图3.5 参考点的创建

3.2 创建装配体
新建装配体文件，添加机架、曲柄、连杆进来，装配后结果如图3.6所示。



图 3.6 曲柄-连杆机构装配体
以机架上表面为基准面，点击：插入-草图，绘制“预定的轨迹”。如图3.7所示

图3.7 预定轨迹草图
点击：配合-高级配合-沿路径配合，如图3.8所示

图3.8 路径配合参数设置
3.3运动仿真
1）以曲柄旋转出轴孔为参照，添加等速旋转马达，转速为60r/min。
2）时间设为1s，在“运动算例属性”中设置每秒帧数为100，其余默认。
3）对运动算例进行仿真求解，完成后点击：结果和图解-位移、速度和加速度-跟踪路径图解。旋转连杆B处圆孔变线，得到跟踪轨迹如图3.9所示：

图3.9 连杆B端跟踪轨迹
四、创建凸轮轮廓，添加滚子后仿真验证。
1）创建凸轮轮廓，装配滚子
在Motion Manager设计树中，展开：结果-跟踪路径图解-从路径生成曲线。如图4.1所示：


图4.1 路径生成曲线设置
以机架上表面为基准，点击：插入-草图-等距实体。得到凸轮实际轮廓草图，如图4.2所示：

图4.2 凸轮实际轮廓草图
点击：工具-样条曲线工具-套合样条曲线。将各段曲线组合在一起（后续接触设置，要求曲线必须封闭）。如图4.3所示：

退出草体后，选择：装配体特征-切除拉伸 命令，距离设为8mm。
将滚子添加进来，滚子杆与连杆空同心配合，滚子内面与机架上表面重合。结果如图4.4所示


2）仿真设置
删除原有“路径配合”