圓柱凸輪類零件的設(shè)計(jì)及加工*

陳向友，許 蘢

(鹽城市教育培訓(xùn)與服務(wù)中心，江蘇鹽城 224005)

圓柱凸輪類零件的設(shè)計(jì)及加工*

陳向友，許 蘢

(鹽城市教育培訓(xùn)與服務(wù)中心，江蘇鹽城 224005)

在SolidWorks環(huán)境下，利用包覆特征實(shí)現(xiàn)了任意圓柱凸輪三維建模的方法和步驟，并在Motion插件中模擬仿真運(yùn)動(dòng)，仿真正確后導(dǎo)入CAXA制造工程師軟件中生成四軸加工的數(shù)控程序。以余弦圓柱凸輪為例講解了整個(gè)過程，為圓柱凸輪類設(shè)計(jì)及加工提供了通用的解決方法。

圓柱凸輪;包覆特征;運(yùn)動(dòng)仿真;四軸加工

1 引言

凸輪機(jī)構(gòu)是機(jī)械中常用的典型機(jī)構(gòu)之一，廣泛的應(yīng)用自動(dòng)化和半自動(dòng)化的場合［1］。在產(chǎn)品的研發(fā)及加工中，建立精確的模型是前提和基礎(chǔ)，目前國內(nèi)外所有主流軟件都沒有直接生成的圓柱凸輪的功能，因此圓柱凸輪建模仍然是一項(xiàng)非常繁瑣的工作。Solid-Works是優(yōu)秀的CAD/CAE的軟件之一，它自帶的凸輪插件只能完成相對(duì)簡單的圓柱凸輪建模，它雖然自帶凸輪插件，不少人也對(duì)其進(jìn)行了二次嵌入開發(fā)圓柱凸輪建模程序［2－3］，但對(duì)于那些轉(zhuǎn)速高，從動(dòng)件加速度大，特別是根據(jù)工作條件先解方程才能得到的凸輪機(jī)構(gòu)還無法完成。圓柱凸輪的四軸加工是其另外的一個(gè)難題，傳統(tǒng)方法是通過宏程序手工編寫，程序繁瑣且易出錯(cuò)，使用自動(dòng)編程加工的軟件進(jìn)行加工并生成數(shù)控程序是加工發(fā)展的方向。

筆者提供了任意圓柱凸輪類設(shè)計(jì)及加工的通用的方法和步驟分析:第一步建立數(shù)學(xué)模型;第二步在草圖中繪制曲線并使用包覆特征生成圓柱凸輪;第三步進(jìn)行模擬仿真運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的正確;第四步導(dǎo)入加工軟件進(jìn)行四軸加工;通過以上4步徹底解決了困擾機(jī)械學(xué)科中平面凸輪的設(shè)計(jì)及加工這一難題，圖1為轉(zhuǎn)管武器凸輪曲線槽［4］的設(shè)計(jì)及加工過程。

下面以余弦圓柱凸輪為例分析其過程。首先對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，得出其三維的方程曲線，后在SolidWorks軟件中繪制草圖并使用包覆特征生成圓柱凸輪的建模、虛擬裝配、干涉檢查，在插件Motion中可完成凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真和分析，仿真正確后將圓柱凸輪模型通過實(shí)體格式Parasolid(*.x_t)導(dǎo)入CAXA制造工程師中進(jìn)行加工并生成數(shù)控程序。

圖1 圓柱凸輪曲線槽的設(shè)計(jì)及加工

2 余弦圓柱凸輪的數(shù)學(xué)分析

由圖2可知展開后平面的方程曲線為:

圖2 圓柱凸輪展開圖

當(dāng)圖形繞著X軸旋轉(zhuǎn)成一個(gè)圓柱面，y的值則不發(fā)生變化，χ、z變化關(guān)系為z2+χ2=402，可推導(dǎo)三維余弦曲線公式如式(1)所示，若對(duì)其求導(dǎo)則可求解出速度以及加速度曲線方程:

3 基于SolidWorks及Motion插件中凸輪及裝配的設(shè)計(jì)

(1)打開 SolidWorks2012軟件，新建零件1凸輪［5］，在上視圖中創(chuàng)建草圖，插入拉伸特征，在下底面插入草圖作圓插入拉伸特征并鏡象，具體尺寸如圖3所示(在標(biāo)注直徑80時(shí)，采用弧長的標(biāo)注的方法，并且鏡像)。

圖3 凸輪的建模

(2)在前視圖中新建草圖作圓，點(diǎn)擊螺旋線/渦狀線，恒定螺距251.32 mm、圈數(shù)1圈、起始角度0°。在左視圖中新建草圖，選取剛生成的螺旋線，點(diǎn)擊轉(zhuǎn)換實(shí)體應(yīng)用，選取曲線等距實(shí)體16 mm，直線連接頭尾。點(diǎn)擊包覆特征蝕雕10 mm，生成模型如圖4所示。

圖4 凸輪凹槽的建模

(3)新建零件2滾子、零件3滑桿、零件4支架，具體尺寸以及三維模型如圖5所示。

圖5 滾子和滑桿及支架的建模

(4)新建裝配體，導(dǎo)入剛才的4個(gè)零件。并添加關(guān)系，4個(gè)重合和2個(gè)同軸心以及1個(gè)相切關(guān)系(相切只是獲得一個(gè)初始的位置，在模擬運(yùn)動(dòng)之前要將之刪除)。在模擬運(yùn)動(dòng)之前，干涉檢查顯示為無干涉，如圖6所示。

圖6 裝配的建立并干涉檢查

(5)點(diǎn)擊馬達(dá)，選中零件圓周螺旋槽面1，設(shè)置為等速運(yùn)動(dòng)，角速度是每秒種120 r/min;設(shè)置圓周螺旋槽以及滾子添加3D接觸;可設(shè)置模擬運(yùn)動(dòng)，最終可生成AVI動(dòng)畫。

(6)選擇中的滾子上的中心點(diǎn)，在Y分量速度/加速度的軌跡如下，可以看出還是SIN的圖形，非常的平滑，有利于順利的過渡，這可是凸輪設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵，如圖7所示。

圖7 速度以及加速度曲線的繪制

4 基于CAXA的凸輪加工

圓柱凸輪的加工分析:該旋轉(zhuǎn)軸為Y軸，即為B軸旋轉(zhuǎn)，它的圓柱面可通過四軸平切面來實(shí)現(xiàn)(如表面已經(jīng)車削可以省略)，中間的凹槽加工可以通過四軸柱面曲線加工同時(shí)將其左右各偏置1來實(shí)現(xiàn)。

(1)可將圓柱凸輪通過實(shí)體格式Parasolid(*.x _t)導(dǎo)入到國產(chǎn)的CAXA制造工程師2011軟件中進(jìn)行加工，點(diǎn)擊“公式曲線”按鈕，輸入三維余弦曲線的方程(也可直接導(dǎo)入)。

(2)選擇“四軸柱面曲線加工”方式，旋轉(zhuǎn)軸選擇Y軸，加工精度0.01，順時(shí)針方向，單向，選擇直徑φ14平刀，左右偏移各1，刀次10，加工深度10，進(jìn)刀量為1，后置處理選擇FANUC_4AXIS_B系統(tǒng)，生成的加工軌跡代碼如圖8所示(可適當(dāng)手工修改生成適合任何四軸數(shù)控機(jī)床的程序)。

圖8 加工軌跡及四軸程序的生成

5 結(jié)語

本文根據(jù)圓柱凸輪的空間運(yùn)動(dòng)本質(zhì)，以余弦圓柱凸輪為例，經(jīng)過數(shù)學(xué)分析建立草圖，推導(dǎo)過程清晰簡練，利用SolidWorks軟件中包覆的功能實(shí)現(xiàn)了圓柱凸輪的參數(shù)化的建模，其輪廓形狀是根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律來精確計(jì)算的，同時(shí)在裝配體中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的分析驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確，最后國產(chǎn)CAXA制造工程師軟件中進(jìn)行加工仿真并生成四軸數(shù)控程序，為圓柱凸輪設(shè)計(jì)及加工提供的通用的解決方法。

［1］ 鄒慧君，張春林，李杞儀.機(jī)械原理［M］.第2版.北京:高等教育出版社，2006.

［2］ 羅新俊，劉德福，易 文.基于SolidWorks的圓柱凸輪CAD/ CAM系統(tǒng)的研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2011(7):54－56.

［3］ 王 勇.擺動(dòng)從動(dòng)件圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)誤差分析［J］.機(jī)械，2005(S1):19－21.

［4］ 劉 杰，李 強(qiáng).圓柱凸輪建模方法分析與研究［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2012(11):74－76.

［5］ 許 蘢.基于Solidworks圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的建模裝配與運(yùn)動(dòng)分析［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2008(1):81－83.

Design and Processing of the Parts of the Sine Cylindrical Cam

CHEN Xiang－you，XU Long
(Yancheng Education and Training and Service Center，Yancheng Jiangsu 224005，China)

In the SolidWorks environment，using the coating characteristics，the step and method of arbitrary cylindrical cam modeling are achieved，and simulation motion in Motion plug－in is simulated，after correct simulation，it is imported into CAXA NC program generating four axis machining manufacturing engineer software.Taking the cosine of cylindrical cam as an example，the whole process is explained，which provides the general solution for cylindrical cam design and processing.

sine－cylindrical－cam;coating characteristics;motion simulation;four axis machining

TH122

A

1007－4414(2013)05－0105－02

2013－07－23

陳向友(1965－)，男，江蘇鹽城人，碩士，主要從事機(jī)械的CAD/CAM/CAE的教學(xué)和研究。