CAD/CAM在機械制造業中應用實例

張玲峻

（惠州商貿旅游高級職業技術學校，廣東惠州 516003）

0 引言

某制造企業生產的產品其傳動部分采用一組凸輪機構，多為盤形凸輪，長期以來都是采用靠模法加工，由最初測繪，經過多次手工修銼和裝機試驗，得到一個相對理想的模型，以后加工就依靠模具、夾具、人工修銼等工藝，進行靠模加工和修銼，最后把凸輪表面打磨光滑。這樣的結果是加工難度高，對操作工人技術水平要求高，加工周期長，精度低，廢品率高，不能滿足高效率、高精度的現代化生產需要。隨著計算機輔助設計（CAD）和制造（CAM）技術的應用以及數控機床和線切割設備的普及，為精確地繪制和加工盤形凸輪輪廓曲線提供了便捷方法。

1 凸輪工作分析

本文以其中一個凸輪為例作以說明。經分析和觀察機器運行情況，該凸輪從動件的一個工作循環是：凸輪以逆時針方向回轉，當凸輪轉過20°時，從動件上升；當凸輪再轉過50°時，從動件停留在最高位置不動；當凸輪又轉過140°時，從動件下降退回原處；當凸輪再轉過150°時，從動件停留在最低位置不動。

從動件運動規律如表1。

表1 從動件運動規律

然而該凸輪是一組凸輪中的一個，其與整機起始有80°角度差，由鍵槽定位，確定該凸輪在整機工作中的起始角度。因此將從動件工作曲線角度位移80°，得出從動件工作曲線示意如圖1。

圖1 從動件工作曲線示意圖

2 凸輪曲線設計

因該凸輪原有靠模加工，且正在使用，因此對零件的相關運動、結構強度等無需做太多的考慮。而凸輪曲線輪廓會對機器運動的平穩性和精確度產生很大的影響，從而影響產品的質量。對凸輪進行再次設計及加工必須精確。

在凸輪設計中常用的凸輪曲線有：等速直線、等加速、等減速（拋物線）、余弦加速度（簡諧）、正弦加速度（擺線）等運動規律。在設計凸輪時通常根據工作情況可以選擇一種曲線或將幾種曲線組合。在此機構中，偏距e=0，從動件升程與回程選擇簡諧運動（即余弦加速度運動曲線）規律，沖擊較小，適合于本機的中、高速傳動[1]。凸輪逆時針勻速旋轉，已知升程h1=24 mm，回程h2=24 mm，從動件為滾子，滾子半徑rt=15 mm，基圓半徑rb=76 mm，位移與轉角的方程為：

式中：S——凸輪機構從動件的位移；

h——從動件升程或回程；

Φ——凸輪升程或回程運動角；

?——凸輪轉角。

即可分別得到二段位移與轉角的方程：

第一段為升程，升程運動角50°：

第二段為回程，回程運動角150°：

3 凸輪曲線繪制

方法一：利用上述方程式（1）、（2），每隔一定角度取值（?值取得愈小，算出的S值愈多，則繪制出的凸輪輪廓曲線愈精確，花的時間也相應愈多)，計算出凸輪升降位移S的數據，位移S+基圓半徑rb，即可得到凸輪轉角與曲率半徑的對應值[1]。凸輪為逆時針轉動，用計算機輔助設計AutoCAD軟件中的“樣條曲線”命令，在命令行中輸入已算出的對應?角的位移S+基圓半徑rb值，畫出封閉的樣條線即為凸輪輪廓曲線。此方法繪出的凸輪曲線精確，但比較繁瑣。

方法二：用AutoCAD軟件，以S值24mm為直徑畫半圓，將該半圓等分（以10等分為例），用解析法畫出凸輪升程和回程的位移-轉角余弦曲線，如圖2。

圖2 位移-轉角線圖

按1∶1比例畫出半徑為76 mm基圓，分別在100°～150°升程部分和290°～80°回程部分將圓周10等分，再將圖3中不同高度的9條位移線分別“復制”在相應的轉角端點，將該線段“旋轉”相應角度，即沿徑向取值，用“樣條曲線”命令連接各跳線的端點即可得到凸輪的理論輪廓，因從動件為滾子，滾子半徑rt=15 mm，用“偏移”命令，給出偏移的距離15（即滾子的半徑），將輪廓曲線向內側偏移，偏移后升程和回程的二段曲線與高位停留和低位停留的二段圓弧連接處用“圓角”命令修整，既得到凸輪曲線的實際輪廓[4]，如圖3。

圖3 凸輪曲線

圖4 凸輪工藝簡圖

為保證凸輪安裝時起始角度的準確，以保證機器的運動規律，即該凸輪與整機的其他凸輪運動的協調一致，可由凸輪內孔鍵槽定位，或用開邊凸輪，更有利于安裝和調整。凸輪的工藝簡圖如圖4。

4 凸輪加工制造

盤形凸輪的廓形曲線為二維曲線，采用數控銑床或線切割機床加工，其加工程序可采用通用的CAM軟件自動編制。本文選用Mastercam軟件進行加工程序編制。

4.1 CAD/CAM數據轉換

上述AutoCAD圖形文件格式為*.DWG。目前該軟件有多種版本，較高版本的*.DWG圖形文件不一定能被Mastercam軟件讀取，因此要先將Au?toCAD圖形文件存儲為AutoCAD2000以下的版本，便于Mastercam軟件讀取。

圖5 實體切削仿真圖

在Mastercam中，選“主菜單→文檔→轉換→Autodesk→讀取”命令[2]，選好要讀取的文件，按提示操作，就可將AutoCAD所繪制的凸輪曲線二維圖形文件轉換至Mastercam中。

4.2 加工代碼的生成

當CAM軟件從CAD的圖形文件中成功讀取了凸輪輪廓曲線數據之后，就可以進行加工程序編制。其過程如下。

（1）選擇“回主功能表→刀具路徑→外形銑削”命令[3]，“從刀具庫選取刀具”直徑為12mm,“銑削參數”設置零件上表面Z=0，加工深度由圖4可知為-14，確定后屏幕顯示刀具加工路徑。

（2）選擇“刀具路徑→操作管理”命令，用實體切削驗證，實體切削仿真如圖5所示。

（3）完成刀具路徑生成的基礎上，按需要修改好粗、精加工工藝參數、進退刀參數等，在“操作管理員”視窗中，單擊“執行后處理”，系統將自動生成數控加工程序（G代碼程序省略），通過與數控機床接口，將加工程序傳送給機床進行加工（其余結構加工制造過程略去。）

5 結束語

利用計算機輔助設計與制造CAD/CAM軟件和先進的數控設備，來完成凸輪曲線的設計、校正、數據傳輸、加工，大大降低了傳統加工方法的復雜程度，降低對操作工人技術水平的要求，更好地保證凸輪的加工精度，提高生產效率，保證加工質量。

［1］楊可楨，程光蘊，李仲生.機械設計基礎：第6版［M］.北京：高等教育出版社，2013.

［2］嚴烈.Mastercam9應用基礎教程［M］.北京：冶金工業出版社，2001.

［3］孫祖和.Mastercam9設計的制造范例解析［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［4］詹友剛.AutoCAD機械應用教程［M］.北京：機械工業出版社，2010.