在使用多体系统时，您可能需要建模一种将运动从一个组件转移到另一个组件的机制。用于实施这种行为的机制（称为凸轮游行者机制）在许多应用中起着重要作用，包括内燃机，打印控制机制，纺织机构机制和阀门。您可以轻松地用凸轮从动件Comsol®软件中的功能。让我们详细了解此功能。
分类不同类型的凸轮追随者机制
凸轮跟随器机制根据其配置的输入和输出运动进行分类。下面描述了不同类型的凸轮跟随机制。
旋转凸轮，翻译追随者
当凸轮旋转时追随者沿着导向器移动时，运动被归类为旋转凸轮和翻译跟随者。这是根据追随者的运动进一步分类的。如果运动沿着凸轮的旋转中心的轴沿轴，则称为径向内线跟随器，而如果运动沿着轴的偏移量，则称为径向偏移量。
动画显示了径向内联跟随器的位移和速度图。
动画显示了径向偏移追随者的位移和速度图。
旋转凸轮，振荡追随者
当CAM的旋转运动转化为振荡运动时，该构型被称为旋转CAM和振荡跟随器。
动画展示了振荡性凸轮和跟随者的示例。
翻译凸轮，翻译追随者
在这种情况下，CAM和追随者都表现出翻译运动。这意味着追随者的运动是由于凸轮的轮廓高度引起的。
动画显示楔形凸轮的位移图。
固定凸轮，移动跟随者
在某些情况下，凸轮是固定的，并且跟随者跟踪凸轮的轮廓。这种类型的布置被归类为固定凸轮和移动的跟随者。
动画显示固定凸轮和移动跟随器的位移图。
关注者
点追随者是一种机制，在该机制中，跟随者在插槽中滑动的销钉。插槽可以是任何配置文件。
动画显示了在弯曲插槽中移动的引脚的位移图。
组合运动
有很多方法可以将一种运动转变为另一种运动。凸轮游行机构的多样性仅受您自己的想象力的限制。例如，您可以使用上述配置的组合来生成组合效果。一些常见的例子是枪管凸轮和端凸轮，用于将旋转运动转化为转化和振荡运动。
动画显示了枪管凸轮的翻译和振荡运动。
使用凸轮游行者类型
这凸轮从动件与ComsolMultiphysics®软件5.3A的多体动力学模块一起使用的联合类型用于建模一个点遵循表面的应用程序。换句话说，触点是唯一的，并且发生在一个点。
通常，活动组件称为凸轮被动组件称为追随者，但是在Comsol®软件中，此功能的构建方式可以使您可以将两个组件建模为Active或Passive。
使用默认设置，CAM和追随者将始终保持联系，这意味着不允许聊天。为了模拟间歇性联系，激活条件功能下的功能凸轮从动件可以使用关节类型。此外，CAM和追随者都可以建模为刚性或柔性组件。
为了确保跟随器上的点始终遵循指定的凸轮表面，定义了凸轮边界的偏移，使缝隙距离始终为零。这些约束的实施遵循此过程：
- 基于选定的凸轮表面，使用搜索算法来找到相对于指定的跟随点的凸轮表面上的最接近点
- 定义了内部差距变量，以使追随者上点和凸轮上最接近点之间的绝对向量差设置为预定义的偏移量
这方程和草图为了凸轮从动件带有附加结构力学模块和多体动力学模块的comsol多物理学中的功能。
如果您对配方的细节不感兴趣，则可以跳到下一节。
为了了解公式，让我们来看看一个凸轮和滚筒配置的示例，其中凸轮和滚筒都被建模为刚性组件。对于一个刚体的身体，可以从身体固定（局部）坐标系（x，y）的原点位于身体上的一个点\ vec {s}。由于该点固定在身体上，因此向量的元素在身体固定的坐标系中是恒定的，而在全球坐标系中，它们随旋转而变化。从局部方向转换为旋转矩阵表示。
凸轮和滚子配置的示意图。
现在，点（p）在身体（i）上的绝对位置可以表示如下：
在这里，使用刚体的旋转中心计算点（c）的位置，它也是身体固定坐标系的起源。
- X=全局X-轴
- y=全局y-轴
- r一个=身体旋转中心A的绝对位置
- s一个=相对于旋转中心的身体A点（G）的全局位置向量
- rb=身体B旋转中心的绝对位置
- sb=相对于旋转中心的身体B点（H）的全局位置向量
- r一个=相对于空间坐标系的点（g）的绝对位置
- rb=相对于空间坐标系的点（H）的绝对位置
所以，
由于相对于身体（a）和（b）的常见接触点没有固定，因此需要在两个身体之间定义一个约束以保持连续接触。
在comsol多物理学中，约束在向量D上定义，以使其在凸轮表面最接近点的正常方向上的幅度等于偏移值。
建模基于径向凸轮的阀门开放机制
以我们的示例，让我们考虑一个带有摇臂和径向凸轮的弹簧式开门机构。在这种机制中，开了凸轮旋转，并将弹簧连接到阀上以限制其运动。
带有摇臂和径向凸轮的阀门开放机构的几何形状。
该分析的目的是双重的：
- 计算给定凸轮轴RPM的跟随器的位移，速度和加速度
- 计算凸轮驾驶器连接力以及以给定的rpm旋转凸轮轴所需的扭矩，以使阀弹簧刚度的不同值
安装在阀上的弹簧背后的主要目标之一是迫使追随者遵循凸轮轮廓，并避免凸轮和追随者之间的间歇性接触。因此，阀弹簧刚度的最佳值应始终执行凸轮和跟随器之间的接触，同时要求最小的扭矩旋转凸轮轴。
评估comsolMultiphysics®中的仿真结果
动画显示了径向凸轮的位移图。
当跟随者与CAM轮廓的开放侧面区域接触时，追随者速度首先会增加。后来，它在鼻子区域的尖端下降并变为零。同样，当跟随者与CAM剖面的愈合区域接触时，它在相反方向上增加并变为零。在comsol多物理学中，关节的速度和加速度标志公约是根据关节的指定轴决定的。如果目的地附件沿关节轴的正方向移动，那将是积极的。对于这种情况，关节轴是沿着z- 轴，因此当追随者向上移动时，速度为正，反之亦然。
跟随速度（左）和跟随器加速度（右）的变化，并随凸轮旋转。
您会看到，加速度值在60°至120°C旋转的范围内为负。这是追随者具有与凸轮轮廓接触的趋势的区域，该区域取决于给定的凸轮轴RPM的阀弹簧刚度值。通过绘制连接力与凸轮旋转，您可以检查哪个弹簧确保连续接触。如果CAM和跟随器不再接触，则接触力符号大会是正面的，而负值表示仍然保持触点。
与凸轮旋转（左）和扭矩旋转凸轮轴（右）的凸轮驾驶器连接力的变化，以实现阀弹簧刚度的不同值。
在四个阀刚度值中，只有20 kN/m和30 kN/m可以在凸轮和跟随器之间连续接触。为了选择阀刚度的最佳值，我们可以查看所需的扭矩图。可以在本图中观察到，对于20 kN/m的值，所需的扭矩较小，因此这是该分析中考虑的值之间阀刚度的最佳值。
使用已知的追随者上升功能设计CAM配置文件
CAM设计的一个问题是确定适合生成追随者运动的CAM轮廓。在comsol Multiphysics中，可以根据追随者的崛起函数轻松地创建几何形状。追随者上升函数定义为随着凸轮旋转的变化而导致追随者的位移。第一步是作为追随者上升函数的函数得出半径。如果追随者上升函数是预先知道的，则可以使用分析方法建立这种关系。分析方法比创建CAM表面的图形方法要简单，因为跟随器上升函数通常是不同基本功能的组合。同样，在少数情况下，已经知道了追随者所需的输出运动，因此从已知的追随者上升函数中生成CAM轮廓变得很简单。
示意图用CAM角表示CAM轮廓的变化。
- r最小=基本圆的半径
- θ=凸轮表面上点旋转角度的旋转角度
- r=凸轮表面上的点半径
- H=追随者高于其初始位置的高度
从上图，很明显半径（r）和追随者高度（H）是旋转角度的函数，而追随者上升函数仅仅是基本圆圈的CAM轮廓的差异。它们之间的关系定义如下：
现在，如果已知追随者上升函数，则半径的变化（r）将代表每个值的圆θ。因此，它将提供一系列曲线。为了生成CAM轮廓，我们需要绘制曲线的信封。可以在Comsol多物理学中轻松完成此操作参数曲线选项。
y = r \ boldsymbol {\ cdot} sin（\ theta）
让我们以一个简单的例子来说明这个概念。考虑一个简单的刀边缘径向追随者，具有已知的跟随器上升和凸轮角度旋转。上升函数使得在60°C旋转期间存在局部冲球，停留在接下来的30°Cam旋转中，在接下来的60°C旋转期间返回中风，并停留在剩余的210°Cam旋转中。
追随者高度作为凸轮角度的函数。（追随者上升功能。）
在ComsolMultiphysics®中实现
首先，您需要创建插值功能并输入H VS的数据。θ，也称为追随者上升功能。得益于Comsol®软件的灵活性，人们可以直接导入追随者的崛起功能。导入跟随器上升功能后，可以使用参数曲线生成CAM表面。为此，需要首先确定基本圆半径，然后表达依赖于追随者上升函数和基本圆半径的半径。参数形式与圆的形式相似。在这种情况下，唯一的区别是半径是θ。为了在comsol多物理学中执行此操作，可以使用插值函数来创建追随者上升函数，并在参数曲线下进一步使用它们来定义r（凸轮表面的半径）。通常，数据是一条分段曲线，因此，最好为每个部分，上文和停留的每个部分创建不同的配置文件曲线。最后，您使用转换为实心生成CAM配置文件的选项。
生成的CAM轮廓的示意图。
在使用生成的CAM轮廓进行模拟后，跟随器的图随CAM旋转的函数而增加。
追随者运动的情况是不同类型的分析表达式的组合，例如均匀运动，抛物线运动，简单的谐波运动，循环运动或一般多项式运动。在这些情况下，可以轻松地使用分析功能具有不同动作的完整凸轮旋转的功能。分析功能允许符号表达式，因此您可以将其直接写为θ。
关于Comsol多物理实施的最终注释
为了获得更平滑的表面表示，增加位移到二次的形状函数顺序是有用的。当凸轮刚性和灵活时，这既适用于凸轮。
如果可能的话，请在凸轮边界上使用细网格来提高在凸轮从动件连接节点。
下一步
结构力学模块包含用于机械分析的高级工具。通过单击下面的按钮来查看其他类型的分析。
注意：凸轮从动件功能还需要多体动力学模块，结构力学模块的附加组件。
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