李江平

（廣東省科學技術(shù)職業(yè)學院，廣東 珠海 519090）

0 前言

凸輪機構(gòu)廣泛應(yīng)用于紡織機械、印刷機械、食品機械、內(nèi)燃機、自動化儀表以及各種輕工機械中。凸輪機構(gòu)之所以得到了如此廣泛的應(yīng)用，是因為它兼有傳動、導(dǎo)向及控制機構(gòu)的各種功能，可以驅(qū)動從動件實現(xiàn)復(fù)雜的運動規(guī)律。以前受到設(shè)計和加工條件的限制,往往采用作圖法設(shè)計凸輪輪廓和劃線加工凸輪的方法。隨著機械不斷朝著高速、精密、自動化方向發(fā)展,對凸輪機構(gòu)的轉(zhuǎn)速和精度要求也不斷提高,因此利用計算機輔助設(shè)計和應(yīng)用數(shù)控機床加工凸輪是很有必要的。建立專用的凸輪CAD/CAM軟件,在生產(chǎn)實踐中會改善加工精度,降低制造成本和縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，本人在進行數(shù)控銑加工編程中，采用了Mastercam中的MILL模塊進行凸輪數(shù)控銑床編程，就是使用MILL模塊中的Fplot工采用Fplot繪制出平面凸輪曲線，改善加工精度,降低制造成本和縮短產(chǎn)品開發(fā)周期.

1 Fplot介紹

本文以Mastercam9.0中文版為例介紹如何使用Mastercam中Fplot程序繪制復(fù)雜曲線與曲面，F(xiàn)plot是一個函數(shù)繪圖程序。它利用方程和選擇建立相應(yīng)的幾何圖形（包括點，線，樣條曲線，曲面曲線，參數(shù)曲面或NURBS曲面）。該方程采用普通的代數(shù)符號。

2 eqn文件介紹

我們可以用普通文本編輯軟件如記事本或?qū)懽职宕蜷_擴展名為eqn的文件，首先進入mastercam安裝文件夾如D：mastercam9Chooks目錄，可以看見幾個擴展名為eqn的文件，有CANDY、CHIP、DRAIN、ELLIPSD、fplot、INVOL、SINE 等幾個 eqn 文件。

3 復(fù)雜曲線的繪制

本文以sine.eqn為例介紹曲線的繪制，從fplot主菜單中選擇“Get eqn”，然后輸入“sine.eqn”文件的名稱。選擇“Plot it”創(chuàng)建線段構(gòu)成一個周期的正弦波。按Alt-F1的，將線段適合屏幕大小。結(jié)果如圖1。

圖 1 sin(x)曲線

圖2 sine.eqn文件

那我們查看一下sin.eqn文件到底是如何編寫的。我們用記事本打開sin.eqn文件，可以看到以下內(nèi)容，第一行step_var1=x表示第一個參數(shù)為x,第二行step_size1=0.2表示x的步進值為0.2,第三行l(wèi)ower_limit1=0表示x的變化范圍最小值為0，第四行upper_limit1=6.28319表示x的變化范圍最大值為6.28319，第五行g(shù)eometry=lines表示繪制的幾何圖形為線，第六行 angles=radians表示角度采用弧度。第七行 origin=0,0,0表示圖形原點為x=0,y=0,z=0。第八行 y=sin(x)表示繪制的線采用的方程為sin(x)。把sin.eqn看懂了，就很容易繪制其它的方程曲線了。

4 凸輪的繪制

在凸輪機構(gòu)中，最常用的就是平面凸輪機構(gòu)，要設(shè)計平面凸輪的輪廓曲線。設(shè)計方法通常有圖解法和解析法兩種。作圖法簡便易行、直觀，作圖誤差較大，精度較低，適用于低速對從動件運動規(guī)律要求不高的一般精度凸輪設(shè)計；對于精度要求高的高速凸輪、靠模凸輪等，必須用解析法列出凸輪的輪廓曲線方程，用計算機輔助設(shè)計精確地設(shè)計凸輪機構(gòu)。如設(shè)計下面的偏置滾子從動件盤形凸輪輪廓曲線，已知偏距e=10mm，基圓半徑r0=40mm，行程h=25mm，滾子半徑rT=10，厚度為20mm。凸輪以角速度ω順時針轉(zhuǎn)動，從動件的運動規(guī)律為：

運動階段 1，推程 Φ=180°、凸輪轉(zhuǎn)角 φ(°)為 0～180，運動形式：等加速-等減速運動，運動方程方程：s=(2h/Φ2)φ2=(2*25/1802)φ2（0≤φ≤90）或 s=h-2h(Φ-φ)2/Φ2=25-2*25*(180-φ)2/1802（90≤φ≤180）

運動階段 2，遠休止 ΦS=30°、凸輪轉(zhuǎn)角 φ(°)為 180～210，運動形式：靜止不動，運動方程方程：s=h=25（180≤φ≤210）

運動階段 3，回程 Φ=90°、凸輪轉(zhuǎn)角 φ(°)為 210～300，運動形式：等加速-等減速運動，運動方程方程： s=h-(2h/Φ2)/φ2=25-(2*25/180)2/(φ-210)2（210≤φ≤300） 或 s=2h(Φ’-φ’)2/Φ’2=2*25*(90-(φ-210))2/902（210≤φ≤300）

運動階段 4，遠休止 ΦS=60°、凸輪轉(zhuǎn)角 φ(°)為 300～360，運動形式：靜止不動，運動方程方程： s=0（300≤φ≤360）

凸輪輪廓曲線零件圖如下圖。

圖3 凸輪輪廓曲線零件圖

1）凸輪輪廓曲線的極坐標方程

位移S方程如上已經(jīng)給出

3）根據(jù)凸輪輪廓曲線的直角坐標方程分別建立6段凸輪曲線方程如下圖

圖4 6段凸輪曲線eqn方程

由6段凸輪曲線eqn方程生成的理論凸輪曲線如下圖11。

圖5 凸輪理論輪廓曲線

4）對于滾子從動件，我們得到理論輪廓線后，直接用offset(偏移)命令，出現(xiàn)提示：“指定偏移距離或[通過(T)]＜通過＞：”，輸入滾子半徑rT=10㎜，選擇輪廓曲線作為偏移對象，指定內(nèi)側(cè)為偏移方向，即可得到凸輪的實際輪廓曲線。

5）拉伸草圖輪廓，完成凸輪參數(shù)化建模。選擇【插人】/【拉伸】命令或者單擊工具欄中的拉伸按鈕后，拉伸指定輪廓至指定高度20mm，完成凸輪實體建模。

6）生成凸輪中心孔。利用拉伸去除，生成凸輪中心孔，完成凸輪的建模。

圖6 凸輪實際曲線

圖7 凸輪實際外形

圖8 生成的凸輪

5 加工方法的確定

加工平面凸輪一般采用兩軸聯(lián)動的數(shù)控銑床,大型平面凸輪可用等高墊墊在工作臺上,中心孔找正后,確定坐標原點,用壓板螺絲在凸輪的工藝孔上壓住即可;而小型凸輪,一般用心定位,壓緊即可。加工圓柱凸輪宜采用四軸(X,Y,Z軸與繞X旋轉(zhuǎn)的A軸)或帶數(shù)控轉(zhuǎn)盤的3坐標,2坐標以上聯(lián)動的數(shù)控銑床加工比較合適,根據(jù)槽寬及形狀選擇不同大小的刀具或成形刀具。為了加工方便,安裝時,凸輪的軸線應(yīng)平行于機床的X軸,由夾盤和頂尖夾緊工件。

6 工件裝夾方案

由于該零件為小型凸輪，宜采用心軸定位，螺栓壓緊即可。設(shè)定工件上表面與孔φ10H20軸線的交點為工件坐標系的原點。

7 加工順序及進給路線

該凸輪的加工路線包括深度切入進給和平面切削，切削加工時當?shù)毒咧林付ㄉ疃群?，刀具在XY平面內(nèi)運動，銑削凸輪輪廓。

8 選擇刀具及切削用量

8．1 選擇切削刀具

銑削刀具和刀具材料主要根據(jù)零件材料的切削加工性、工件表面幾何形狀和尺寸大小選擇，由于零件材料為鋁，切削加工性能較好?？刹捎谜w式JT-MW型刀具系統(tǒng)，選用φ10mm的硬質(zhì)合金鍵槽銑刀。數(shù)控銑床為華興SK712A。

8．2 選擇切削用量

依據(jù)零件材料鋁的切削性能，硬質(zhì)合金刀具材料的特性及加工精度要求確定切削用量。凸輪兩側(cè)面各留1mm精銑余量；切削速度和進給速度的選擇應(yīng)考慮刀具的工作效率和壽命，粗銑時主軸轉(zhuǎn)速取1000r/min，進給速度取 50mm/min，精加工前，檢測零件幾何尺寸，依據(jù)檢測結(jié)果決定刀具長度和刀具半徑的偏置量，精銑時主軸轉(zhuǎn)速取1000r/min，銑刀進給速度取 30mm/min，保證尺寸精度和表面質(zhì)量符合圖紙的加工要求。

9 刀具路徑生成

圖9 刀具路徑

10 結(jié)束語

基于mastercam凸輪的計算機輔助設(shè)計和制造為凸輪的設(shè)計和加工提供了較大的方便，能很好保證凸輪的設(shè)計要求和加工質(zhì)量。

圖10 刀具參數(shù)1

圖11 刀具參數(shù)2

致謝：

在此感謝宋教授對我論文提出的寶貴意見，以及賴老師及黃東老師、鄒偉全老師對我的大力幫助。

［1］王衛(wèi)兵,主編.mastercam數(shù)控加工實例教程[M].清華大學出版社.

［2］候克青.機械設(shè)計基礎(chǔ)課程實訓指導(dǎo)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2005.