| 盤型凸輪的CAD/CAM應(yīng)用 |
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| 作者：南華大學(xué) 王湘江 廖衛(wèi)獻(xiàn) |
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摘要：介紹用二維CAD軟件圖解法設(shè)計(jì)盤形凸輪廓形的方法,，并利用CAXA系列的CAM軟件完成其加工程序自動(dòng)編制。
前言
傳統(tǒng)的盤形凸輪設(shè)計(jì)主要有圖解法和解析法,，加工方法有手工畫線加工和數(shù)控銑削加工,，大批量生產(chǎn)亦可采用仿形銑。圖解法直觀,、簡(jiǎn)單,，但是手工作圖選取的等分?jǐn)?shù)有限、精度差,。以此為基礎(chǔ)的手工畫線加工的精度和加工表面精度都比較低,。解析法設(shè)計(jì)雖然解決了凸輪精度問(wèn)題，但要得到完整的凸輪輪廓曲線就要編制復(fù)雜的程序,。尤其在滾子推桿盤形凸輪設(shè)計(jì)中,，對(duì)于理論輪廓曲線的等距線的編程更為復(fù)雜，以此為基礎(chǔ)的數(shù)控銑床加工也就同樣存在著編程復(fù)雜的問(wèn)題,。因此它的應(yīng)用也就受到了很大的限制,。利用CAD軟件的強(qiáng)大作圖功能，可以十分方便地進(jìn)行凸輪的廓形設(shè)計(jì),，精度好效率高,。本文介紹了利用CAXA系列CAD/CAM軟件及圖解法進(jìn)行盤形凸輪的設(shè)計(jì)與加工。
1． 盤形凸輪CAD
CAXA-電子圖板（下稱EB）是一個(gè)通用的二維CAD軟件,，它有一個(gè)很好的功能-畫公式曲線,，只要在公式曲線的對(duì)話框中填入曲線公式及相關(guān)參數(shù)就可以畫出曲線。這樣就可以很容易地完成凸輪廓形曲線的設(shè)計(jì),，而無(wú)需任何形式的語(yǔ)言編程,。下面介紹作圖法設(shè)計(jì)盤形凸輪的過(guò)程，其中的所有作圖過(guò)程完全是在EB上交互作圖完成,。
已知推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律S,、最大行程h或φmax以及升程許用壓力角[α1]和回程許用壓力角[α2]，用作圖法設(shè)計(jì)盤形凸輪輪廓有兩個(gè)步驟:先要確定凸輪基圓半徑r0,，然后再求凸輪輪廓廓形,。
1．1 盤形凸輪基圓半徑的確定
1．1．1 直動(dòng)推桿盤形凸輪的最小基圓半徑
首先在直角坐標(biāo)系中作曲線C
X=S Y=dS/dδ
其中S=S(δ)，δ為凸輪轉(zhuǎn)角,。此曲線可用EB的公式曲線功能來(lái)實(shí)現(xiàn),。
其次作兩條直線與X軸成升程許用壓力角[α1]和回程許用壓力角[α2]，且與所作曲線相切,，則有交點(diǎn)A,，那么就有OA=r0min,，如圖1所示。圖1中陰影部分為凸輪回轉(zhuǎn)中心的可行區(qū),。以此為基礎(chǔ)將偏心距e及OA進(jìn)行圓整,，就可確定基圓半徑，即取r0=OA1
1．1．2 擺動(dòng)推桿盤形凸輪的最小基圓半徑
由文獻(xiàn)[1]可知,，先在直角坐標(biāo)系中作曲線C1
X=ρcosθ Y=ρsinθ 且 ρ=L(1+dφ/dδ) θ=φ,其中擺桿的擺角φ=φ(δ),，L為擺桿的長(zhǎng)度。
如圖2所示,，用EB的圓形陣列畫法過(guò)O點(diǎn)在最大擺動(dòng)角φmax做N條等分射線,，與曲線的推程和回程段分別交于D、C點(diǎn),。再過(guò)D點(diǎn)做直線mm與直線OD成θ角（θ=90°-[α1]）,，過(guò)C點(diǎn)做直線nn與直線OC成θ1角(θ1=90°-[α2])，則圖2中的陰影部分為凸輪回轉(zhuǎn)中心的可行區(qū),，且O1A =r0min,。以此為基礎(chǔ)將O1A及中心距a進(jìn)行圓整，就可得到基圓半徑r0=O2A,。
1．2 設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線
當(dāng)確定了凸輪基圓半徑r0,，并已知推桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律及盤形凸輪輪廓曲線的解析公式[1]，就可用EB中的公式曲線功能來(lái)畫出凸輪輪廓曲線,。
1．2．1 直動(dòng)滾子推桿盤形凸輪設(shè)計(jì)
先作出滾子中心的理論輪廓曲線,。
X=(S0+S)sinδ+e·cosδY=(S0+S)cosδ+e·sinδ
其中， 因?yàn)楣ぷ骼€與理論廓線在法線方向的距離處處相等,，且等于滾子半徑,。那么工作廓線為理論廓線的等距線。為了確定滾子半徑rr,，用三點(diǎn)畫圓的畫法在理論輪廓曲線曲率最大的位置取三點(diǎn)求出ρmin，使rr=0.8ρmin,。這樣一來(lái),，在EB中作出理論廓線，再用EB中的畫等距線的功能畫出工作廓線（距離為rr）,，則完成了該凸輪的輪廓曲線設(shè)計(jì),。
1．2．2 對(duì)心平底推桿（平底與推桿軸線垂直）盤形凸輪設(shè)計(jì)
根據(jù)反轉(zhuǎn)法作圖法可知，推桿平底與凸輪切點(diǎn)的軌跡為凸輪的輪廓曲線,。此時(shí),，平面凸輪機(jī)構(gòu)壓力角與凸輪的基圓半徑及從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律無(wú)關(guān)?；鶊A半徑由實(shí)際工作情況決定,，其廓形曲線的解析方程為：
X=(r0+s)sinδ+(dS/dδ)cosδ Y=(r0+s)cosδ-(dS/dδ)sinδ
式中S=S(δ),。
1．2．3 擺動(dòng)滾子推桿盤形凸輪設(shè)計(jì)
已知擺桿的長(zhǎng)度L，擺桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律φ=φ(δ),。先由上述方法確定基圓r0以及中心距a,。然后作出滾子中心B點(diǎn)的理論輪廓曲線，曲線方程如下：
X=a·sinδ-L·sin(δ+φ+φ0) Y=a·cosδ-L·cos(δ+φ+φ0)
利用EB繪出理論廓線后,，再確定滾子半徑rr的數(shù)值,，然后做它的等距線，則為此凸輪的實(shí)際輪廓曲線,。有了凸輪廓形曲線之后,，再進(jìn)行其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸標(biāo)注等工作就完成了凸輪設(shè)計(jì)。
2 盤形凸輪CAM
盤形凸輪的廓形曲線為二維曲線,，可采用兩軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控銑（或加工中心）,、線切割機(jī)床加工，其加工程序可采用通用的CAM軟件自動(dòng)編制,。本文選用CAXA系列CAM軟件中的數(shù)控銑（MILL）及線切割（WEDM）進(jìn)行加工程序編制,。
2．1 CAD/CAM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換
CAXA-EB的圖形文件格式為*.EXB。由于開發(fā)時(shí)間的先后及版本不同,，不同版本的EB圖形文件不一定能被CAXA系列的CAM軟件直接讀取,。因此圖形數(shù)據(jù)應(yīng)使用DXF接口進(jìn)行交換。先在EB中將圖形用數(shù)據(jù)接口中的DXFOUT命令以DXF格式輸出,，然后在CAM軟件中用數(shù)據(jù)接口中的DXFIN命令讀入,。盡管EB的圖形可能是用某一個(gè)非1:1的比例繪制的，但其轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)仍是1:1的原始數(shù)據(jù),，這就可以保證由CAM軟件生成的NC代碼所加工的凸輪尺寸的正確性,。
２.２ 加工代碼的生成
當(dāng)用CAM軟件從CAD的圖形文件中讀入了凸輪廓形曲線數(shù)據(jù)之后，就可以進(jìn)行加工程序編制,。其過(guò)程如下：先交互指定欲加工的廓形曲線及走刀方向,、加工側(cè)，并給出加工參數(shù),，計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算出刀位軌跡,；必要時(shí)可以對(duì)生成的刀位軌跡進(jìn)行編輯修改，在計(jì)算機(jī)屏幕上進(jìn)行加工過(guò)程仿真,；最后根據(jù)選用的數(shù)控機(jī)床交互輸入后置處理數(shù)據(jù),，計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成加工代碼。
線切割加工有快走絲,、慢走絲兩種不同類型的控制系統(tǒng)（機(jī)床）,。國(guó)產(chǎn)快走絲機(jī)床采用3B格式代碼程序，而慢走絲機(jī)床采用G代碼程序,。因此,，應(yīng)用CAXA－WEDM軟件編制凸輪廓形線切割程序時(shí),，若用快走絲加工，不需填寫后置處理參數(shù)表,；若用慢走絲機(jī)床,，則要按WEDM的通用后置輸入?yún)?shù)值。
采用數(shù)控銑加工凸輪廓形時(shí),，應(yīng)用CAXA-MILL編寫加工程序,，當(dāng)指定了欲加工的廓形曲線后，應(yīng)輸入加工參數(shù),，如刀具參數(shù),、加工精度、插補(bǔ)方式等,。CAXA-MILL的后置處理是一個(gè)通用后置,，使用時(shí)應(yīng)按所選機(jī)床輸入相關(guān)的參數(shù)。
使用CAXA系列CAM軟件編寫加工程序非常簡(jiǎn)單,，本文不作詳述,。
3 實(shí)例
設(shè)計(jì)一偏置直動(dòng)滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)。凸輪角速度ω1=1rad/s,，逆時(shí)針轉(zhuǎn)向,，推桿最大行程h=25mm，凸輪推程運(yùn)動(dòng)角δ0=120°,，運(yùn)動(dòng)規(guī)律為正弦加速度運(yùn)動(dòng),，遠(yuǎn)休止角δ01=60°，凸輪回程運(yùn)動(dòng)規(guī)律為余弦加速度運(yùn)動(dòng),，回程運(yùn)動(dòng)角度δ=120°,，近休止角δ02=60°，許用壓力角[α1]=30°,、[α2]=60°,。
1）確定理論輪廓曲線的基圓半徑
由前述方法，作出確定基圓半徑的曲線,。
推程：X=25[(3δ/2π)-sin(3δ)/2π] Y=25[1-cos(3δ)]/(2π/3) (0≤δ≤2π/3)
回程：X=25[1+cos(3δ/2)]/2Y=-25πsin(3δ/2)/(4π/) (0≤δ≤2π/3)
用EB做圖可得r0min=OO1=15.584mm,， 且O1點(diǎn)e=11.416mm。取整后可在可行區(qū)內(nèi)取一點(diǎn)r0=20mm,、e=10mm。則S0=17.32mm,。
2）做凸輪的輪廓曲線
凸輪的理論輪廓曲線方程為分段方程,。
推程：X={17.32+25[(3δ/2π)-sin(3δ)/2π]}sinδ+10cosδ
Y={17.32+25[(3δ/2π)-sin(3δ)/2π]}cosδ-10sinδ 式中0≤δ≤2π/3。
回程：X={17.32+25[1+cos(3(δ-π)/2)]/2}sinδ+10cosδ
Y={17.32+25[1+cos(3(δ-π)/2)]/2}cosδ-10sinδ 式中π≤δ≤5π/3,。
遠(yuǎn),、近休止部分為兩段以O(shè)為圓心的圓弧曲線,。然后在凸輪理論輪廓曲線上作出ρmin=13.5mm，所以可取rr=5mm,。最后做出凸輪實(shí)際輪廓曲線（如圖3所示）,。圖4為此凸輪的零件圖。(end) |
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