基于UG的凸轮机构运动分析仿真

Value Engineering
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基于
UG 的凸轮机构运动分析仿真Movement Analysis and Simulation of Cam Mechanism Based on UG
夏雨露XIA Y u-lu (昆明船舶设备集团有限公司，昆明650236)
(K u n m in g S h ip b u ild in g E q u ip m e n t Co ., L td ., K u n m in g 650236, C hina )
摘要：本文介绍了以U G 软件为设计平台建立一个凸轮机构模型，同时对其进行运动仿真分析，阐述了运动仿真的实现过程，展
示凸轮机构真实的运动状态，其运动的结果用图表直观的反映出来，从这些图表中可以分析出凸轮设计的合理性，为凸轮机构的改 进设计提供一些参考。

A b s tr a c t : T h is pa per introduce s a m odel of cam m e chanism based on U G software , analyzes its m ovem ent s im u la tio n , describes the re a liza tio n process of m o tion sim u la tio n and shows the real m o tio n of cam m echanism . The results of the m o tion are d ire c tly re fle cte d in the ch a rt . From these ch a rts , we can analyze the ra tio n a lity of cam design to provides some references fo r the im provem ent of cam m e chanism .
关键词：U G ;凸轮机构;运动仿真K e y w o rd s ：U G ； cam m e chanism ； m ovem ent sim u la tio n 中图分类号:T P 391.7 文献标识码:A 文章编号：1006-4311(2017)09-0143-02
位移（m m )
图1作图法绘制凸轮轮廓示意图
0引言U G ( U n ig r a p h ic s N X )是西门 子公司的一款三维设计软件，其 运动仿真的功能也相当强大，运
动仿真模块是U G 重要组成部 分，它可以直接应用模型的装配 文件来建立不同条件下的运动仿 真而不会干扰主模型的装配。

凸轮机构由凸轮、从动件和 底座组成。

其特点是结构简单、工 作可靠。

传统的凸轮机构的运动 分析方法有图解法、解析法，虽然 直观但作图复杂，而且建立的数 学关系式比较复杂；本文通过U G 模块建立凸轮机构的装 配模型，对凸轮机构进行运动仿真分析，可以直观的看到 凸轮的运动过程，同时从分析的结果中可以看到其机构存 在的不足，以便设计人员及时进行改进设计。

1凸轮轮廓线的绘制
下面以偏心直动尖点的凸轮机构作为例子，分别介绍 用作图法、解析法和利用U G 软件进行凸轮机构设计和运 动仿真分析的方法，先定义凸轮各参数：凸轮基圆半径r 0= 50m m ;偏心距e =10m m ;从动件行程s =26m m 。

1.1作图法绘制偏心直动尖点凸轮轮廓线
以O 点为圆心，以r 。

作为半径，作凸轮的基圆，同样 以O 为圆心，以e 为半径，作一个圆，根据位移图分别在基 圆上找到点1、2、3、…15,其中1到8为120。

，8到9为 60毅，9到15为90毅，分别过这些点作偏距圆的切 线，然后根据位移图，分别找到点1'、2'、3'、……15'，用光
滑的曲线将这些点连接起来，就形成了凸轮的轮廓曲线，
其中1'到8'为推程，8'到9'为远休程，9'到15'为回程，
15'到0为近休程。

如图1所示。

作者简介：夏雨露（1977-)男，云南宜良人，工程师，副主任设计 师，研究方向为烟草机械设计。

1.2解析法设计凸轮轮廓线
根据工作的需要，选定从动件的运动规律，确定凸轮 的基圆半径，偏距，滚子半径等，如图2所示，然后用解析 法来设计凸轮轮廓曲线，在进行凸轮轮廓线设计时，求出 凸轮轮廓线的方程式:x =f (啄），y =f (啄），啄为凸轮转角，滚子 中心在初始位置B 处，坐标为：（e ，s 。

)。

由图可知：s (,2=r 02-e 2 则可得sl F (r (,2-e 2)2，当滚子中心到达B 。

点时，凸轮转过 啄，推杆产生位移s ，理论上轮廓线上B (,点的坐标为：X = (s0+s )s in 5+e cosS ；
Y =( s0+s )c o s 8-s in 8，此式即为凸轮轮廓线方程，其中s 0
为从动杆尖点初始位置到凸轮中心O 的位移。

由图可知： tg 0=-d x /d y =( d x /d S )/( -d y /d S )=s in 0/c o s 0，经过推导可以得 到凸轮轮廓B 0、的坐标为：x 、=x ±i \. c o s 0，y 、=y ±r . s in 0。

2用U G 进行凸轮机构运动仿真和运动分析
2.1创建连杆及运动副
进入U G 建模环境，绘制凸轮轮廓曲线，建立凸轮模
型，然后建立从动件和机架模型并且进行装配，进入运
动仿真环境，新建一个运动分析方案。

在U G 运动仿真
中，先将凸轮、从动杆及框架定义成为连杆，
才能在装配
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图5时间曲线
图2解析法绘制凸轮轮廓示
模型中添加运动副。

连杆定义完成后，为各个组件定义 运动副，连杆和运动副必须是同时存在的，否则无法进 行运动仿真。

在本凸轮机构运动仿真中，建立三个连杆，分别为L001 (机架），L002(顶尖从动杆），L003(凸轮）；建 立四个运动副，分别为机架固定副（J001 ),凸轮与机架之 间的旋转副（J002),顶尖从动杆与机架之间的滑动副 (J003 ),顶尖在凸轮轮廓线上的点在线上副（J004 ),如图 3所示。

2.2定义运动驱动
在U G运动仿真中，为了使机构运动起来，除了定义 连杆及运动副，需要添加“驱动”来使机构进行运动。

驱动 通常添加在组件的运动副上，用驱动可以让机构以某种规 律进行运转。

驱动主要有以下几种类型:①无驱动;②恒定 驱动;③简谐运动驱动;④运动函数;⑤关节运动驱动。

在 此凸轮机构运动中，将旋转副J002设为驱动，驱动形式选 择恒定驱动，并设定初速度参数为60,使凸轮以60°/s的速度匀速转动。

2.3创建解算方案
创建解算方案时就是要定义方案类型、步数、时间等 参数。

在一个机构中，可以定义多种解算方案，不同的解算 方案可以定义不同的分析条件。

定义此凸轮机构的解算方 案为:常规驱动，分析类型为：运动学/动力学，时间设为18 秒，步数为300步，选择“通过按确定进行解算”复选框。

确
定后启动解算器，进行运动分析，
运动分析完成后如果存在冗余的
约束，系统会自动弹出对话框进
行提示。

2.4运动仿真
解算方案计算完成后，点击
运动分析工具条上的“动画按
钮”，当点击播放按钮时，凸轮机
构就根据所设定的参数及运动
规律进行运动，如图4所示，播
放可以是一次播放，循环播放和
往返播放三种模式。

同时，点击
“导出至电影”按钮，则可以将此
仿真动画输出为A V I电影格式。

除了可以使用“动画”工具输出
机构运动视频外，其分析结果还
可以图表的方式输出。

点击“作
图”按钮，在弹出的图表对话框中选择顶尖滑动副J003
为图表对象，单击添加按钮将位移曲线加到定义曲线列
表中，点击确定按钮，即可输出时间-位移曲线，用同样
的方法，可以输出时间-速度曲线、时间-加速度曲线、时
间-力曲线，如图5所示。

图4创建动画
3结论
利用U G作为三维设计软件，在建模环境中建立凸轮
机构的模型，在仿真模块中进行凸轮机构的运动仿真分
析，通过模拟凸轮机构实际运动状况及输出的时间-位移
曲线、时间-速度曲线、时间-加速度曲线、时间-力曲线
等，可以分析出所设计的凸轮机构的干涉情况及是否满足
当前工作要求。

相比传统的作图法及解析法来设计凸轮机
构，使用三维软件进行凸轮机构的设计，不仅可以直观地
观察到机构实际的运动状态，还可以通过分析的结果来指
导设计人员进行机构的优化设计，同时避免了用传统的方
法而进行的大量而又复杂的设计计算，大大减轻了设计人
员的工作强度。

参考文献：
[1]宋晓华，方坤礼.基于U G的凸轮机构设计和运动仿真机 械研究与应用，2005(18).
[2]王知行，刘廷荣.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2000.
[3]北京兆迪科技有限公司.U G N X8.5运动分析教程[M].机械工业出版社，
2014.。