黃登高，秦慧斌，張瑞廷，王宗彥，李利民

(1.中北大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，太原 030051；2.山西汾西重工有限責(zé)任公司，太原 030027)

一種新型微動(dòng)凸輪的參數(shù)化建模與加工仿真*

黃登高1，秦慧斌1，張瑞廷1，王宗彥1，李利民2

(1.中北大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，太原 030051；2.山西汾西重工有限責(zé)任公司，太原 030027)

針對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)執(zhí)行件最大行程不可調(diào)的缺點(diǎn)，提出一種新型微動(dòng)凸輪及其CAD/CAM一體化設(shè)計(jì)制造方法。凸輪的結(jié)構(gòu)為圓盤形，徑向是沿著圓周方向均布的12個(gè)子曲面輪廓，同一徑向位置處的輪廓曲線為擬合的余弦曲線，可以實(shí)現(xiàn)執(zhí)行件最大行程可調(diào)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。應(yīng)用VB6.0對(duì)SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā)，完成了凸輪曲面參數(shù)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)模型、工序模型、裝配體仿真模型及CAM制造模型的自動(dòng)更新。依據(jù)模型進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真驗(yàn)證和CAM加工仿真試驗(yàn)。通過分析，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法應(yīng)用在凸輪的可行性及實(shí)用價(jià)值。

新型凸輪；參數(shù)化設(shè)計(jì)；工序模型；加工仿真

0 引言

凸輪機(jī)構(gòu)是由凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架三個(gè)基本構(gòu)件組成的高副機(jī)構(gòu)。由于凸輪機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)要求，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)機(jī)械、儀器和操縱控制裝置。南昌大學(xué)的高尤坤等人[1]利用7次多項(xiàng)式改進(jìn)了自動(dòng)裝盒機(jī)插舌凸輪曲線，減小了凸輪磨損，延長了使用壽命。新疆大學(xué)李長勇等人[2],根據(jù)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線設(shè)計(jì)出了一種新型凸輪實(shí)驗(yàn)裝置，可以反求出凸輪的外形。文獻(xiàn)[3-5]是應(yīng)用數(shù)學(xué)方法對(duì)凸輪曲線輪廓進(jìn)行了優(yōu)化，使運(yùn)動(dòng)能夠平穩(wěn)。綜上所述，凸輪研究主要集中在如何優(yōu)化曲線輪廓或根據(jù)執(zhí)行件工作要求反求出曲面輪廓。當(dāng)凸輪磨損后，達(dá)不到工作要求時(shí)或工況對(duì)執(zhí)行件的最大行程有新的要求時(shí)，以上的設(shè)計(jì)方法在不重新設(shè)計(jì)制造新凸輪的前提下，是無法滿足要求的。

從凸輪執(zhí)行件最大行程的柔性出發(fā)，設(shè)計(jì)出一種新型微動(dòng)凸輪，可以保證從動(dòng)件最大行程在一定范圍內(nèi)線性調(diào)節(jié)，這就解決了上述問題。選用曲線輪廓為平緩的余弦函數(shù)Acos(0.1x)來減小摩擦，在圓周方向均布十二個(gè)完全相同的子曲面輪廓，在提高效率的同時(shí)還避免了從動(dòng)件與單個(gè)子曲面的連續(xù)接觸，減小了磨損。并且從CAD/CAM一體化的角度，對(duì)凸輪進(jìn)行了加工仿真。

1 設(shè)計(jì)思路及過程

傳統(tǒng)凸輪機(jī)構(gòu)的執(zhí)行件只能實(shí)現(xiàn)單一的周期性運(yùn)動(dòng)，凸輪與從動(dòng)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)在徑向[6]，這就限制了凸輪執(zhí)行件的最大行程可調(diào)節(jié)性。然而相對(duì)運(yùn)動(dòng)也可以在軸向，這樣在不同φa處就可以實(shí)現(xiàn)不同高度的行程。如圖1所示，以內(nèi)外輪廓徑向直徑分別為60mm， 180mm為例建立凸輪模型。

圖1 凸輪模型

曲面是由12個(gè)完全相同的子曲面組成，通過陣列特征可以得到最終的曲面。采用內(nèi)外兩個(gè)輪廓作為驅(qū)動(dòng)輪廓，內(nèi)輪廓為12邊形的外接圓，外輪廓為12邊形的內(nèi)接圓，如圖2所示。

圖2 內(nèi)外輪廓輔助線

由于要保證凸輪內(nèi)外輪廓切線在φ60mm，φ180mm，所以必須以兩個(gè)輔助12邊形來確定放樣曲線所在的面。根據(jù)上圖可知，當(dāng)內(nèi)外輪廓直徑分別為φ60mm，φ180mm時(shí)，設(shè)置的1/12輪廓的參考面應(yīng)距離右視基準(zhǔn)面分別為28.98mm，90mm。內(nèi)外輪廓放樣曲線及相關(guān)參數(shù)如圖3所示。

圖3 內(nèi)外輪廓放樣曲線

內(nèi)外曲線輪廓方程均為y=Acos(0.1x)

外輪廓的A1=h1/ (1-cos(0.1p))，

內(nèi)輪廓的A2=h2/ (1-cos(0.1q))，其中，A為曲線幅值，h為曲線頂點(diǎn)到曲線末端的垂直高度,b為曲線末端到凸臺(tái)上表面的距離，本文的原始模型的參數(shù)h1=6,h2=4,b1=b2=5。p，q為常量由圖2確定p=24.12，q=7.76(單位均為mm)。

如圖4所示，以內(nèi)外兩個(gè)封閉草圖為驅(qū)動(dòng)進(jìn)行放樣，得到1/12的曲面特征，再進(jìn)行陣列得到初步的曲面輪廓。

圖4 放樣和陣列得到的模型

從DFM(Designformanufacture)面向制造的角度建立零件模型，生成零件特征設(shè)計(jì)樹[7]，通過工序驅(qū)動(dòng)，利用特征回退技術(shù)，依次壓縮特征，可方便生成工序配置模型。運(yùn)用此方法，得到凸輪工序模型配置樹如圖5所示，在此基礎(chǔ)上添加各工序的尺寸及公差要求，當(dāng)點(diǎn)擊圖5中各工序，可得到凸輪三維MBD工序模型，如圖6所示。

圖5 凸輪工序模型配置樹

圖6 凸輪三維MBD工序模型

上圖中MBD(ModelBasedDefinition)即基于模型的定義。把工序中的尺寸及公差標(biāo)注在三維模型上，使得三維模型為工序信息流的唯一來源。當(dāng)某一步工序尺寸變化時(shí)，其它工序尺寸也會(huì)更新。當(dāng)零件復(fù)雜或工序比較多時(shí)，相較于傳統(tǒng)的二維圖紙表達(dá)工序信息，此方法可以減少工藝人員的工作量提高效率，避免各工序信息之間表達(dá)產(chǎn)生歧義。

2 凸輪參數(shù)化設(shè)計(jì)

凸輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)可以準(zhǔn)確、快速的實(shí)現(xiàn)模型自動(dòng)更新[8]，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。利用VB6.0開發(fā)了此凸輪設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

為了保證參數(shù)驅(qū)動(dòng)得到的模型正確，應(yīng)減少驅(qū)動(dòng)尺寸基準(zhǔn)的相互繼承，即在最初建模階段應(yīng)避免在前一步特征的面上繼續(xù)建下一個(gè)特征的草圖，而應(yīng)該新建基準(zhǔn)面之后再建草圖，所有草圖都是在各自新建基準(zhǔn)面上建立，便于參數(shù)驅(qū)動(dòng)的控制。否則會(huì)給程序開發(fā)帶來難度，甚至程序報(bào)錯(cuò)，或者得到錯(cuò)誤的驅(qū)動(dòng)模型。因此，在設(shè)計(jì)此凸輪時(shí)以凸臺(tái)上表面為最初參考面，把凸輪毛坯分為上下兩部分。其中上半部分毛坯高度=h1+b1+m，下半部分毛坯高度=10+n。

通過改變m，n、h1、b1、h2、b2六個(gè)主參數(shù)(m，n分別為毛坯上下表面余量)，并點(diǎn)擊設(shè)計(jì)界面中的[重建模型]，可以快速實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模型和上述圖6的MBD工序模型更新。

3 運(yùn)動(dòng)仿真及驗(yàn)證

根據(jù)此凸輪的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了凸輪機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)執(zhí)行件平緩的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如圖7所示，為凸輪機(jī)構(gòu)裝配體模型。

圖7 凸輪機(jī)構(gòu)裝配體模型

當(dāng)給定桿距x時(shí)，點(diǎn)擊設(shè)計(jì)界面中 [行程理論高度h]即可得到執(zhí)行件的行程高度。單擊[裝配體更新]，桿距x也會(huì)在裝配體Motion中更新，為仿真分析提供了便利。以h1=6mm，h2=4mm為例，從動(dòng)件行程范圍可在4～6mm內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，原理如圖8所示，當(dāng)以凸輪中心為圓心時(shí)，若從動(dòng)件距凸輪中心為x時(shí)，凸輪行程理論高度h=(h2-h1) / 60×(90-x)+h1,其中x為執(zhí)行件到凸輪中心的距離，其中x=a/2。

圖8 h1，h2關(guān)系圖

為了驗(yàn)證調(diào)節(jié)的精度，通過設(shè)定引力等物理參數(shù)進(jìn)行了Motion仿真，從仿真后的圖解得到仿真的行程高度，由表1可以看出同一x處時(shí)，Motion仿真的行程高度與理論結(jié)果有細(xì)微差別，但對(duì)凸輪精度的影響在可控范圍。

表1 最大行程高度

4 CAM加工策略及過程

檢驗(yàn)一個(gè)零件設(shè)計(jì)合理與否，可加工性的優(yōu)劣，以及加工后零件的質(zhì)量能否滿足實(shí)際的工作要求是很重要的環(huán)節(jié)。而直接進(jìn)行機(jī)床實(shí)驗(yàn)，成本比較高?，F(xiàn)在的主流仿真加工軟件，如SolidCAM、CATIA、ProE、Mastercam等主流加工仿真軟件都能進(jìn)行各種模式的加工仿真?？紤]到SolidWorks與SolidCAM有良好的兼容性，不需要把模型再轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)格式，而且同一零件的各種模型的信息流有良好的共享性，所以選擇此凸輪的CAM仿真在SolidCAM環(huán)境下進(jìn)行。

如圖9所示，根據(jù)凸輪的特點(diǎn)及加工規(guī)范，在CAM仿真環(huán)境下設(shè)置不同的加工策略，確定了各工序所選刀具、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削深度等參數(shù)。制定出10個(gè)詳細(xì)工序，分別為銑底面、倒角、鉆孔、銑安裝孔、銑頂面、銑外輪廓、銑內(nèi)腔、粗加工曲面、二粗、精加工曲面，對(duì)應(yīng)于圖9中10個(gè)加工工序。圖中Mac(1,2)位置為CAM加工的兩個(gè)參考點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)工件的反轉(zhuǎn)，方便加工工件的另一端。

圖9 加工工序樹

在SolidCAM加工仿真之后，可以分別查看各步工序的加工用時(shí)，加工曲面輪廓用時(shí)占到了全部時(shí)間的80%，這是因?yàn)橥馆喠慵ぷ鲿r(shí)接觸面是曲面，所以必須保證曲面的加工質(zhì)量，這就要求加工曲面時(shí)，刀具進(jìn)給速度和切深不能很大，而且需要多步粗精加工。在保證加工質(zhì)量的前提下，對(duì)刀路進(jìn)行優(yōu)化，減少了空切時(shí)間，如表2所示，為優(yōu)化前后加工時(shí)間對(duì)比。

表2 加工時(shí)間對(duì)比

SolidCAM可以與零件的設(shè)計(jì)模型，工序模型共享信息，當(dāng)改變?cè)O(shè)計(jì)模型后，SolidCAM的加工模型也會(huì)改變。只需在毛坯中定義兩個(gè)加工原點(diǎn)、加工深度，并且在加工策略中選擇[全部計(jì)算]，就完成了加工策略的更新。然后查看模擬的加工質(zhì)量并生成刀位文件。最后通過機(jī)床后處理把刀位數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成指定數(shù)控機(jī)床能執(zhí)行的數(shù)控程序[9-10]，導(dǎo)入目標(biāo)機(jī)床就可以進(jìn)行實(shí)際加工。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種新型微動(dòng)凸輪的實(shí)體模型，其最大特點(diǎn)是執(zhí)行件最大行程的線性可調(diào)，當(dāng)凸輪磨損后調(diào)節(jié)桿距可以修正執(zhí)行桿件的最大行程。通過VB6.0實(shí)現(xiàn)了模型自動(dòng)更新，提高了設(shè)計(jì)效率。在SolidCAM環(huán)境下對(duì)凸輪進(jìn)行了加工仿真及刀路優(yōu)化，而且當(dāng)設(shè)計(jì)模型不合理時(shí)，仿真加工環(huán)節(jié)會(huì)給出反饋，從而修正模型。

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(編輯 李秀敏)

Parametric Modeling and Machining Simulation for a New Type of Micro Motion Cam

HUANGDeng-gao1，QINHui-bin1，ZHANGRui-ting1,WANGZong-yan1,LILi-min2

(1.SchoolofMechanicalandPowerEngineering，NorthUniversityofChina，Taiyuan030051，China;2.ShanxiFenxiHeavyIndustryCo.,Ltd.，Taiyuan030027，China)

Aimingatthedisadvantageofthemaximumcan’tbeadjustedforthecammechanism,anewmethodofCAD/CAMintegrateddesignandmanufacturingformicromotioncamisputforward.Thestructureofthecamisacirculardisc,andthetwelvesamesurfaceprofilesareevenlydistributedintheradialdirection.Thecontourcurveofthesameradiallengthisthecosinecurvefitting,whichcanrealizethereciprocatingmotionoftheactuatorinacertainrangeoftravel.UsingVB6.0asatooltodevelopSolidWorks,finallyrealizedtheparametriccontrolofcamsurface.Itmakethedesignmodel,processmodel,assemblysimulationmodelandCAMmanufacturingmodelareupdatedautomatically.Accordingtothemodel,themotionsimulationverificationandCAMprocesssimulationarecarriedout.Thefeasibilityandpracticalvalueofthisdesignmethodincamareprovedthroughanalysis.

newtypecam；parametricdesign；processmodel；machiningsimulation

1001-2265(2016)12-0013-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.12.004

2016-07-25；

2016-08-28

2016年山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(指南)工業(yè)項(xiàng)目“面向智能車間的三維工藝研究與應(yīng)用示范”(2016033)

黃登高(1992—)，男，山西浮山縣人，中北大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，(E-mail)526985189@qq.com；通訊作者：秦慧斌(1978—)，男，山西潞城人，中北大學(xué)講師，碩士研究生導(dǎo)師，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)械裝備產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，(E-mail)qhbsss@163.com。

TH166;TG

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