基于Pro/E 5.0的圓柱凸輪多種建模方法及其多軸仿真加工研究

申鵬

摘要：圓柱凸輪是一個圓柱體上開有凹槽的構件，其輪廓曲線是一條封閉的空間曲線且具較復雜的數學關系。其建模過程相對復雜，本文基于Pro/E5.0，研究了三種不同的建模方法，并進行了四軸仿真加工，生成了數控加工的程序，為同類型零件建模和數控加工提供了參考依據。

Abstract： Cylindrical cam is a member with grooves on a cylinder， and its profile curve is a closed space curve and has a more complicated mathematical relationship. The modeling process is relatively complicated. Based on Pro/E5.0， this paper studies three different modeling methods， and carries out four-axis simulation processing， and generates a numerical control processing program for modeling and numerical control processing of the same type of parts. Provide reference basis.

關鍵詞：Pro/E 5.0;圓柱凸輪;建模;多軸;仿真加工

Key words： Pro/ENGINEER wildfire 5.0;cylindrical cam;modeling;multi-axis;simulation processing

中圖分類號：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0128-03

0? 引言

凸輪分為盤型凸輪和圓柱凸輪，圓柱凸輪具有所占空間小、結構緊湊、傳遞力矩大等優點，在各種小型機器中得到廣泛應用。圓柱凸輪的輪廓曲線是一條封閉的空間曲線，采用傳統的方法很難獲得精確的輪廓數據以滿足數控編程的需要，這給加工制造帶來了很大困難[1-2]。為了克服這一難題，本文結合文獻[3]利用Pro/ENGINEER Wildfire 5.0研究了圓柱凸輪的包絡曲線建模方法、可變截面掃描建模方法、環形折彎建模方法三種不同的建模方法。同時利用該軟件對圓柱凸輪進行了四軸仿真加工和數控程序的生成，為同類型零件建模和數控加工提供了參考依據。

1? 圓柱凸輪零件結構分析

圓柱凸輪零件的零件圖形如圖1所示：其結構特點是在一個直徑尺寸為？覬100mm圓柱體上開有一個寬度為12mm深度為10mm的凹槽，該凹槽按照一定的規律緊密纏繞在圓柱體周圍。采用傳統方法完成該圓柱凸輪零件的建模和加工均存在一定的難度。因此，需要用一些特殊的方法。

2? 圓柱凸輪的三種建模方法

2.1 圓柱凸輪包絡曲線建模方法

在Pro/ENGINEER Wildfire 5.0軟件中，提供了一種通過將原有基準曲線印貼到曲面上命令，即創建包絡（印貼）曲線，就像將貼花轉移到曲面上一樣。基準曲線只能在可展開的曲面（如平面、圓錐面和圓柱面）上印貼。同時包絡曲線將保持原曲線的長度。

經過分析對比，圓柱凸輪的基本體圓柱直徑已知，可根據圓周長公式：

計算得出該圓柱體外圓柱的周長為100πmm，由于圓柱體高度尺寸為100mm，因此展開平面圖中的矩形尺寸應為100πmm×100mm。根據展平面開圖中所標注的尺寸以及A1、A2、A3、A4各點的角度值？茲Ai，可以按照比例換算確定其坐標位置，換算公式如下：

例如A1點的角度值為64°，可按上述公式換算出A1點的縱坐標值：XA1=55.85mm。

同理，A2、A3、A4各點的坐標值分別為XA2=99.74mm、XA3=216.42mm、XA4=258.31mm。

根據上分析和尺寸，可在100πmm×100mm的矩形平面內繪制出凹槽輪廓曲線S1，再利用Pro/ENGINEER Wildfire 5.0軟件的包絡曲線功能將曲線曲線S1包絡投影到外圓柱面上得到空間曲線S2。以此包絡曲線曲線S2為軌跡線，再繪制10mm×12mm的矩形作為截面，利用軟件的掃描（切口）命令，即可得到圓柱凸輪如圖2。

該方法建模基本步驟為：選擇一個繪圖平面，繪制圓？覬100mm→拉伸為？覬100mm×100mm圓柱體→選擇穿過圓柱體中心軸線的平面根據換算尺寸繪制圓柱凸輪凹槽輪廓展開曲線S1→在編輯菜單中選擇包絡命令，將曲線S1投影到圓柱體外圓面得到凹槽輪廓展開曲線空間曲線S2→利用掃描-切口命令選擇凹槽輪廓展開曲線空間曲線S2為掃引軌跡，繪制10mm×12mm的矩形作為截面得到圓柱凸輪→孔命令繪制？覬20通孔。注意事項如下：

①各點坐標值的正確換算，否則無法精確繪制圓柱凸輪。②為防止運用包絡曲線命令時選錯圓柱面，？覬20通孔應在最后繪制。

2.2 圓柱凸輪環形折彎建模方法

環形折彎（Toroidal Bend）命令是一種改變模型形狀的操作，它可以對實體特征、曲面和基準曲線進行環狀的折彎變形[4]。

因此，可在上述建模方法的基礎上，在100πmm×100mm的矩形內繪制平面展開后的凹槽輪廓曲線S3，將矩形拉升高度50mm，得到一個長方體T，利用掃描切口命令在該長方體T上繪制凹槽的平面展開形狀，再利用環形折彎命令沿著C軸折彎360°即可繪制出圓柱凸輪。（圖3）

該方法建模基本步驟為：選擇一個繪圖平面，繪制100πmm×100mm的矩形→拉伸100π×100×50mm長方體T→選擇長方體表面為繪圖平面，根據換算尺寸繪制圓柱凸輪凹槽輪廓展開曲線S3→利用掃描-切口命令選擇凹槽輪廓展開曲線S3為掃引軌跡，繪制10mm×12mm的矩形作為截面得到圓柱凸輪凹槽平面展開形狀→在“插入”-“高級”中選擇“環形折彎”命令，在“參照”選項卡下勾選“實體幾何”，內部定義“輪廓截面”時，添加坐標系，使用移動和調整確保坐標系的X軸與草繪方向重合，折彎類型選擇“360°彎折”，選擇長方體左右兩個端面得到圓柱凸輪→孔命令繪制？覬20通孔。注意事項如下：①各點坐標值的正確換算，否則無法精確繪制圓柱凸輪。②使用環形折彎命令時， “參照”選項卡下勾選“實體幾何”，內部定義“輪廓截面”時，添加坐標系，使用移動和調整確保坐標系的X軸與草繪方向重合，折彎類型選擇“360°彎折”，否則不能正確繪制圓柱凸輪。③為防止運用環形折彎命令時選錯參照，？覬20通孔應在最后繪制。

2.3 圓柱凸輪可變截面掃描建模方法

由于上述兩種建模方法在繪制圓柱凸輪凹槽輪廓線時，均需要按照比例換算出相關點的坐標值，不能直接利用圖4中已有尺寸進行繪制，增加了部分計算量。為了提高建模的效率，可充分利用Pro/ENGINEER Wildfire 5.0提供的函數關系式功能，繪制圓柱凸輪凹槽輪廓線時，無需換算尺寸，直接根據平面開圖中所給出的尺寸進行繪制。在使用可變截面掃描時添加函數關系即可繪制出所需圓柱凸輪。

該方法建模基本步驟為：選擇一個繪圖平面，繪制兩個同心圓？覬100mm、？覬20mm→拉伸至高度為100mm的空心圓柱體→插入-模型基準-圖形，添加坐標系，根據零件圖平面展開所示注尺寸繪制圓柱凸輪凹槽輪廓展開曲線S4→利用可變截面掃描命令選擇圓柱體一個端面邊線為原點軌跡→點擊控制面板上的“草繪”，繪制10mm×12mm的矩形作為截面，同時點擊工具-關系，為尺寸S5添加函數關系：sd5=evalgraph（“cam”，trajpar*360）→移除材料得到圓柱凸輪。

注意事項如下：①根據零件圖平面展開所示注尺寸繪制圓柱凸輪凹槽輪廓展開曲線S4時，應先插入坐標系。②使用可變截面掃描命令選擇圓柱體一個端面邊線為掃引軌跡時， 不要按住CTRL選擇另外一個半圓弧，這樣系統并不能認為這是原點軌跡。而是通過點擊“細節”，點擊“基于規則”-“相切”。

3? 圓柱凸輪四軸仿真加工

利用上述三種建模方法均可進行圓柱凸輪零件的三維實體建模。由于圓柱凸輪零件的結構特殊，傳統的普通設備已無法滿足設計精度要求。目前，圓柱凸輪主要是在多軸數控機床上通過聯動的方式加工成形，數控程序的編制是圓柱凸輪加工的關鍵。利用Pro/ENGINEER Wildfire 5.0的制造功能，可完成凸輪零件的四軸仿真加工與自動編程[5]。

主要步驟為，新建“制造文件”，選擇已經建模完成的圓柱凸輪零件為參照模型，設置毛坯為？覬100mm×110mm圓柱體，將工件坐標系原點設置在毛坯左端面中心處ACS1，設置機床類型為：銑削、四軸、使用旋轉輸出、旋轉軸A軸。在操作設置中，機床零點選為已設定的坐標系ACS1，退刀曲面選擇球面，已完全包含圓柱凸輪為宜。NC序列選擇曲面銑削，加工軸為4軸，依次定義參數、曲面、四軸平面、定義切削。利用屏幕演示進行仿真切削加工觀察刀軌，利用NC檢查借助VeryCut平臺觀看去除材料仿真加工演示。最終加工效果如圖5。仿真無誤后可在編輯—CL數據—輸出-NC序列，輸出數控程序。

4? 結論與展望

本文利用Pro/ENGINEER Wildfire 5.0的建模功能模塊，研究了圓柱凸輪的包絡曲線建模方法、可變截面掃描建模方法、環形折彎建模方法三種不同的建模方法。同時，結合相關數控技術利用該軟件的加工功能模塊對圓柱凸輪進行了四軸仿真加工和數控程序的生成，為同類型零件建模和數控加工提供了參考依據。

參考文獻：

[1]余晶.基于UG NX 的圓柱凸輪多軸加工方法的研究[J].現代制造技術與裝備，2017（06）.

[2]雷蔓，劉毅，孟泰，張濤，張玉平.正弦曲線圓柱凸輪的建模及其四軸數控加工[J].時代農機，2017，44（07）.

[3]淮妮.直動尖頂從動件圓柱凸輪的參數化設計[J].內燃機與配件，2017（08）.

[4]詹友剛.Pro/ENGINEER中文野火版5.0高級應用教程[M].機械工業出版社，2010.

[5]劉偉淋，程璋.圓柱凸輪的四軸聯動加工與仿真技術[J].新技術新工藝，2015（01）.