包裝機空間圓柱凸輪的設計及數控加工工藝研究*

林新貴，詹欣榮

(廣州番禺職業技術學院 機電工程學院，廣州　511483)

?

包裝機空間圓柱凸輪的設計及數控加工工藝研究*

林新貴，詹欣榮

(廣州番禺職業技術學院 機電工程學院，廣州511483)

結合空間圓柱凸輪的結構、工作及使用特性，對包裝機空間圓柱凸輪機構進行設計，確定了凸輪的運動規律，運用UG NX8.5進行三維數字建模，并進行動力學分析，驗證了圓柱凸輪設計和三維建模的正確性。為了提高加工效率和零件精度，減少自動生成數控程序的缺陷，運用參考線加工策略對空間圓柱凸輪加工工藝進行研究，建模時設計控制曲線，利用Power Mill軟件進行CAM編程，改進了加工工藝，提高了編程效率，實現了空間凸輪的數控加工，對工程中同類零件的設計和數控加工具有一定的參考價值。

空間圓柱凸輪；三維建模；數控加工；參考線加工策略

0　引言

隨著我國工業的發展，各種凸輪被廣泛應用在機械設備中，通過凸輪的輪廓曲線將運動轉換為從動件的各種復雜運動，以滿足不同的功能需求[1-2]。其中空間圓柱凸輪機構具有結構較為緊湊、剛度好、可靠性高等優點，應用廣泛。因而諸多學者對空間圓柱凸輪的結構設計、三維建模方法、動力學分析以及加工工藝等方面進行了研究[3-7]。在加工工藝方面，靠模加工方法，對操作工人的技能要求較高，加工所得零件精度低[8]。隨著數控技術的發展，一定程度上使凸輪加工工藝簡化，通常數控程序采用CAD/CAM軟件自動生成，所得數控程序存在一定的缺陷，不利于空間圓柱凸輪的加工。

基于上述現狀，本文根據企業需求，對包裝機空間圓柱凸輪機構進行設計，運用UG軟件進行三維建模及動力學分析，并以該凸輪為例，基于Power Mill軟件，運用參考線加工策略對空間圓柱凸輪加工工藝進行研究與探討，實現了空間凸輪的數控加工，提高了凸輪加工精度和加工效率，為工程中同類零件的設計和數控加工提供了一定的參考價值。

1　空間圓柱凸輪設計

1.1平均圓柱半徑的確定

設計凸輪機構時應避免出現運動失真和自鎖現象，空間圓柱凸輪的平均圓柱半徑Rv受到許用壓力角和最小曲率半徑等條件的限制，圖1所示為空間圓柱凸輪輪廓曲線的展開圖，橫坐標表示圓柱凸輪的轉角φ，縱坐標表示圓柱凸輪從動件的位移s。

圖1　空間凸輪輪廓曲線展開圖

(1)許用壓力角條件

為了改善受力情況，通常規定了凸輪機構的最大壓力角不應大于某一個許用壓力角。通過查詢機械設計手冊可知，通常從動件運動形式為直動時推程許用壓力角α0為25°～35°，回程壓力角α1為70°～80°。

圖1所示凸輪輪廓壓力角α 正切值為：

(1)

根據式(1)可得平均圓柱半徑Rv為：

(2)

(2)最小曲率半徑條件

空間圓柱凸輪輪廓展開后的坐標為：

(3)

輪廓曲線上B點的彎曲曲率半徑為：

(4)

(5)

在滿足使用要求的前提下，盡量使設計、三維建模以及加工工藝簡單。在設計圓柱凸輪時采用修正等速運動規律，在行程的兩端將等速運動和正弦加速度運動規律組合，推程階段分為三段，第一段為正弦加速階段，第二段為等速運動階段，第三段正弦加速度減速階段。

第一段運動方程表達式為：

(6)

s為滾子推桿的位移，v為滾子推桿的速度，a滾子推桿的加速度，h1位第一段總位移，h2第三段總位移，ω為加速度，δ1為第一段展角，δ2為第三段展角，δ0為推程展角。

第二段運動方程表達式為：

(7)

第三段運動方程表達式為：

(8)

回程采用相同的設計思想，不再詳細敘述。根據文獻[9]，空間圓柱凸輪輪廓的最小曲率半徑一般不小于5mm，從動件的滾子半徑為Rc=(0.06～ 0.5)Rv。利用凸輪設計方法的解析法，借助MAT- LAB軟件，得到空間圓柱凸輪的最小平均半徑為184.63mm。考慮到選擇的運動規律還是存在一定的沖擊及該凸輪與包裝機中相配合的零件，最終確定凸輪的平均圓柱半徑為232mm。

2　圓柱凸輪三維建模及動力學仿真

2.1圓柱凸輪三維建模

圖2為空間圓柱凸輪的零件圖，零件的主要結構如下：在φ244的圓柱面中有一個等腰對稱的封閉凸輪槽，槽深12mm，槽寬19mm；在凸輪槽上有一個寬度為19 mm的空間鍵槽；在圓柱凸輪上表面有一個高度為19.5mm半圓形臺階面；在φ230的圓柱面上有一個壁厚為8mm的開放等腰側壁；在開放等腰側壁上有一個圓心角為101°的環形通槽，槽深8mm，槽寬16mm。圖3所示為空間圓弧凸輪的展開圖。

圖2　空間圓柱凸輪的零件圖

圖3　凸輪輪廓展開圖

凸輪輪廓建模是三維建模的難點，因此，文中重點闡述輪廓三維建模。建模主要思想流程是：線—面—體。繪制輪槽底面圓柱面，根據相關取定的參數，繪制輪廓展開的實際和理論輪廓線，利用“纏繞曲線”命令將曲線纏繞在輪槽底面圓柱面上，通過截面曲線進行拉伸，生成曲面，利用“修剪面”修剪，最終得到圓柱凸輪的三維輪廓如圖4所示。其它特征用相同的方法生成，最后采用“曲面縫合”得到凸輪的三維實體，為了后續運動學仿真，裝配一個簡單的傳動件，如圖5所示。

圖4　圓柱凸輪輪廓

圖5　空間圓柱凸輪模型

2.2空間圓柱凸輪動力學仿真

運用UG運動模塊對所涉及的凸輪進行動力學分析，分析從動件在運動過程中的位移、速度和加速度的變化規律。運動仿真步驟設置如下：

(1)創建連桿(links)，分別對圓柱凸輪和從動件添加連桿，分別為L001，L002。

(2)創建運動副(joints)，對圓柱凸輪添加旋轉副，J001，并添加恒定轉速20rad/s；對從動件添加移動副，J002，規定方向為ZC。

(3)在圓柱凸輪和從動件間添加3D接觸，C001，并設置相關參數。

(4)添加求解項，設定仿真時間50s，步長為10000。

一是嚴格落實空間、總量、項目“三位一體”環境準入制度，把好環境準入關，強化總量控制要求，否決相關項目5個；二是強化重點排污企業的在線監控巡查，切實防范企業雨天偷排行為；三是開展危廢企業（電鍍、化工、鋼帶、門業）大檢查。要求各企業對自身固廢實行規范管理、完善臺賬等整改，嚴厲打擊非法轉移、隨意傾倒、非法填埋等違法行為；2013年完成2家企業刷卡排污總量自動控制系統的建設任務，把在線排污監測點從63個提高到71個。

圖6為仿真后所得的推程位移、速度和加速度變化曲線。由圖可知，從動件的位移從0緩慢增加到90，滿足設計要求；從動件速度曲線整體上呈現梯形結構，在推程開始與結束階段速度較快增加，但仍然有一個增速的過程，這也是設計時將等速運動規律和正弦加速運動規律相結合的結果，在等速上升的過程中，從動件速度在某個速度上下波動，總體上平穩；從動件加速在開始和最后兩個階段波動較大，凸輪的運動過程中存在柔性沖擊。動力學仿真的結果驗證了所設計的凸輪輪廓和凸輪的三維模型是正確的。

圖6　仿真結果圖

3　空間圓柱凸輪的數控加工藝研究

3.1凸輪總體加工工藝

分析空間圓柱凸輪的零件圖，制定凸輪加工工藝方案。其中，凸輪輪廓面的加工比較復雜，傳統的加工方式難以滿足加工精度和效率要求。數控技術一定程度上使凸輪加工工藝簡化，但自動生成的數控程序可能存在缺陷，不利于凸輪的加工。所以，為了提高加工效率和零件精度，減少自動生成數控程序的缺陷，利用Power Mill軟件，采用參考線加工策略，制定輪廓加工工藝。整體工藝方案如下：

(1)毛坯選用管狀的38CrMoAl鍛件，在機加工前進行調質熱處理。

(2)進行車削預加工，得到銑削加工的半成品，車削加工工藝路線：毛坯→校準車削端面→粗車外圓φ244→粗、精車內孔φ204、φ214及φ220→精車外圓φ244→調頭，裝夾車端面保證總長139→精車外圓φ244。

(3)五軸聯動機床將半成品加工為成品。五軸工藝路線：工件校準→銑削半圓形臺階面→銑削開放等腰側壁→銑削環形通槽→粗、精銑封閉凸輪槽→銑削空間鍵槽。

為了提高加工效率和零件精度，減少自動生成數控程序的缺陷，利用Power Mill軟件，編程時根據零件上需加工的特征，采用參考線精加工策略。而該加工策略需選擇加工控制曲線和控制刀軸。因此，必須在CAD模型中添加編程時所需要的空間曲線，如圖7。最后在加工時設置合適的加工參數生成加工軌跡路線，如圖8。

圖7　編程所需的空間曲線　　　圖8　加工軌跡路線

以凸輪輪廓加工工藝說明參考線精加工工藝策略的思想。凸輪槽深12mm、槽寬19mm：輪槽采用一粗兩精達到尺寸精度和粗糙度要求。在UG建模時設計好三條控制曲線，應用Power Mill進行粗加工編程時，應用參考線加工策略，選用φ16mm高速鋼立銑刀通過控制凸輪槽中心曲線實現粗加工，側面留余量1.5 mm，深度留余量0.3mm；精加工時參考線加工策略選用φ10mm硬質合金刀具，通過控制凸輪槽中心曲線分別向左右兩側邊界偏置一個刀具半徑的方法生成控制曲線實現精加工。同時注意選擇順銑加工方式以保證加工表面質量。零件其它輪廓部分的編程策略及參數設置如表1所示。圖9所示為加工完成后的圓柱凸輪。

表1　主要輪廓加工工藝

圖9　完成加工的空間圓柱凸輪

4　結束語

本文在分析包裝機功能要求的基礎上設計了空間圓柱凸輪，運用UG軟件進行CAD建模，并進行了動力學分析，驗證了圓柱凸輪設計和建模的正確性。為了提高加工效率和零件精度，減少自動生成數控程序的缺陷，利用Power Mill軟件進行CAM編程，采用參考線加工策略，設計控制曲線，改進了加工工藝，提高了編程效率。對加工所得實物進行檢測，工件尺寸精度和加工表面質量滿足圖紙要求。為工程中同類零件的設計和數控加工提供了一定的參考價值。

[1] 關偉,田廣才,王敏.板式行星分度凸輪機構的動力學和強度分析[J].組合機床與自動化加工技術,2013(6):23-26.

[2] 鄒運,王盟.換刀機構圓弧分度復合凸輪三維建模[J].組合機床與自動化加工技術,2013(8):110-112.

[3] 盧志偉,曹巖.基于Master CAM X6的圓柱凸輪的建模與數控仿真[J].組合機床與自動化加工技術,2013(2):111-113.

[4] 高東強,黎忠炎,毛志云.基于UG的圓柱凸輪參數化建模與仿真加工[J].機械設計與制造,2010(10):207-209.

[5] 蓋立武,郭旭紅.基于UG的精密凹槽零件數控加工[J].組合機床與自動化加工技術,2015(9):137-139.

[6] 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.

[7] 曹巨江,李龍剛,呂凱歸,等.基于UG NX 6.0的弧面分度凸輪三維實體建模與仿真加工[J].機械設計與制造,2011(1):169-171.

[8] 俞慶,劉榮昌,陳春明,等.空間圓柱凸輪的數控加工工藝設計[J].機械研究與應用,2006(4):78-79.

[9] 周文琪,王金武,潘振偉,等.液態施肥機分配機構空間凸輪設計與試驗[J].農業機械學報,2015,46(11):64-69.

(編輯李秀敏)

Design and NC Machining Process Research of Packaging Machine Spatial Cylindrical Cam

LIN Xin-gui, ZHAN Xin-rong

(College of Electrical and Mechanical, GuangZhou PanYu PolyTechnic , Guangzhou 511483,China)

Based on the structural, work and use character of spatial cylindrical cam, the spatial cylindrical cam of packaging machine and the movement rule of cam are designed. The 3-D solid model of the spatial cylindrical cam is established based on UG NX 8.5, the result of dynamics simulation analysis validated the correctness of the cylindrical cam design and 3-D model in the movement module. In order to improve the efficiency of programming and precision of part, reduce the defects of automatically generate NC program. Studying the spatial cylindrical cam’s NC machining process with the help of the reference line processing strategy, the control curve is designed in the modeling. The NC program is written based on the Power Mill CAM programming software, which modifies processing technology and improves the efficiency of programming. Finally, the NC processing of the spatial cam is achieved. The referential value has been provided for the digital processing of components in the similar engineering.

spatial cylindrical cam; 3-D model；NC machining；reference line processing strategy

1001-2265(2016)07-0131-04DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.07.037

2015-12-27；

2016-01-27

國家自然科學基金資助項目(51205138)；廣州番禺職業技術學院科技類重點資助項目(KJ-3)

林新貴(1973—)，男，福建仙游人，廣州番禺職業技術學院副教授，博士研究生，研究方向為數控技術，機電一體化和傳動，(E-mail)allen-lin973@foxmail.com。

TH164;TG506

A