基于Solidworks的凸轮设计与装配毕业设计

1、基于 Solidworks 的凸轮设计与装配第 1 页 共 33 页基于 Solidworks 的凸轮设计与装配摘 要：凸轮在工业上应用广泛， 当根据使用要求确定了凸轮机构的类型、 基本 参数以及从动件运动规律后， 既可进行凸轮轮廓曲线的设计， 传统的凸轮设计方 法（主要包括作图法和解析法） ，由于设计过程复杂，设计精度较低，而且设计 结果不能直接应用于凸轮的数控加工等原因， 已经越来越不能适应当前对凸轮设 计快速、精确及满足数控加工的基本要求；采用 Solidworks 技术方法来代替传 统的凸轮设计方法可以大大缩短设计周期、 提高设计质量， 满足凸轮数控加工的 客观实际需要，是凸轮设计方法

2、的发展趋势。本文介绍一种 利用 Excel 工具生成凸轮理论轮廓点的数据，在 SolidWorks 环境中直接利用三维点数据将凸轮理论轮廓曲线用样条曲线绘制出来， 并通过相 关命令输入推杆滚子半径， 将曲线转换成草图曲线， 得到凸轮实际轮廓曲线， 再 通过拉伸特征完成盘形凸轮基体的三维建模。 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。 关键词： 凸轮 理论轮廓曲线 三维建模 Solidworks 装配1 引言凸轮机构是具有曲线轮廓的构件， 是利用凸轮转动带动从动件实现预期运动 规律的一种高副机构， 广泛的应用于各种机械， 特别是自动机械、 自动控制装置 等。盘形凸轮因为其形状简单，被广泛应用。基于 SolidWo

3、rks 的盘形凸轮的建 模方法有很多， 可以通过 VB、VC等程序设计语言 利用 SolidWorks 的 API 程序 接口，生成凸轮轮廓， 也可以通过 Toolbox 中的 凸轮插件生成凸轮模型。 但是 采用程序设计方法对用户的编程水平要求较高， 采用 Toolbox 中的凸轮 插件也 属于 SolidWorks 中的高级操作，一般用户也不太熟悉。本文在 Excel 环境中生 成凸轮理论轮廓的点坐标信息， 存成文本格式， 在 SolidWorks 环境中利用 通过 XYZ点的曲线 直接生成凸轮理论轮廓曲线。 聞創沟燴鐺險爱氇谴净。2 SolidWorks 简介创新的、易学易用的而且价格平宜

4、的 SolidWorks 是 Windows原创的三维设 计软件。其易用和友好的界面，能够在整个产品设计的工作中， SolidWorks 完 全自动捕捉设计意图和引导设计修改。在 SolidWorks 的装配设计中可以直接参 照已有的零件生成新的零件。 不论设计用 自顶而下 方法还是 自底而上 的方法 进行装配设计， SolidWorks 都将以其易用的操作大幅度地提高设计的效率。基于 Solidworks 的凸轮设计与装配第 2 页 共 33 页SolidWorks 有全面的零件实体建模功能， 其丰富程度有时会出乎设计者的期望。 用 SolidWorks 的标注和细节绘制工具，能快捷地生成完

5、整的、符合实际产品表 示的工程图纸。 SolidWorks 具有全相关的钣金设计能力。钣金件的设计即可以 先设计立体的产品也可以先按平面展开图进行设计。 SolidWorks 软件提供完整 的、免费的开发工具 (API) ，用户可以用微软的 Visual Basic 、Visual C+ 或其 它支持 OLE的编程语言建立自己的应用方案。通过数据转换接口， SolidWorks 可以很容易地将目前市场几乎所有的机械 CAD软件集成到现在的设计环境中来。 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。为比较评价不同的设计方案，减少设计错误，提高产量， SolidWorks 强劲 的实体建模能力和易用友好的 Window

6、s界面形成了三维产品设计的标准。 机械工 程师不论有无 CAD的使用经验，都能用 SolidWorks 提高工作效率，使企业以较 低的成本、 更好的质量更快将产品投放市场。 而最有意义的是， 用于 SolidWorks 的投资是容易承受的， 这使得参加工程设计的所有人员都能在他们桌面上的计算 机进行三维设计。 酽锕极額閉镇桧猪訣锥。2.1 用户界面SolidWorks 软件在用户界面方面的方便程度是世界公认的，但 SolidWorks 公司还是努力地改进软件的用户界面，使得设计工作更加自动化。 Solidworks 去掉了一些多余的对话框， 而以隐含的右键菜单所代替， 最明显的是能够将特征 管

7、理器沿水平拆分。 这使得进行某些特殊命令操作时， 如检查装配关系， 而不会 迷失在特征树的位置。 这对于大型装配体和复杂零件的操作也非常重要， 因为零 件复杂以后，特征管理树会很长， 有时很难同时观察特征树的最上端和特征树的 最下端。有了特征管理器的拆分功能，这一切都成为可能。 彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。2.2 草图设计SolidWorks 软件所有的零件都是建立在草图基础上的，草图功能的提高会 直接影响到对零件的可编辑能力的提高。在 Solidworks 中，增加了样条编辑控 制功能，当样条处于编辑状态时， 一个小三角箭头会出现在样条曲线上。 当小符 号沿着样条曲线拖动时， 箭头的方向会不断改变

8、， 以表示各点不同的曲率。 当沿 着箭头拖动时，样条的曲率会实时改变。这一功能的增加，使得 SolidWorks 的 用户更加方便地控制零件的形状。 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。由于三维样条曲线的引入使得三维草图功能显著地提高。 用户可以直接控制 三维空间的任何一点，以达到控制三维样条的目的，从而直接控制草图的形状。 这对于创建绕线电缆和管路设计的用户是非常方便的。 厦礴恳蹒骈時盡继價骚。2.3 曲面建模也许是因为 SolidWorks 以前在实体和参数化设计方面太出色，人们可能会基于 Solidworks 的凸轮设计与装配第 3 页 共 33 页 忽略其在曲面建模方面的强大功能。在 Solidwo

9、rks 中，曲面建立后，可以以很 多方式对曲面进行延伸。 你可以将曲面延伸到某个已有的曲面， 与其缝合或延伸 到指定的实体表面，或者输入固定的延伸长度，或者直接拖动其红色箭头手柄， 实时地将边界拖到想要的位置。 茕桢广鳓鯡选块网羈泪。另外，现在的可以对曲面进行修剪， 可以用实体修剪， 也可以用另一个复杂 的曲面进行修剪。首先，选取特定的曲面做为剪切工具，以绿色表示；然后，选 取要保留的那一部分曲面， 以淡绿色表示； 没有选取的那部分曲面， 以灰色表示， 就会立刻被切除。你还可以将两个曲面或一个曲面一个实体进行弯曲操作， SolidWorks 软件将保持其相关性，即当其中一个发生改变时，其他另一

10、个会同 时相应改变。 鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。2.4 新特征SolidWorks 对导圆角的处理添加了新的特征，使得倒角的功能更加强大。 在原有特征阵列的基础上，也增添了新的特征。用 XY坐标值系列直接生成表格 驱动阵列。 草图驱动阵列所用到的草图可以做为新阵列的模板。 籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。对于设计塑胶件的工程师，使用 Solidworks 会更加方便。 Solidworks 对薄 壁塑胶件的设计本身就是就考虑到一个面是开放的， 用户不必单独手工指定某个 面是开放的。 筋的建立更加方便， 你可以在任何视图上创建筋的轮廓， 先进行预 览再生成加强筋。对于模具设计师来讲， 还可以利用 XYZ缩放因

11、子直接生成模腔。 預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。另外，新增加的打孔向导给人留下了深刻的印象， 用户可以直接点取螺栓的 尺寸，所有相关的数据都可以在电子版的机械零件手册中自动查到。 渗釤呛俨匀谔鱉 调硯錦。2.5 大型装配用户不仅用 SolidWorks 软件来解决一般的零部件设计问题，越来越多的用 户开始用 SolidWorks 软件处理系统级的大型装配设计，对大型装配体上载的速 度也是要求越来越高。面对用户的需要， SolidWorks 公司的研发部门设法从不 同的角度对大型装配体的上载的速度进行了改进， 包括分布式数据的处理和图形 压缩技术的运用，使得大型装配体的性能提高了几十倍。 铙誅卧泻噦圣骋

12、贶頂廡。在新版中，还增加了智能装配功能，能够在装配过程中自动捕捉装配关系， 而无须用户另行指定。 在装配过程中， 还新增加了球面的配合关系和圆锥面的配 合关系，这就使得将球插到孔里的操作变得更加容易。 擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。2.6 工程图和电子工程图在 Solidworks 的工程制图中引入了一个崭新的快速制图功能 ( 即RapidDraft) ，它能迅速生成与三维零件和装配体暂时脱开的二维工程图，但依基于 Solidworks 的凸轮设计与装配第 4 页 共 33 页 然保持与三维的全相关性。 这样的功能使得从三维到二维的瓶颈问题得以彻底的 解决。 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。Solidworks

13、 是一个非常优秀的软件产品。 SolidWorks 公司在技术上的投入 和技术的先进性不断保持 SolidWorks 软件在机械三维设计领域的领先地位。 坛摶 乡囂忏蒌鍥铃氈淚。3 利用 Excel 生成凸轮理论轮廓线坐标根据工作要求合理地选择从动件运动规律后， 可以按照结构所允许的空间和 具体要求， 逐步确定凸轮的基圆半径， 然后绘制凸轮的轮廓。 凸轮轮廓的绘制一 般采用 反转法 绘制。 蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。本文实例中的盘形凸轮机构运动要求如下： 试设计一对心滚子直动推杆盘形 凸轮机构。已知凸轮以等角速度 逆时针方向转动。 在凸轮的一个运动周期 2 时间里，要求推杆在 1s 内等速上升 1

14、0mm，05s 内静止不动， 05s 内等速上 升 6mm， 2s 内静止不动， 2s 内等速下降 16mm。其基圆半径为 20mm。買鲷鴯譖昙膚遙 闫撷凄。根据已知条件， 可以确定处推杆的位移线图， 它直接反映了推杆在工作过程 中的位移特征， 如图 l 所示。欲确定凸轮的理论轮廓曲线， 关键在于根据推杆的 位移线图得出理论轮廓曲线上的离散点的位置 （ 坐标 ） 。传统的凸轮轮廓图解法的 原理就是根据上述的离散点位置， 手工拟合而成。这种做法存在加大的精度误差， 而且由于是手工取点， 所确定的点的个数往往不够多， 从而限制了凸轮轮廓的准 确性。 綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。基于 Solidworks

15、 的凸轮设计与装配如果想要提高凸轮理论轮廓曲线的精度， 我们只要合理得大量确定离散点的 位置即可， 在计算机工具的帮助下， 计算理论轮廓点的坐标， 利用绘图命令直接 拟合离散点即可。 如图 2 所示，根据已知条件分析盘形凸轮理论轮廓点的位置坐 标。根据 反转法 绘图原理，对于理论轮廓上的任意一点 P，该点的轴坐标可由 下式计算得出： 驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。X=OP*sin( ) (1)Y=OP*cos( ) (2)其中，OP的长度就是基圆的半径与在相应时刻的推杆位移线图点的位移量之和基于 Solidworks 的凸轮设计与装配图2 盘形凸轮理论轮廓上点的位置坐标分析如图 1 所示， 0A、BC

16、、DE段的位移变化均为等速变化，三段直线的方程可以根 据特殊点的位置直接确定出来： 猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。（1）0A 的方程： Y=30 *X（2）BC的方程： Y=36 *X8（3）DE的方程： Y= 24 *X+48 这样我们可以根据实际精度需要， 确定足够多的离散点， 在位移线图直线方程的 帮助下确定相应点的坐标。在Excel 环境中，将凸轮回转一个周期分为 36份，即每 10取1个点，并且 将对应的度数转化为弧度的值，如图 3 中的 B、C 栏。锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。基于 Solidworks 的凸轮设计与装配第 7 页 共 33 页图3 对应的度数转化为弧度的值根据推杆的位移线图中

17、OA、BC、 DE、AB、CD段的直线方程。可以计算出在 一个周期内的每转过 l0 时对应点的 OP的长度。 構氽頑黉碩饨荠龈话骛。在 D1单元格中输入公式： 30/3.1415926*C1+A1 ，如图 4;基于 Solidworks 的凸轮设计与装配第 8 页 共 33 页图 4 D1 单元格中输入公式在 D10单元格中输入公式： 36/3.1415926*C10+12 ，如图 5;图 5 D10 单元格中输入公式在 D25单元格中输入公式： 24/3.1415926*C25+68 ，如图 6;图 6 D25 单元格中输入公式然后将 D1的公式复制到 D2D6，在 D7D9中均输入 30，

18、D10的公式复制到 D11D12，在 D13D24中均输入 36，D25的公式复制到 D26D36， 最后结果如图 7；最后根据 (1) 与(2) 计算出相应点的 XY轴坐标值，如图 7中的 E、F 栏。輒峄陽檉簖疖網儂號泶。基于 Solidworks 的凸轮设计与装配第 9 页 共 33 页图 7 基于 Excel 的凸轮理论轮廓线坐标点计算 根据建模需要，可以在 Z=0的平面内绘制凸轮理论轮廓，在计算出凸轮理论轮廓 的36个离散点位置坐标后，可将 X、Y、Z 轴的坐标值保存为纯文本格式， SolidWorks 打开数据文件时，软件会自动将前三列的数值作为 X、Y、Z 轴的坐 标值，如图 8

19、所示： 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。基于 Solidworks 的凸轮设计与装配第 10 页 共 33 页图 8 凸轮理论轮廓线坐标值的文本格式4 凸轮三维实体造型4.1 生成理论轮廓线在 SolidWorks 环境中，曲线的绘制方式有多种，其中有一个命令是 通过 XYZ点的曲线 ，见插入 -曲线- 通过 XYZ点的曲线，在出现的对话框中单击【浏 览】按钮，在【文件类型】 下拉列表框中选择 Text Files 类型文件，如图9所示 找到“凸轮理论轮廓线坐标 .txt ”文件，单击【打开】按钮，坐标数据在表中显基于 Solidworks 的凸轮设计与装配第 11 页 共 33 页示出来，如图 10所

20、示。 识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。图9 凸轮理论轮廓线坐标文本文件单击【确定】按钮，在图中将凸轮理论轮廓线曲线用样条曲线绘制出来，如图 11 所示图 10 通过凸轮理论轮廓点坐标生成理论轮廓曲线基于 Solidworks 的凸轮设计与装配第 12 页 共 33 页图 11 凸轮理论轮廓曲线4.2 绘制实际廓线选择【插入】 /【草图绘制】命令，选择【前视基准面 , 选择曲线，选择【工 具】/ 【草图绘制工具】 /【等距实体】命令，输入推杆滚子半径，将曲线装换成 草图曲线 12 所示。 凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。基于 Solidworks 的凸轮设计与装配第 13 页 共 33 页图 12 凸轮实际轮廓曲线

21、得到凸轮实际轮廓曲线，在原点处绘制凸轮轴孔，如图 13 所示基于 Solidworks 的凸轮设计与装配第 14 页 共 33 页图 13 凸轮轴孔绘制4.3 凸轮三维实体造型，得到凸轮三维实体，如图14 所示。以距离图 14 凸轮三维实体造型单击【确定 按钮，然后右键单击特征管理器中的拉伸特征，左键单击打开特征属性对话框，单击【颜色】按钮打开实体属性对话框，单击【改变颜色】按基于 Solidworks 的凸轮设计与装配第 15 页 共 33 页 钮，选择相应的颜色后，单击【确定】按钮即可，如图 15所示。恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦图 15 凸轮三维实体5 滚子、推杆、支架和底座造型5.1 滚子三维

22、实体造型滚子半径 Rg=5m，m材质设置为“普通碳钢” ，滚子草图如图 16所示。以距离 2mm双向拉伸草图轮廓，得到滚子三维实体，如图 17所示。最后将滚子的颜色设 置为红色，如图 18所示。 鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。基于 Solidworks 的凸轮设计与装配第 16 页 共 33 页图 16 滚子草图图 17 滚子三维实体造型基于 Solidworks 的凸轮设计与装配第 17 页 共 33 页图 18 滚子三维实体5.2 推杆三维实体造型 推杆的材质设置为“普通碳钢” ，三维实体造型过程如图 19-1 图 19-9 所 示。最后通过设置特征属性将实体颜色改为青色。 硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。

23、图 19-1 推杆草图 1基于 Solidworks 的凸轮设计与装配第 18 页 共 33 页图 19-2 推杆拉伸 1图 19-3 推杆草图 2基于 Solidworks 的凸轮设计与装配第 19 页 共 33 页图 19-4 推杆拉伸 2图 19-5 推杆草图 3基于 Solidworks 的凸轮设计与装配第 20 页 共 33 页图 19-6 推杆拉伸 3图 19-7 推杆草图 4基于 Solidworks 的凸轮设计与装配第 21 页 共 33 页图 19-8 推杆拉伸 4图 19-9 推杆三维实体基于 Solidworks 的凸轮设计与装配第 22 页 共 33 页5.3 底座三维

24、实体造型底座的材质设置为“普通碳钢” ，实体颜色设置为蓝色。底座三维实体如图20 所示。底座的轴孔半径与凸轮的轴孔半径相等 7.5mm，同时注意镜向特征时基 准面 1 的插入。 阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。图 20 底座三维实体基于 Solidworks 的凸轮设计与装配第 23 页 共 33 页图 21 基准面 1 的插入5.4 支架三维实体造型 支架的材质设置为“普通碳钢” ，三维实体造型过程如图 22-1 图 22-9 所 示。最后通过设置特征属性将实体颜色改为绿色。 氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。图 22-1 支架草图 1基于 Solidworks 的凸轮设计与装配第 24 页 共 33 页图 22

25、-2 支架拉伸 1图 22-3 支架草图 2基于 Solidworks 的凸轮设计与装配第 25 页 共 33 页图 22-4 支架拉伸 2图 22-5 支架草图 3基于 Solidworks 的凸轮设计与装配第 26 页 共 33 页图 22-6 支架拉伸 3图 22-7 支架草图 4基于 Solidworks 的凸轮设计与装配第 27 页 共 33 页图 22-8 支架拉伸 4图 22-9 支架实体造型基于 Solidworks 的凸轮设计与装配 第 28 页 共 33 页6 装配体6.1 装配体绘制与干涉检查装配体是由若干个零件所组成的部件，它表达部件的工作原理和装配关系，在进行设计、装

26、配、调整、检验、安装、实用和维修过程中都是非常重要的。在Solidworks 中可以在零件与零件之间、零件与子装配之间、同轴配合、垂直配合、平行配合、距离配合、角度配合等。本设计的装配体如图23所示。 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。基于 Solidworks 的凸轮设计与装配 第 29 页 共 33 页图 23 凸轮机构的装配体图零件装配好以后， 要进行装配体的干涉检查， 以便确定装配体中各零件之间 是否存在实体边界冲突 （即干涉）、冲突发生在何处， 进而为消除冲突做好准备。 选择【工具】 / 【干涉检查】菜单，可以打开“干涉检查”属性面板。在“所选 零部件”列表中系统默认是窗口内的整个装配体。单击“

27、计算”按钮，进行干涉 检查，如图 24 所示。 怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。基于 Solidworks 的凸轮设计与装配第 30 页 共 33 页图 24 “干涉检查”属性面板6.2 装配体的爆炸视图装配体的爆炸视图可以分离其中的零部件以便查看这个装配体。 装配体爆炸 后，不能给装配体添加配合。 一个爆炸视图包括一个或多个爆炸步骤。 每一个爆 炸视图保存在所生成的装配体配置中。 每一个配置都可以有一个爆炸视图。 选择插入】 / 【爆炸视图】菜单，则出现“爆炸”属性面板。进行相应的操作，可得装配体爆炸结果，如图 25 所示。 谚辞調担鈧谄动禪泻類。图 25 装配体爆炸结果基于 Solidworks 的

28、凸轮设计与装配第 31 页 共 33 页结论本次毕业设计综合了大学里所学的知识，是理论与实践相结合的一个成果。 由于专业知识有限， 在设计过程中遇到的问题主要通过老师的讲解， 同学们的讨 论以及查阅资料来解决。通过毕业设计，我对课本理论知识有了更深刻的理解， 同时，我的看书绘图能力也有了较大的提高。 这为我以后的工作打下了良好的基 础。 嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。致谢本次设计是在指导老师的大力帮助下完成的， 非常感谢老师的督促和耐心指 导，通过这段时间与朱老师的悉心交流我在思想上也得到了升华， 看到了朱老师 对很多事物十分独特的见地， 这些都使我受益匪浅， 在此， 感激之情不言于表却 铭记在心。

29、熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。同时，我也深深感谢大学四年教我们课的所有专业课老师， 也正是他们的思 维方式以及做学问的态度使我受到了巨大的熏陶，在此向他们表示衷心的感谢！鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。再次感谢老师们的教育与帮助！参考文献1 张晋西，郭学琴 .SolidWorks 及 COSMOSMotio机n 械仿真设计 . 第 1 版 . 北京：清华大学出版社， 2007 纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。2 李启炎，李光耀，郑风，杨丽，杨勇生，夏燕 .SolidWorks 三维设计教 程.第 1版.上海：同济大学出版社， 2005 颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。3 博嘉科技，隆飞，李珺.SolidWorks 设计与应用 .

30、北京: 电子工业出版社，2004基于 Solidworks 的凸轮设计与装配第 32 页 共 33 页4 东南大学机械学学科组，郑文纬，吴克坚 . 机械原理 . 北京: 高等教育出 版社， 20075 Ease of Use Hallmark of Solidworks 2000.作者： L.K. 刊名：Welding Design & Fabrication出版日期： 2000 期号： No.10 卷号： Vol.73濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。6 CAMWorks 2001 released in the UK 刊名： Metalworking Production 出版日期： 2001 期号：

31、 NO.9 卷号： Vol.145 銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。7 MidrangeCAMa ssists advanced machining 作者： Alan Christman 刊名： Machine Design 出版日期： 2005 期号： NO.20 卷号： Vol.77 挤貼綬电麥结 鈺贖哓类。Title The Design and Assembly of Cam Based on Solidworks赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。AbstractCami s widely used in industry. As the requirements of usage is determined under the type of cam mechanism,the basic parameters and the follower motion, we can strike for the design of cam profile. Because the process of design is