基于AGW和PRO/E的平面凸轮参数化三维建模技术的研究

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引言凸轮机构广泛应用于纺织机械、印刷机械、食品机械、内燃机、自动化仪表以及各种轻工机械中。凸轮机构之所以得到了如此广泛的应用，是因为它兼有传动、导向及控制机构的各种功能，可以驱动从动件实现复杂的运动规律。正是由于凸轮机构的这一特点，决定了在设计凸轮轮廓时首先要考虑从动件的运动规律。也就是说，必须根据从动件的运动规律来确定凸轮的轮廓曲线，这就给凸轮的三维实体建模带来了很大难度。因此，利用机械三维设计软件设计凸轮时，既要考虑凸轮机构从动件的运动规律，又要考虑不同运动规律作用下凸轮轮廓的变化，这也是凸轮参数化三维建模的意义所在。
本文利用机械三维设计软件Pro/Engineer Wildfire 4.0对盘形平面凸轮进行了三维建模。在生成凸轮轮廓曲线时，采用了尺寸驱动和参数化的方法，输人不同的结构参数，相应以得到了不同的凸轮轮廓。同时，利用Visual Basic6.0设计了独立的程序界面，通过接口程序Automation Gateway 4.2(AGW)驱动Pro/Engineer实现了平面凸轮轮廓的参数化设计。这种方法简单、快捷，不仅可以大大提高PROE二次开发的效率，同时对于平面凸轮机构参数化三维建模而言也是一种行之有效的设计方法。
1 设计方法
通常，在设计凸轮时，先根据工作要求确定从动件的运动规律，然后根据这一运动规律设计凸轮的轮廓。传统的凸轮轮廓的设计方法有作图法和解析法两种，以解析法最为常用，解析法是基于反转法的原理，先求出凸轮轮廓曲线方程式，再精确计算出凸轮轮廓曲线上各点的坐标值。
以偏心直动滚子从动件为例，设凸轮机构的偏距为e；基圆半径为r0；转向系数η，当凸轮转向为顺时针时δ为1，转向为逆时针时为一1；经过滚子中心的从动件导路线偏于Y轴正侧时δ为1，偏于Y轴负侧时δ为一1。令
则凸轮理论轮廓曲线的直角坐标参数方程为：

凸轮从动件的运动规律曲线有很多种，常见的有等速度曲线、等加速度曲线、简谐运动曲线、摆线运动曲线、修正正弦运动曲线、修正梯形运动曲线、3-4-5多项式运动曲线、4-5-6-7多项式运动曲线、3-4-5单停曲线等，每种曲线对应一组公式，该公式用于计算当凸轮自初始位置转过势角时滚子中心将移动的距离s。以3-4-5多项式运动曲线为例，其公式为：
6 N2 p# f5 {3 J, r  m/ a  J( \
9 r. r# V% s5 E+ N0 c. G  y其中，h为凸轮升程，φ为终止角。
2 平面凸轮的PRO/E三维建模方法
下面以直动滚子3-4-5阶多项式凸轮来说明凸轮的具体创建过程。
, r5 G6 x( G( D设凸轮推杆升程为30mm，升程角为700，远休止角为1100 ,回程角为500，近休止角为1300 ，基圆半径为40mm，推杆滚子半径为10mm，凸轮的中央孔径为20mm，厚度为30mm，偏距为5mm。具体步骤简述如下：
(1)新建文件，命名为cam.prt。
(2)利用【程序】命令输人原始参数。选择【工具】/[程序】命令，在INPUT和END INPUT语句中间输人凸轮的默认设计参数，即升程h、基圆半径r、滚子半径r，凸轮中央圆孔半径ro、凸轮的厚度width以及凸轮的4个转角fail~fai4等。如图1所示。
+ R* P# ]9 J  i8 r

图1 输入初始化参数

(3)插人凸轮轮廓曲线方程。选择【插人】/【模型基准】/【曲线】命令，选取【从方程】选项后，再单击【完成】选项。则系统自动弹出记事本应用程序，如图2所示，输人描述第一段凸轮理论轮廓曲线的数学表达式，然后选择记事本程序主菜单中的【文件】/【保存】命令退出记事本应用程序。

图2 rel.ptd记事本

(4)生成凸轮轮廓曲线。系统成功创建了凸轮的第一段理论轮廓曲线，如图3所示。重复步骤3，继续创建凸轮剩余的第2、3、4、5、6段理论轮廓曲线，最后的结果如图4所示。
. C% P* t  Z  D1 m' C9 z

图3 凸轮第一段曲线

图4 凸轮理论轮廓曲线

(5)拉伸草图轮廓，完成凸轮参数化建模。选择【插人】/【拉伸】命令或者单击工具栏中的拉伸按钮后，拉伸指定轮廓至指定高度，完成凸轮实体建模。如图5所示。
/ \( [' T5 I+ x- h

图5 凸轮理论外形

(6)生成凸轮的实际轮廓。扫描一个与理论凸轮轮廓曲面距离为滚子半径长度的曲面，并向外拉伸去除材料，得到凸轮的实际轮廓曲面。如图6，7所示。
9 B6 R% R2 F2 {" k4 j

图6 曲面拉伸向外切除

图7 凸轮实际轮廓

(7)生成凸轮中心孔。利用拉伸去除，生成凸轮中心孔，完成凸轮的建模，如图8所示。

图8 生成的凸轮

(8)指定尺寸关联。选择【工具】/【关系】命令，则系统弹出【关系】对话框，在该对话框中的【查找范围】选项组中选择【特征】选项，将系统默认生成的特征尺寸指定为步骤2中预先设定的凸轮轮廓参数变量。
这样，利用【再生】方法，给参数变量输人不同的数  值、关联尺寸便生成了新的凸轮轮廓，从而实现了凸轮的参数化设计。

3 VB通过AGW对PRO/E进行二次开发的方法
3.1 利用AGW进行二次开发的基本方法
通过上述方法生成的凸轮轮廓，利用Pro/E自身的【再生】功能，亦可实现凸轮的参数化建模，但整个建模过程不能脱离Pro/E软件的操作，给操作带来诸多不便。而利用VB开发独立的程序界面或独立的软件包，将参数赋给AGW服务器，再由AGW驱动Pro/E生成凸轮模型，这种方法不但直观且简洁明了，操作也十分简便。其数据交换与传递如图9所示。

图9 二次开发数据流程原理图

3.2 Automation GATEWAY(AGW)软件简介
+ Z5 m" }& z  M& d0 }Automation GATEWAY (AGW)是RAND公司开发的针对Pro/ENGINEER软件的二次开发工具，与Pro/ENGINEER系统自带的二次开发工具Pro/TOOLKIT相比具有简单易用等优点。Automa-tion GATEWAY在Visual Basic和Pro/ENGINEER之间起到了桥梁和纽带的作用，通过AutomationGATEWAY就可以利用Visual Basic访问Pro/ENGINEER底层数据库，自动实现Pro/ENGINEER任务、创建用户界面、完全实现自动设计任务，也可以将任何支持 ActivX的应用程序与Pro/ENGINEER建立直接联系。利用Visual Basic，可以使Microsoft Office产品(如Word，Excel和Explorer)和Pro/ENGI-NEER对象之间进行数据交换。
Automation GATEWAY最显著的特点是可以用简单易用的VB建立我们所需要的应用程序，利用这个程序可以控制Pro/ENGINEER模型的建立过程，从而很方便地建立适合本单位的二次开发应用程序。

图10 程序主介面

3.3 基于VB的程序界面设计
在凸轮Pro/program建模的的基础上，利用VB建立一组参数设定界面，在界面中输人相应的参数值，程序传递参数给AGW，再由AGW驱动Pro/ENGINEER，系统会根据所输人的参数值生成新的凸轮模型。
" \5 l! _9 |( t- q  V4 结束语
$ S( L9 c  X1 `( P8 g) ]$ f! v对于Pro/E而言，传统的二次开发方法是利用VC++编程，通过Pro/E软件提供的Pro/Toolkit接口进行连接，这种方法开发周期长，不易掌握。而利用VB编程，通过第三方软件AGW服务器接口进行连接既开发简便，又易于掌握。

图11 凸轮参数化生成实体对比

图11给出了在不同参数下凸轮三维实体的对比，其运动规律为修正正弦规律。
对比可以看出，利用上述方法对平面凸轮进行参数化设计可以大大提高凸轮建模效率。但是也必须看到，由于第三方软件AGW的局限性，其对Pro/E的二次开发的范围也是有限的，因此二次开发软件的功能也有限。Pro/E Wildfire 4.0已经发布，新版本的Pro/E提供了VB对Pro/E进行二次开发的API接口，相信未来直接利用VB对Pro/E进行二次开发，无论是软件功能还是集成的效果都会优于AGW的开发。