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信息技术王东 圆柱凸轮三维参数化设计与数控加工h t t p : Z Z H D . c h i n a j o u r n a l . n e t . c n E - m a i l : Z Z H D c h a i n a j o u r n a l . n e t . c n 机械制造与自动化作者简介: 王东( 1973 ) , 男, 重庆万州人, 教师, 从事计算机辅助设计、辅助分析和工程图学方面的教学和科研工作。圆柱凸轮三维参数化设计与数控加工王东( 四川理工学院 建筑工程学院, 四川 自贡 643000)摘要: 凸轮机构优良的运动特性和动力特性由精确的轮廓曲面来保证, 圆柱凸轮轮廓曲面因从动件运动规律的变化而成不同的复杂空间曲面, 给圆柱凸轮精确设计和加工造成了困难。通过对圆柱凸轮轮廓曲面的分析, 完成了基于 P r o /E系统的圆柱凸轮三维参数化设计, 并利用P r o /N C 数控加工模块对圆柱凸轮进行了数控加工仿真, 自动生成驱动数控机床进行零件数控加工的 N u m e r i c a l C o n t r o l G代码。关键词 : 圆柱凸轮; 轮廓曲面; 参数化设计; 数控加工中图分类号: T H132. 47; T P 391. 73文献标志码: B 文章编号: 1671- 5276( 2011) 01- 0108-03T h r e e D i me n s i o n a l P a r a me t r i cD e s i g na n dN CMa c h i n i n go f C y l i n d r i c a l C A MWA N GD o n g( I n s t i t u t u t eo f A r c h i t e c t u r ea n dE n g i n e e r in g , S ic h u a nUn iv e r s i t yo f S c i e n c eE n g i n e e r i n g , Z i g o n g643000, C h i n a )Ab s t r a c t :T h ep r e c is ec o n t o u r s u r f a c e o f C A Mm e c h a n i s me n s u r e se x c e l l e n t m o v e m e n t c h a r a c t e r i s t i c s a n d d y n a m icp r o p e r t y , b u t i t h a sd i f f i c u l t ie s i n p r e c i s io nd e s i g n a n d m a c h in i n go f c y l in d r i c a l C A M . T h r o u g ht h ea n a l y s i s o f c y l i n d r i c a l C A Mc o n t o u r s u r f a c e , t h is p a p e r f i n i-s h e st h et h r e ed i m e n s i o n a l p a r a m e t r i c d e s i g no f c y l in d r i c a l C A Mb a s e do nP r o /Es y s t e m, a n du s e s P r o /N Cm o d u l et of i n i s ht h e c y l in -d r i c a l C A MN Cm a c h i n i n gs i m u l a t i o na n da u t o m a t i c a ll yg e n e r a t eN u m e r ic a l C o n t r o l Gc o d ed r i v i n gn u m e r i c a l c o n t r o l ma c h in e .Ke yw o r d s :c y l in d r i c a l C A M; c o n t o u r s u r f a c e ; p a r a m e t r i cd e s i g n ; N Cma c h i n i n g0 引言圆柱凸轮机构是一种典型的空间凸轮机构。 空间凸轮机构是自动机械中广泛应用的机构, 与平面凸轮机构相比,空间凸轮机构能满足自动机械高速, 刚性好, 传动扭矩大和控制从动件运动精度高的要求。 空间凸轮机构这些优良的运动特性和动力特性是由精确的凸轮轮廓曲面来保证的, 然而, 圆柱凸轮轮廓曲面是复杂的空间曲面, 根据从动件运动规律计算轮廓曲面的空间坐标是比较繁琐和复杂的, 因此给圆柱凸轮空间轮廓曲面的精确设计和加工造成了困难。为了简化圆柱凸轮轮廓曲面的设计和制造难度, 通常将圆柱面展开成矩形平面, 然后按平面凸轮轮廓曲线的设计方法进行计算求得展开的轮廓坐标。 这种展开法因误差较大, 不能达到简化计算, 提高精度的目的, 不能自动生成轮廓曲面数控加工程序, 加工难度大, 加工精度低, 不能满足企业的实际需要 , 随着自动机械对凸轮设计和加工精度要求的不断提高, 计算机辅助设计, 辅助制造方法: 基于特征和参数化三维建模技术, 数控加工技术被越来越多的应用到凸轮尤其是空间凸轮的设计和加工中。1 圆柱凸轮三维参数化设计1. 1基于关系的参数化建模技术在参数化的设计过程中, 主要有两种参数即自变参数和因变参数。 自变参数是工程中所规定的独立变化的特征参数, 因变参数由自变参数通过特定的函数关系决定。在零件模型中, 参数通过尺寸的形式来体现, 关系是参数之间的等式或不等式, 捕获特征之间, 参数之间或组件之间的设计意图。 零件的三维模型用零件特征的几何拓扑约束, 自变参数和由自变参数间的函数关系确定的因变参数来定义。 零件模型的修改是在零件特征几何拓扑约束和自变参数间的函数关系不变的条件下, 通过修改零件特征的自变参数来实现, 靠尺寸驱动来完成, 即修改某一自变参数, 系统自动检测出该参数对应的数据结构, 并找出所有与它相关的函数关系方程组计算出因变参数, 由新的尺寸参数驱动参数化零件模型几何特征大小的改变而生成拓扑结构相同的新零件三维模型。参数化模型建立好以后 , 参数的意义是可以确定一系列的产品, 通过更改参数即可生成不同尺寸的零件, 而关系是确保在更改参数的过程中, 该零件能满足正确的拓扑结构。1. 2圆柱凸轮轮廓曲线数学模型对直动从动件圆柱凸轮建立如图 1所示的固定坐标系, 凸轮绕 z 轴旋转, 推杆上下移动。圆柱凸轮的自变参数可以分为结构参数和运动规律参数两类。 结构参数包括凸轮外径 WJ , 壁厚 B H和基底高度 J D ; 运动规律参数包括行程 H, 推程角 T C J , 远休角 Y X J , 回程角 H C J 及近休角 J X J 。设凸轮转角为 , 推杆行程运动规律为 H=H ( ) , 则凸轮轮廓曲线上任意一点 P的圆柱坐标参数方程为:108 信息技术王东 圆柱凸轮三维参数化设计与数控加工Ma c h in e B u i ld i n gA u t o m a t i o n , F e b 2011, 40( 1) : 108 - 110图 1圆柱凸轮轮廓曲线r =WJ /2t h e t a =z =J D+ H( ) 。2 圆柱凸轮三维参数化设计要实现圆柱凸轮的三维参数化设计关键是轮廓曲面的精确设计, 首先要任意确定一组自变参数初始值, 以此为基础进行该零件的三维实体建模形成参数化模型。 假定拟实现尖顶推杆正弦加速度, 余弦减速度运动规律圆柱凸轮三维模型参数化设计, 其建模过程为:a )创建圆柱凸轮的自变设计参数。在进行圆柱凸轮轮廓曲面设计时, 圆柱凸轮结构参数和从动件运动规律都是已知的, 因此, 在进行圆柱凸轮建模之前, 在 P r o /E系统中, 应用工具 参数 创建命令设置圆柱凸轮的自变参数并赋予初值。行程 H=20推程角 T C J =90远休角 Y X J =120回程角 H C J =60近休角 J X J =90外径 WJ =80壁厚 B H=10基底高度 J D=30T C J , Y X J , HC J 和 J X J 各参数之和必须为 360 , 表示各段曲线对应角度之和为 360 , 才能保证凸轮曲线自成封闭。b )通过方程曲线分段绘制轮廓曲面扫描轨迹控制线。根据圆柱凸轮轮廓曲线数学模型及从动件运动规律,利用方程曲线功能, 以圆柱坐标分别绘制推程, 远休, 回程和近休 4段轮廓曲面扫描轨迹控制线。推程段:r = WJ 0. 5t h e t a=t T C Jz = J D+H ( t - s i n ( 360t ) /2/p i )远休段:r = WJ 0. 5t h e t a=T C J + t Y X Jz = J D+H回程段:r =WJ 0. 5t h e t a=T C J + Y X J +t HC Jz =J D+H ( 1+c o s ( 180t ) ) /2近休段:r =WJ 0. 5t h e t a=T C J + Y X J +H C J +t J X Jz =J Dc )变截面扫描生成凸轮实体。 进入 F r o n t 草绘平面,绘制圆周作为凸轮轮廓扫描轨迹原始控制线。 为了实现参数化建模, 将圆周直径 s d 0与凸轮外圆直径相对应, 在关系对话框中添加关系式: s d 0= WJ 。应用变截面扫描命令, 绘制矩形作为扫描截面, 使矩形宽度与凸轮壁厚相对应, 在关系对话框中添加关系式:s d 4=B H, 使截面沿轮廓曲面扫描轨迹控制线扫面生成凸轮实体, 如图 2所示。图 2参数化圆柱凸轮模型d )变参实现圆柱凸轮三维参数化设计。 P r o /E系统的程序模块自动记录了零件模型的建模步骤, 在设计开始时已经定义了圆柱凸轮的自变设计参数, 利用程序模块进行二次开发, 通过变参根据实际需要改变自变设计参数实现圆柱凸轮三维参数化自动设计。 图 3即为通过变参自动生成的正弦加速度, 余弦减速度运动规律圆柱凸轮三维模型。图 3变参实现圆柱凸轮参数化设计若推杆运动规律发生改变, 只需根据实际情况修改轮廓曲面扫描控制线中的方程关系式即可实现相应运动规律的圆柱凸轮三维参数化设计。 槽形圆柱凸轮三维参数化设计的方法与尖顶推杆圆柱凸轮相同, 可变参数在圆柱凸轮基础上增加了凸轮高度、槽深和槽宽三项。3 圆柱凸轮数控加工圆柱空间凸轮的加工是机械加工的难点, 传统的加工109 信息技术王东 圆柱凸轮三维参数化设计与数控加工h t t p : Z Z H D . c h i n a j o u r n a l . n e t . c n E - m a i l : Z Z H D c h a i n a j o u r n a l . n e t . c n 机械制造与自动化方法是用分度头铣削或用靠模法, 即使采用数控铣床加工空间凸轮, 其数控加工程序也是手工编制, 不仅编程复杂,工作量巨大, 而且程序修改极为不便, 凸轮轮廓曲面加工精度低。 P r o /N C数控加工模块能依据 P r o /E所设计的零件模型生成 A S C I I 格式的刀位数据文件, 这些刀位数据文件经过后置处理, 即可输出与选用数控机床配套的 G代码, 将代码通过 R S 232通讯接口由计算机传输给数控机床, 就能驱动数控机床加工出相应的零件。 因此, P r o /N C能在获得圆柱凸轮的三维模型后自动生成驱动数控机床加工轮廓曲面所必须的数控程序, 解决了圆柱空间凸轮的加工难题。 P r o /N C数控加工流程如图 4所示。利用 P r o /N C生成数控程序与实际产品数控编程的流程相似, 包括建立所需的制造模型, 设置加工操作环境 , 定义 N C序列, 生成刀位数据文件, 后置处理并生成数控代码, 最后由数控代码驱动数控机床进行零件的数控加工。图 4P r o /N C数控加工流程a )建立制造模型参考模型指最终加工成的零件, 它将被用作创建 N C序列的参照, 在参考模型上可以选取特征, 面和边作为每一刀具轨迹的参照。 创建 N C 加工文件, 打开建立好的圆柱凸轮三维模型作为参考模型 。工件模型指毛坯模型, 表示要加工操作的原始坯料, 它的使用在 P r o /N C中是可选的, 使用工件模型的优点是: 在创建 N C序列时, 自动定义加工范围; 可进行动态的加工过程模拟和过切检测; 可查询加工材料切削量。 建立一个与圆柱凸轮等高等径的空心圆柱作为工件模型。 制造模型就是由参考模型和工件模型装配在一起组成的组件。b )设定加工参数数控加工中的参数设置是数控加工工艺中的重要内容, 它不仅影响数控机床的加工效率, 待加工工件的加工精度, 而且直接影响加工机床的使用寿命。 设定加工参数主要包括设置加工工具参数和操作环境参数。 在圆柱凸轮数控加工中, 主要加工参数具体设置情况为: 机床类型为铣削, 指定机床坐标系, 轴数为 5轴; 加工零点为待加工圆柱凸轮三维模型坐标零点 ; 在制造参数菜单中的设置子菜单中完成切削用量的设定; 退刀曲面为圆柱; 加工公差为 0. 001mm ; 在刀具设定窗口中设定刀具材料为 H S S 高速钢及刀具几何尺寸; 选择圆柱凸轮轮廓曲面作为加工曲面, 并根据实际情况调整切削方向。c )创建 N C序列N C序列是在特定加工条件下描述一系列刀具运动轨迹, 在加工过程中涉及多种加工方法, 各种加工方法所对应的加工参数也不相同。 创建 N C序列是为了产生刀具路径文件( C Ld a t af i l e ) 。d )后置处理后置处理就是要把刀具路径文件所包含的对零件加工所必须的加工指令解释为特定机床所能识别的 N C代码, ( 此处省略具体程序代