圆柱凸轮槽 篇1
1 加工工艺分析
图1是笔者近来进行外协编程的一用于包装机械上的外协件,从上面二维图上我们可以得知该圆柱凸轮槽是环绕在圆柱面上的等宽槽,槽宽25mm,槽深20mm,显然,通过一般的XYZ三轴连动是无法加工出来的,必须借助一个角度变化来控制槽在圆柱面的分布,那么只能考虑采用四轴编程加工来实现。考虑到模具厂现有设备的实际状况,普通的三轴数控铣床没有配备数控分度头只能三轴连动,显然无法实现该工件的加工,虽然具有五轴功能的高速FIDIA铣床从原理上可以实现,但由于该工件的加工量较大为20mm,所以也不适合在其上加工。最终安排在带有数控回转工作台的国产卧式加工中心上进行,它可以实现工作台旋转360度从而可以满足此次加工要求。
2 模型的建立
要想实现程序的输出首先必须先构建出加工模型,圆柱凸轮槽分布于圆柱面上,圆柱凸轮槽的底部在每一个截面上都是等深的,且槽宽不是很大,所以我们需要构造出槽底的中心线进行加工。在UG软件中,我们主要借助于Wrap/UnWrap,project功能通过缠绕法来实现圆柱凸轮槽中心线的空间建模,具体过程如下:
(1)根据圆柱凸轮槽的二维展开图,首先在XOZ平面内中做出由多段圆弧和直线组成的二维曲线L1,L2,L3。
(2)创建D120*H110的圆柱实体CYLIND1,并创建与圆柱面相切的基准平面DATUM1。
(3)创建曲线L1,L2,L3到DATUM1的投影曲线批p1,P2,P3,如图3示。
(4)在UG中执行如下操作Isert|Curve Operation|Wrap/Uwrap弹出如图2所示的对话框,其中Wrap face选择圆柱面,Work plane选择DATUM1,curves to wrap选择批p1,p2,p3,即可得到缠绕后的圆柱凸轮槽的空间曲线wp1,wp2,wp3,如图3所示。
需要注意的是第3步创建投影曲线很关键,必须先投影到基准平面DATUM1上,否则无法进行缠绕。
(5)创建与圆柱体CYLIND1同心的辅助圆柱实体CYLIND2,其尺寸为D80*H110,将第4步中的缠绕线wp1,wp2,wp3再投影到辅助圆柱实体上,进行投影的具体参数设置如图4,得到图5的槽底曲线p1’,p2’,p3’。
需要注意的时,投影时被投影曲线可以同时选择图3中的wp1,wp2,wp3三条线,投影面选择辅助圆柱实体的外表面,copy method必须选择associate,否则投影出错,Direction Method选择Toward a line选中图5中的辅助圆柱实体的轴心线。(为了显示效果需要,图5中隐去了圆柱体CYLIND1及其缠绕线wp1,wp2,wp3)
(6)将wp1和p1’,wp3和p3’分别采用Free FormFeature|Ruled形成槽两个侧壁面S1和S2,利用wp1和wp3对圆柱体CYLIND1外表面进行TRIM得到局部曲面S3,利用p1’;和p3’对辅助圆柱体CYLIND2外表面进行TRIM得到局部曲面S4,将S1,S2,S3,S4四个曲面缝合(Sew)成闭合实体如图6所示,最后用圆柱体CYLIND1和该实体进行相减(SubStract)即可得到最终实体如图7。
3 编程策略
(1)编程参数设置。
对零件造型完成后,选择UG可变轴轮廓铣(Variable Contour)这一加工模块,进入多坐标编程环境,然后确认机床坐标系和建模坐标系是否一致,如不一致则需要改变,在这里我们需要沿着X轴旋转90°来吻合我们的机床坐标系,刀具选择平底圆柱立铣刀D25R0。UG提供了多种驱动方式,这里选择Curve/Point驱动,驱动几何体则选择缠绕投影后的凸轮槽底的空间曲线p2’,精度设为0.05,投影矢量设为Toward Line,选择图5中的辅助圆柱实体的轴心线,TOOL Axis选择4 Axis Normal to Part确保刀轴始终法向于圆柱面。
(2)仿真校验。
加工轨迹生成后,利用刀位编辑、轨迹的连接和打断编辑以及参数修改等功能,对相关轨迹进行编辑和修改。运用轨迹仿真功能,即可屏幕模拟实际切削过程,显示材料去除过程和进行刀具干涉检查,检验生成的刀具轨迹是否满足要求,查看切削后的工件截面,确保不会出现过切。
(3)后置处理。
UG走刀并产生的刀具轨迹(CLS文件),并不能直接用来加工模具,还必须对CLS文件进行后置处理方可生成数控加工程序一NC代码。针对不同数控系统制作后处理程序(MDFA文件)是CAD/CAM应用中的一项重要工作,它直接影响着从CLS->NC代码转换的正确性。在仿真校验无误的情况下,针对机床结构和控制系统的不同,需要针对性地进行后置设置,UG软件中提供了常见控制系统的后置处理设置,由于国产卧式加工中心采用的是Fanuc控制系统,我们利用UG软件的PostBuilder模块配置了该控制系统专用的四坐标后置处理程序。
4 实施数控加工
由于圆柱凸轮槽宽度不大,所以制定的加工策略是采用相应直径的立铣刀沿着程序中控制的槽腔中心线进行加工。由于所给工件毛坯是一个实心的圆柱体,首先要进行开槽加工出进刀孔,然后选用直径小于槽宽的平底圆柱立铣刀粗加工、半精加工,最后选用直径=槽宽的平底圆柱立铣刀进行精加工。
5 结束语
在编程中我们采用了曲线缠绕法实现了圆柱凸轮槽的造型,这也是首次尝试这一功能,费了些周折,并选择配置的四坐标后置处理程序进行程序输出,获得了令人满意的刀具轨迹,加工后显示一切正常,经外协单位首件确认完全符合要求,大大提高了其凸轮加工的效率和精度。今后我们将利用UG软件的强大功能在多轴加工方面大力挖潜,拓展模具厂的业务,提升我们的加工能力。
参考文献
[1]唐荣锡.CAD/CAM技术[M].北京航空航天大学出版社,1994.
[2]卓迪仕.数控技术及应用[M].北京:国防工业出版社,1997.
圆柱凸轮槽 篇2
关键词：凸轮槽,车铣复合,数控加工
1 引言
机械零件由于功能的多样性而构成复杂的结构特征,这些零件的结构往往不能由单一的设备来完成加工,而需要由车、铣等工序配合实现,对于异型结构更需要配置专用工装夹具、数控转台等附件形成多轴加工设备,并正快速普及到民用工业中,为复杂结构机械零件的加工制造提供了有效的解决方案。数控加工工艺编排的一般规律是:粗加工工序利用常规的数控车床、数控铣床设备完成,去除大余量,半精加工、精加工依照不同的结构特点选取相匹配的设备完成,而定位要求高、型面复杂等结构则在多轴的数控机床上完成。
2 螺柱零件的技术要求及工艺分析
图1所示的螺柱零件作为所属部件的传动及连接核心,具有多结构特征、高形位精度等技术要求。以下分析其结构特征及编制相应数控车铣加工工艺,结合CimatronE的四轴加工策略完成数控编程和零件加工。
从图1所示的螺柱零件结构特征分析,螺柱零件在所属部件中与多个其它零件连接,并产生相对运动,其配合结构多,结构形状精度和结构间的位置精度要求高。(1)直径准65的外圆柱面与旋盖配合,零件中心的阶梯通孔与芯轴、锁紧环配合,外圆柱面和阶梯通孔均要求很高的圆度、同轴度和表面光洁度,适合选用数控车削加工方式;(2)半圆凸台与底座配合,半圆凸台的造型轮廓在装配环境中投影到底座上造型,以保证半圆凸台特征与底座半圆凹槽的形状吻合程度,否则将会因为形状错位而难以配合,适合采用配做的数控铣削加工方式;(3)圆柱凸轮槽、键槽及锁紧螺孔、对称平面在圆周方向要求较高的90°定位,以保证零件联接及运动的准确性,分别加工将因多次装夹而产生累积的位置误差,导致后边装配困难,因此采用四轴的定向加工,一次装夹完成加工,保证其相对的位置精度而实现装配要求。(4)半圆凸台及其上的锁紧螺孔、定位销通孔与外圆周向的结构也有较高的位置精度要求,需要最后通过平口钳夹紧对称平面这一工艺结构进行铣削加工和孔加工。
螺柱零件材料为45钢,数量不多,为小批量生产,毛坯采用实心圆棒料,规格为:直径准70mm,高度45mm。数车加工采用硬质合金的机夹式刀具,数铣加工采用硬质合金的整体式刀具。螺柱零件的结构较多,工艺过程依照装夹次数最少原则编排结构特征的加工顺序,而每一结构特征分粗、精加工两工步进行。粗加工用大刀具快速地加工出工件大致形状,保留适当余量,精加工根据具体结构特征采用不同的刀具及工艺分区域加工,保证加工效果和加工精度。主要的工艺过程如表1所示。
3 螺柱零件的加工过程
车削加工相对铣削加工能有效保证回转体的圆度精度、轴阶梯的同轴度、加工面的表面粗糙度,因此工艺过程首先编排在数控车床上加工螺柱零件的回转结构(外圆柱面、阶梯内孔),然后在配置数控转台(A轴)的VMCL850加工中心上经过3次装夹,完成螺柱零件的全部加工。
3.1 数控车削加工
数控车床工位上分两工步进行。
第一工步卡盘夹紧半圆凸台端,夹持长度约10mm,车削准65端外圆柱面及端面、倒角;先钻后镗加工此端的阶梯孔(与芯轴配合),工序结构如图2所示。
第二工步卡盘夹紧准65端,装夹面辅以紫铜皮保护,打表找正保证其同轴度,车削端面及凸台外圆面,外圆面暂不车削到尺寸要求,留余量给铣削工序,由于此处半圆凸台与底座的半圆凹槽配合,形状精度统一由自动编程的软件轮廓保证;先钻后镗加工此端阶梯孔(与锁紧环配合),工序结构如图3所示。
3.2 键槽及其螺孔的铣削加工
周向键槽及螺孔在结构上与侧向键配合作周向定位,在加工工艺编排上,优先加工的原因主要是考虑两方面因素:(1)数控转台夹持半圆凸台端,铣刀铣削键槽时没有足够走刀空间,将导致刀具碰撞数控转台;(2)优先加工的目的是后续4轴数控转台夹持半圆凸台端时,键槽作为加工的对刀基准。工序结构如图4所示。
工步在加工中心上使用平口钳夹紧螺柱零件的两端面,辅以紫铜片保护装夹面。键槽宽度尺寸为12+0.040,故可以使用准12的平底铣刀直接加工到位,刀路轨迹使用CimatronE中2.5轴加工策略中的开放轮廓铣,如图5所示。M8×0.75的键槽螺孔首先使用准6.7的钻头预钻,再使用M8×0.75的丝锥,利用加工中心的刚性攻丝功能完成螺孔加工。
3.3 凸轮槽及对称平面的铣削加工
周向凸轮槽为空间的螺旋结构,在结构上与侧向螺堵零件配合作周向滑动,并带动其它零件的运动。在加工技术要求上,凸轮槽的侧面相对底面要求较高的表面光洁度。对称平面为工艺结构,作为后续加工的平口钳装夹位置,要求较高的定位精度,从而保证键槽、凸轮槽、半圆凸台及螺孔的相对位置精度。工序结构如图6所示。
工步使用数控转台(A轴)卡盘夹持半圆凸台端,以周向键槽为对刀基准,使用4轴加工技术来有效保证凸轮槽等结构特征的加工效果。凸轮槽借助4轴联动加工策略,采用CimatronE的5轴侧向铣刀路,后置处理为4轴加工程序,使用准4的平底铣刀,层深0.2mm,进刀点选取槽中部,精加工使用圆弧进退刀方式,避免进退刀痕,保证侧壁的光洁度,分粗、精加工完成,如图7和图8所示;对称平面借助4轴定向加工策略,采用CimatronE的2.5轴开放轮廓铣刀路完成加工。
3.4 半圆凸台、螺孔及定位销孔的铣削加工
半圆凸台在结构上与底座的半圆凹槽相配合,在CimatronE中使用相同的轮廓边造型及其数控程序编制,确保设计轮廓和装配结构的一致性。两螺孔与底座对应孔通过螺钉锁紧,定位销孔则在部件圆周转动到位时定位。
工步使用平口钳夹紧对称平面,打表调正螺柱零件。半圆凸台使用CimatronE的2.5轴环切铣削刀路进行粗加工,侧壁留0.2mm余量,然后使用2.5轴封闭轮廓铣刀路完成精加工。凸台上两个M8×0.75的螺孔首先使用准6.7的钻头预钻,再使用M8×0.75的丝锥利用加工中心的刚性攻丝功能完成螺孔加工。准8的定位销孔首先使用准7.8钻头预钻,再使用准8铰刀精加工。最终加工效果如图9所示。
4 结语
针对复杂机械零件的不同结构特征,合理编排综合的数控车削和数控铣削加工工艺,同时使用4轴联动加工及其定位加工策略,相对单一设备或传统加工不仅能实现多结构和复杂形状零件的加工,而且能达到较高的加工尺寸精度和形位精度,满足机械零件的使用性能要求。
参考文献
圆柱分度凸轮机构的分析与设计 篇3
【摘 要】如何分析圆柱分度机构。
【关键词】分度盘；圆柱凸轮
根据机构运动分配图所确定的原始数据，分别设计各组独立的执行机构。进行凸轮机构尺寸设计时，通常需完成以下过程。
1.凸轮机构选型
在设计计算凸轮几何参数前，要先确定采用何种形式的凸轮机构，其中包括凸轮的几何形状、从动件的几何形状、从动件的运动方式、从动件和凸轮轮廓维持接触的方式等。选型设计的灵活性很强，同一工作要求可以由多种不同的凸轮机构类型来实现：
（1）从动件的运动方式可以与执行机构的运动方式相同，也可以不同。他们之间可通过适当的传动机构进行变换，即移动变为摆动，或者摆动变为移动。
（2）凸轮的几何形状（平面的或空间的）选择要考虑到它在机床中的安装位置，目的是尽量简化由从动件至执行机构之间的传动机构。
（3）平面凸轮机构可用各种形式的从动件，即尖底、滚子或平底的，而空间凸轮机构中通常只能采用滚子从动件。
2.计算从动件的主要运动参数
根据执行构件的运动要求计算出凸轮机构的从动件行程（最大位移量或最大旋转角度）。对于执行构件与凸轮机构的从动件固定连接的情况，运动要求是一致的。对于执行构件与凸轮机构的从动件两者之间还具有运动传递机构的情况，则需要采用机构位置分析方法进行计算。如果执行机构件在运动过程中有一个或数个驻点位置需要保证与其它执行构件的运动协调关系，则也需计算出与这些驻点对应的从动件位置参数。
3.确定从动件的运动规律
从动件在整个运动范围内的运动特性，诸如位移、转角、速度等（有驻点要求时还包括通过驻点位置时的运动特性），是与执行构件工作特性密切相关的，也与所选定的凸轮机构的类型之间存在一定制约因素。因此，在确定从动件的运动规律时需要分析各种有关的影响因素。
4.凸轮机构的基本尺寸设计
凸轮机构的基本尺寸主要受两种矛盾因素的制约。如果基本尺寸较大，则相应的机构总体尺寸较大，造成原材料和加工工时的浪费、机器尺寸过大；而基本尺寸太小，会造成运动失真、机构自锁、强度不足等不良后果。机构的基本尺寸设计是要寻求合理的机构尺寸，使之能够兼顾矛盾的两个方面。
5.凸轮机构的凸轮轮廓设计
基于凸轮机构的基本尺寸和从动件的运动规律，即可求的凸轮的轮廓曲线坐标。当凸轮机构运动速度较高或凸轮机构中构件刚性较小时，构件的弹性变形将对从动件的实际运动特性产生明显的影响。对于此类情况，必须对所设计的凸轮机构按高速凸轮机构的特性进行分析和设计。
圆柱分度凸轮机构的设计如图1所示。图2中给出圆柱分度凸轮机构的设计的展开图。分度盘的分度运动和静止都是由圆柱分度凸轮上的凸缘两个工作侧面控制：分度运动时凸缘控制主滚子2和后续滚子3，当分度运动结束时，主滚子2到达前导滚子1的位置，而后续滚子3则到达主滚子1的位置；静止时主滚子2和前导滚子1受y值不变的凸缘工作侧面控制，使分度盘固定不动。为了确保分度盘从静止向分度运动平稳过渡，在凸缘的左端设置一段休止期轮廓的延伸量，使休止期结束前工作滚子平稳的从主滚子2和前导滚子1过渡为主滚子2和后续滚子3。
为了控制理论计算误差，凸轮机构的中心距可设置为：
a=L（1+cosψ） （1）
凸轮的展开轮廓曲线坐标可按主滚子2和后续滚子3进行计算。
主滚子2：
分度运动理论坐标为：
式中，φ∈[0，?]，ψ=ψ（φ）根据选定的分度运算规律计算确定。
分度运动实际轮廓坐标为：
式中，R是分度盘滚子半径，a2是机构的压力角，由图2可得
由于P点是凸轮与分度盘的速度瞬心，因此得：
式中，R为凸轮分度圆柱面半径，dψdφ=dψdφ（φ）为分度盘的类角速度。
后续滚子3：
分度运动理论轮廓坐标为：
分度运动实际轮廓坐标为：
式中，Rr是分度盘滚子半径，a是机构的压力角，由图2可得。
由于速度瞬心P点位置不变，因此得：
凸轮基圆半径按许用压力角条件选用。由于机构不存在回程期，dψdφ恒为正值，由式（4）、（5）得条件式。
分度盘静止区段所对应的凸轮轮廓是环状的圆弧段，展开轮廓坐标可按前导滚子1和主滚子2的位置确定。
前导滚子1：
理论轮廓坐标为：
实际轮廓坐标为：
如上所述，为了使分度盘平稳地从静止过渡到分度运动，在凸缘的左边即分度运动的始端需要延伸一段休止期轮廓。该段延伸的休止期轮廓所占的凸轮回转角约为（0.2-0.3）?s，所对应的轮廓坐标可按主滚子2和后续滚子3计算。
主滚子2：
理论轮廓坐标为：
实际轮廓坐标为：
理论轮廓坐标为：
实际轮廓坐标为：
为了使主滚子2和后续滚子3顺利滑入延伸段凸缘，宜将凸缘的端部适当修薄。
凸缘式圆柱凸轮机构动静比可根据工作要求确定，不受机构自身特点的限制，而且控制分度运动的凸轮轮廓曲线可根据运动特性要求设计，实现高速运转条件下地起步和停步。
【参考文献】
[1]凸轮机构设计与应用创新.机械工业出版社.
[2]机械设计通用手册——机械工业出版社.
[3]重型机床设计与计算——北京工业大学出版社.
圆柱分度凸轮机构的分析与设计 篇4
【摘 要】如何分析圆柱分度机构。
【关键词】分度盘;圆柱凸轮
根据机构运动分配图所确定的原始数据，分别设计各组独立的执行机构。进行凸轮机构尺寸设计时，通常需完成以下过程。
1.凸轮机构选型
在设计计算凸轮几何参数前，要先确定采用何种形式的凸轮机构，其中包括凸轮的几何形状、从动件的几何形状、从动件的运动方式、从动件和凸轮轮廓维持接触的方式等。选型设计的灵活性很强，同一工作要求可以由多种不同的凸轮机构类型来实现：
(1)从动件的运动方式可以与执行机构的运动方式相同，也可以不同。他们之间可通过适当的传动机构进行变换，即移动变为摆动，或者摆动变为移动。
(2)凸轮的几何形状(平面的或空间的)选择要考虑到它在机床中的安装位置，目的是尽量简化由从动件至执行机构之间的传动机构。
(3)平面凸轮机构可用各种形式的从动件，即尖底、滚子或平底的，而空间凸轮机构中通常只能采用滚子从动件。
2.计算从动件的主要运动参数
根据执行构件的运动要求计算出凸轮机构的从动件行程(最大位移量或最大旋转角度)。对于执行构件与凸轮机构的从动件固定连接的情况，运动要求是一致的。对于执行构件与凸轮机构的从动件两者之间还具有运动传递机构的情况，则需要采用机构位置分析方法进行计算。如果执行机构件在运动过程中有一个或数个驻点位置需要保证与其它执行构件的运动协调关系，则也需计算出与这些驻点对应的从动件位置参数。
3.确定从动件的运动规律
从动件在整个运动范围内的运动特性，诸如位移、转角、速度等(有驻点要求时还包括通过驻点位置时的运动特性)，是与执行构件工作特性密切相关的，也与所选定的凸轮机构的类型之间存在一定制约因素。因此，在确定从动件的运动规律时需要分析各种有关的影响因素。
4.凸轮机构的基本尺寸设计
凸轮机构的基本尺寸主要受两种矛盾因素的制约。如果基本尺寸较大，则相应的机构总体尺寸较大，造成原材料和加工工时的浪费、机器尺寸过大;而基本尺寸太小，会造成运动失真、机构自锁、强度不足等不良后果。机构的基本尺寸设计是要寻求合理的机构尺寸，使之能够兼顾矛盾的两个方面。
5.凸轮机构的凸轮轮廓设计
基于凸轮机构的基本尺寸和从动件的运动规律，即可求的凸轮的轮廓曲线坐标。当凸轮机构运动速度较高或凸轮机构中构件刚性较小时，构件的弹性变形将对从动件的实际运动特性产生明显的`影响。对于此类情况，必须对所设计的凸轮机构按高速凸轮机构的特性进行分析和设计。
圆柱分度凸轮机构的设计如图1所示。图2中给出圆柱分度凸轮机构的设计的展开图。分度盘的分度运动和静止都是由圆柱分度凸轮上的凸缘两个工作侧面控制：分度运动时凸缘控制主滚子2和后续滚子3，当分度运动结束时，主滚子2到达前导滚子1的位置，而后续滚子3则到达主滚子1的位置;静止时主滚子2和前导滚子1受y值不变的凸缘工作侧面控制，使分度盘固定不动。为了确保分度盘从静止向分度运动平稳过渡，在凸缘的左端设置一段休止期轮廓的延伸量，使休止期结束前工作滚子平稳的从主滚子2和前导滚子1过渡为主滚子2和后续滚子3。
为了控制理论计算误差，凸轮机构的中心距可设置为：
a=L(1+cosψ) (1)
凸轮的展开轮廓曲线坐标可按主滚子2和后续滚子3进行计算。
主滚子2：
分度运动理论坐标为：
式中，φ∈[0，?]，ψ=ψ(φ)根据选定的分度运算规律计算确定。
分度运动实际轮廓坐标为：
式中，R是分度盘滚子半径，a2是机构的压力角，由图2可得
由于P点是凸轮与分度盘的速度瞬心，因此得：
式中，R为凸轮分度圆柱面半径，dψdφ=dψdφ(φ)为分度盘的类角速度。
后续滚子3：
分度运动理论轮廓坐标为：
分度运动实际轮廓坐标为：
式中，Rr是分度盘滚子半径，a是机构的压力角，由图2可得。
由于速度瞬心P点位置不变，因此得：
凸轮基圆半径按许用压力角条件选用。由于机构不存在回程期，dψdφ恒为正值，由式(4)、(5)得条件式。
分度盘静止区段所对应的凸轮轮廓是环状的圆弧段，展开轮廓坐标可按前导滚子1和主滚子2的位置确定。
前导滚子1：
理论轮廓坐标为：
实际轮廓坐标为：
如上所述，为了使分度盘平稳地从静止过渡到分度运动，在凸缘的左边即分度运动的始端需要延伸一段休止期轮廓。该段延伸的休止期轮廓所占的凸轮回转角约为(0.2-0.3)?s，所对应的轮廓坐标可按主滚子2和后续滚子3计算。
主滚子2：
理论轮廓坐标为：
实际轮廓坐标为：
理论轮廓坐标为：
实际轮廓坐标为：
为了使主滚子2和后续滚子3顺利滑入延伸段凸缘，宜将凸缘的端部适当修薄。
凸缘式圆柱凸轮机构动静比可根据工作要求确定，不受机构自身特点的限制，而且控制分度运动的凸轮轮廓曲线可根据运动特性要求设计，实现高速运转条件下地起步和停步。
【参考文献】
[1]凸轮机构设计与应用创新.机械工业出版社.
[2]机械设计通用手册――机械工业出版社.
[3]重型机床设计与计算――北京工业大学出版社.