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。

 

          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3.4 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。

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：

 

          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”

          点击接触工具：接触类型为曲线；曲线1为机架凸轮内轮廓线，曲线2为滚子上表面（注：相互接触曲线必须位于同一基准面上）；选中“曲线始终接触”复选框；材料默认。如图4.5所示：

3）点击“计算”按钮，进行仿真求解。

          点击“结果图解-跟踪路径”，得到连杆C端追踪轨迹如图4.6所示：

图4.6 C端跟踪轨迹线 

          从上图中可以看出，跟踪的运动轨迹与预订运动轨迹完全重合，充分验证了在运动性能方面，按给定运动轨迹反求凸轮的理论轮廓线及实际轮廓线的可靠性。

          点击“结果图解-角加速度”，得到连杆角加速度曲线如图4.7所示：

图4.7 连杆角加速度

          由上图，一个周期内连杆加速度总体趋于平缓，但在某几个位置有较明显的突变，这跟实际运行时，凸轮与滚子接触时产生的情况一致。

五、总结

          凸轮作为机械领域中常用机构，具有响应快速，结构紧凑的特点，常被用来控制工作按要求完成各种复杂的运动，尤其是在自动机和自动控制装置中得到广泛使用。为了解决凸轮轮廓设计方法的复杂的问题，本文基于Solidworks Motion，提出利用反求法设计凸轮轮廓的方法。该方法简单可行、可靠，并且可以直接进行仿真验证设计。

 

 以上为基于Solidworks Motion预定轨迹凸轮-连杆机构的设计，有什么不足或者不同见解，请留言多多指教，大家一起交流学习。谢谢！

【满续文】