改进梯形加速圆柱凸轮数控加工宏程序设计

2 0 1 3年 5月 第 4 1 卷 第 9期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS Ma v 2 0 1 3 V0 l 4l No 9 D OI 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 0 9 0 2 4 改进梯形加速圆柱凸轮数控加工宏程序设计 王官明 高尤坤 卢志学 南昌大学机电工程 学院 江西南昌 3 3 0 0 3 1 摘要 基于摆动式滚子从动件几何锁合型圆柱凸轮设计参数和改进梯形加速从动件运动规律以及圆柱凸轮工作廓面是 滚子从动件在圆柱凸轮上运动轨迹空间包络面原理 巧妙引入宏程序循环变量 建立数控加工宏程序刀具轨迹数学计算模 型 所设计的宏程序可根据圆柱凸轮设计参数及加工工艺参数快速调整 实现数控加工程序完全参数化设计 为具有复杂 运动规律的摆动式滚子从动件圆柱凸轮数控加工宏程序设计提供了编程方法与策略 关键词 圆柱凸轮 改进梯形加速 宏程序设计 中图分类号 T H1 6 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 9 0 8 7 4 Nu me r i c a l Co nt r o l M a c hi ni ng M a c r o Pr o g r a m De s i g n o f M o di fie d Tr a p e z o i d Ac c e l e r a t i o n Cy l i n dr i c a l Ca m WA NG G u a n mi n g GAO Yo u k u n L U Z h i x u e S c h o o l o f E l e c t r o me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g N a n c h a n g U n i v e r s i t y N a n c h a n g J i a n g x i 3 3 0 0 3 1 C h i n a Ab s t r a c t T h e w o r k i n g f a c e o f a c y l i n d ri c a l CAM i s t h e e n v e l o p i n g s u r f a c e o f t h e r o l l e r mo t i o n p a t h s B a s e d o n t h i s p r i n c i p l e a n d a c c o r d i n g t o t h e d e s i g n p a r a me t e r s o f g e o me t ri c i n t e r l o c k t y p e c y l i n d ri c a l C AM wi t h t h e o s c i l l a t i n g r o l l e r f o l l o w e r a n d t h e p ri n c i p l e o f mo d i fi e d t r a p e z o i d a c c e l e r a t i o n f o l l o we r mo t i o n b y s k i l l f u l l y i n t r o d u c i n g ma c r o p r o g r a m c y c l i c v a r i a b l e t h e ma t h e ma t i c a l c alc u l a t i o n mo d e l o f ma c r o p r o g r a m a b o u t c u t t e r p a t h o f n u me ric a l c o n t r o l ma c h i n i n g w a s e s t a b l i s h e d T h e ma c r o p r o g r a m w a s d e s i g n e d t o b e a d j u s t e d q u i c k l y a c c o r d i n g t o t h e d e s i g n p a r a m e t e r s a n d t h e p r o c e s s p a r a m e t e r s o f c y l i n d r i c a l C A M T h e c o m p l e t e l y p a r a m e t r i c d e s i g n o f n u me r i c a l c o n t r o l ma c h i n i n g p r o gra m w a s r e a l i z e d S o i t p r o v i d e s p r o gra mmi n g me t h o d s a n d s t r a t e g i e s f o r n u me r i c a l c o n t r o l ma c h i n i n g ma c r o p r o g r a m d e s i g n o f t h e o s c i l l a t i n g r o l l e r f o l l o we r c y l i n d r i c al C AM wi t h a c o mp l i c a t e d mo v e me n t l a w Ke y wo r d s C y l i n d r i c al C AM Mo d i fi e d t r a p e z o i d a c c e l e r a t i o n Ma c r o p r o g r a m d e s i g n 为使摆杆摆动速度快 运动平稳 球塞泵试验台 中圆柱凸轮机构选用复杂的改进梯形 加速从 动件运动 规律 由5个区间组成 其结构采用几何锁合工作 模式 凸轮槽与滚子轴承配合严格 用通用刀具保证 槽宽的编程难度大 另一方面 为满足试验要求 凸 轮机构的参数需要经常调整 若用软件 自动编程 凸 轮机构的参数和加工工艺参数要调整时很不方便 若 能用宏程序功能解决摆动式滚子从动件几何锁合型改 进梯形加速圆柱凸轮数控加工编程问题 将凸轮机构 参数和加工工艺参数包含在宏程序变量之中 方便调 整 就成为保证凸轮加工质量 满足试验要求 降低 成本 的关键之一 1 从动件的运动规律 要完 成宏程 序设计 关键 在于将从 动件 运动规 律 转 换为凸轮轮廓 先要明确从动件 的运动规律 如 图 1 设直径为 的圆柱凸轮绕其轴线 回转 通过凸 轮槽及滚子带动摆杆摆 动 摆杆长度 为 R 凸轮轴线 与摆杆摆动中心距离为 A 凸轮回转一周 摆杆摆动 的角度为 为了描述改进梯形加速从动件的运动 规律 引入量纲一的时 间变量 T 0 1 和量纲一 的角位移 变量 s 0 s 1 当时间变量 从 0变到 1 时 圆柱凸轮从初始角 匀速绕轴线转动到 某 一 瞬时角度为 对应从动件绕点 B从 初始 角 摆 动到 某一 瞬时角 度为 变 量 s 按改进 梯形加 速运动规律从 0变到 1 图 1 摆动式滚子从动件圆柱凸轮 收稿 日期 2 0 1 2 0 4 1 9 基金项目 国家自然科学基金资助项目 5 0 8 6 5 0 0 6 作者简介 王官明 1 9 6 2 一 男 讲师 工程师 主要从事数控加工技术研究 E m a i l 1 1 7 6 9 5 4 2 5 8 q q c o m 8 8 机床与液压 第 4 l卷 于是凸轮转 角和摆动件摆角可以表示为 m s Ag t 其中 一 A g t 一 s 与 满 足如下数学方程 f 2 s in 4 0 l 2 T 4 r 1 3 一 号 2 1 1 s in 4 霄 3 5 l 8 33 r2 2 7 r 严 5 i7 赤 2 n 4 J寺 1 2工艺设计 加工工艺对凸轮制造品质有重要影响 为保证 加工质量 满足从动件运动规律 用带键芯轴与凸轮 内孔配合定位安装在带回转轴的数控铣床上 配尾顶 增加安全性 采用直径小于槽宽的圆柱立铣刀沿 凸轮 理论柱面曲线和理论柱面曲线的等距曲线的铣削方法 逼 近凸轮槽 宽 即回转轴 带 动 凸轮转 动 刀具 模拟 滚子在 凸轮上 圆弧摆动 具体 工艺是在 凸轮外侧下 刀 切 向进刀 至凸轮起始加工位置 位于休止段 上 利用四轴联动使刀具沿柱面曲线切削 之后回 到起始加工位置 再切向退刀 先沿理论柱面曲线分 层 切至 槽 深 再 沿 凸 轮 理 论 柱 面 曲线 的等 距 曲 线 确定偏距e 时凸轮槽侧面留有精加工余量 分层两 侧拓宽 最后根据凸轮槽宽的实测结果调整 e 值精加 工凸轮槽侧面以逼近凸轮槽宽 3 刀具轨迹计算模型 数控机床上加工凸轮 通常需要给出刀具中心的 坐标值 由于刀具 模拟 滚子 在 圆柱 凸轮上 圆弧摆 动 刀具在 圆柱 凸轮运动所形成 的包络面就是凸轮工 作廓 面 因此刀具轨迹就 是滚子在 圆柱 凸轮 的轨迹 给定一个凸轮转角 就可依从动件运动规律算出 摆 角 再根据摆杆 长度 可算 出圆柱 凸轮 理论柱 面曲线坐标 若刀具半径与滚子半径完全相等 那么 理论柱面曲线坐标即为刀具中心坐标 但实际加工时 刀具半径与滚子半径通常不相等 不但要求出理论柱 面曲线 还要算出理论柱面曲线的等距曲线 为此 以凸轮回转轴线为 x轴 过摆杆摆动中心在摆动平 面上作凸轮轴线的垂线为 y 轴 z轴零点在圆柱凸轮 母线上 建立直角坐标系 如图 1 为了方便计算步 距 引入循环变量 t t 从 0变到 1 当 0 时 0 1 2 5 1 1一 0 o 一 2T一 1 s in 4 0 1 9 4 5 2 T一 0 1 5 9 s i n 7 2 0 T 十 2 于是凸轮理论柱面曲线上的点坐标可表示为 叫 一 Y i A R co s 孚一 0 1 2 5 3 d t d Aq d T d t d t 警 co s 4 d T 0 3 8 9 1 一 c 0 s 7 2 0 T A d d T 4 a m 0 3 8 9 1 c o s 7 2 5 这样 圆柱凸轮压力 角可按下式求 出 一 sin 一 V c o s 一 设与理论柱面曲线 的等距 曲线偏 置距离 为 e 则 等距曲线上点坐标可表达为 s 一 y Y i e s in a 一 由于不 同的区间 s 值不同 因此不 同的区间更换 S 值即可 其余计算相同 当 詈 时 式 1 一 5 分 别 是 0 1 2 5 0 2 5 等 2 T 4 rrT Z A 0 1 9 4 5 O 0 3 7 1 1 4 1 6 T 1 2 5 6 6 a ar 0 2 5 dt d a t i 2 71 8 警 0 1 9 4 5 A 一 1 1 4 1 6 2 5 1 3 3 T 第9期 王官明 等 改进梯形加速圆柱凸轮数控加工宏程序设计 8 9 0 1 9 4 5 1 1 4 1 6 z s 3 3 当 音 音 时 式 1 一 5 分 别 是 3 7 5 0 2 5 卜詈 2 1 1 sin 4 Q1 9 4 5 1 5 7 8 2 8 T 0 1 5 9 s i n 7 2 0 T A q t 警 0 2 5 1 0 s 4 面d T 0 3 8 9 4 1 4 1 5 9 c o s 7 2 0 T A g t tT 0 3 8 9 4 5 9 c o s 7 2 当 5 7时 式 1 一 5 分别是 十 6 2 5 0 2 5 2 8 3 3 rrz 2 7 竹 一 4 耵 0 1 9 4 5 一 6 3 2 2 3 9 9 1 T一1 2 5 6 6 4 A q t dT 0 2 5 d t c 2 7 r 8 警 0 1 9 4 5 2 3 9 9 1 2 5 1 3 3 T A q t tT 0 1 9 4 5 当 1 时 式 1 一 5 分 别 是 8 7 5 0 1 2 5 盯 2 T 一 1 s in 4 订 0 1 9 4 5 3 1 4 1 6 2 T一 0 1 5 9 s i n 7 2 0 T o 2A1 丌 L l c o s 4 d T 0 3 8 9 1 1 一 c 0 s 7 2 0 T A q t d d T 0 3 8 9 1 c o s 7 2 0 T A a 4宏程序设计 依据工艺设计和刀具轨迹计算模型 可进行宏程 序设计 凸轮机构参数及刀具参数均包含在计算模型 中 可方便赋值 在计算模型中 刀具轨迹的 l 坐标已经列出 Z坐标在每层切削中是定值 由工艺 确定 而回转轴坐标就是 改进梯形加速运动规 律中每一小段都设计一个小循环 而深度切削为大循 环 具体设计方法如图2 图 2 程序设计框 图 5宏程序使用结果 由于设计参数 如基圆半径 摆杆长度 凸轮 升程及运动角等 工艺参数 如刀具直径与磨损可 调整 e 计算步长可调整 t 均包含在宏程序变量之 中 上述宏程序各变量可方便赋值 用通用刀具即可 逼近槽宽 无须使用成形刀 削除刀具磨损对槽宽影 响 实现了程序完全参数化设计 程序简洁高效 参 数调整快捷 所加工的凸轮槽各处等宽 表面质量 良 好 达 1 6 凸轮槽与滚子从动件配合良好 运 动平稳 无卡壳现象 从动件按设计预期规律运动 9 0 机床与液压 第 4 1卷 完全达到试验要求 图 3是所加工 的摆动式滚子从 动件改进梯形加速 圆柱 凸轮使用 在海 淡 水 泵 试 验 台 中的装机 照 片 实 践证 明 摆 动式滚 子从动 件改进 梯形 加速 圆柱 凸轮宏程 序设计是成功的 6结 束语 图3 产品装机照片 凸轮机构的缺点是 凸轮轮廓加工较为复杂 尽 管自动编程日益普及 但宏程序简捷的特点使之依然 具有使用价值 特别是在设计及工艺参数需要经常 调整的加工场合 使用宏程序更具优势 宏程序中的 逻辑判断及运算功能 也可代替手工编程时繁琐的数 值计算工作 象圆柱凸轮这样可用函数描述的加工 对象 宏程序更有用武之地 此外 凸轮机构也在 自 动化及半 自动 化机 械 中得 到 了广 泛应 用 采用 制 造难度大 周期长 精度低 的传统制造方法加工凸 轮 已不合适 数控加工 凸轮是发展方 向 这里所讨论 的改进梯形加速 圆柱 凸轮宏程序设计 也 是从 动件具 有复杂运动规律的圆柱凸轮程序设计 中的一种 因此 摆动式滚子从动件改进梯形加速圆柱凸轮宏程序 的成 功设计 也为类似具有复杂运动规律 或设计及 工艺参 数需要快速调整的圆柱凸轮数控加工提供有益的参考 与借鉴 参考文献 1 王江涛 周炳海 福格森凸轮曲线的测定与分析 J 机 械制造 2 0 1 0 1 0 6 9 7 2 2 童森林 陈俊华 陈俊龙 圆柱凸轮的参数化设计和数控 加工 J 组合机床及 自动化加工技术 2 0 0 2 9 3 0 31 3 邹慧君 殷鸿梁 间歇运动机构设计与应用创新 M 北 京 机械工业出版社 2 0 0 8 4 玄冠涛 邵圆圆 圆柱凸轮数控加工工艺技术研究 j 工艺与装备 2 0 0 7 5 3 7 3 8 5 郑文纬 吴克坚 机械原理 M 北京 高等教育出版社 20 0 9 6 刘德福 潘京平 周贤 圆柱凸轮数控加工的几个关键问 题 J 机械传动 2 0 0 3 3 5 3 5 5 7 邱映辉 黄兴元 毛志伟 机械设计 M 北京 清华大学 出版社 2 0 0 4 8 陈海舟 数控铣削加工宏程序及应用实例 M 北京 机 械工业出版社 2 0 0 6 9 全国数控培训网络天津分中心 数控编程 M 北京 机 械工业出版社 2 0 0 7 1 O 葛中民 机械设计基础 M 北京 中央广播 电视大学 出版社 2 0 0 2 l 1 陈豫红 周尚荣 圆柱凸轮数控加工中 C A D C A M技术 的应用 J 工具技术 2 0 0 8 7 6 2 6 5 上接第 1 3 0页 7 ra m a 变化时范数K A 的变化 b z 变化时范数K A 的变化 3 1 5 1 l l 4矗 c z I 时截 面