盧志偉，曹 巖

(西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710032)

0 引言

隨著自動(dòng)化、高速機(jī)械的快速發(fā)展，各種空間凸輪機(jī)構(gòu)被廣泛的應(yīng)用在機(jī)械設(shè)備的各種領(lǐng)域，通過(guò)凸輪的空間曲線輪廓將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為從動(dòng)件的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，來(lái)滿足各種場(chǎng)合的不同要求。機(jī)械設(shè)備中使用的凸輪機(jī)構(gòu)中既有平面凸輪機(jī)構(gòu)，又有空間凸輪機(jī)構(gòu)，其中空間凸輪機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵零件空間凸輪加工一直是機(jī)械加工的難點(diǎn)，周期長(zhǎng)，加工精度低，對(duì)操作工人的技術(shù)水平要求高［1］。圓柱凸輪是自動(dòng)控制機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用的重要機(jī)械元件，圓柱凸輪屬空間凸輪，基于圓柱凸輪在加工原理方面的特殊要求，加工圓柱凸輪的數(shù)控機(jī)床必須是帶有回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的機(jī)床［2］。圓柱凸輪機(jī)構(gòu)與平面凸輪機(jī)構(gòu)相比，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、剛性好、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)，因而在自動(dòng)機(jī)械中被廣泛應(yīng)用。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，圓柱凸輪的加工正日漸普遍地采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造，它能有效地提高設(shè)計(jì)與加工的速度及質(zhì)量。但由于專(zhuān)業(yè)凸輪CAD/CAM 編程軟件價(jià)格昂貴，所以國(guó)內(nèi)圓柱凸輪的編程主要采用手工編寫(xiě)，這無(wú)疑影響了凸輪的加工效率及加工質(zhì)量。Mastercam X6 軟件是當(dāng)前最流行的CAD/CAM 軟件之一，其集二維建模、三維建模、刀具路徑模擬與仿真、NC 后處理等功能于一體，不僅可以完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、模擬仿真加工、顯示走刀路徑及生成NC 程序，而且還可以及時(shí)修改不合理或錯(cuò)誤走刀，避免因錯(cuò)誤走刀軌跡給零件的實(shí)際加工帶來(lái)材料浪費(fèi)，加快機(jī)床上的編程和減少程序的空運(yùn)行時(shí)間問(wèn)題［3-4］。本文研究的數(shù)控加工的圓柱凸輪形狀和尺寸如圖1 所示。

1 圓柱凸輪的數(shù)控加工工藝分析

1.1 加工任務(wù)要求

圖1 所示是一個(gè)待加工的圓柱凸輪零件，圓柱凸輪的槽寬為10 ±0.02mm，槽深10mm，凸輪槽在φ100mm 圓柱面上的展開(kāi)圖如圖2 所示。其中，x =226.661－0.872t，y =80(cos(0.7854－r)+1)，r =0.28(3t－sin(3t))，t 在0 ～360°之間變化。

圖1 圓柱凸輪的模型尺寸

圖2 圓柱凸輪槽在φ100 圓柱面上的展開(kāi)圖

1.2 工藝方案

根據(jù)圓柱凸輪的加工要求，其加工工藝方案規(guī)劃如表1 所示。

表1 圓柱凸輪的加工工藝方案

2 圓柱凸輪加工模型構(gòu)建

在Mastercam X6 軟件中編制加工程序時(shí)，首先要進(jìn)行被加工零件的CAD 造型，針對(duì)上述所要加工的圓柱凸輪槽，需要按照如圖2 所示的尺寸要求，構(gòu)建凸輪槽中心軌跡在φ100 圓柱面上的展開(kāi)曲線。

其展開(kāi)圖形的具體構(gòu)建操作步驟為:進(jìn)入Mastercam X6 系統(tǒng)，按照?qǐng)D2 所示的尺寸要求，繪制凸輪槽中心軌跡在φ100 圓柱面上的展開(kāi)曲線，關(guān)鍵是創(chuàng)建圖2 所示的公式曲線ab、a'b'。首先選擇菜單欄中的“設(shè)置”→“運(yùn)行應(yīng)用程序”命令，系統(tǒng)彈出“打開(kāi)”對(duì)話框，選擇該系統(tǒng)默認(rèn)路徑“chooks”下的“fplot.dll”文件;然后單擊按鈕，彈出“打開(kāi)”對(duì)話框，選擇“凸輪.EQN”文件，在“打開(kāi)”對(duì)話框中，鼠標(biāo)右鍵單擊“凸輪. EQN”文件并在彈出的快捷菜單中選擇“打開(kāi)方式”為“記事本”打開(kāi)方式，在“凸輪.EQN—記事本”的窗口中分別設(shè)定以下與曲線ab 相關(guān)的參數(shù):

(1)step_var1 =t * 自變量t。

(2)step_size1 =0.1 * 自變量t 的步距。

(3)lower_limit1 =160 * 自變量t 的最小值。

(4)upper_limit1 =215 * 自變量t 的最大值。

(5)geometry=nurbs * 生成NURBS 曲線。

(6)angles=degrees * 自變量t 的角度單位為度。

(7)origin=0，0，0 * 曲線的起點(diǎn)。

(8)r=0.28* (3* t－sin(3* t))* 中間變量。

(9)y=80* (cos(0.7854－r)+1)* 變量y 值。

(10)x=226.661－0.872* t * 變量x 值。

其次關(guān)閉“凸輪. EQN—記事本”窗口后，在“打開(kāi)”對(duì)話框中選擇“凸輪. EQN”文件，單擊按鈕，此時(shí)系統(tǒng)彈出如圖3a 所示的“FPlot”對(duì)話框，單擊“Set Variables”(參數(shù)設(shè)置)按鈕后接著彈出“變數(shù)”對(duì)話框，可以在該對(duì)話框中修改對(duì)應(yīng)的變量參數(shù)。在“FPlot”對(duì)話框中，單擊“Origin”按鈕選擇視圖原點(diǎn)為繪圖原點(diǎn)，再單擊“Plot it”按鈕，生成如圖2所示的公式曲線ab。

圖3 “FPlot”對(duì)話框和“變數(shù)”對(duì)話框

最后通過(guò)兩次“鏡像”，即可生成如圖4 所示的凸輪槽中心軌跡在φ100 圓柱面上的展開(kāi)曲線。

圖4 凸輪槽中心軌跡在φ100 圓柱面上的展開(kāi)曲線

3 圓柱凸輪的數(shù)控加工仿真

3.1 刀具、工件材料的設(shè)定

選擇主菜單欄中“機(jī)床類(lèi)型”→“銑削”→“默認(rèn)”命令，建立銑削加工組;選擇“刀具路徑”→“刀具管理器”命令，顯示“刀具管理器”對(duì)話框，按工藝方案表1 設(shè)置刀具;選擇“刀具路徑”→“材料管理器”菜單命令，選擇工件材料為“STEEL mm—303 STAINLESS”。

3.2 刀具路徑軌跡規(guī)劃

在本文中重點(diǎn)研究在Mastercam X6 中如何創(chuàng)建圓柱凸輪槽加工工序30.01 ～30.06 的刀具路徑軌跡規(guī)劃。

(1)工序30.01 運(yùn)用鉆孔操作即可創(chuàng)建點(diǎn)鉆入刀孔的刀位軌跡，選擇主菜單欄中的“刀具路徑”→“鉆孔”命令，選擇φ5mm 中心鉆;在“旋轉(zhuǎn)軸控制”選項(xiàng)中，分別選中“替換軸”、“替換X 軸”和“順時(shí)針”單選鈕，在“旋轉(zhuǎn)軸的直徑”文本框中輸入100mm(即在φ100mm 圓柱上包覆);在“共同參數(shù)”選項(xiàng)中，設(shè)置工件表面為0mm，深度為5.5mm。

(2)工序30.02 通過(guò)復(fù)制工序30.01 點(diǎn)孔的操作來(lái)創(chuàng)建鉆入刀孔的刀位軌跡，設(shè)置刀具為φ9mm鉆頭，“共同參數(shù)”選項(xiàng)設(shè)定工件表面為:2mm，加工深度為:－10mm 等相關(guān)選項(xiàng)。

(3)工序30.03 運(yùn)用輪廓銑削加工操作，來(lái)創(chuàng)建凸輪槽粗加工的刀位軌跡，選擇主菜單欄中的“刀具路徑”→“外形銑削”命令;刀具選擇φ8 平底刀，在“旋轉(zhuǎn)軸控制”選項(xiàng)中分別選中“替換軸”、“替換X軸”和“順時(shí)針”單選鈕，在“旋轉(zhuǎn)軸的直徑”文本框中輸入100mm;在“共同參數(shù)”選項(xiàng)中分別設(shè)定安全高度為25、參考高度為20mm、下刀位置為10mm、加工深度為—10mm 等。

(4)工序30.04、30.05 和30.06 通過(guò)復(fù)制工序30.03 輪廓銑削加工的操作來(lái)創(chuàng)建30.04、30.05 和30.06 的立銑刀凸輪槽的刀位軌跡，分別修改刀具為φ9mm、φ9.8mm 和φ10mm 平底刀，其他參數(shù)設(shè)置保持不變。最終生成的圓柱凸輪槽的刀具路徑軌跡如圖5 所示。

圖5 圓柱凸輪槽的刀具路徑軌跡

3.3 加工仿真

Mastercam X6 軟件中集成了“加工仿真”模塊，在NC(數(shù)控)后置處理生成NC(數(shù)控)代碼之前進(jìn)行刀位軌跡的加工仿真，以便檢查加工中出現(xiàn)的刀具與工件、夾具之間的碰撞、干涉和過(guò)切等現(xiàn)象。在“刀具路徑”選項(xiàng)中，選擇所要進(jìn)行加工仿真的操作后，單擊“加工仿真所選擇的操作”按鈕，進(jìn)入“加工仿真”對(duì)話框;單擊按鈕，顯示“加工仿真設(shè)置”對(duì)話框，選中“圓柱”單選鈕，分別設(shè)定加工零件的毛坯形狀為圓柱、直徑為100mm、圓柱軸沿Y 方向、Y方向尺寸為－20mm ～100mm 等參數(shù);單擊(開(kāi)始)按鈕，進(jìn)行加工仿真，仿真切削加工過(guò)程如圖6所示，其中a 為點(diǎn)鉆開(kāi)始加工，b 為立銑刀粗加工進(jìn)行中，c 為立銑刀精加工結(jié)束;若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，可以及時(shí)修正，單擊“加工仿真”對(duì)話框中的按鈕，結(jié)束加工仿真操作，完成切削校驗(yàn)過(guò)程。這樣就很好的解決空間凸輪加工的難題，充分體現(xiàn)了CAD/CAM 軟件在數(shù)控加工中的重要作用。

圖6 加工仿真切削校驗(yàn)過(guò)程

4 NC 后置處理分析

通過(guò)刀具路徑的合理設(shè)置分別生成了圖5 的刀具軌跡和圖6 的實(shí)體加工仿真，確定其是否符合圓柱凸輪數(shù)控加工要求;然后進(jìn)行數(shù)控加工的后置處理。NC 后置處理技術(shù)是數(shù)控加工編程中的關(guān)鍵技術(shù)之一，Mastercam X6 系統(tǒng)提供了后置處理模塊，可針對(duì)不同類(lèi)型的數(shù)控系統(tǒng)生成所需的NC 程序。本文運(yùn)用MasterCAM X6 的4 軸加工對(duì)圓柱凸輪零件進(jìn)行了的數(shù)控銑削編程加工，相對(duì)于圓柱凸輪零件運(yùn)用手工編程或少于四軸的編程軟件，特別是針對(duì)這種具有空間曲線零件需要人工進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算填補(bǔ)其中一些相關(guān)數(shù)據(jù)，這樣不僅非常浪費(fèi)編程人員的時(shí)間而且還不能保證編程的正確性。本文運(yùn)用Mastercam X6 系統(tǒng)的四軸加工能夠很好地而且非常有效率的解決以上問(wèn)題，單擊“后置處理”按鈕即可生成NC 程序如P0101 程序所示。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)圓柱凸輪加工要求進(jìn)行分析，對(duì)其工藝分析加工方案進(jìn)行了規(guī)劃，采用MasterCAM X6軟件建立圓柱凸輪槽中心軌跡的幾何模型，對(duì)其刀具路徑進(jìn)行了規(guī)劃，最后對(duì)規(guī)劃進(jìn)行了數(shù)控加工仿真，并迅速生成NC 代碼。這樣不僅縮短編程人員的編程時(shí)間，特別對(duì)復(fù)雜零件的數(shù)控程序編制，可大大提高程序的正確性和安全性;而且解決了空間凸輪加工的難題，充分體現(xiàn)了CAD/CAM 軟件在數(shù)控加工中的重要作用，提高了零件的加工效率，縮短了制造周期，降低了生產(chǎn)成本可以不斷提升企業(yè)的工藝能力，為企業(yè)帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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