基于COSMOSMotion的凸轮-推杆机构运动仿真

     0引言
   
    算机辅助设计(即CAD技术)已成为企业提高创新能力和产品开发能力，增强企业适应市场需要的竞争能力的一项关键技术。大力开发推广应用CAD技术，开展"CAD应用工程"是我国"八五"和"九五"期间重中之重的项目。
   
    SolidWorks软件是一个优秀的三维设计软件，包括零件设计、饭金设计、二维工程图自动生成和装配功能，而且集成和兼容了Windows系统的卓越功能。其三维实体建模系统具有易教、易学、易用的特点，参数化特征造型技术定义清晰。使用此软件，设计者可以方便地按照其设计思想绘制草图，并且可以尝试运用各种特征与不同尺寸，以及生成模型和制作工程图。
   
    COSMOSMotion是一个用于仿真机械系统运动的软件。作为SolidWorks的一个插件，可以方便地在建好系统模型之后，对其模型进行运动分析。现在应用的大多数产品都包括运动机构，机构在这些产品中起着极其重要的作用，所以，对于分析机构中一些部件的运动是很必要的，也是很重要的。运用COSMOSMotion进行运动仿真，可以在制造实体之前就可以发现其中的错误，进而进行纠正，因此，可以大大减少因重复制造样机而投人的花费，并且加快了设计的进程。
   
    凸轮机构广泛地应用于各种机械当中，尤其是自动化机和控制装置中。凸轮是一个具有曲线轮或凹槽的构件。凸轮机构是由凸轮、推杆和机架3个主要构件组成的高副机构。当凸轮运动时，通过其曲线轮廓与推杆的高副接触，使推杆得到预期的运动。凸轮机构的最大优点是:只要适当地设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各种预期的运动规律，而且结构简单紧凑。
   
    1凸轮机构的建模
   
    预设计一对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构，该凸轮机构的基圆半径r0=15 mm，凸轮以等角速度。沿逆时针方向回转，其推杆的运动规律如图1所示。
   

    由于整个凸轮的廓线是由四线不同的曲线所组成的，所以在曲线与曲线的连接处，必然存在一定的过渡。因此，为了使凸轮的廓线光滑，在各曲线与曲线的交接处进行了圆角处理，这样可以使凸轮与推杆接触时，尽量保持平滑过渡。为了使推杆与凸轮在装配体中能进行配合，有必要设计一个架子，能使凸轮固定，并使推杆可以沿固定的方向进行移动。装配好的机构如图3所示。
   

    用COSMOSMotion进行凸轮机构的仿真:在凸轮上面旋加一个角速度ω，并且设定ω=3600/s，即使凸轮在1s内围绕其中心轴转一转3600，则相应的由凸轮带动的推杆也在其一个周期内移动了相应的距离。用COSMOSMotion进行仿真，不仅可以看到整个机构在运动过程中的情况，更可以得到凸轮机构在运动过程中的各种曲线，其中最为重要的是其推杆的位移、速度、加速度曲线。
   
    通过上面推杆的质心位置曲线、速度曲线和加速度曲线，也可以看出推杆在运动过程中，其位移、速度和加速是如何变化的。对比图1和图4，可以看出:设计的凸轮与预期的目标基本一致，可以满足要求。但是，只通过分析推杆的质心位置曲线是不够的，更重要的是其速度和加速度曲线。通过速度曲线，可以得出推杆在转凸轮转过一周的过程中，速度的变化情况，图5所示的推杆的运动情况基本与表1所示凸轮与推杆的运动关系图要求一致。通过图6，可以看出推杆质心加速度的情况，并且在推杆质量一定的情况下，其受力与其加速度成正比，所以，图6也反应了推杆在转凸轮转过一周的过程中，其受力的变化情况。在00和1200附近，凸轮的受力有一个突变，显然这对凸轮和推杆都是不利的，其主要原因是凸轮设计的比较粗糙，在凸轮组成廓线的2条曲线之间衔接时，是过渡圆角不平滑所致。针对这样的问题，可以采取相应的办法，对凸轮进行一定的优化，从而可以使推杆的各种运动曲线，更加平滑，即使推杆的运动更加平稳。
   

    2结语
   
    应用COSMOSMotion对对心直动尖顶推杆盘形凸轮机构的运动情况进行了仿真，得出了相应的运动曲线，并作了一定的分析。通过动画模拟机构的运动，提高了机构设计的形象性、直观性，同时从动画演示中能及时观察了解其运动状态，从而使设计者做出怎样设计改进的决策，提高了设计效率。进行运动分析，可以较准确掌握机械产品零部件的位移、速度和加速度等动力学参数，进而可分析机构动作的可靠性。