基于Pro/E 5.0的圓柱凸輪多種建模方法及其多軸仿真加工研究

申鵬

摘要：圓柱凸輪是一個(gè)圓柱體上開有凹槽的構(gòu)件，其輪廓曲線是一條封閉的空間曲線且具較復(fù)雜的數(shù)學(xué)關(guān)系。其建模過程相對(duì)復(fù)雜，本文基于Pro/E5.0，研究了三種不同的建模方法，并進(jìn)行了四軸仿真加工，生成了數(shù)控加工的程序，為同類型零件建模和數(shù)控加工提供了參考依據(jù)。

Abstract： Cylindrical cam is a member with grooves on a cylinder， and its profile curve is a closed space curve and has a more complicated mathematical relationship. The modeling process is relatively complicated. Based on Pro/E5.0， this paper studies three different modeling methods， and carries out four-axis simulation processing， and generates a numerical control processing program for modeling and numerical control processing of the same type of parts. Provide reference basis.

關(guān)鍵詞：Pro/E 5.0;圓柱凸輪;建模;多軸;仿真加工

Key words： Pro/ENGINEER wildfire 5.0;cylindrical cam;modeling;multi-axis;simulation processing

中圖分類號(hào)：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）23-0128-03

0? 引言

凸輪分為盤型凸輪和圓柱凸輪，圓柱凸輪具有所占空間小、結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞力矩大等優(yōu)點(diǎn)，在各種小型機(jī)器中得到廣泛應(yīng)用。圓柱凸輪的輪廓曲線是一條封閉的空間曲線，采用傳統(tǒng)的方法很難獲得精確的輪廓數(shù)據(jù)以滿足數(shù)控編程的需要，這給加工制造帶來了很大困難[1-2]。為了克服這一難題，本文結(jié)合文獻(xiàn)[3]利用Pro/ENGINEER Wildfire 5.0研究了圓柱凸輪的包絡(luò)曲線建模方法、可變截面掃描建模方法、環(huán)形折彎建模方法三種不同的建模方法。同時(shí)利用該軟件對(duì)圓柱凸輪進(jìn)行了四軸仿真加工和數(shù)控程序的生成，為同類型零件建模和數(shù)控加工提供了參考依據(jù)。

1? 圓柱凸輪零件結(jié)構(gòu)分析

圓柱凸輪零件的零件圖形如圖1所示：其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在一個(gè)直徑尺寸為？覬100mm圓柱體上開有一個(gè)寬度為12mm深度為10mm的凹槽，該凹槽按照一定的規(guī)律緊密纏繞在圓柱體周圍。采用傳統(tǒng)方法完成該圓柱凸輪零件的建模和加工均存在一定的難度。因此，需要用一些特殊的方法。

2? 圓柱凸輪的三種建模方法

2.1 圓柱凸輪包絡(luò)曲線建模方法

在Pro/ENGINEER Wildfire 5.0軟件中，提供了一種通過將原有基準(zhǔn)曲線印貼到曲面上命令，即創(chuàng)建包絡(luò)（印貼）曲線，就像將貼花轉(zhuǎn)移到曲面上一樣?；鶞?zhǔn)曲線只能在可展開的曲面（如平面、圓錐面和圓柱面）上印貼。同時(shí)包絡(luò)曲線將保持原曲線的長(zhǎng)度。

經(jīng)過分析對(duì)比，圓柱凸輪的基本體圓柱直徑已知，可根據(jù)圓周長(zhǎng)公式：

計(jì)算得出該圓柱體外圓柱的周長(zhǎng)為100πmm，由于圓柱體高度尺寸為100mm，因此展開平面圖中的矩形尺寸應(yīng)為100πmm×100mm。根據(jù)展平面開圖中所標(biāo)注的尺寸以及A1、A2、A3、A4各點(diǎn)的角度值？茲Ai，可以按照比例換算確定其坐標(biāo)位置，換算公式如下：

例如A1點(diǎn)的角度值為64°，可按上述公式換算出A1點(diǎn)的縱坐標(biāo)值：XA1=55.85mm。

同理，A2、A3、A4各點(diǎn)的坐標(biāo)值分別為XA2=99.74mm、XA3=216.42mm、XA4=258.31mm。

根據(jù)上分析和尺寸，可在100πmm×100mm的矩形平面內(nèi)繪制出凹槽輪廓曲線S1，再利用Pro/ENGINEER Wildfire 5.0軟件的包絡(luò)曲線功能將曲線曲線S1包絡(luò)投影到外圓柱面上得到空間曲線S2。以此包絡(luò)曲線曲線S2為軌跡線，再繪制10mm×12mm的矩形作為截面，利用軟件的掃描（切口）命令，即可得到圓柱凸輪如圖2。

該方法建模基本步驟為：選擇一個(gè)繪圖平面，繪制圓？覬100mm→拉伸為？覬100mm×100mm圓柱體→選擇穿過圓柱體中心軸線的平面根據(jù)換算尺寸繪制圓柱凸輪凹槽輪廓展開曲線S1→在編輯菜單中選擇包絡(luò)命令，將曲線S1投影到圓柱體外圓面得到凹槽輪廓展開曲線空間曲線S2→利用掃描-切口命令選擇凹槽輪廓展開曲線空間曲線S2為掃引軌跡，繪制10mm×12mm的矩形作為截面得到圓柱凸輪→孔命令繪制？覬20通孔。注意事項(xiàng)如下：

①各點(diǎn)坐標(biāo)值的正確換算，否則無法精確繪制圓柱凸輪。②為防止運(yùn)用包絡(luò)曲線命令時(shí)選錯(cuò)圓柱面，？覬20通孔應(yīng)在最后繪制。

2.2 圓柱凸輪環(huán)形折彎建模方法

環(huán)形折彎（Toroidal Bend）命令是一種改變模型形狀的操作，它可以對(duì)實(shí)體特征、曲面和基準(zhǔn)曲線進(jìn)行環(huán)狀的折彎變形[4]。

因此，可在上述建模方法的基礎(chǔ)上，在100πmm×100mm的矩形內(nèi)繪制平面展開后的凹槽輪廓曲線S3，將矩形拉升高度50mm，得到一個(gè)長(zhǎng)方體T，利用掃描切口命令在該長(zhǎng)方體T上繪制凹槽的平面展開形狀，再利用環(huán)形折彎命令沿著C軸折彎360°即可繪制出圓柱凸輪。（圖3）

該方法建模基本步驟為：選擇一個(gè)繪圖平面，繪制100πmm×100mm的矩形→拉伸100π×100×50mm長(zhǎng)方體T→選擇長(zhǎng)方體表面為繪圖平面，根據(jù)換算尺寸繪制圓柱凸輪凹槽輪廓展開曲線S3→利用掃描-切口命令選擇凹槽輪廓展開曲線S3為掃引軌跡，繪制10mm×12mm的矩形作為截面得到圓柱凸輪凹槽平面展開形狀→在“插入”-“高級(jí)”中選擇“環(huán)形折彎”命令，在“參照”選項(xiàng)卡下勾選“實(shí)體幾何”，內(nèi)部定義“輪廓截面”時(shí)，添加坐標(biāo)系，使用移動(dòng)和調(diào)整確保坐標(biāo)系的X軸與草繪方向重合，折彎類型選擇“360°彎折”，選擇長(zhǎng)方體左右兩個(gè)端面得到圓柱凸輪→孔命令繪制？覬20通孔。注意事項(xiàng)如下：①各點(diǎn)坐標(biāo)值的正確換算，否則無法精確繪制圓柱凸輪。②使用環(huán)形折彎命令時(shí)， “參照”選項(xiàng)卡下勾選“實(shí)體幾何”，內(nèi)部定義“輪廓截面”時(shí)，添加坐標(biāo)系，使用移動(dòng)和調(diào)整確保坐標(biāo)系的X軸與草繪方向重合，折彎類型選擇“360°彎折”，否則不能正確繪制圓柱凸輪。③為防止運(yùn)用環(huán)形折彎命令時(shí)選錯(cuò)參照，？覬20通孔應(yīng)在最后繪制。

2.3 圓柱凸輪可變截面掃描建模方法

由于上述兩種建模方法在繪制圓柱凸輪凹槽輪廓線時(shí)，均需要按照比例換算出相關(guān)點(diǎn)的坐標(biāo)值，不能直接利用圖4中已有尺寸進(jìn)行繪制，增加了部分計(jì)算量。為了提高建模的效率，可充分利用Pro/ENGINEER Wildfire 5.0提供的函數(shù)關(guān)系式功能，繪制圓柱凸輪凹槽輪廓線時(shí)，無需換算尺寸，直接根據(jù)平面開圖中所給出的尺寸進(jìn)行繪制。在使用可變截面掃描時(shí)添加函數(shù)關(guān)系即可繪制出所需圓柱凸輪。

該方法建?；静襟E為：選擇一個(gè)繪圖平面，繪制兩個(gè)同心圓？覬100mm、？覬20mm→拉伸至高度為100mm的空心圓柱體→插入-模型基準(zhǔn)-圖形，添加坐標(biāo)系，根據(jù)零件圖平面展開所示注尺寸繪制圓柱凸輪凹槽輪廓展開曲線S4→利用可變截面掃描命令選擇圓柱體一個(gè)端面邊線為原點(diǎn)軌跡→點(diǎn)擊控制面板上的“草繪”，繪制10mm×12mm的矩形作為截面，同時(shí)點(diǎn)擊工具-關(guān)系，為尺寸S5添加函數(shù)關(guān)系：sd5=evalgraph（“cam”，trajpar*360）→移除材料得到圓柱凸輪。

注意事項(xiàng)如下：①根據(jù)零件圖平面展開所示注尺寸繪制圓柱凸輪凹槽輪廓展開曲線S4時(shí)，應(yīng)先插入坐標(biāo)系。②使用可變截面掃描命令選擇圓柱體一個(gè)端面邊線為掃引軌跡時(shí)， 不要按住CTRL選擇另外一個(gè)半圓弧，這樣系統(tǒng)并不能認(rèn)為這是原點(diǎn)軌跡。而是通過點(diǎn)擊“細(xì)節(jié)”，點(diǎn)擊“基于規(guī)則”-“相切”。

3? 圓柱凸輪四軸仿真加工

利用上述三種建模方法均可進(jìn)行圓柱凸輪零件的三維實(shí)體建模。由于圓柱凸輪零件的結(jié)構(gòu)特殊，傳統(tǒng)的普通設(shè)備已無法滿足設(shè)計(jì)精度要求。目前，圓柱凸輪主要是在多軸數(shù)控機(jī)床上通過聯(lián)動(dòng)的方式加工成形，數(shù)控程序的編制是圓柱凸輪加工的關(guān)鍵。利用Pro/ENGINEER Wildfire 5.0的制造功能，可完成凸輪零件的四軸仿真加工與自動(dòng)編程[5]。

主要步驟為，新建“制造文件”，選擇已經(jīng)建模完成的圓柱凸輪零件為參照模型，設(shè)置毛坯為？覬100mm×110mm圓柱體，將工件坐標(biāo)系原點(diǎn)設(shè)置在毛坯左端面中心處ACS1，設(shè)置機(jī)床類型為：銑削、四軸、使用旋轉(zhuǎn)輸出、旋轉(zhuǎn)軸A軸。在操作設(shè)置中，機(jī)床零點(diǎn)選為已設(shè)定的坐標(biāo)系A(chǔ)CS1，退刀曲面選擇球面，已完全包含圓柱凸輪為宜。NC序列選擇曲面銑削，加工軸為4軸，依次定義參數(shù)、曲面、四軸平面、定義切削。利用屏幕演示進(jìn)行仿真切削加工觀察刀軌，利用NC檢查借助VeryCut平臺(tái)觀看去除材料仿真加工演示。最終加工效果如圖5。仿真無誤后可在編輯—CL數(shù)據(jù)—輸出-NC序列，輸出數(shù)控程序。

4? 結(jié)論與展望

本文利用Pro/ENGINEER Wildfire 5.0的建模功能模塊，研究了圓柱凸輪的包絡(luò)曲線建模方法、可變截面掃描建模方法、環(huán)形折彎建模方法三種不同的建模方法。同時(shí)，結(jié)合相關(guān)數(shù)控技術(shù)利用該軟件的加工功能模塊對(duì)圓柱凸輪進(jìn)行了四軸仿真加工和數(shù)控程序的生成，為同類型零件建模和數(shù)控加工提供了參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]余晶.基于UG NX 的圓柱凸輪多軸加工方法的研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2017（06）.

[2]雷蔓，劉毅，孟泰，張濤，張玉平.正弦曲線圓柱凸輪的建模及其四軸數(shù)控加工[J].時(shí)代農(nóng)機(jī)，2017，44（07）.

[3]淮妮.直動(dòng)尖頂從動(dòng)件圓柱凸輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2017（08）.

[4]詹友剛.Pro/ENGINEER中文野火版5.0高級(jí)應(yīng)用教程[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[5]劉偉淋，程璋.圓柱凸輪的四軸聯(lián)動(dòng)加工與仿真技術(shù)[J].新技術(shù)新工藝，2015（01）.