黃登高，秦慧斌，張瑞廷，王宗彥，李利民

(1.中北大學 機械與動力工程學院，太原 030051；2.山西汾西重工有限責任公司，太原 030027)

一種新型微動凸輪的參數(shù)化建模與加工仿真*

黃登高1，秦慧斌1，張瑞廷1，王宗彥1，李利民2

(1.中北大學 機械與動力工程學院，太原 030051；2.山西汾西重工有限責任公司，太原 030027)

針對凸輪機構(gòu)執(zhí)行件最大行程不可調(diào)的缺點，提出一種新型微動凸輪及其CAD/CAM一體化設計制造方法。凸輪的結(jié)構(gòu)為圓盤形，徑向是沿著圓周方向均布的12個子曲面輪廓，同一徑向位置處的輪廓曲線為擬合的余弦曲線，可以實現(xiàn)執(zhí)行件最大行程可調(diào)的往復運動。應用VB6.0對SolidWorks進行二次開發(fā)，完成了凸輪曲面參數(shù)化設計，實現(xiàn)了設計模型、工序模型、裝配體仿真模型及CAM制造模型的自動更新。依據(jù)模型進行了運動仿真驗證和CAM加工仿真試驗。通過分析，驗證了該設計方法應用在凸輪的可行性及實用價值。

新型凸輪；參數(shù)化設計；工序模型；加工仿真

0 引言

凸輪機構(gòu)是由凸輪、從動件和機架三個基本構(gòu)件組成的高副機構(gòu)。由于凸輪機構(gòu)可以實現(xiàn)各種復雜的運動要求，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，廣泛應用于各種自動機械、儀器和操縱控制裝置。南昌大學的高尤坤等人[1]利用7次多項式改進了自動裝盒機插舌凸輪曲線，減小了凸輪磨損，延長了使用壽命。新疆大學李長勇等人[2],根據(jù)從動件運動規(guī)律曲線設計出了一種新型凸輪實驗裝置，可以反求出凸輪的外形。文獻[3-5]是應用數(shù)學方法對凸輪曲線輪廓進行了優(yōu)化，使運動能夠平穩(wěn)。綜上所述，凸輪研究主要集中在如何優(yōu)化曲線輪廓或根據(jù)執(zhí)行件工作要求反求出曲面輪廓。當凸輪磨損后，達不到工作要求時或工況對執(zhí)行件的最大行程有新的要求時，以上的設計方法在不重新設計制造新凸輪的前提下，是無法滿足要求的。

從凸輪執(zhí)行件最大行程的柔性出發(fā)，設計出一種新型微動凸輪，可以保證從動件最大行程在一定范圍內(nèi)線性調(diào)節(jié)，這就解決了上述問題。選用曲線輪廓為平緩的余弦函數(shù)Acos(0.1x)來減小摩擦，在圓周方向均布十二個完全相同的子曲面輪廓，在提高效率的同時還避免了從動件與單個子曲面的連續(xù)接觸，減小了磨損。并且從CAD/CAM一體化的角度，對凸輪進行了加工仿真。

1 設計思路及過程

傳統(tǒng)凸輪機構(gòu)的執(zhí)行件只能實現(xiàn)單一的周期性運動，凸輪與從動件的相對運動在徑向[6]，這就限制了凸輪執(zhí)行件的最大行程可調(diào)節(jié)性。然而相對運動也可以在軸向，這樣在不同φa處就可以實現(xiàn)不同高度的行程。如圖1所示，以內(nèi)外輪廓徑向直徑分別為60mm， 180mm為例建立凸輪模型。

圖1 凸輪模型

曲面是由12個完全相同的子曲面組成，通過陣列特征可以得到最終的曲面。采用內(nèi)外兩個輪廓作為驅(qū)動輪廓，內(nèi)輪廓為12邊形的外接圓，外輪廓為12邊形的內(nèi)接圓，如圖2所示。

圖2 內(nèi)外輪廓輔助線

由于要保證凸輪內(nèi)外輪廓切線在φ60mm，φ180mm，所以必須以兩個輔助12邊形來確定放樣曲線所在的面。根據(jù)上圖可知，當內(nèi)外輪廓直徑分別為φ60mm，φ180mm時，設置的1/12輪廓的參考面應距離右視基準面分別為28.98mm，90mm。內(nèi)外輪廓放樣曲線及相關(guān)參數(shù)如圖3所示。

圖3 內(nèi)外輪廓放樣曲線

內(nèi)外曲線輪廓方程均為y=Acos(0.1x)

外輪廓的A1=h1/ (1-cos(0.1p))，

內(nèi)輪廓的A2=h2/ (1-cos(0.1q))，其中，A為曲線幅值，h為曲線頂點到曲線末端的垂直高度,b為曲線末端到凸臺上表面的距離，本文的原始模型的參數(shù)h1=6,h2=4,b1=b2=5。p，q為常量由圖2確定p=24.12，q=7.76(單位均為mm)。

如圖4所示，以內(nèi)外兩個封閉草圖為驅(qū)動進行放樣，得到1/12的曲面特征，再進行陣列得到初步的曲面輪廓。

圖4 放樣和陣列得到的模型

從DFM(Designformanufacture)面向制造的角度建立零件模型，生成零件特征設計樹[7]，通過工序驅(qū)動，利用特征回退技術(shù)，依次壓縮特征，可方便生成工序配置模型。運用此方法，得到凸輪工序模型配置樹如圖5所示，在此基礎上添加各工序的尺寸及公差要求，當點擊圖5中各工序，可得到凸輪三維MBD工序模型，如圖6所示。

圖5 凸輪工序模型配置樹

圖6 凸輪三維MBD工序模型

上圖中MBD(ModelBasedDefinition)即基于模型的定義。把工序中的尺寸及公差標注在三維模型上，使得三維模型為工序信息流的唯一來源。當某一步工序尺寸變化時，其它工序尺寸也會更新。當零件復雜或工序比較多時，相較于傳統(tǒng)的二維圖紙表達工序信息，此方法可以減少工藝人員的工作量提高效率，避免各工序信息之間表達產(chǎn)生歧義。

2 凸輪參數(shù)化設計

凸輪的參數(shù)化設計可以準確、快速的實現(xiàn)模型自動更新[8]，縮短產(chǎn)品的設計周期。利用VB6.0開發(fā)了此凸輪設計系統(tǒng)。

為了保證參數(shù)驅(qū)動得到的模型正確，應減少驅(qū)動尺寸基準的相互繼承，即在最初建模階段應避免在前一步特征的面上繼續(xù)建下一個特征的草圖，而應該新建基準面之后再建草圖，所有草圖都是在各自新建基準面上建立，便于參數(shù)驅(qū)動的控制。否則會給程序開發(fā)帶來難度，甚至程序報錯，或者得到錯誤的驅(qū)動模型。因此，在設計此凸輪時以凸臺上表面為最初參考面，把凸輪毛坯分為上下兩部分。其中上半部分毛坯高度=h1+b1+m，下半部分毛坯高度=10+n。

通過改變m，n、h1、b1、h2、b2六個主參數(shù)(m，n分別為毛坯上下表面余量)，并點擊設計界面中的[重建模型]，可以快速實現(xiàn)設計模型和上述圖6的MBD工序模型更新。

3 運動仿真及驗證

根據(jù)此凸輪的特點，設計了凸輪機構(gòu)，可以實現(xiàn)執(zhí)行件平緩的上下往復運動，如圖7所示，為凸輪機構(gòu)裝配體模型。

圖7 凸輪機構(gòu)裝配體模型

當給定桿距x時，點擊設計界面中 [行程理論高度h]即可得到執(zhí)行件的行程高度。單擊[裝配體更新]，桿距x也會在裝配體Motion中更新，為仿真分析提供了便利。以h1=6mm，h2=4mm為例，從動件行程范圍可在4～6mm內(nèi)進行調(diào)節(jié)，原理如圖8所示，當以凸輪中心為圓心時，若從動件距凸輪中心為x時，凸輪行程理論高度h=(h2-h1) / 60×(90-x)+h1,其中x為執(zhí)行件到凸輪中心的距離，其中x=a/2。

圖8 h1，h2關(guān)系圖

為了驗證調(diào)節(jié)的精度，通過設定引力等物理參數(shù)進行了Motion仿真，從仿真后的圖解得到仿真的行程高度，由表1可以看出同一x處時，Motion仿真的行程高度與理論結(jié)果有細微差別，但對凸輪精度的影響在可控范圍。

表1 最大行程高度

4 CAM加工策略及過程

檢驗一個零件設計合理與否，可加工性的優(yōu)劣，以及加工后零件的質(zhì)量能否滿足實際的工作要求是很重要的環(huán)節(jié)。而直接進行機床實驗，成本比較高?，F(xiàn)在的主流仿真加工軟件，如SolidCAM、CATIA、ProE、Mastercam等主流加工仿真軟件都能進行各種模式的加工仿真?？紤]到SolidWorks與SolidCAM有良好的兼容性，不需要把模型再轉(zhuǎn)化為標準格式，而且同一零件的各種模型的信息流有良好的共享性，所以選擇此凸輪的CAM仿真在SolidCAM環(huán)境下進行。

如圖9所示，根據(jù)凸輪的特點及加工規(guī)范，在CAM仿真環(huán)境下設置不同的加工策略，確定了各工序所選刀具、主軸轉(zhuǎn)速、進給量、切削深度等參數(shù)。制定出10個詳細工序，分別為銑底面、倒角、鉆孔、銑安裝孔、銑頂面、銑外輪廓、銑內(nèi)腔、粗加工曲面、二粗、精加工曲面，對應于圖9中10個加工工序。圖中Mac(1,2)位置為CAM加工的兩個參考點，從而實現(xiàn)工件的反轉(zhuǎn)，方便加工工件的另一端。

圖9 加工工序樹

在SolidCAM加工仿真之后，可以分別查看各步工序的加工用時，加工曲面輪廓用時占到了全部時間的80%，這是因為凸輪零件工作時接觸面是曲面，所以必須保證曲面的加工質(zhì)量，這就要求加工曲面時，刀具進給速度和切深不能很大，而且需要多步粗精加工。在保證加工質(zhì)量的前提下，對刀路進行優(yōu)化，減少了空切時間，如表2所示，為優(yōu)化前后加工時間對比。

表2 加工時間對比

SolidCAM可以與零件的設計模型，工序模型共享信息，當改變設計模型后，SolidCAM的加工模型也會改變。只需在毛坯中定義兩個加工原點、加工深度，并且在加工策略中選擇[全部計算]，就完成了加工策略的更新。然后查看模擬的加工質(zhì)量并生成刀位文件。最后通過機床后處理把刀位數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成指定數(shù)控機床能執(zhí)行的數(shù)控程序[9-10]，導入目標機床就可以進行實際加工。

5 結(jié)束語

本文設計了一種新型微動凸輪的實體模型，其最大特點是執(zhí)行件最大行程的線性可調(diào)，當凸輪磨損后調(diào)節(jié)桿距可以修正執(zhí)行桿件的最大行程。通過VB6.0實現(xiàn)了模型自動更新，提高了設計效率。在SolidCAM環(huán)境下對凸輪進行了加工仿真及刀路優(yōu)化，而且當設計模型不合理時，仿真加工環(huán)節(jié)會給出反饋，從而修正模型。

[1] 高尤坤,郭烈恩,王官明. 多功能自動裝盒機插舌凸輪曲線的改進[J]. 制造業(yè)自動化,2014(2):32-34.

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[5] 張小國,吳義忠,李廣安. 有限諧波加速度曲線在凸輪設計中的應用[J]. 機械設計,1998(10):14-16,43.

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(編輯 李秀敏)

Parametric Modeling and Machining Simulation for a New Type of Micro Motion Cam

HUANGDeng-gao1，QINHui-bin1，ZHANGRui-ting1,WANGZong-yan1,LILi-min2

(1.SchoolofMechanicalandPowerEngineering，NorthUniversityofChina，Taiyuan030051，China;2.ShanxiFenxiHeavyIndustryCo.,Ltd.，Taiyuan030027，China)

Aimingatthedisadvantageofthemaximumcan’tbeadjustedforthecammechanism,anewmethodofCAD/CAMintegrateddesignandmanufacturingformicromotioncamisputforward.Thestructureofthecamisacirculardisc,andthetwelvesamesurfaceprofilesareevenlydistributedintheradialdirection.Thecontourcurveofthesameradiallengthisthecosinecurvefitting,whichcanrealizethereciprocatingmotionoftheactuatorinacertainrangeoftravel.UsingVB6.0asatooltodevelopSolidWorks,finallyrealizedtheparametriccontrolofcamsurface.Itmakethedesignmodel,processmodel,assemblysimulationmodelandCAMmanufacturingmodelareupdatedautomatically.Accordingtothemodel,themotionsimulationverificationandCAMprocesssimulationarecarriedout.Thefeasibilityandpracticalvalueofthisdesignmethodincamareprovedthroughanalysis.

newtypecam；parametricdesign；processmodel；machiningsimulation

1001-2265(2016)12-0013-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.12.004

2016-07-25；

2016-08-28

2016年山西省重點研發(fā)計劃(指南)工業(yè)項目“面向智能車間的三維工藝研究與應用示范”(2016033)

黃登高(1992—)，男，山西浮山縣人，中北大學碩士研究生，研究方向為機械產(chǎn)品數(shù)字化設計與制造技術(shù)，(E-mail)526985189@qq.com；通訊作者：秦慧斌(1978—)，男，山西潞城人，中北大學講師，碩士研究生導師，博士，研究方向為機械裝備產(chǎn)品數(shù)字化設計與制造技術(shù)，(E-mail)qhbsss@163.com。

TH166;TG

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