SolidWorks三维软件在凸轮调试中的运用

摘要：三维软件SolidWorks给凸轮运动模拟设计带来极大的便利，调试前可充分利用软件装配功能进行计算机环境下的模拟调试。但在投入到实践应用后，需注意弹簧回弹时间的延迟、滚轮与凸轮碰撞的振动等问题，进一步考虑凸轮曲线的修正。文章对SolidWorks三维软件在凸轮调试中的运用进行了研究。

关键词：SolidWorks；三维软件；凸轮调试；运动模拟设计；凸轮曲线 文献标识码：A

近年来，三维软件SolidWorks推广迅速，其极大的设计便捷性也受到广大机械设计师的钟爱。在复杂自动化机械运动计算中，通过三维软件模拟机械运动成为非常好的方式。在设计自动化包装机械的进料摆臂凸轮时，发现计算机模拟的凸轮运动只是理论情况，在投入实际运行中，发现一些不可避免的，例如弹簧回弹时间的延迟、滚轮与凸轮碰撞的振动等问题。在不断修正凸轮轮廓曲线、重新模拟运动后，这种现象得以减轻，最终满足了高速运转的需要。

1 SolidWorks在机械设计领域的应用情况

目前在机械设计时用到最多的三维制图软件当属SolidWorks，该软件是第一个基于Windows开发的三维CAD系统，可以进行几乎所有机械的零件、标准件的三维设计，同时也可以进行二维零件制造图的绘制。在二维零件图中可以轻松获取三维零件的左视图、俯视图，甚至立体轴测图，并可以自动进行尺寸标注。

为了增加便利性，该软件可利用预设的插件来生成机械零件，简单输入相应参数即可生成齿轮、蜗杆、凸轮等特殊形状的机械零件，以上几种零件如果直接绘制会比较麻烦。有了插件后，例如想绘制齿轮，可以输入模数、齿数等便可以准确生成；想绘制凸轮，输入推程和角度即可准确生成。

另外，有些功能还开放给设计者编程，懂计算机编程的设计师可以编辑各种需要的命令按钮，自动执行各种连续操作，例如可以将“打印-打印设置-关闭”三个命令合成一个按钮。更强大的是，可以将分散的零件利用相切、平行、垂直等机械装配配合规则进行装配，还可以进行齿轮链轮的配合。除了手动模拟机械零件运动外，还可以直接设定模拟电机动力的参数进行自动转动，并进行运动分析。

在凸轮运动设计时，传统的CAD设计中，设计师只能绘制二维的凸轮图纸，如果涉及的动作较复杂，则只能靠设计师繁琐的计算来推算行程，然后利用辅助线绘制凸轮的行程位置，靠描绘极端的几个行程位置来画出预计设计的动作轨迹。这样的方法难以全面考虑运动参数，计算的准确性有一定问题，画出来的图也是非常不清楚，如果不是设计者本人，可能无法直观、快速地模拟出相应的动作。

在SolidWorks中，生成的凸轮可以经过描绘轮廓线，然后导入到装配图中，将滚子的外圆与轮廓线相切配合。随后转动凸轮，滚子与推杆便可以依据凸轮的外部轮廓进行运动。

2 SolidWorks在自动化包装机械中的应用优势

自动化包装机械形式由于包装体多样（泡罩、袋装、三边封等）、需包装的物体多样（形状不一的固体、液体、膏状半流体等）以及包装材质多样（PVC、铝薄、纸质、玻璃瓶等）的特点，每套不同适用范围的自动化包装机械都由不同组合形式的几百个机械零件组成。如果将装配图绘制成传统的二维图非常不直观，不利于设计，不利于调试。而三维软件绘制的装配图能自由转动，随意解剖，能很好地看清机械构造并模拟运动，很好地解决了二维图在装配图时遇到的问题。

在自动化的食品、药品包装机械中，涉及的机械部件很多，动作也都带连锁性，一环扣一环，需互相配合，设计的对象也都有不同，很难按绘制一套或几套标准去套用，因此三维绘制零件并模拟动作在这方面使用变得非常便利。就算是比较业余的产品使用者，也可以清楚看懂机械的运动状态和调试动作的要求，在后续的用户体验上有了非常大的提升。

3 SolidWorks模拟调试实际应用研究

在某自动化给袋子式包装机械的上料机构的设计中就涉及了凸轮运动的三维设计及模拟。该套设备适用于袋装食品的自动化包装，适用于颗粒物体和酱料，由机械手臂抓取预制好的包装袋，然后上袋到有大型转盘的开袋进料封袋出袋的自动化包装工序中。整台机器出于成本需要，也为了动作连续，只安装一台电机，控制纵横两轴上近20个凸轮的转动。通过凸轮的运动控制各个工序上的机构运动，各个机构的动作均需紧密配合，不能脱节。

该设备最关键的是其中有一套进料摆臂机构。该机构由三个凸轮分别控制上料大臂、上料小臂和吸料装置的运动。上料大臂、上料小臂负责每次夹取一只袋子上到负责开袋、加料等后续工序的夹子上去；吸料装置负责每次用气嘴吸一只包装袋，配合上料臂的动作来提供包装袋。

为保持动作的连续性，控制上料大臂和上料小臂的两个独立的凸轮均安装在一根传动轴上。但如此一来有个弊病：电机带动轴上的凸轮，在上料大、小臂完成上袋后，上料大臂开始回撤，带动上料小臂也往后拉，并且在水平方向上还是往下降的，这样会勾断已经安装好的袋子。因此在凸轮设计中要特别注意增加这时段的凸轮升程来抬高上料小臂，也就是说在上完袋子后，上料小臂要特意抬头避开袋子再开始后撤。此点也是在三维模拟运动时发现的，如果是传统的二维CAD设计，或许到调试时才能发现这一点。

增加这时段的凸轮升程如果在传统计算中需充分考虑小链轮的角速度、推算线速度，从而推算小臂的摆动幅度，这使得计算量比较庞大，此时用三维软件模拟三个凸轮推动几个机构的运动来进行模拟调试会直观得多，并且非常可靠。因此设计者应在模拟调试成功后导出凸轮的图纸进行下料制造。

投入到现场设备运转时，若在极慢的速度下上料大、小臂完全符合软件模拟情况，但在速度提高到40袋每分钟时，上料臂的运动完全被打乱，是在混乱的震动中完成整套动作的。这原本在SolidWorks模拟中是非常平滑顺利的机械动作，但凸轮制造完全符合图纸，其余零件也没有任何制造或配合错误问题，润滑油也已经加到位。没有制造安装的问题，完全响应设计要求。

在多次试验和调整后，发现可能是因为速度加快后，弹簧带动滚子的速度跟不上凸轮转动的速度，导致滚子不能连续与凸轮接触的原因。此点就算在三维软件模拟调试中也很难被发现。因为在软件设置滚子和凸轮相切后，计算机会按程序设计的完全接触来执行，无论速度多快都会接触良好，目前还不能模拟出震动或弹簧回弹的速度。更好地反映实际情况，反映机械震动，摩擦和弹簧等拉力因素应该是三维软件今后的发展

方向。

因此，为产品达到更快的运行速度，达到更好的生产效率，需要进行凸轮轮廓曲线的设计修正。在经过数十次不断修正凸轮的停留时间，不断修正凸轮的行程段与停留段的衔接，增加行程段的时间角度，修正突变的曲线直至比较饱满的弧线后，提高至60袋每分钟才没有发生摆臂在高速下震动的情况。

4 结语

在三维软件设计凸轮零件，特别是涉及到速度较快的复杂运动时，可以在设计完成后导入三维软件进行模拟调试。在模拟成功运动动作的前提下，尽量修正凸轮弧度直至平滑，充分考虑弹簧回弹的延迟。这样在下料时会减少试制的次数，减少错误凸轮生产的数量，减少调试成本的同时提高调试的成功率。

参考文献

[2] 詹迪维.SolidWorks快速入门教程（2010中文版）

[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3] 卜炎.注册机械工程师执业资格考试复习教程[M].天津：天津大学出版社，2008.

[4] 濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5] 孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2006.