Science &Technology Vision
科技视界0前言
凸轮机构是具有曲线轮廓或凹槽的构件，通过高副接触带动从动件实现预期运动规律的一种高副机构。在社会快速发展科技快速进步的今天，凸轮由于其自身具有良好的传动、导向和控制等功能，被广泛应用于各种自动化和半自动化机械装置中。凸轮作为纸箱成型机的传动装置，是整个机器各部分的连接枢纽。在凸轮构件的设计中，应该确保凸轮构件的动态平衡及凸轮在高速转动过程中的高精确度。对于可能存在的很多问题，如凸轮转动时产生强烈的惯性力、滚子与凸轮槽之间过度磨损等，这些都是造成凸轮转动过程中，传动不稳定、各构件产生弹性形变、震动等现象的原因。为了避免上述问题的发生，在设计凸轮构件时，就应该考虑将凸轮的旋转重心与凸轮旋转轴线之间的距离尽可能缩小，甚至重合。这就需要在不影响凸轮构件本身性能的基础上，对其实体增加或减少相应的配重，从而实现凸轮的旋转重心与凸轮旋转轴线的重合。 随着计算机的普及，机械设计中计算机的应用越来越广泛。在寻求了解机构相互关系的时候，计算机可以进行三维建模，建立目标方程，并寻目标方程与待优化实体之间的关系。最终通过可优化设计对凸轮构件完成优化，实现凸轮旋转重心与凸轮旋转轴线重合这一目的。Cero 中的行为建模可以实现对模型的多种分析，并将分析的结果纳入模型。因此，可以利用Cero 的行为建模对所需要解决的方案进行修改 、优化。行为建模包含两部分：一是对待优化模型进行分析，生成目标驱动参数。二是对目标驱动参数设定期望值和参数变化范围。最后通过优化程序计算出最优解，实现凸轮旋转重心与凸轮的旋转轴线重合的目标。
当凸轮重心与旋转轴不重合而高速运动时，凸轮系统会产生强烈的惯性力，使得各构件产生弹性变形和强烈的震动、噪音，对凸轮乃至整个纸箱成型机的耐久性和可靠性产生直接的影响。正由于此，优化纸箱成型机的凸轮重心问题对解决凸轮震动问题、提高效率和降低磨损有着重要的意义[1]。
1解析法建立凸轮曲线方程
表1凸轮原始数据
凸轮设计中最主要的任务是根据从动件运动规律选择合适的数学函数作为其运动规律的表达式，根据文献[2]和文献[3]结合表1可知凸轮的升程阶段选用改进正弦加速度规律，回程阶段则选用五次多项
式加速度规律。其运动规律方程如下所示:
www.621mm推程:S 1=
902+π+θ70-9sin(60+240θ70
)
4[]
4+π
θ1=[0°,70°]远休止:S 2=90θ2=[70°,200°]
回程:S 3=90[10(δ60°)3-15(δ60°)4+6(δ60°
)5]
θ3=[200°,260°]近休止:S 4=0θ4=[260°,360°]
2利用Creo 对曲线方程进行三维建模[5]
耐高温油墨将上述各式转化为Creo 中的方程式：推程阶段:
r=60+((4*180*180*3.488*90*sin(60+24/7*theta))/((4+3.14)*70*70)+4.562*10000*90*(2+3.14/70*theta-9*sin (60+24/7*theta)/4)/(4+3.14))/4.562/10000
theta=t*360*70/360z=0
远休止阶段:r=60+90
theta=70+t*360*130/360z=0
浮油收集器回程阶段:
r=60+90-(3.488*60*90*(theta-200)/60^3-3.488*180*90*(theta-200)^2/60^4+3.488*120*90*(theta -200)^3/60^5+4.562*10000*10*90*(theta -200)^3/60^3-4.562*10000*15*90*(theta -200)^4/60^4+4.562*10000*6*90*(theta-200)^5/60^5)/4.562/10000
theta=t*60+220z=0
近休止阶段:
r=60+1.36*10/74197000theta=260+100*t z=0
四个阶段所选用坐标系均为圆柱坐标系，完成曲线后应用Creo 的可变截面扫描即可得到如图1所示凸轮。
3运用Creo 行为建模对凸轮进行分析[4]
燃油调压阀
基于Creo 的纸箱成型机折边凸轮的重心优化
刘扬赵美宁
(西安工业大学，陕西西安710000)
【摘要】研究纸箱成型机中的折边凸轮的重心优化问题。根据从动件的运动规律，通过Creo 的实体建模模块将凸轮进行精确的实体建模，再利用Creo 的行为建模模块对凸轮重心进行分析和优化。在保证其性能的基础上，减轻了凸轮重量，减小了凸轮在转动时的跳动，提高了从动件运动的稳定性，改善了纸箱成型机的性能。通过Creo 软件的分析优化，使得纸箱成型机的折边凸轮重心与旋转轴重合。
【关键词】纸箱成型机；凸轮机构;Creo ；重心优化
The Carton Forming Machine Based on Creo Ruffled CAM the Center of the Optimization of Gravity
LIU Yang ZHAO Mei-ning
(Xi ’an Technological University,Xi ’an Shaanxi 710000,China)
【Abstract 】The carton forming machine of folding CAM the center of the optimization gravity of gra
vity problem.According to the motion law of follower,through Creo entity modeling module will CAM accurately entity modeling,using Creo behavior modeling module to analyze and optimize the CAM center of gravity.In guarantee its performance,on the basis of CAM weight reduction,reducing the CAM rotates in the beating,improve the stability of follower motion,improve the performance of the carton forming machine.Through the analysis of Creo software optimization,made the folding carton forming machine CAM center of gravity and the axis of rotation.
【Key words 】Carton moulding machine;Cam mechanism;Creo;Optimization of center of gravity
作者简介：刘扬，男，江苏扬州人，西安工业大学硕士研究生，研究方向为包装工程和精密超精密技术。赵美宁，女，陕西西安人，西安工业大学包装工程系主任，硕士研究生导师，从事包装工程的教学与研究。
推程起始角
远休止始
角回程起始
角
近休止始角
从动件推
gprs水表程
凸轮转速基圆半径
0°70°200°260°90mm 32r/min 60mm
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Science &Technology Vision 科技视界图1Creo 根据方程曲线生成的凸轮实体
3.1创建重心与旋转轴之间的距离测量特性
对凸轮进行质量属性可知，其重心和旋转中心不重合，如图2所示。通过Creo 生成重心至旋转轴的距离参数DISTANCE。
图2凸轮实体的质量属性
3.2凸轮优化设计的设计约束
(1)性能约束
重心与凸轮旋转轴的距离尽可能最小，最优为零。(2)尺寸约束
小孔的直径和其与凸轮旋转轴的距离是影响重心能否与旋转轴重合的关键。运用Creo 对凸轮实体进行敏感度分析，以确定配重小孔的直径和距旋转轴距离的合理变化范围。根据敏感度分析可得，配重小孔直径的变化范围为[25mm,35mm]，距旋转轴距离的变化范围为[115mm,125mm]。
4运用Creo 行为建模对凸轮进行优化[5]
(1)单击Creo 面板上的【分析】选择【可行性/优化】，添加设计约束、设计变量，如图3所示。
图3
(2)通过Creo 的优化凸轮实体的各变量尺寸自动改变为最优尺寸。优化后的凸轮及质量属性如图4所示。
图4配重后的凸轮实体
优化后的凸轮配重小孔的尺寸和位置如表2所示(从左至右)。
表2配重小孔的尺寸和位置5结语
综上所述，在设计凸轮曲线时，一般以从动件的运动规律作为基本参数，只要给定所要求的输出函数，就可以根据它设计出凸轮曲线。通过Creo 的实体建模模块可以将凸轮进行精确的实体建模，再利用Creo 的行为建模模块对凸轮进行进一步的优化。本文在基于Creo 软件对槽型凸轮进行了重心优化，在保证其性能的基础上，减轻了凸轮重量，减小了凸轮在转动时的振动和磨损，提高了效率，是对原产品设计的进一步平衡优化设计。
[1]黄茂林，秦伟.机械原理[M].机械工业出版社,2002.
[2]刘昌祺,[日]牧野洋，曹西京.凸轮机构设计[M].机械工业出版社,2005.[3][美]R.L.诺顿.机械设计[M].2版.机械工业出版社,2003.
[4]史丽晨，郭瑞峰.基于MATLAB 和PRO/ENGINEER 的机械优化设计[M].国防工业出版社,2011.
[5]二代龙震工作室.PRO/ENGINEER Wildfire5.0进阶提高
[M].
清华大学出版社
,2010.
[6]蔡云红，孙诚，黄利强.基于SolidWorks 的瓶盖结构参数化设计的研究[J].包装工程,2012,21:100-103.
[责任编辑：庞修平]
配重孔
ϕ1
ϕ2ϕ3ϕ4ϕ5ϕ6ϕ7ϕ8ϕ9直径(mm)26.6
29.1
30.9
32
工业洗水机32.3
31.6
30
27.9
25.1
所有配重孔均在ϕ133.5mm 圆上，各孔之间成15°
145
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