盘形凸轮工作过程（盘形凸轮的四种设计方法与仿真运动分析）
盘形凸轮工作过程（盘形凸轮的四种设计方法与仿真运动分析）由于对设备产能要求越来也高，传统的凸轮/连杆机构又受到用户青睐。以动力电池制造设比较高等 非标设备大多由伺服马达/步进马达、丝杆/同步带、气缸/油缸等替代。近年来，EXCEL。凸轮/连杆机构以其快速、稳定的特点，在很多的场合尤其是传统的制程设备中得以运用。但其缺点也很明显：适应性较差，结构相对比较复杂，开发周期长，凸轮加工精确要求
文章来源：微信公众号《机械工程文萃》
摘要：详细介绍运用 SolidWorks 绘制盘形凸轮的不同方法，包括插件法、解析法、折
弯法及仿真法。
关键词：盘形凸轮，插件法，解析法，折弯法，仿真法，余弦加速度， SolidWorks，
EXCEL。
凸轮/连杆机构以其快速、稳定的特点，在很多的场合尤其是传统的制程设备中得以运
用。但其缺点也很明显：适应性较差，结构相对比较复杂，开发周期长，凸轮加工精确要求
比较高等 非标设备大多由伺服马达/步进马达、丝杆/同步带、气缸/油缸等替代。近年来，
由于对设备产能要求越来也高，传统的凸轮/连杆机构又受到用户青睐。以动力电池制造设
备中塑封制程为例。进口设备核心机构采用凸轮/连杆机构，产能在 140 件/分钟以上，国产
设备采用伺服/丝杆驱动，产能则在 50件/分钟左右。更为重要的是前者用于制程的有效时
间更长，确保了品质的可靠性。凸轮的设计将成为机构设计工程是不可缺少的技能。
本文以盘形凸轮为研究对象，分别介绍几种不同的设计方法。
一、 基本参数
1.1、 凸轮基本参数
1.2、 从动杆运动规律
注：余弦加速度(简谐运动)方程：
S=h*[1-cos(πφ/Φ)]/2
图 1
二、SolidWorks 插件法
2.1、如图 2，打开 SolidWorks，新建零件，关闭草图。菜单栏 Toolbox -> 凸轮
如菜单栏无 Toolbox，先加入插件。
图 2
2.2、设置。如图 3
图 3
凸轮类型为圆形，推杆类型为平移，如果是偏心的，可作相应的选择；开始半径为基圆
半径，开始角度根据<表 2>填写；旋转方向为顺时针
2.3、 运动 如图 4
图 4
运动部分，根据<表 2>，进行设置，运动的类型为谐波；
2.4、 生成 如图 5
图 5
生成部分：坯件的外径要满足：>(D d)/2；近毂和远榖分别为凸轮两侧的圆柱状台
阶，要大于孔的直径，厚度自行定义，但需要大于圆角半径和倒角大小；本例子缺省。
结果如图 6
图 6
至此，采用 SolidWorks 自带插件的方法设计完成了满足表 1、表 2要求的凸轮。将文件
保存为凸轮（插件）1。
三、解析法
3.1、数学模型建立。
3.1.1、辊子中心运动轨迹
图 7
θ=πφ/Φ ---角度转换
其中：D - 凸轮基圆直径；S – 向径；h - 为升程；φ - 为凸轮转动的角度（弧度
值）
3.2、EXCEL 自动计算
3.2.1、打开 EXCEL，依次将相关参数及公式输入到表中。
3.2.2、采用下拉复制，相关参数即可自动计算并显示在表中。如图 8。
图 8（部分截图）
3.2.3、 按图 9整理，加入 Z值。（便于 SolidWorks 导入）
图 9（部分截图）
3.2.4、复制图 9中参数黏贴到 TXT 文件中，保存为 jx1.txt。
3.3、在 SolidWorks 中绘制凸轮
3.3.1、打开 SolidWorks 零件绘制环境，关闭草图
3.3.2、插入曲线，如图 10
图 10
图 11
3.3.3、按图 11点击浏览，找到参数文件 jx1.txt 存放位置。
注意:文件类型要切换到 *.txt 文件类型.
插入后的结果如图 12。
图 12
3.3.4、利用等距实体命令绘制凸轮轮廓草图，如图 13。
图13
偏移距离为辊子半径.
3.3.5、草图拉伸 15，如图 18。绘制中心孔，如图 19.
图 14
图 15
四、折弯法
4. 1、数学模型建立
图 16 （图中凸轮曲线可为任意，便于分析即可）
展开前的凸轮轮廓线曲线
θ=πφ/Φ –角度转换
其中：D - 凸轮基圆直径；S – 向径；h - 为升程；φ - 为凸轮转动的角度（弧度
值）
展开后，展开长度与向径之间的关系
以直径 D'=100 为展开圆
S'=S- D'/2= S-50 --D'为展开圆直径
S=D/2 h*(1-COS(θ))/2 （细节需作补偿？）
4. 2、EXCEL 自动计算
4.2.1、打开 EXCEL，依次将相关参数及公式输入到表中。
4.2.2、采用下拉复制，相关参数即可自动计算并显示在表中。图 21为计算表部分截图。
图 17
按图 9整理，加入 Z值。（便于 SolidWorks 导入）
4.2.4、复制图 9中参数黏贴到 TXT 文件中，保存为 jx1.txt。
4.3、在 SolidWorks 中绘制凸轮
4.3.1、打开 SolidWorks 零件绘制环境，关闭草图
4.3.2、插入曲线(参考 3.3.2)
图 18
4.3. 3、绘制凸轮展开后草图、利用等距实体命令绘制凸轮轮廓线及其它边界线。如图
图 19
4.3.4、拉伸，厚度 15，插入坐标原点如图 24，注意坐标轴方向（弯曲时绕 X 轴），如
图 20
图 20
图 21
4.3.5、插入弯曲特征。选取实体-点选折弯--折弯角度为 360 度--选取坐标系（上一步
建立）如图 22，勾选确定，得到特征，如图 27
图 22
图 23
4.3.5、完善设计如图 24。保存文件名为凸轮(弯曲)
图 24
五、仿真法
5.1、凸轮设计的模型准备
使用 SOLIDWORKS 完成如图 25所示装配体的建模，并添加恰当的配合。(建模过程省略)
图 25
图 26
5.2、从动件运动数据点的准备
建立从动件位移与时间的关系。
设定凸轮转动一周的时间为 3秒。则
时间与转动角度的关系：t=φ*3/（2π） ； --φ为凸轮转动角度
S= -h* (1- COS(θ))/2（升程） ；S = -h h * (1- COS(θ))/2（回程）；
θ=πφ/Φ –角度转换
其中： S --从动件位移；h --为升程；φ-- 为凸轮转动的角度（相对角度）
注：1)、从动件位移以基圆为起始点；
2)、离开凸轮中心为负，反之为正。（与后续仿真设计设置有关）
5.3、EXCEL 自动计算
5.3.1、打开 EXCEL，依次将相关参数及公式输入到表中。
5.3.2、采用下拉复制，相关参数即可自动计算并显示在表中。图 27为计算表部分截图。
图 27
5.3.2、选取表格 t、S 插入图表如图 28，可得到图 29，从动件位移与时间的关系。
图 28
图 29
5.3.2、选取表格 t、S，复制黏贴（选择性黏贴-值）到新开启的 EXCEL 表中，另存为 CSV
格式，文件名 fz1。
5.4、运动分析边界条件设定
5.4.1、启动 SOLIDWORKS Motion 插件
如图 30开启新的运动算例，并将分析模式切换到 Motion 分析。
在视项和相机视图中右键并单击禁用观阅键码播放。（在此之前视图摆放到合适的位
置，从动件的顶点设置为与圆盘表面接触装配关系，在仿真运动之前解除装配关系）
图 30
5.4.2、我们已知从动件的运动需要符合数据点的规律。为了能满足此要求，我们需要
设置一个线性马达来驱动从动件。
如图 31马达的位置选择从动件的顶面，方向向下，运动的模式切换到数据点模式以打
开函数编制程序对话框。
图 31
在此对话框中设置值为位移，自变量为时间，插值类型选择 Akima 样条曲线。如图
32，点击输入数据，找到文件名 fz1 并打开。在函数编制对话框中确定，在马达编辑中确
定。
图 32
5.4.3、前面我们设定凸轮转动一周的时间是 3秒，为了保持同步。拖动时间栏的关键帧到
3秒，将仿真的周期设置为 3秒，如图 33。
图 33
5.4.4、给凸轮添加旋转马达，使凸轮在从动件的一个运动周期中旋转一圈。如图 34，旋转
马达的位置选择传动轴的边线。运动类型设置为等速，每分钟 20圈（注：3秒一圈），确
定。
图 34
5.3.4、添加重力，如图 35，方向沿 Y轴负方向。
图 35
5.4.5、添加接触，如图36，选择凸轮和从动杆。
图 36
5.4.6、设置运动算例属性
为了使获取的凸轮的轮廓精度更高，每秒帧数设置为 100，并选择精确接触，如图 41。
图 37
5.4.7、如图 38，单击计算，运行运动仿真。
此时可以看到预期的运动，凸轮转动一圈，从动件同时完成一个周期的运动。
图 38
5.4.8、获取凸轮轮廓
为了获取凸轮的轮廓，我们只需找到从动件上与凸轮接触的一点相对于凸轮的跟踪路
径。此跟踪路径即为凸轮的轮廓。
如图 39和 40，41 所示，单击结果和图解，选择位移/速度/加速度——>跟踪路径。在
要测量的实体中选择从动件的顶点及凸轮的圆柱面。确定之后即获得一个跟踪路径，此路径
即为凸轮的轮廓。
图 39
图 40
图 41
5.4.9、将跟踪路径转化为曲线输入到凸轮中。
5.4.10、将其转化为曲线并输入到凸轮中，如图 42。
5.4.11、在结果图解 1上右键——>从跟踪路径生成曲线——>在参考零件中从路径生成曲
线。
图 42
5.4.12、打开凸轮，在设计树中将有一个曲线，在前视基准面上绘制草图，并用转换实体引
用命令，将此曲线引用，接着对草图进行拉伸。如图 43
图 43
图 44
5.4.13、将零件图另存为文件名为凸轮 FZ1。
六、仿真验证分析
以仿真法绘制凸轮为例轮廓是否正确。
6.1、打开文件 FZ1，在当前的仿真中，从动件是依靠线性马达驱动的。在实际凸轮机构中
应当是依靠凸轮的轮廓保证从动件的运动。因此在验证的时候我们需要将加在从动件上的线
性马达去掉，并在从动件和凸轮之间添加接触。
6.2、将时间调整到 0秒的位置，压缩线性马达，如图 45。在从动件和凸轮之间添加接触。
如图 46。
图 45
图 46
6.3、查看从动件在 Y方向上的线性位移
如图 47，点击图解，选择位移/速度/加速度——>线性位移——>Y分量。选择从动件的
一个面，确定。其在 Y方向的线性位移如图 48.
图 47
图 48
对比图 32与图 48，可以看出，从动件是符合所设定的运动规律的。
七、几种设计方法的比较
7.1、插件法是运用 SolidWorks 自带的插件，优点是按照操作提示逐步操作，填写完对话
框的参数生成即可。缺点是其绘制过程太过"自动化"，无法深入理解凸轮的真正的绘制过
程，精度没法设定。
7.2、解析法通过建立数学模型，建立凸轮转角与凸轮轮廓线上点的位置关系。运用 EXCEL
公式自动计算，在 SolidWorks 中绘制出凸轮轮廓线，最后绘制出完整的凸轮。过程相对比
较复杂，对工程师要求相对较高。但设计过程"可控" 设计精度可根据需要进行调整。设
计 3D模型可直接用于加工。
7.3、折弯法则是利用 SolidWorks 的弯曲命令，先建立圆周长度与表面（或从动件行程）之
间的数学模型，利用 EXCEL 公式自动计算，在 SolidWorks 中绘制出凸轮的展开特征，再利
用弯曲命令得到最终的凸轮。重点是数学模型建立及弯曲命令的相关设置。设计精度可根据
需要进行调整。
7.4、仿真法是利用 SolidWorks 自带的仿真分析插件，在装配图中，运用路径跟踪来得到凸
轮的轮廓线，再绘制出凸轮。其重点是首先建立时间与冲动件运动之间的关系，按照步骤设
置参数。其显著优点是很直观，而且可以很方便进行仿真分析进行比较。
八、结束语
综合运用 SolidWorks 的各种方法绘制凸轮，充分了解凸轮的结构特点，数学模型的建
立过程，Excel 在设计中的运用。这些方法可运用到其它很多的机构设计中，对提升设计效
率，提升设计水平有极大的帮助作用。
注明：此文章首发于微信公众号《机械设计文萃》。
