圓柱凸輪類零件的設計及加工*

陳向友，許 蘢

(鹽城市教育培訓與服務中心，江蘇鹽城 224005)

圓柱凸輪類零件的設計及加工*

陳向友，許 蘢

(鹽城市教育培訓與服務中心，江蘇鹽城 224005)

在SolidWorks環境下，利用包覆特征實現了任意圓柱凸輪三維建模的方法和步驟，并在Motion插件中模擬仿真運動，仿真正確后導入CAXA制造工程師軟件中生成四軸加工的數控程序。以余弦圓柱凸輪為例講解了整個過程，為圓柱凸輪類設計及加工提供了通用的解決方法。

圓柱凸輪;包覆特征;運動仿真;四軸加工

1 引言

凸輪機構是機械中常用的典型機構之一，廣泛的應用自動化和半自動化的場合［1］。在產品的研發及加工中，建立精確的模型是前提和基礎，目前國內外所有主流軟件都沒有直接生成的圓柱凸輪的功能，因此圓柱凸輪建模仍然是一項非常繁瑣的工作。Solid-Works是優秀的CAD/CAE的軟件之一，它自帶的凸輪插件只能完成相對簡單的圓柱凸輪建模，它雖然自帶凸輪插件，不少人也對其進行了二次嵌入開發圓柱凸輪建模程序［2－3］，但對于那些轉速高，從動件加速度大，特別是根據工作條件先解方程才能得到的凸輪機構還無法完成。圓柱凸輪的四軸加工是其另外的一個難題，傳統方法是通過宏程序手工編寫，程序繁瑣且易出錯，使用自動編程加工的軟件進行加工并生成數控程序是加工發展的方向。

筆者提供了任意圓柱凸輪類設計及加工的通用的方法和步驟分析:第一步建立數學模型;第二步在草圖中繪制曲線并使用包覆特征生成圓柱凸輪;第三步進行模擬仿真運動驗證其設計的正確;第四步導入加工軟件進行四軸加工;通過以上4步徹底解決了困擾機械學科中平面凸輪的設計及加工這一難題，圖1為轉管武器凸輪曲線槽［4］的設計及加工過程。

下面以余弦圓柱凸輪為例分析其過程。首先對其進行數學分析，得出其三維的方程曲線，后在SolidWorks軟件中繪制草圖并使用包覆特征生成圓柱凸輪的建模、虛擬裝配、干涉檢查，在插件Motion中可完成凸輪機構的運動仿真和分析，仿真正確后將圓柱凸輪模型通過實體格式Parasolid(*.x_t)導入CAXA制造工程師中進行加工并生成數控程序。

圖1 圓柱凸輪曲線槽的設計及加工

2 余弦圓柱凸輪的數學分析

由圖2可知展開后平面的方程曲線為:

圖2 圓柱凸輪展開圖

當圖形繞著X軸旋轉成一個圓柱面，y的值則不發生變化，χ、z變化關系為z2+χ2=402，可推導三維余弦曲線公式如式(1)所示，若對其求導則可求解出速度以及加速度曲線方程:

3 基于SolidWorks及Motion插件中凸輪及裝配的設計

(1)打開 SolidWorks2012軟件，新建零件1凸輪［5］，在上視圖中創建草圖，插入拉伸特征，在下底面插入草圖作圓插入拉伸特征并鏡象，具體尺寸如圖3所示(在標注直徑80時，采用弧長的標注的方法，并且鏡像)。

圖3 凸輪的建模

(2)在前視圖中新建草圖作圓，點擊螺旋線/渦狀線，恒定螺距251.32 mm、圈數1圈、起始角度0°。在左視圖中新建草圖，選取剛生成的螺旋線，點擊轉換實體應用，選取曲線等距實體16 mm，直線連接頭尾。點擊包覆特征蝕雕10 mm，生成模型如圖4所示。

圖4 凸輪凹槽的建模

(3)新建零件2滾子、零件3滑桿、零件4支架，具體尺寸以及三維模型如圖5所示。

圖5 滾子和滑桿及支架的建模

(4)新建裝配體，導入剛才的4個零件。并添加關系，4個重合和2個同軸心以及1個相切關系(相切只是獲得一個初始的位置，在模擬運動之前要將之刪除)。在模擬運動之前，干涉檢查顯示為無干涉，如圖6所示。

圖6 裝配的建立并干涉檢查

(5)點擊馬達，選中零件圓周螺旋槽面1，設置為等速運動，角速度是每秒種120 r/min;設置圓周螺旋槽以及滾子添加3D接觸;可設置模擬運動，最終可生成AVI動畫。

(6)選擇中的滾子上的中心點，在Y分量速度/加速度的軌跡如下，可以看出還是SIN的圖形，非常的平滑，有利于順利的過渡，這可是凸輪設計的一個關鍵，如圖7所示。

圖7 速度以及加速度曲線的繪制

4 基于CAXA的凸輪加工

圓柱凸輪的加工分析:該旋轉軸為Y軸，即為B軸旋轉，它的圓柱面可通過四軸平切面來實現(如表面已經車削可以省略)，中間的凹槽加工可以通過四軸柱面曲線加工同時將其左右各偏置1來實現。

(1)可將圓柱凸輪通過實體格式Parasolid(*.x _t)導入到國產的CAXA制造工程師2011軟件中進行加工，點擊“公式曲線”按鈕，輸入三維余弦曲線的方程(也可直接導入)。

(2)選擇“四軸柱面曲線加工”方式，旋轉軸選擇Y軸，加工精度0.01，順時針方向，單向，選擇直徑φ14平刀，左右偏移各1，刀次10，加工深度10，進刀量為1，后置處理選擇FANUC_4AXIS_B系統，生成的加工軌跡代碼如圖8所示(可適當手工修改生成適合任何四軸數控機床的程序)。

圖8 加工軌跡及四軸程序的生成

5 結語

本文根據圓柱凸輪的空間運動本質，以余弦圓柱凸輪為例，經過數學分析建立草圖，推導過程清晰簡練，利用SolidWorks軟件中包覆的功能實現了圓柱凸輪的參數化的建模，其輪廓形狀是根據運動規律來精確計算的，同時在裝配體中進行運動的分析驗證設計的正確，最后國產CAXA制造工程師軟件中進行加工仿真并生成四軸數控程序，為圓柱凸輪設計及加工提供的通用的解決方法。

［1］ 鄒慧君，張春林，李杞儀.機械原理［M］.第2版.北京:高等教育出版社，2006.

［2］ 羅新俊，劉德福，易 文.基于SolidWorks的圓柱凸輪CAD/ CAM系統的研究［J］.現代制造工程，2011(7):54－56.

［3］ 王 勇.擺動從動件圓柱凸輪機構的設計誤差分析［J］.機械，2005(S1):19－21.

［4］ 劉 杰，李 強.圓柱凸輪建模方法分析與研究［J］.機械傳動，2012(11):74－76.

［5］ 許 蘢.基于Solidworks圓柱凸輪機構的建模裝配與運動分析［J］.機電產品開發與創新，2008(1):81－83.

Design and Processing of the Parts of the Sine Cylindrical Cam

CHEN Xiang－you，XU Long
(Yancheng Education and Training and Service Center，Yancheng Jiangsu 224005，China)

In the SolidWorks environment，using the coating characteristics，the step and method of arbitrary cylindrical cam modeling are achieved，and simulation motion in Motion plug－in is simulated，after correct simulation，it is imported into CAXA NC program generating four axis machining manufacturing engineer software.Taking the cosine of cylindrical cam as an example，the whole process is explained，which provides the general solution for cylindrical cam design and processing.

sine－cylindrical－cam;coating characteristics;motion simulation;four axis machining

TH122

A

1007－4414(2013)05－0105－02

2013－07－23

陳向友(1965－)，男，江蘇鹽城人，碩士，主要從事機械的CAD/CAM/CAE的教學和研究。