間歇弧面擺動(dòng)凸輪裝置的自動(dòng)參數(shù)化設(shè)計(jì)及加工仿真

曹西京，李永建，楊 云，郝 敏

(陜西科技大學(xué)a.機(jī)電工程學(xué)院b.電氣與信息工程學(xué)院，西安 710021 )

0 引言

間歇擺動(dòng)弧面凸輪裝置是把弧面分度凸輪的一段升程改為回程的全新擺動(dòng)裝置，它能實(shí)現(xiàn)將輸入端的勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成輸出端的往復(fù)間歇擺動(dòng)的效果?；∶鏀[動(dòng)凸輪具有嚴(yán)格的共軛曲面，良好的運(yùn)動(dòng)性能和承載能力，它克服了連桿擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、油缸擺動(dòng)機(jī)構(gòu)等傳動(dòng)間隙大、震動(dòng)沖擊大和壽命短的缺陷，被廣泛的用于食品、包裝等機(jī)械［1］。

但是由于其工作廓面比較復(fù)雜，且擺動(dòng)期輪廓廓線既有左旋又有右旋，導(dǎo)致三維建模存在一定的難度?，F(xiàn)有的建模方法主要有模擬軌跡法［1］和編程法［2］等，但是模擬軌跡法建模精度不高，且設(shè)計(jì)結(jié)果單一無法達(dá)到參數(shù)化設(shè)計(jì);而編程法又需要較高的編程水平，不利于推廣。利用包絡(luò)原理求出弧面擺動(dòng)凸輪的輪廓曲線，以Pro/E 軟件為平臺(tái)對弧面擺動(dòng)凸輪進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者只需輸入相應(yīng)的參數(shù)就能設(shè)計(jì)出所需要的弧面擺動(dòng)凸輪。最后對所設(shè)計(jì)的弧面進(jìn)行加工仿真，輸出可用的數(shù)控加工代碼，大大縮短了設(shè)計(jì)和制造周期，易于推廣。

1 間歇擺動(dòng)弧面凸輪建模原理

如圖1 所示，弧面擺動(dòng)凸輪工作運(yùn)動(dòng)循環(huán)分為停歇、升程(正轉(zhuǎn))、回程(反轉(zhuǎn))三個(gè)階段，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，從動(dòng)盤的兩個(gè)滾子都參與嚙合:升程段由凸輪升程工作面推動(dòng)滾子1 轉(zhuǎn)動(dòng)，回程段由回程工作面推動(dòng)滾子2 做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。建立弧面凸輪坐標(biāo)系，由包絡(luò)原理［3-4］和坐標(biāo)變換推導(dǎo)出弧面擺動(dòng)凸輪軌跡廓面曲線方程如下［5］:

由空間嚙合原理可推出共軛接觸方程可以推導(dǎo)出:tanφ=p(b+e)i/［C－(b+e)cosφ］

圖1 弧面擺動(dòng)凸輪滾子嚙合坐標(biāo)系

上式中b 為轉(zhuǎn)盤半徑，e 為滾子長度(變量)，R 為滾子半徑，φ 為從動(dòng)滾子的轉(zhuǎn)角，θ 為弧面凸輪對應(yīng)從動(dòng)盤運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)角，φ 為凸輪和滾子共軛時(shí)嚙合點(diǎn)的嚙合角，i 為擺動(dòng)期從動(dòng)盤與弧面凸輪的角速度比，p是凸輪擺動(dòng)期輪廓廓線旋向，左旋p=1，右旋p=－1。

由于弧面擺動(dòng)凸輪既有左旋又有右旋，即p 的正負(fù)符號(hào)不定，編程計(jì)算起來比較麻煩，不容易達(dá)到參數(shù)化。所以本文采用一種新的建模方法，選定值p =1 左旋，根據(jù)從動(dòng)盤轉(zhuǎn)角來改變?chǔ)?值，即在升程段從動(dòng)盤的轉(zhuǎn)向?yàn)檎D(zhuǎn)，轉(zhuǎn)角φ 取正值，在回程段從動(dòng)盤的旋向?yàn)榉崔D(zhuǎn)，轉(zhuǎn)角φ 取相應(yīng)的負(fù)值。這樣既可以避開編程的復(fù)雜化，又可以達(dá)到參數(shù)化設(shè)計(jì)。

2 間歇擺動(dòng)弧面凸輪參數(shù)化設(shè)計(jì)

2.1 參數(shù)化程序設(shè)計(jì)

弧面擺動(dòng)凸輪一般用于高速、輕載的工作環(huán)境，例如包裝機(jī)械、沖壓上下料直動(dòng)型弧面凸輪機(jī)械手等。所以選擇從動(dòng)盤運(yùn)動(dòng)規(guī)律比較好的改進(jìn)正弦曲線。由于弧面擺動(dòng)凸輪的工作循環(huán)圖有很多種，這里設(shè)弧面擺動(dòng)凸輪具有三個(gè)停歇期，即停歇－正轉(zhuǎn)－停歇－反轉(zhuǎn)－停歇，參數(shù)化完成后可以改動(dòng)參數(shù)來選擇不同工作循環(huán)的弧面凸輪。打開Pro/E 的程序命令［6］，輸入凸輪驅(qū)動(dòng)參數(shù)，設(shè)具體的缺省弧面擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)參數(shù)如圖2a 所示。然后利用Pro/E 強(qiáng)大的曲線功能來創(chuàng)建邊界曲線，部分程序如圖2b 所示。

圖2 弧面擺動(dòng)凸輪部分設(shè)計(jì)參數(shù)

如圖2b 所示程序中，t 為程序內(nèi)部參數(shù)(將從0 變到1)，保證弧面凸輪轉(zhuǎn)角從65°到115°變化，以此類推。其它階段程序只需在此基礎(chǔ)上稍作改動(dòng)即可。以上僅是滾子1 上端面r01 處的工作邊界曲線程序，只需將r01 全部替換為r02 即可得到下端面r02 出的邊界曲線。弧面擺動(dòng)凸輪是驅(qū)動(dòng)兩個(gè)滾子來運(yùn)動(dòng)的，將以上滾子1 全部程序里面的φ01 替換為φ02，就得到了滾子2 的邊界輪廓曲線。

2.2 弧面擺動(dòng)凸輪建模

通過Pro/E 生成的弧面凸輪邊界曲線如圖3a 所示;通過邊界混合、實(shí)體化等命令生成實(shí)體輪廓曲面。然后在Pro/E 中建立弧面擺動(dòng)凸輪集體毛胚模型，并在【工具】菜單“關(guān)系”對話框中添加相應(yīng)的參數(shù)關(guān)系式。最后經(jīng)過倒角、剪切等命令生成弧面擺動(dòng)凸輪的實(shí)體模型，如圖3b 所示。

圖3 三停歇段弧面擺動(dòng)凸輪參數(shù)化模型

2.3 弧面擺動(dòng)凸輪自動(dòng)參數(shù)化設(shè)計(jì)舉例

弧面擺動(dòng)凸輪參數(shù)化設(shè)計(jì)完成后，可以通過改變相應(yīng)參數(shù)值就可以設(shè)計(jì)出相應(yīng)的弧面凸輪，舉例如下:設(shè)置的缺省弧面凸輪參數(shù)為三停歇期，現(xiàn)在設(shè)計(jì)一個(gè)兩停歇期的弧面擺動(dòng)凸輪，即停歇－正轉(zhuǎn)－反轉(zhuǎn)－停歇。只需改變弧面凸輪的各階段角θ 即可，設(shè)計(jì)值為0°—65°—50°—0°—50°—195°，具體操作如下:

選擇Pro/E 的再生 命令，在彈出的“再生”菜單管理器選擇“輸入”命令，選中需改變的參數(shù)θ1、θ2、θ3、θ4 和θ5 的復(fù)選框，點(diǎn)擊確定，彈出再生值輸入框，依次輸入改變的參數(shù)值即可生成設(shè)計(jì)所需的弧面擺動(dòng)凸輪，如圖4 所示。

圖4 變參數(shù)后生成的兩停歇期弧面擺動(dòng)凸輪模型

3 弧面擺動(dòng)凸輪的加工仿真

3.1 設(shè)置數(shù)控加工參數(shù)

由于弧面擺動(dòng)凸輪的工作廓面為空間復(fù)雜不可擴(kuò)展曲面，滾子的嚙合曲線為非線性，需要極高的加工精度才能完成［7-8］。采用Pro/E 的NC 組件對其進(jìn)行五軸數(shù)控加工，主要參數(shù)和過程如下:

新建一個(gè)制造文件，導(dǎo)入弧面擺動(dòng)凸輪模型，選擇銑削加工，設(shè)置機(jī)床為5 軸，加工零點(diǎn)為凸輪坐標(biāo)零點(diǎn)，退刀曲面為凸輪圓柱基體上表面。定義曲面銑削加工的參數(shù)后，點(diǎn)擊“屏幕演示”和“計(jì)算CL”選項(xiàng)［9］，可以得到刀具加工路徑如圖5 所示。

圖5 刀具行走路徑圖

3.2 加工后續(xù)處理

仿真加工完成后，導(dǎo)出加工結(jié)果，如圖6a 所示。選擇【工具】菜單欄的“CL數(shù)據(jù)后處理”選項(xiàng)，保存生成的. tap 文件，即加工數(shù)控代碼，圖6b 所示，至此CL 數(shù)據(jù)處理完畢。

圖6 弧面擺動(dòng)凸輪仿真加工結(jié)果

4 結(jié)束語

通過利用Pro/E 軟件對弧面擺動(dòng)凸輪進(jìn)行了自動(dòng)參數(shù)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后，通過改變相應(yīng)參數(shù)值即可輸出所需的弧面凸輪模型，舉例驗(yàn)證了此參數(shù)化方法的正確性。并對弧面擺動(dòng)凸輪進(jìn)行了仿真加工，縮短設(shè)計(jì)和制造周期，同時(shí)本文建模方法也同樣適用于到其他復(fù)雜弧面凸輪的造型，易于推廣。

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