0 引言
槽轮机构是一种常用的间歇运动机构,在各类自动化机械中使用广泛，尤其是带有转盘工作台的自动包装机、自动灌装机等设备中。目前槽轮机构建模主要有两类方法，第一类是直接建模，属于自底向上的设计方法，即先建立零件模型再建立装配模型。此种方法不可实现参数化，在设计参数变更或者发生零件干涉时就需要调整，因此重复工作量较大，效率不高。第二类是利用高级编程语言进行二次开发，可实现参数化驱动，设计效率高，但一线工程技术人员难以掌握。针对该问题，可利用自顶向下的方法实现一种快捷有效且能实现参数驱动的建模方法。
自顶向下设计是指在应用3D设计软件进行机械部件设计过程中，先进行部件整体结构、零件布局及相互间位置关系等方面的整体考虑，并应用相应的简单元素(如点、线、基准面等)在软件中进行表示，作为后续细节设计的“参照”。自顶向下设计能从整体加以把握，在设计一开始就明确零件之间的关系，从而实现模型能与设计参数动态匹配。
以SolidWorks软件为平台，从装配体入手分析槽轮和拨轮的几何尺寸及几何约束关系，先通过建立布局文件来定义设计参数，再利用多实体方法建模，最后导出零件模型并进行装配，如此整个机构的参数都从布局文件中继承，从而实现整套机构的参数化。
1 槽轮机构几何参数关系分析
以最常用的径向槽均勻分布的外槽轮机构为例，如图1。
首先根据工作要求确定槽轮的槽数Z和拨轮的销数n；再根据受力分析和实际所允许的安装空间来确定中心距L和圆销半径r。，最后按照图1所示的几何关系，即可推导出各尺寸的几何关系：
其中r0应根据强度校核来取值，建模时可先按经验取r=0.1R。
2 参数化建模具体方法
2 . 1 整体思路分析
自顶向下方法最关键的思路就是分析几何参数及各种约束的继承关系。
首先建立用于布局零件格式文件。在SolidWorks零件建模环境中，利用方程式可以将之前推导的槽轮几何关系加以定义，辅助草图的几何约束，可以将槽轮和拨轮之间的相互关系完全确定。采用多实体建模方法分别建立两者实体模型，即在同一个零件格式文件中将槽轮和拨轮建成2个独立实体。
将布局零件中的2个实体，分别导出保存为独立的零件模型。这样2个零件的数据就从布局零件中继承下来，当布局零件中的参数变更时，零件就会相应地改变。最后建立装配体模型，按照装配关系将槽轮和销轮进行装配，由此设计数据进一步继承到最终的装配文件中。装配完可以利用数字仿真技术对设计加以分析和验证，全过程如图2所示。
图2 自顶向下建模的数据继承关系
2 . 2 确定布局草图
由整体思路分析可知，布局文件确定了槽轮机构所有建模参数，而所有参数集中体现在布局草图中。
先在方程式中定义全局变量，L、Z、n、r0、R、S、h，其中初始变量L取初值l00，Z取4 。再绘制布局草图来确定槽轮的1/Z部分和拨轮之间的几何约束关系，如图3(a)所示。
草图具体尺寸和几何约束关系如下: 1)线段长度标注为L ;2)线段AC长度标注为S ;3)线段BC长度标注为R; 4 )槽口线宽度标注为r。; 5 )槽口线中心距标注为h; 6 )2个同心圆中的小圆直径标为2·R·0.85。
最终草图绘制效果如图3(b)所示。
2 . 3 槽轮机构建模过程
建模过程可分为9个步骤:1)将ACD线框转换实体引用到新的基准面中，再拉伸成实体，为便于后续的阵列操作，可在4 点拉伸一个小圆柱体，如图4 (a); 2 )以4 点为中心，对上一步拉伸的三角形实体进行阵列，阵列个数为变量Z ，如图4(b); 3 )将布局草图中的槽口线转换实体引用，并以此对上一步建立的实体进行切除，如图4(c);4)以A点为中心，对上一步切除特征阵列，阵列个数为变量Z ，如图4(d);5)将布局草图中的小圆转换实体引用，并以此对上一步建立的实体进行切除，如图4(e);6)以A点为中心，对上一步切除特征阵列，阵列个数为变量Z ，如图4(f )，至此槽轮实体已建成;7 )以BC为圆心绘制槽口线拉伸，再以C为圆心，绘制半径为r0的圆，拉伸形成销，如图4(g); 8 )将布局草图中的小圆转换实体引用，并拉伸形成止动圆弧，如图4(h);9)根据Z在止动圆弧上开出豁口，如图4(i);至此，槽轮实体和拨轮实体已经完成建模。
图4 建模过程
最后再以拨轮中心阵列拨轮的销和止动圆弧缺口2个切除特征，阵列个数为变量n。分别将槽轮和拨轮转存为2个独立的零件文件，再进行装配，即完成建模过程。
2 . 4 变更参数验证模型
分别给定3组参数验证模型。第一组:Z= 4，n= l ; ;第二组:Z= 6，n=2。每次只需在布局零件文件的方程式里修改相应的变量，再更新模型即可，如图5(c)。
经过验证，可实现参数驱动的槽轮机构装配模型就已经建成。
3 模型运动仿真分析
基于SolidWorks的motiom分析模块，可以及时对设计方案进行运动仿真分析。对此前得到的3组模型，均给定同样的参数，拨轮转速为12 r/min，仿真时间5 S，查询槽轮的角速度仿真结果，如图6所示。
图6 仿真分析结果
对仿真结果进行归一化处理。拨轮转速为12 r/min，即72°/s，由此可得Z=4时，槽轮最大角速度与拨轮角速度比值约等于2.4;当Z=6时，比值约等于1。分析结果与文献吻合，说明本文探索的建模方法可保证机构运动精度。
4 结语
基于自顶向下设计方法，以SolidWorks软件为平台，从槽轮机构装配体入手，分析槽轮和拨轮的几何尺寸及几何约束关系。最终实现槽轮机构模型的参数化驱动，并利用数字仿真技术对运动特性加以验证。基于自顶向下设计方法，能大幅提高效率，对于工程实际有很现实的意义。
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本文标题：基于自顶向下的槽轮机构参数化建模研究
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