空间凸轮特征造型的研究与实现.pdf

第2 3 卷第l o 期 20 o6 年1o 月 机械设计 j o u r n a l0 fm a c h i n ed e s i g n v o i 2 3 0 c t n o 1 0 2 0 0 6 空间凸轮特征造型的研究与实现+ 李俭，唐茂，许强 ( 成都大学机械工程系，四川成都6 1 0 1 0 6 ) 摘要：特征造型有利于将零件设计意图传递到后续加工环节，保证设计模型与加工模型数据表达的一致性。以圆锥 凸轮机构为研究对象，应用已导出的圆锥凸轮机构设计模型表达式，在特征造型软件m d t 开发平台上，通过a p l 编程， 研制了一套具有设计计算和三维特征造型功能的圆锥凸轮机构虚拟设计系统。实例证明该系统具有一定的实用价值。 关键词：空间凸轮；特征造型；c a d c a m ；m d t ；a p i 中图分类号：t h l 3 7 4 7文献标识码：a文章编号：1 0 0 1 2 3 5 4 ( 2 0 0 6 ) 1 0 0 0 2 8 一0 3 空间凸轮机构设计和制造过程，包括根据设计条件确定机 构几何参数、完成机构运动学及动力学分析、生成凸轮廓面加 工信息等重要工作。在进行动力学分析和生成加工信息时，不 仅需要必要的几何信息，还应包括材料种类、热处理方式、尺寸 公差、表面粗糙度等信息。尽量做到在设计时就考虑到制造要 求，这将有助于应用c a d c a m 系统将凸轮机构的设计、工程 分析、工艺分析、加工过程集成化。目前，针对空间凸轮的三维 造型，已有一些研究成果。张高峰等应用u g 自带的g r i p 二 次开发工具构建了弧面分度凸轮的三维c a d 嵋；车林仙等应 用a u t o c a d 和v b 完成了空间凸轮的实体造型 2 。总体来 说，目前所见的研究工作主要局限在如何构建凸轮的参数化三 维几何模型上，对于后期工程分析和数控加工所需的信息和数 据则考虑较少，使其应用范围受到限制。以圆锥凸轮机构为研 究对象，结合已完成的摆动从动件圆锥凸轮机构设计的数学模 型，在特征造型软件m d t 开发平台上，应用二次开发技术，研 制了一套具有设计计算和自动三维特征造型功能的圆锥凸轮 机构虚拟设计系统，可以在一定程度上解决了这一问题。 1系统设计思想 该系统设计思想的核心，是将生成凸轮廓面的空间坐标数 据、运动学分析、动力学分析、数控加工所需几何数据等由统一 的数学模型生成，而在特征造型时加人材料种类、热处理方式、 尺寸公差、表面粗糙度等其它信息。因此，系统包括根据凸轮 机构设计要求、设计计算凸轮机构的主要参数及凸轮廓面的空 间坐标数据、完成凸轮的特征造型、根据用户需要输出可视化 结果及数据文件等主要逻辑功能。 1 1 圆锥凸轮廓面方程 李俭等已应用单参数曲面族包络面理论，从三维空间导出 了圆锥滚子摆动从动件圆锥凸轮机构凸轮廓面方程、机构压力 角、廓面主曲率的数学表达式 3 。通过这些基础数学表达式，就 可以方便地应用计算机程序精确计算出圆锥凸轮廓面上任一 点的坐标、压力角、主曲率等重要参数。下面将圆锥凸轮廓面的 参数化方程列出。有关机构几何参数请参见图1 。 图1凸轮机构筒圈 一“( 艿，弘) = n c 0 3 弘十( 卢+ 艿) s i n 非。o sy 一6 c 0 59 l c 0 8 即一 ( 7 l + 乱a n 口) c 0 8 弘。o s ( 口+ 尹1 ) + 6 s i np ls i n 弘5 i ny + ( r 1 + 乱a n 口) s i n 弘5 i ny s i n ( 口+ p 1 ) i + 一口s i n 伫+ ( ，上+ d ) c o s 卵c o sy 十6 c 0 89 l c 0 3 辨+ ( n + 乱a n 口) s i n 弘。o s ( 口+ p 1 ) + 6 s i n 尹lc 0 8 弘5 i ny + ( r l + 乱a n 口) c 0 5 弘5 i ny s i n ( 口+ 9 1 ) j + 一6 s i n9 lc o sy 一( ，1 + 乱a n 口) c o sy s i n ( 日+ 9 1 ) + ( 口+ d ) s i ny 七 式帕= za r c t a n ( 型垫譬掣) h = ( 7 l + 占t a n 口) s i n 即5 i n 口c o sy + ( 产+ 艿) s i n 妒l c o s 口c o sy + 却lc o s 口+ 6 c o s 口s i ny 一口c o s9 l c o s 口s i ny f = 一( 7 1 + 乱a n 口) c o sp 1s i n 口c o sy 一( 尸+ 艿) c 0 5 尹l c o s 口c o sy 一 口s i n 1c o s 口s l n ， _ r = ( 口一6 c 0 59 1 ) s i n 口c o sy d 1 尹12 赢 n 摆杆回转轴线至凸轮轴线距离； 卜摆杆长度； 口滚子底平面到凸轮坐标系z 轴距离； 子滚子外表面点距滚子底平面距离i 卜圆锥凸轮锥顶半角； a 圆锥滚子锥顶半角； n 圆锥滚子小端半径； 印凸轮转角，( o 。辨3 6 0 。) ； 妒1 = p 1 ( 弘) 摆杆摆角随凸轮转角变化的函数关系( 从动件运 动规律) 。 收稿日期：2 0 0 6 一0 1 2 5 ：修订日期：2 0 0 6 0 6 2 0 基金项目：国家自然科学基金资助项目( 5 0 2 7 5 1 0 0 ) 作者简介：李俭( 1 9 6 0 一) ，男，四川成都人，副教授，硕士，主要研究方向：c a d c a m 。 万方数据 2 0 0 6 年1 0 月李俭，等：空间凸轮特征造型的研究与实现2 9 1 2 特征造型中需解决的关键问题 由于m d t 中的零件并非单纯的三维实体对象，而是由多 个特征对象组合而成，每个特征对象也是由定位对象、描述符 对象等多个子对象共同确定。因此，不能用通常的办法来进行 凸轮的切削成型，但是，在创建非基础特征时，可以用参数控制 其产生方式。为此，可以考虑采用以下几种解决方案： ( 1 ) 以滚子横截面为草图，以切削方式在凸轮廓面两个控 制点问生成一个拉伸特征，再改变草图位置，重复以上操作，最 终完成凸轮的造型。 ( 2 ) 以滚子截面为草图，采用计算得到的数据绘制空间样 条曲线( 或三维多段线) ，以得到的曲线为路径按切削方式生成 扫掠特征，重复此操作即可得到凸轮造型。此方法得到的造型 精度较高，但所用曲线的控制点不能多于3 个。 ( 3 ) 以滚子截面为草图，再将截面草图旋转、移动倒计算 得到的控制点上，以切削方式生产旋转特征，重复此操作即可 得到凸轮造型。此方法造型精度高，而且操作简单，易于理解。 经研究比对，确定用第( 3 ) 方案实现虚拟设计系统的造型。 1 3 系统主要功能 ( 1 ) 用户输入界面，供用户输入初始设计数据，主要有：凸 轮外形参数、滚子外形参数、摆杆长度、从动件运动规律、造型 精度等。其中，若输入的凸轮( 或滚子) 锥顶角为o 。，则圆锥凸轮 ( 或圆锥滚子) 退化为圆柱凸轮( 或圆柱滚子) 。 ( 2 ) 设计造型结果为凸轮廓面空间点坐标数据表和零件 三维图形，可以直观地在计算机屏幕上显示，也可保存为相应 格式的数据文件，供后端c a m 系统调用并自动生成数控加工 代码。此外，凸轮机构的运动参数、压力角、主曲率等数据也一 并获得，这些数据均可以生成相应线图和数据文件。 ( 3 ) 用户可以通过设置沿凸轮转动方向的角度变化量、沿 滚子高度方向的长度变化量的增量，来控制设计造型数据的精 度。 ( 4 ) 设计结果可以附加上材料、热处理等凸轮加工属性， 用于数控加工刀具中心轨迹计算和自动编程、接触疲劳应力计 算等场合。经过适当的处理和数据转换后，还可以对凸轮工作 状态进行运动学、动力学分析计算和仿真，此外，在系统中加入 适当的程序模块，还可以实现凸轮参数优化设计。 2 系统框架和逻辑流程 图2 所示为虚拟设计系统的系统结构简图( s c 图，图中未 示出数据) ，图中只表达了系统的前三层系统结构，从图中可以 看到，系统可以根据用户命令进行凸轮设计计算、结果输出和 三维造型，其中三维造型模块功能相对独立，既可从系统中接 受数据进行造型，也可读取数据文件用于造型。模块间的大量 数据传递采用数据文件方式进行。造型模块通过读取数据文件 获得空间凸轮廓面数据点坐标，应用前述的造型算法，完成凸 轮三维造型。图3 给出了造型模块的逻辑流程( 即造型算法) 。 根据图3 所述，造型算法逻辑如下： 2 1 i 造型准备 ( 1 ) 根据凸轮机构几何参数，调用v b a 函数，自动生成不 含滚道的凸轮三维造型( 凸轮毛坯) ，添加轴孔、键槽等特征； ( 2 ) 读入设计计算模块运算出的凸轮空间廓面控制点坐 标数据( 该数据以数据文件形式保存，具体形式见表3 ) 。 2 2 逐点造型 该步骤生成凸轮滚道空间廓面特征造型，其功能由以下几 个步骤完成： ( 1 ) 对读入的每一个控制点坐标，调用a c t i v e d o c u m e n t u t i l i t y 对象的c r e a t e f e a t u r e d e s c r i p t o r ( m c w o r k p l a n e ) 和 a c t i v e d o c u m e n t a c t i v e p a r t 对象的a d d f e a t u r e ( ) 方法，生成一 个工作平面，定义工作平面属性使该平面过滚子轴线且平行于 ( 或过) z 轴；在工作平面上用a d d p l i n e 方法绘制滚子截面；使 用r o t a t e 3 d 方法将滚子截面图形绕z 轴旋转一仇，再使用 m o v e 方法将其平移到控制点上。 图2系统结构简图 图3 造型模块流程圉 ( 2 ) 将平移后的滚子截面图形平面，定义为用户坐标系 ( u c s ) 的驯平面，以其作为基准创建草图平面，并将截面图形 定义为截面轮廓。 ( 3 ) 定义滚子截面图形对称轴为旋转轴，生成旋转特征， 特征生成方式为切削( m c c u t ) ，此时即从凸轮上切掉与滚子相 交于控制点的部分实体。 ( 4 ) 判断数据文件中控制点是否已经处理完毕，未完则返 回( 1 ) ( 处理下一点) ，否则造型结束。 3应用实例 现以摆动从动件圆锥凸轮机构为例，给定一组设计参数， 验证系统设计计算及造型结果：表1 中给出摆动从动件运动约 束，表2 为机构几何参数，从动件运动规律采用改进型正弦加 速运动关系。表3 为凸轮廓面坐标数据计算结果摘选，图4 为造 型结果。 表l摆动从动杆运动约束 凸轮转角八。)推程埏明角：8 5 o o远休止角：1 7 0 o o 从动杆角位移( 。) 3 0 o o 0 o o 凸轮转角( 。) 叫程运明角：8 5 0 0 近休止角：2 0 o o 从动杆角位移( 。) 3 0 o oo o o 万方数据 3 0机械设计第2 3 卷第1 0 期 表2 凸轮机构几何尺寸参数 滚子锥顶半角a 滚子总高度a 1滚子底半径r 。 摆杆长度6 1 0 o 。3 5 om m1 5 om m1 0 0 0m m 凸轮转轴至 凸轮小端半径r 2凸轮锥顶半角y 摆杆转轴距a 8 6 om “6 5 0m m1 5 o 。 表3凸轮廓面坐标数据计算结果摘选 滚子高度凸轮转角z 坐标y 坐标2 坐标 沟槽面 m m ( 。) m m m m m m 左面 o o oo一1 4 3 1 26 0 8 8 10 7 8 7 左面 o 0 0 4 02 6 9 3 56 3 7 0 5 1 8 7 4 3 左面 0 0 08 67 3 6 0 15 7 6 24 7 5 1 2 左面 o o o2 5 47 0 7 9 42 0 9 3 8 4 7 5 1 2 左面o 0 03 4 03 4 2 7 15 2 3 1 50 7 8 7 左面0 0 03 5 0一2 4 6 6 65 7 4 7 1o 7 8 7 右面 0 0 0o一1 2 4 9 l5 3 1 3 72 9 6 8 9 右面 o o o4 03 7 2 3 4 4 7 1 0 3 4 0 1 6 右面o o o8 66 5 8 5 95 1 5 61 8 5 3 4 右面 0 0 02 5 46 3 3 4 81 8 7 3 61 8 5 3 4 右面 0 o o3 4 02 9 9 1 24 5 6 6 1z 9 6 8 9 右面o o o3 5 0一2 1 5 2 95 0 16 1 2 9 6 8 9 4 结论 图4凸轮造型图 以上所述虚拟设计造型系统能够精确地设计计算空间凸 轮机构，完成凸轮造型，其造型结果为可视的特征造型，不仅造 型精确、具有完整的几何特征，而且能够附加材料、强度、精度 信息等属性，若集成适当的后端c a x 系统，即可进行有限元分 析、运动学、动力学仿真和数控加工自动编程。该系统为实现 空间凸轮的自动化、智能化设计及c a d c a m 集成奠定了一 定基础。 参考文献 1 张高峰，杨世平，陈华章，等弧面分度凸轮的三维c a d j 机械 传动，2 0 0 3 ，2 7 ( 6 ) ：3 8 4 0 2 车林仙，易建摆动从动件圆锥凸轮实体参数化造型 j 机械设 计，2 0 0 4 ，2 1 ( 5 ) ：3 9 4 0 3 殷国富，李俭应用单参数曲面族包络面理论计算和分析空间凸 轮机构 j 四川联合大学学报( 工程科学版) ，1 9 9 9 ，3 ( 1 ) ：5 9 6 0 r 鸥e a r c ha n dr e a h z a t i o n0 nf e a t u r em o d e h n go fs p a t i a lc 锄s l ij i a n ，t a n gm a o ，x uq i a n g ( d e p a r t m e n to fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，c h e n g d uu n i v e r s i t y ，c h e n g d u6 1 0 1 0 6 ，c h i n a ) a b s t r a c t ：f e a t u r em o d e l i n gi sa d v a n t a g e o u st oi e tt h ed e s i g n i n gi n t e n t i o no fp a r t sb et r a n s m i t t e dt ot h ef o l l o w i n g u p m a c h i n i n g1 i n k sa n de n s u r e st h ec o n s i s t e n c yo fd a t ae x p r e s s i o n o fd e s i g n i n gm o d e lw i t hm a c h i n i n gm o d e l t a k i n gt h ec o n i c a l c a mm e c h a n i s ma st h et a r g e to fs t u d y ，a p p l y i n gt h ed e r i v e dd e s i g n i n gm o d e le x p r e s s i o nb fc o n i c a lc a mm e c h a n i s ma n db y m e a n so fa p ip r o g r a m m i n gas e to fv i r t u a ld e s i g n i n gs y s t e mo f c o n i c a lc a mm e c h a n i s mt h a tp o s s e s s e sf u n c t i o n so fd e s i g n i n g c a l c u l a t i o na n d3 df e a t u r e sm o d e l i n gw a sd e v e l o p e do nt h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mo ff e a t u r em o d e l i n gs o f t w a r e al i v i n ge x a m p l ep r o v e dt h a tt h i ss y s t e mh a sac e r t a i np r a c t i c a lv a l u e s k e yw o r d s ：s p a t i a lc a m ；f e a t u r em o d e l i n g ；c a d c a m ； m d t ；a p i f i g4t a b3r e f3 “j i x i es h e j i ，6 0 3 6 机械设计与研究2 0 0 7 年征订 欢迎订阅欢迎刊登广告欢迎赐稿 全国机械仪表类核心期刊中国科技论文统计源期刊 主办单位：上海交通大学等 主要栏目：综合评述，设计理论与方法，机电一体化技术，机构学