自動換刀裝置用圓柱分度凸輪CAD/CAM技術(shù)的研究

劉 江，楊 濤，竇勝林，崔昭霞，程海鷹

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.呼和浩特眾環(huán)（集團）有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

0 引言

根據(jù)《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020 年）》的有關(guān)要求，國家確立了“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項，支持企業(yè)、科研院所、大專院校開發(fā)數(shù)控機床關(guān)鍵技術(shù)和專用裝備。自動換刀裝置作為數(shù)控機床的關(guān)鍵部件，也是規(guī)劃中所列的重要研究開發(fā)對象。

自動換刀裝置是專門為大中型加工中型配套，是實現(xiàn)刀具儲備及自動交換的重要功能部件。在現(xiàn)有自動換刀裝置當(dāng)中，凸輪式自動換刀裝置以其結(jié)構(gòu)簡單緊湊，故障率較低、維修維護方便等特點在加工中心中應(yīng)用越來越廣泛[1]。空間凸輪機構(gòu)是凸輪式自動換擋裝置的核心機構(gòu)，圓柱分度凸輪其關(guān)鍵零件。由于圓柱分度凸輪是不可展曲面，其制造精度和表面粗糙度要求高，設(shè)計制造復(fù)雜，對此國內(nèi)外對于圓柱分度凸輪的設(shè)計、制造進(jìn)行了較深入的研究，如徐瑞霞[2]、趙雪松[3]、楊濤[4]等人對圓柱分度凸輪的工作輪廓的獲得方法和建模方法進(jìn)行了研究;尹明富[5]、竇湘屏[6]、關(guān)天富[7]對圓柱分度凸輪設(shè)的加工方法、加工設(shè)備的選擇等進(jìn)行了分析，為了適應(yīng)圓柱分度凸輪的加工，將三軸數(shù)控銑床改造成圓柱分度凸輪專業(yè)加工設(shè)備，生產(chǎn)準(zhǔn)備時間較長。以上研究沒有把圓柱分度凸輪的設(shè)計和制造作為一個整體進(jìn)行分析研究，使圓柱分度凸輪的設(shè)計與制造脫節(jié)；加工采用專用設(shè)備，不利于生產(chǎn)活動的組織，也不利于生產(chǎn)效率的提高。

基于上述原因，本文以呼和浩特眾環(huán)集團刀庫事業(yè)部研制的20 工位自動換刀裝置用圓柱分度凸輪為例，研究基于通用數(shù)控機床的圓柱分度凸輪CAD/CAM 的方法。

1 圓柱分度凸輪的設(shè)計

1.1 圓柱分度凸輪坐標(biāo)系的建立

圓柱分度凸輪機構(gòu)主要由圓柱分度凸輪、從動轉(zhuǎn)盤和均勻的安裝到轉(zhuǎn)盤圓周方向的滾子軸承組成。滾子軸承軸線與轉(zhuǎn)盤軸線平行，凸輪與轉(zhuǎn)盤兩軸線垂直交錯。工作中，圓柱分度凸輪為主動件做勻速轉(zhuǎn)動，帶動從動轉(zhuǎn)盤實現(xiàn)間歇式轉(zhuǎn)動，凸輪每轉(zhuǎn)一圈，實現(xiàn)一次換刀。為使換刀過程平穩(wěn)、無沖擊，自動換刀裝置使用的圓柱分度凸輪的分度器轉(zhuǎn)角選擇的較大，一般為240°，轉(zhuǎn)盤分度期的運動規(guī)律常選擇改進(jìn)正弦加速度、改進(jìn)梯形加速度等。

為獲取圓柱分度凸輪工作輪廓的離散坐標(biāo)值，需利用包絡(luò)曲面的共軛原理，建立四套參考坐標(biāo)系，分別為與機架相連的定坐標(biāo)系O0x0y0z0，與機架相連的輔助定坐標(biāo)系O'0x'0y'0z'0，與圓柱分度凸輪相連的動坐標(biāo)系O1x1y1z1及與轉(zhuǎn)盤相連的動坐標(biāo)系O2x2y2z2[8]，建立方法見圖1 所示。

圖1 圓柱分度凸輪機構(gòu)的坐標(biāo)系Fig.1 The coordinate of cylindrical indexing cam mechanism

1.2 圓柱分度凸輪輪廓方程

圓柱分度凸輪工作輪廓是空間不可展曲面，很難用二維圖繪制，依據(jù)圖1 建立的坐標(biāo)系，得出轉(zhuǎn)盤滾子圓柱面在動坐標(biāo)系O2x2y2z2中的方程式為：

凸輪與滾子的共軛接觸方程式為：

凸輪工作輪廓在動坐標(biāo)系O1x1y1z1中的方程式為：

圓柱分度凸輪工作輪廓三維坐標(biāo)是這三組非線性方程的聯(lián)立求解，既得出圓柱分度凸輪工作輪廓在動坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)值。

2 軟件的設(shè)計

利用VB6.0 編制圓柱分度凸輪計算軟件，獲得圓柱分度凸輪的工作輪廓三維坐標(biāo)值，編制軟件的程序算法流程圖如圖2 所示。軟件包括凸輪機構(gòu)參數(shù)計算、計算凸輪工作輪廓數(shù)據(jù)，輸出圓柱分度凸輪的工程圖三部分功能。凸輪機構(gòu)參數(shù)計算時，需先輸入凸輪機構(gòu)的基本參數(shù)，如凸輪轉(zhuǎn)速、凸輪分度器轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)盤分度期的運動規(guī)律、中心距等，如20 工位自動換刀裝置選用型號為G11V200S－M20 的減速電機驅(qū)動凸輪轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為70.5r/min，轉(zhuǎn)盤分度期的運動規(guī)律為改進(jìn)正弦加速度，中心距為150mm，具體需要輸入的基本參數(shù)如圖3 所示；輸出凸輪工作輪廓數(shù)據(jù)的文件格式為*.pts,此文件格式可直接輸入到Pro/E 中。

圖2 計算軟件算法流程圖Fig.2 The algorithm flow chart of software

圖3 圓柱分度凸輪設(shè)計軟件界面Fig.3 The software interface of cylindrical indexing cam

3 圓柱分度凸輪模型的建立

以圓柱分度凸輪設(shè)計軟件輸出的點云數(shù)據(jù)建立基準(zhǔn)點，以基準(zhǔn)點構(gòu)建基準(zhǔn)線，以基準(zhǔn)線構(gòu)建圓柱分度凸輪的左右工作輪廓曲面，進(jìn)而構(gòu)建圓柱分度凸輪的模型。以Pro/E 為建模軟件，新建一個實體零件，選擇系統(tǒng)默認(rèn)坐標(biāo)系為參考坐標(biāo)系，選擇“偏離坐標(biāo)系方式”批量建立基準(zhǔn)點，將凸輪計算軟件的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Pro/E軟件中，建立圓柱分度凸輪工作輪廓內(nèi)側(cè)與外側(cè)的離散等間距基準(zhǔn)點；點擊“基準(zhǔn)曲線”按鈕，利用新建的基準(zhǔn)點，構(gòu)建出四條基準(zhǔn)曲線，里側(cè)的基準(zhǔn)曲線即為圓柱分度凸輪工作輪廓內(nèi)側(cè)的輪廓線，外側(cè)的輪廓線即為凸輪外側(cè)的輪廓線；選擇邊界混合命令，利用凸輪的內(nèi)外輪廓線，建立凸輪的輪廓曲面，輪廓曲面如圖4 所示。

圖4 圓柱分度凸輪工作輪廓外形圖Fig.4 The outline surface of cylindrical indexing cam

4 圓柱分度凸輪CAM 分析及加工仿真

4.1 圓柱分度凸輪加工工藝分析

圓柱分度凸輪在進(jìn)行銑削加工前，已進(jìn)行車削加工，外圓、中心孔與鍵槽的精加工都已完成，圓柱分度凸輪輪廓槽的粗加工、半精加工與精加工都在銑削加工中心上完成，選用的CAM 軟件為PowerMill，其具有豐富的五軸加工策略。將在Pro/E 中建立的模型輸入到PowerMill 軟件當(dāng)中，設(shè)定圓柱分度凸輪的毛坯，新建用于粗加工、半精加工與精加工的立銑刀，利用SWARF加工策略產(chǎn)生加工刀路。SWARF 加工策略是利用立銑刀的側(cè)刃對被加工零件的曲面輪廓進(jìn)行加工的多軸加工策略，其既可以應(yīng)用于精加工也可以應(yīng)用于粗加工。利用SWARF 加工策略進(jìn)行粗加工時，需在多重切削下，選擇刀路產(chǎn)生方式為偏置向下，即先從圓柱分度凸輪的外表面產(chǎn)生刀路，然互向內(nèi)表面偏置下切深度產(chǎn)生里側(cè)的刀路，按照表1 中走刀次數(shù)與下切深度設(shè)置最大下切深度和最大下切次數(shù)，并為半精加工和精加工留出加工余量。在半精加工和精加工時需要將多重切削功能關(guān)閉，此時SWARF 加工策略會自動根據(jù)加工的圓柱分度凸輪工作輪廓的寬度檢測下切深度，產(chǎn)生加工刀路。

4.2 加工設(shè)備的選擇與加工仿真

根據(jù)產(chǎn)生的圓柱分度凸輪的刀路，在加工圓柱分度凸輪時，刀具在工件坐標(biāo)系的X、Y、Z 都有運動，也有繞圓柱分度凸輪軸線的旋轉(zhuǎn)和擺動，所以加工應(yīng)選用具有3 根線性軸和兩根旋轉(zhuǎn)軸的五軸聯(lián)動機床，如五軸聯(lián)動的車銑復(fù)合加工中心或者五軸聯(lián)動數(shù)控銑削中心都可以進(jìn)行加工。本文以德國德瑪吉公司生產(chǎn)型號為DMU nomoblock 100 的五軸聯(lián)動萬能數(shù)控銑削中心作為仿真機床，對圓柱分度凸輪進(jìn)行仿真加工，粗加工、半精加工與精加工的所用時間為30min，仿真加工得到的圓柱分度凸輪加工模型如圖5 所示。

圖5 圓柱分度凸輪仿真加工模型圖Fig.5 The manufacture simulation models of cylindrical Indexing cam

5 結(jié)論

本研究利用包絡(luò)曲面的坐標(biāo)系變換和共軛原理，得出了圓柱分度凸輪輪廓數(shù)據(jù)的獲取方法，并利用編程軟件VB6.0，設(shè)計了圓柱分度凸輪工作輪廓數(shù)據(jù)的計算軟件，可以實現(xiàn)圓柱分度凸輪機構(gòu)參數(shù)的計算及工作輪廓點云數(shù)據(jù)的輸出；將點云數(shù)據(jù)輸入到CAD 軟件中，構(gòu)建圓柱分度凸輪的模型，利用PowerMill 中的SWARF 加工策略產(chǎn)生了圓柱分度凸輪的粗加工、半精加工和精加工的加工刀路，并利用通用的五軸數(shù)控機床模型對圓柱分度凸輪進(jìn)行了仿真加工，證實了利用圓柱分度凸輪計算軟件、通用的CAD/CAM 軟件及通用的數(shù)控機床設(shè)計加工自動換刀裝置用圓柱分度凸輪的方法是可行的、高效的。

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