CAD/CAM在機(jī)械制造業(yè)中應(yīng)用實(shí)例

張玲峻

（惠州商貿(mào)旅游高級職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東惠州 516003）

0 引言

某制造企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品其傳動(dòng)部分采用一組凸輪機(jī)構(gòu)，多為盤形凸輪，長期以來都是采用靠模法加工，由最初測繪，經(jīng)過多次手工修銼和裝機(jī)試驗(yàn)，得到一個(gè)相對理想的模型，以后加工就依靠模具、夾具、人工修銼等工藝，進(jìn)行靠模加工和修銼，最后把凸輪表面打磨光滑。這樣的結(jié)果是加工難度高，對操作工人技術(shù)水平要求高，加工周期長，精度低，廢品率高，不能滿足高效率、高精度的現(xiàn)代化生產(chǎn)需要。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和制造（CAM）技術(shù)的應(yīng)用以及數(shù)控機(jī)床和線切割設(shè)備的普及，為精確地繪制和加工盤形凸輪輪廓曲線提供了便捷方法。

1 凸輪工作分析

本文以其中一個(gè)凸輪為例作以說明。經(jīng)分析和觀察機(jī)器運(yùn)行情況，該凸輪從動(dòng)件的一個(gè)工作循環(huán)是：凸輪以逆時(shí)針方向回轉(zhuǎn)，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過20°時(shí)，從動(dòng)件上升；當(dāng)凸輪再轉(zhuǎn)過50°時(shí)，從動(dòng)件停留在最高位置不動(dòng)；當(dāng)凸輪又轉(zhuǎn)過140°時(shí)，從動(dòng)件下降退回原處；當(dāng)凸輪再轉(zhuǎn)過150°時(shí)，從動(dòng)件停留在最低位置不動(dòng)。

從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律如表1。

表1 從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律

然而該凸輪是一組凸輪中的一個(gè)，其與整機(jī)起始有80°角度差，由鍵槽定位，確定該凸輪在整機(jī)工作中的起始角度。因此將從動(dòng)件工作曲線角度位移80°，得出從動(dòng)件工作曲線示意如圖1。

圖1 從動(dòng)件工作曲線示意圖

2 凸輪曲線設(shè)計(jì)

因該凸輪原有靠模加工，且正在使用，因此對零件的相關(guān)運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等無需做太多的考慮。而凸輪曲線輪廓會(huì)對機(jī)器運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和精確度產(chǎn)生很大的影響，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量。對凸輪進(jìn)行再次設(shè)計(jì)及加工必須精確。

在凸輪設(shè)計(jì)中常用的凸輪曲線有：等速直線、等加速、等減速（拋物線）、余弦加速度（簡諧）、正弦加速度（擺線）等運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在設(shè)計(jì)凸輪時(shí)通常根據(jù)工作情況可以選擇一種曲線或?qū)追N曲線組合。在此機(jī)構(gòu)中，偏距e=0，從動(dòng)件升程與回程選擇簡諧運(yùn)動(dòng)（即余弦加速度運(yùn)動(dòng)曲線）規(guī)律，沖擊較小，適合于本機(jī)的中、高速傳動(dòng)[1]。凸輪逆時(shí)針勻速旋轉(zhuǎn)，已知升程h1=24 mm，回程h2=24 mm，從動(dòng)件為滾子，滾子半徑rt=15 mm，基圓半徑rb=76 mm，位移與轉(zhuǎn)角的方程為：

式中：S——凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件的位移；

h——從動(dòng)件升程或回程；

Φ——凸輪升程或回程運(yùn)動(dòng)角；

?——凸輪轉(zhuǎn)角。

即可分別得到二段位移與轉(zhuǎn)角的方程：

第一段為升程，升程運(yùn)動(dòng)角50°：

第二段為回程，回程運(yùn)動(dòng)角150°：

3 凸輪曲線繪制

方法一：利用上述方程式（1）、（2），每隔一定角度取值（?值取得愈小，算出的S值愈多，則繪制出的凸輪輪廓曲線愈精確，花的時(shí)間也相應(yīng)愈多)，計(jì)算出凸輪升降位移S的數(shù)據(jù)，位移S+基圓半徑rb，即可得到凸輪轉(zhuǎn)角與曲率半徑的對應(yīng)值[1]。凸輪為逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)AutoCAD軟件中的“樣條曲線”命令，在命令行中輸入已算出的對應(yīng)?角的位移S+基圓半徑rb值，畫出封閉的樣條線即為凸輪輪廓曲線。此方法繪出的凸輪曲線精確，但比較繁瑣。

方法二：用AutoCAD軟件，以S值24mm為直徑畫半圓，將該半圓等分（以10等分為例），用解析法畫出凸輪升程和回程的位移-轉(zhuǎn)角余弦曲線，如圖2。

圖2 位移-轉(zhuǎn)角線圖

按1∶1比例畫出半徑為76 mm基圓，分別在100°～150°升程部分和290°～80°回程部分將圓周10等分，再將圖3中不同高度的9條位移線分別“復(fù)制”在相應(yīng)的轉(zhuǎn)角端點(diǎn)，將該線段“旋轉(zhuǎn)”相應(yīng)角度，即沿徑向取值，用“樣條曲線”命令連接各跳線的端點(diǎn)即可得到凸輪的理論輪廓，因從動(dòng)件為滾子，滾子半徑rt=15 mm，用“偏移”命令，給出偏移的距離15（即滾子的半徑），將輪廓曲線向內(nèi)側(cè)偏移，偏移后升程和回程的二段曲線與高位停留和低位停留的二段圓弧連接處用“圓角”命令修整，既得到凸輪曲線的實(shí)際輪廓[4]，如圖3。

圖3 凸輪曲線

圖4 凸輪工藝簡圖

為保證凸輪安裝時(shí)起始角度的準(zhǔn)確，以保證機(jī)器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即該凸輪與整機(jī)的其他凸輪運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)一致，可由凸輪內(nèi)孔鍵槽定位，或用開邊凸輪，更有利于安裝和調(diào)整。凸輪的工藝簡圖如圖4。

4 凸輪加工制造

盤形凸輪的廓形曲線為二維曲線，采用數(shù)控銑床或線切割機(jī)床加工，其加工程序可采用通用的CAM軟件自動(dòng)編制。本文選用Mastercam軟件進(jìn)行加工程序編制。

4.1 CAD/CAM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

上述AutoCAD圖形文件格式為*.DWG。目前該軟件有多種版本，較高版本的*.DWG圖形文件不一定能被Mastercam軟件讀取，因此要先將Au?toCAD圖形文件存儲(chǔ)為AutoCAD2000以下的版本，便于Mastercam軟件讀取。

圖5 實(shí)體切削仿真圖

在Mastercam中，選“主菜單→文檔→轉(zhuǎn)換→Autodesk→讀取”命令[2]，選好要讀取的文件，按提示操作，就可將AutoCAD所繪制的凸輪曲線二維圖形文件轉(zhuǎn)換至Mastercam中。

4.2 加工代碼的生成

當(dāng)CAM軟件從CAD的圖形文件中成功讀取了凸輪輪廓曲線數(shù)據(jù)之后，就可以進(jìn)行加工程序編制。其過程如下。

（1）選擇“回主功能表→刀具路徑→外形銑削”命令[3]，“從刀具庫選取刀具”直徑為12mm,“銑削參數(shù)”設(shè)置零件上表面Z=0，加工深度由圖4可知為-14，確定后屏幕顯示刀具加工路徑。

（2）選擇“刀具路徑→操作管理”命令，用實(shí)體切削驗(yàn)證，實(shí)體切削仿真如圖5所示。

（3）完成刀具路徑生成的基礎(chǔ)上，按需要修改好粗、精加工工藝參數(shù)、進(jìn)退刀參數(shù)等，在“操作管理員”視窗中，單擊“執(zhí)行后處理”，系統(tǒng)將自動(dòng)生成數(shù)控加工程序（G代碼程序省略），通過與數(shù)控機(jī)床接口，將加工程序傳送給機(jī)床進(jìn)行加工（其余結(jié)構(gòu)加工制造過程略去。）

5 結(jié)束語

利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造CAD/CAM軟件和先進(jìn)的數(shù)控設(shè)備，來完成凸輪曲線的設(shè)計(jì)、校正、數(shù)據(jù)傳輸、加工，大大降低了傳統(tǒng)加工方法的復(fù)雜程度，降低對操作工人技術(shù)水平的要求，更好地保證凸輪的加工精度，提高生產(chǎn)效率，保證加工質(zhì)量。

［1］楊可楨，程光蘊(yùn)，李仲生.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)：第6版［M］.北京：高等教育出版社，2013.

［2］嚴(yán)烈.Mastercam9應(yīng)用基礎(chǔ)教程［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

［3］孫祖和.Mastercam9設(shè)計(jì)的制造范例解析［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［4］詹友剛.AutoCAD機(jī)械應(yīng)用教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.